智能人工光植物工厂

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作者：（日）古在丰树著；缪剑华等译

出版社：科学出版社

本类榜单：家居/休闲游戏

分类：家居/休闲游戏 > 家庭园艺

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ISBN：9787030736277
装帧：一般胶版纸
册数：暂无
重量：暂无
开本：其他
页数：312
出版时间：2022-12-01
条形码：9787030736277 ; 978-7-03-073627-7

本书特色

本书可作为植物工厂效益分析及相关技术改进的参考书，或建设植物工厂的指导用书。

内容简介

本书是日本有名**学者古在丰树教授（ToyokiKozai）著作SmartPlantFactory:TheNextGenerationIndoorVerticalFarms的翻译版本，由广西壮族自治区药用植物园、云南农业大学、福建省中科生物股份有限公司与东华大学联合翻译。本书介绍了人工光植物工厂的概念、特征、发展现状、业务成果，以及LED光源与其他优选技术等内容，涵盖了人工光植物工厂研发和业务的各个方面。

目录
**篇当前和下一代植物工厂的特征
第1章人工光植物工厂的现状与智能人工光植物工厂003
1.1引言：食物、资源与环境的三大问题003
1.2人工光植物工厂的特征与主要组成部分005
1.3人工光植物工厂的现状006
1.4本书主要目的和大纲007
1.5下一代智能人工光植物工厂的构想008
1.6智能人工光植物工厂预期的*终功能009
1.7利用全球的技术加强本土的文化与技术009
1.8结论010
参考文献010
第2章人工光植物工厂：优势、问题和挑战011
2.1引言011
2.2人工光植物工厂实际的和潜在的效益011
2.3人工光植物工厂当前存在的问题014
2.4促进人工光植物工厂研发和商业发展的措施015
2.5智能人工光植物工厂面临的挑战016
2.6结论019
参考文献019
第3章当前栽培系统的方案、问题和潜在的改进办法021
3.1引言021
3.2营养液栽培系统021
3.3光源系统和光源性能026
3.4空气温度、VPD、CO2浓度及空气流速的设置参数027
3.5空调系统与空气循环027
3.6营养液的盐度调控与灭菌028
3.7平面布局029
3.8植物种类及品种030
3.9亟待解决的问题030
3.10结论032
参考文献033
第4章智能植物工厂的设计与控制034
4.1引言034
4.2控制模型035
4.3智能植物工厂的三个基本设计要素036
第5章依据成本绩效设计栽培系统模块（CSM）：迈向智能人工光植物工厂的一步038
5.1引言038
5.2提高成本绩效039
5.3生产率、生产成本和成本绩效041
5.4栽培系统模块（CSM）的定义043
5.5CSM-L中的工厂生产过程测量和控制046
5.6栽培室和栽培系统模块的空气流动048
5.7可扩展人工光植物工厂的CSM-L的基本设计概念049
5.8结论053
参考文献053
第二篇植物工厂近期发展与业务成果
第6章效率、生产力和利润率的业务计划057
6.1引言057
6.2运行效率058
6.3业务计划表059
6.4如何分析和利用“业务计划表”中的数据068
6.5运营过程的生产效率069
6.6如何实现业务盈利071
6.7生产效率和利润率072
6.8工时生产效率和利润率075
6.9效率及生产力与利润率的相关性076
6.10资金筹集的敏感性和风险分析077
6.11结论077
参考文献078
第7章可再生能源使植物工厂更加“智能化”079
7.1引言：可再生能源作为商品的全球价格波动079
7.2智能植物工厂的智能能源080
7.3实验计算081
7.4结论081
第8章用于大规模生产的室内农业概念082
8.1引言082
8.2影响植物生长的因子083
8.3室内条件下的蒸腾作用083
8.4我们在室内农场中真的需要远红光吗？084
8.5植物平衡085
8.6大规模生产设施087
8.7未来发展087
参考文献087
第9章生产过程管理系统——以SAIBAIX为例089
9.1引言089
9.2系统描述090
9.3人工光植物工厂的状态及速率变量的测量091
9.4在线评估资源使用效率和成本绩效092
9.5间接测量植物指标的手段（相机图像）094
9.6生产管理过程的可视化095
9.7建模、多元分析和大数据挖掘096
9.8商业应用示例097
9.9结束语098
参考文献098
第10章空气分配及其均匀性099
10.1引言099
10.2人工光植物工厂中的通风/分配系统102
10.3空气分配系统评估105
参考文献107
第三篇对光合作用、LED、相关单位和术语的再认识
第11章重新认识光合作用和LED的基本特性111
11.1引言111
11.2叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素的吸收光谱111
