植物工厂建设技术集成模式的分析范文

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摘要：植物工厂是设施农业发展的最高级阶段，因其技术系统复杂、建设要求特殊等原因，传统的建设技术管理模式不能很好地适应植物工厂高水平发展的需要。本文作者在对国内外典型植物工厂建设管理模式比较分析的基础上，总结提炼了植物工厂建设技术的新思路，提出了在业主方自行管理模式的框架基础上，基于项目总承包模式，应用信息共享协同理论，构建以专家团队为导向的建设技术集成管理模式。最后，结合浙江大学植物工厂项目建设的实际，对该模式的应用进行了分析讨论。

关键词：植物工厂；建设管理；集成模式；应用

植物工厂是设施农业发展的最高级阶段，是集成生物技术、信息技术、工程技术等先进技术的资源高效利用型农业生产方式。典型的植物工厂是指在全封闭条件下，智能调控植物生长所需的温度、光照、湿度、CO2浓度以及营养液等环境条件，使作物摆脱或基本摆脱自然条件的制约，实现农业超高效和可持续发展。随着植物工厂技术的快速发展，不远的未来将会实现在荒漠、戈壁、海岛、极寒地区等环境下进行封闭式作物生产，甚至在城市摩天大楼、航母、极地极端条件下等直接生产蔬菜等维持人类健康必需的作物[1]。因此，植物工厂是衡量一个国家农业科技水平的重要标志之一，其衍生的技术可广泛应用于智慧农业、温室自动化控制、设施农业、农业灌溉与农用水资源管理等，被认为是21世纪解决粮食安全、人口、资源、环境问题的重要途径，也是未来航天工程、月球和其他星球探索，以及极地探索过程和严寒地区中实现食物特别是蔬菜自给的重要手段。近二十年来，世界各国政府和大型企业投入了大量资金支持植物工厂相关技术的研发，在植物工厂的关键技术领域取得了系列突破，如LED植物节能光源、光温耦合节能环境控制、营养液立体多层栽培、物联网智能控制等技术，为植物工厂的规模化和产业化应用提供了重要的技术支撑[2-3]。植物工厂建设由此进入了快速发展期，数量迅速增加，规模逐渐加大。截至2015年日本已建成人工光型植物工厂185座，荷兰则建设了大量太阳光型植物工厂，韩国近十年内推出了10多个型号的植物工厂产品,中国通过引进吸收和自主创新等手段，近十年内也建设了80余座植物工厂[4]。然而，植物工厂建设过程中也面临诸多难题，如设计方案系统性较差、建设成本居高不下、建成后运行成本高昂等。虽然许多专家学者对相关技术开展了大量研究，但很少关注植物工厂建设技术的集成研究，在实际建设过程中主要参考传统生产型温室或一般工业、民用建筑的管理模式，导致建设效果往往不能达到预期目标，建成之后无法发挥植物工厂的优势。因此针对植物工厂项目建设的特殊专业要求，构建建设技术管理模式，总结植物工厂建设技术的新思路、新模式，对未来植物工厂建设发展具有重要意义。

1植物工厂建设的特殊性及其建设模式分析

1.1植物工厂建设的特殊性植物工厂作为一类高新技术集成的高效农业生产系统，包含了基础结构、外围护、营养液循环与控制、内环境控制、立体水耕栽培、人工光源、计算机智能控制等系统。这些系统涉及了农业工程、计算机科学与工程、光学工程、控制科学与工程、生物环境工程、园艺学等众多学科的专业知识和技术能力，目前在国内外没有一家设计单位、咨询公司或者总承包公司有能力独立完成全方位、全过程的设计与建设。而且，植物工厂目前在国内外还没有统一的建设标准，给设计和施工带来了巨大挑战。因此，为实现高水平设计和高标准建设有效融合，必须突出专家团队对植物工厂建设全过程的主导地位，在现有基础上构建一套行之有效的建设技术集成模式，这对未来植物工厂发展尤为重要。

1.2植物工厂建设管理的主要模式建设管理模式是指一个农业设施项目建设中的业主与建设方之间所形成的各种关系的总和，通常一个农业设施的建设管理模式定义了各参与单位的角色和责任，一般包括设计、采购、施工等各环节和阶段相关参与单位的职责[5]。农业设施建设的管理模式，主要有建设者自行管理和委托咨询公司管理两大类，各自特点见表1。由表1可见，在植物工厂等农业设施建设自行管理的模式中，高等院校、科研院所、农业高科技园区经营主体等业主依靠自有管理资源对工程项目进行自我管理，这种模式比较容易实现复杂农业设施工程的建设目标，但由于建设者对植物工厂等农业设施工程的设计、采购、施工等环节缺乏专业知识，容易陷入被动。而委托管理模式的情况则可能出现相反的情况，可能由于在设施、采购和施工中偏重于节省成本，最后导致植物工厂等农业高科技设施项目在运行中成本偏高，降低了项目运行的经济和科技效益。因此，现阶段比较理想的模式是两者融合进行。