11.3单叶的作用光谱和量子产额谱112
11.4人工光植物工厂中植物冠层的作用光谱114
11.5发光二极管（LED）117
11.6结论119
参考文献119
第12章重新审议光和营养液的术语和单位121
12.1引言121
12.2光121
12.3营养液125
12.4结论127
参考文献128
第四篇LED光源的研究进展
第13章宽谱白光LED未来在植物工厂中的应用131
13.1引言131
13.2单色LED组合促进植物生长132
13.3宽谱白光LED的有效性133
13.4LED用于植物栽培的注意事项137
13.5通往PFAL未来之路的步骤138
参考文献139
第14章利用LED光照技术调控植物生长发育和形态建成141
14.1引言141
14.2光合作用141
14.3形态和其他响应143
14.4新型照明技术145
参考文献148
第15章暗期干扰的光质与光质转换对花卉形态发生与开花的影响150
15.1引言150
15.2暗期干扰光质对花卉植物形态发生、开花调控的影响151
15.3暗期干扰光质转换对菊花形态发生和开花的影响156
15.4结论158
参考文献159
第五篇未来将应用到智能植物工厂的先进技术
第16章农业机械化的商业模式165
16.1引言165
16.2农业机械化165
16.3基于生产数据的精准农业167
16.4结论167
参考文献167
第17章城市农场作物增产能耗的量化模型研究168
17.1引言168
17.2城市闲置空间169
17.3城市水培农场的资源需求171
17.4模拟模型在城市一体化农业中的作用174
17.5都市综合农场模型177
参考文献191
第18章植物工厂在番茄育种和高产中的应用196
18.1引言196
18.2在育种中的应用197
18.3高架番茄生产197
参考文献202
第19章植物工厂分子育种：方法与技术203
19.1引言203
19.2人工调控环境下的植物理想性状204
19.3基因工程与作物育种206
19.4植物遗传修饰的目标基因207
19.5基因工程综合途径的开发209
19.6高密度种植优质作物212
19.7培育高价值作物213
19.8展望216
参考文献216
第20章高附加值植物的生产219
20.1引言219
20.2高附加值植物的分类219
20.3园艺作物中的功能性化合物（植物化学物质）220
20.4药用植物222
20.5转基因植物的药用和功能蛋白生产228
20.6附加信息：涉及人工光植物工厂的新项目232
参考文献234
第21章草药和食品添加剂的化学研究238
21.1引言238
21.2与药用植物有关的问题238
21.3草药中的活性成分239
21.4不可持续的植物采收240
21.5药用植物栽培242
21.6植物化学与植物工厂242
21.7药用植物化学分析243
21.8草药参考标准245
21.9结论245
参考文献246
第22章植物工厂生物节律的监测与应用248
22.1引言248
22.2利用叶绿素荧光的生物节律进行幼苗诊断248
22.3基于生物节律的高通量生长预测系统250
22.4使用分子时刻表方法检测转录组生物节律253
22.5植物生物节律的控制256
22.6结论258
参考文献258
第23章利用RGB图像自动监测植物生长和开花动态260
23.1引言260
23.2室外条件下的计算机视觉技术260
23.3未来植物工厂可能使用的图像分析技术264
23.4结论和讨论264
参考文献265
第24章水培系统中营养液成分的控制267
24.1引言267
24.2目前水培营养液控制的不足267
24.3水培营养液中的离子特异性控制268
24.4根系呼吸速率和根鲜重271
24.5结论272
参考文献272
第25章人工光植物工厂中基于表型与人工智能的环境控制与育种273
25.1引言：项目背景273
25.2研究目标274
25.3基于表型与AI的智能人工光植物工厂的主要研究主题275
25.4研究成果的开发275
25.5结论：基于表型与人工智能的人工光植物工厂的可持续发展的未来展望276
参考文献278
第26章队列研究在植物工厂中的应用279
26.1引言279
26.2人工光植物工厂数据的透明化、共享化与社会化280
26.3社会科学中的队列或纵向研究280
26.4队列研究中的植物：关注生长周期中的每个植物个体280
26.5植物性状变化的原因和对这些原因的分析283
26.6栽培系统模块（CSM）所需的应用软件291
26.7结论292
参考文献292
第27章结束语293
27.1引言293
27.2人工光植物工厂的初期建造成本和运营成本非常高吗？293
27.3人工光植物工厂对小规模种植户有用吗？294
27.4人工光植物工厂在任何地区都有其自身的价值296
27.5人工光植物工厂有助于实现联合国制定的可持续发展目标（SDGs）297
27.6结论298
参考文献298