2国内外植物工厂建设管理模式的比较分析

日本有关学者于1974年开始开展植物工厂建设的有关研究，植物工厂的研发目标并不是提供人工气候室类型的科学研究环境条件，而是以全人工条件下产出10倍以上单位面积的作物产量为目标[6]。在人工光型植物工厂的技术研发和建造水平方面日本已处于世界领先地位，在太阳光型植物工厂的研发和产业化方面则是荷兰实力最强。为了深入了解国外发达国家的植物工厂建设管理模式，课题组实地考察了日本富士电机植物工厂和荷兰瓦赫宁根大学植物工厂。而我国的植物工厂发展时间较短，大多数还处于科研、试验、示范阶段。为深入了解国内植物工厂建设管理情况，课题组也实地调研了北京京鹏植物工厂和南京汤山翠谷植物工厂建设情况，现将有关典型植物工厂的建设管理模式特点作一比较。从表2可以看出，4个典型的植物工厂项目建设均以业主自行管理为主，只有南京汤山翠谷植物工厂项目部分采用委托管理的建设模式，总体上也以业主自行管理为主。分析其原因，主要是目前国内外的咨询公司多为常规的民用、工业建筑提供管理和服务，而针对植物工厂这一类高科技系统集成的新兴事物，缺乏系统的了解和专业技术人才。在专家团队的作用方面，4个项目由于业主可以划分为大学和专业公司之间的区别，荷兰瓦赫宁根大学植物工厂的建设中科研团队的作用最强，他们系统深入地参与到设计、采购、建设的各个环节，为植物工厂在荷兰的推广发展积累了十分有益的经验，也对推动荷兰植物工厂的发展起到了积极的作用。日本富士电机植物工厂，业主方即是植物工厂的建设者，他们在植物工厂的建设管理过程中，积极引进园艺、计算机、农产品营销等各方面的专业人才，确保植物工厂建成和投入生产的时效性，在园艺产品的生产和销售方面具有显著的竞争力，因而该公司的植物工厂整体设计能力、建设能力和市场竞争力均较强，也有力地推动了日本植物工厂的发展，公司也取得了良好的经济效益。北京京鹏植物工厂建设试图探索走日本富士电机植物工厂项目的模式，但由于国内植物工厂建设还处于科研探索的阶段，各分项系统之间的协调性和稳定性还不够理想。南京汤山翠谷植物工厂是农业园区主体型，建设植物工厂的目的主要是农业高科技示范，但建设者以及园区主体均比较缺乏专业人才，存在运行成本偏高的问题。我国目前建成的植物工厂大多承担农业科研院校、农业企业开展植物工厂相关技术研究之功能，还没有一家设计单位或者总承包单位有能力进行全方位、全过程的设计与建设。并且，植物工厂目前在国内外都还没有统一的建设标准，也给植物工厂项目的设计和施工带来了巨大挑战。

3植物工厂建设技术集成管理新模式构建

鉴于目前我国植物工厂建设呈现出快速发展的趋势，对于植物工厂建设急需一套比较具有参考价值的建设技术集成模式。课题组根据浙江大学植物工厂建设的实践，提出以植物工厂建设和使用全周期管理为主线，以业主方自行管理模式框架为基础，基于项目总承包模式，应用信息共享协同理论，构建以专家团队为导向的建设技术集成管理模式。通过建立专家团队导向的建设技术集成管理模式，解决植物工厂项目建设中专业技术力量薄弱、设计与施工分离等问题；利用信息共享协同理论对该模式进行机制设计和流程优化，实现专家团队在植物工厂建设管理中的主导作用，保证植物工厂建设目标的实现。

3.1组建专家团队在组建植物工厂专家团队时可根据植物工厂项目的建设目标及系统组成，邀请计算机科学与工程、建筑土木工程、控制科学与工程、光学工程、生物环境工程、农业工程、农业机械工程、农业电气化与自动化、植物营养学、园艺学等多学科专家与业主代表共同组成专家团队，负责植物工厂项目全过程的设计、建设与管理。专家团队作为该模式中最重要的关键点，从植物工厂项目立项开始就介入项目建设。在项目立项决策、规划设计、招投标阶段，专家团队作为业主专业技术顾问角色参与其中，提供技术支持；在施工管理、竣工验收、试运行阶段，专家团队作为业主代表，与监理工程师一起，对各自专业领域系统内技术参数实现、施工质量、进度进行监督和管理，特别是各个施工环节对于事关植物工厂整体目标的影响进行指导和监督，还作为技术顾问角色对施工管理、竣工验收及试运行等过程出现的问题提出指导意见，并进行优化设计。

3.2搭建信息共享平台植物工厂是一个新兴事物，可借鉴或者重复案例非常少，所以在植物工厂建设过程中，边施工边修改设计的情况普遍存在。因此建立由业主牵头，专家团队、监理、施工总承包单位、设备供应单位、分包单位等相关负责人组成的植物工厂建设工作小组尤为重要，利用QQ、微信等网络工具搭建信息共享工作平台。各参建单位均可以在平台中发表信息，发挥各参建单位自身专业优势，合理配置资源、优化建设设计；同时基于信息共享平台进行项目信息管理，关联与项目有关的各类数据，实现对工程项目的实时控制，也为各参建单位调整计划、控制变更，及时提供参考。

4实际应用———以浙江大学植物工厂建设项目为例

4.1植物工厂建设集成管理模式的组织结构以浙江大学“人工光植物工厂技术集成研究”（“863”项目）项目组成员为基础，由业主农业科技园管委会牵头，整合与植物工厂技术直接相关的计算机科学与工程、建筑土木工程、控制科学与工程、光学工程、生物环境工程、农业工程、农业机械工程、农业电气化与自动化、植物营养学、园艺学等多学科专家组成植物工厂专家团队，相互协作，完成植物工厂项目的全过程设计、建设与管理。

4.2新模式的实施应用

4.2.1项目规划设计针对浙江大学植物工厂建设目标，专家团队经过反复讨论研究，提出了植物工厂各系统的技术标准和参数要求，并充分论证了各系统联动运行的可行性及可靠性。

4.2.2项目建设管理浙江大学植物工厂由莱福兄弟温室制造(上海)有限公司承担建设。在项目建设以前，专家团队各领域专家会同勘察单位、监理单位、专业分包单位、材料设备供应单位以及总承包人的管理人员、设计人员、现场施工人员等对植物工厂项目所有系统施工工作的进行分解研究，形成工作分解结构图，明确每项工作的性质、工作内容、资源要求，并确定相应的负责人。在建设过程中，专家团队作为业主代表，与监理单位一起，对各自专业领域系统内工程施工质量、进度进行监督及管理进行分析，保证工程质量及施工进度，并对施工过程出现的问题予以指导解决或者优化设计。4.3实际应用成效分析通过该管理模式的实施，浙江大学建成了工程质量优良、技术领先、设施先进的植物工厂。

4.3.1创新运行机制，解决专业技术难题组建植物工厂项目专家团队，充分发挥其在项目建设与管理过程中的主导作用，各领域的专家运用其专业知识和技术特长，弥补业主方、总承包者在植物工厂项目技术方面的不足。专家团队在项目策划、规划设计、工程施工、竣工验收、试运行各阶段均发挥了重要作用，为植物工厂项目按期、保质建成提供了极其重要的技术支撑。

4.3.2畅通协调机制，搭建信息共享平台专家团队在项目建设过程中处于主导地位，综合运用技术和经济手段，较好地协调了工程总承包单位、勘察单位、监理单位、专业分包单位、设备材料供应单位等参建单位的相关关系；利用网络技术搭建信息共享平台，各参建单位均积极发挥各自专业优势，在植物工厂这个项目建设中合理配置资源、优化施工设计，实现了建设成本最小化和功能最优化。

4.3.3保证建设质量，严控施工过程管理在专家团队的带领下，项目施工过程中各参建单位根据已形成的植物工厂项目施工工作分解结构图进行各自范围的质量严控，也有助于业主单位对于整个的工作范围、成本、进度和质量进行计划和控制，提高管理效率；基于工作分解结构图，便于业主单位第一时间发现影响项目工期、质量和费用的施工节点以及该系统施工负责人，及时进行设计、施工调整，保证项目的按期完成。

5结论与展望

近年来，植物工厂受到学术界和科技企业界的热切关注，可能为我国实施乡村振兴战略提供全新的模式和思路。由于植物工厂的建设涉及多学科、多领域的知识和技术，尚处于“边研究边建设”阶段，建设技术集成管理模式研究非常缺乏，根据植物工厂项目建设的特殊性要求，进行建设管理模式的创新，对于提升植物工厂项目建设管理水平和运行效果具有重大意义。据此，本文作者提出了构建一种以专家团队为导向的建设技术集成管理模式，预期对推动未来植物工厂建设起到较好的借鉴作用。浙江大学植物工厂项目的建设已经产生了良好的经济和社会效益。单位面积的蔬菜生产能力约为普通裸地的7倍左右，而且具有蔬菜产品有机和绝对无农药残留的优势，每年有2000多名国内外农业科技人员和专家学者前往考察交流，也为提升浙江省现代设施农业的发展提供了新的发展机遇。

参考文献

[1]杨其长,徐志刚,陈弘达,等.LED光源在现代农业的应用原理与技术进展[J].中国农业科技导报，2011，13（5）：37-42.

[2]王君,杨其长,魏灵玲,等.人工光植物工厂风机和空调协调降温节能效果[J].农业工程学报，2013，29（3）：177-183.

[3]李东星,田真,王浚峰,等.植物工厂营养液循环再利用装备的研究应用[J].农业工程，2011，1（1）:46-51.

[4]杨其长.植物工厂现状与发展战略[J].农业工程技术,2016,36（10）:9-12.

[5]王学通,谢壁林,陆文钦.工程项目管理模式决策研究综述[J].工程管理学报，2013，27（4）：67-71.

作者：吴正辉；孔德栋；黄冲平；俞洪良 单位：浙江大学农业试验站