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节选

**篇当前和下一代植物工厂的特征　　第1章人工光植物工厂的现状与智能人工光植物工厂　　Toyoki Kozai 著　　万斯，缪剑华，郭晓云，韦坤华译　　摘要：本章讨论了人工光植物工厂（plant factory with arti.cial lighting，PFAL）在解决食物、资源与环境三大问题中的重要性，描述了人工光植物工厂的定义及主要组成部分，简要介绍了世界上人工光植物工厂的数量、生产成本，产品生产批发价及适合人工光植物工厂种植的植物。另外，还介绍了撰写本书的主要目的，并讨论了下一代智能人工光植物工厂的构想及预期的*终功能。　　关键词：全球技术；本土技术；人工光植物工厂；智能人工光植物工厂；三大问题　　1.1 引言：食物、资源与环境的三大问题　　1.1.1 人工光植物工厂在解决三大问题中的作用　　目前，人类正面临着三个无可替代、同等棘手且需要并行解决的问题：①食物供给短缺和（或）不稳定；②资源短缺；③环境退化（图1.1）。随着城市人口的持续增长和（或）农业人口的老龄化，这三大问题不仅在地区、国家层面发生，而且将进一步发展成为全球性的问题。　　图1.1 人工光植物工厂被认为在解决食物、资源、环境三大问题中起到重大作用　　短缺的资源包括可耕种土地、灌溉用水、肥料、化石燃料及劳动力。环境退化包括土壤、大气和水的污染，土壤表面盐碱化、沙漠化，以及近期气候变化造成的干旱、高（低）温、强（弱）光照、暴雨、洪涝、强风及害虫传播。这些问题都导致了蔬菜市场价格的不稳定。　　为了解决食物、资源、环境这三大问题，人们需要开发基于全新理念的跨学科生产方式来大幅度提高食物的产量和质量，同时与现今的植物生产系统相比，这种新的生产方式能够大幅度地缓解资源消耗和环境退化。人工光植物工厂（PFAL）就是这样一种有望完成这个使命的系统（图1.2）。人工光植物工厂的优势包括资源利用效率高、单位面积年产量高、不施用杀虫剂、产出植物品质高等（Kozai et al.，2015）。目前需要解决的主要问题是高昂的初期投入、电费及劳务费。　　图1.2 人工光植物工厂的任务与目标　　下一代的智能人工光植物工厂有望显著降低初期投入与运营成本，从而同时解决食物、资源与环境的问题。　　生活在城市的人们每天要消耗大量的食物。与此同时，他们会产生大量的垃圾，包括 CO2、生物质垃圾、废水与热量。结果，为了保持干净的城市环境，大量的资源被用于处理这些垃圾（Despommier，2010）。这是食物、资源与环境三大问题中另外一个需要解决的方面。　　1.1.2 利用植物工厂减少城市地区的新鲜蔬菜损耗　　全世界每年为人类消费而生产的食物大约有1/3被浪费，数量约13亿吨，在各种食物中，浪费率*高的是蔬菜。在发展中国家，采后与处理环节造成的损耗占其总浪费量的40%，而在工业化国家，超过总浪费量40%的损耗发生在零售店与消费者层面。食物的损耗与浪费背后是一连串的资源消耗，这些资源包括水、土地、能源、劳动力、资金，而不必要的温室气体排放则加重了全球变暖与气候变化。新鲜蔬菜含水量约为90%，不仅质量重，在运输过程中还极易受损。因此，就近生产、就近消费（地产地销）是减少蔬菜损耗与节约资源的重要手段。　　1.1.3 城市地区产生的垃圾可作为植物生产的必需资源　　众所周知，绿色植物的生长依赖光合作用，而光合作用除了需要适当的温度，还需要水、 CO2、光能，以及由13种营养元素（包括 N、P、Ca和 Mg）组成的无机肥等资源。　　需要指出的是，城市地区产生的相当大的一部分垃圾在理论上可以转变为植物光合与生长的必需资源。城市排放的 CO2可用作光合作用的碳源；废水在经过正确处理之后，可比河水、湖水及地下水更干净，故可作为灌溉用水；生活垃圾（有机肥的原料）可通过特定微生物分解转变为无机肥；餐厅、写字楼和不同类型的工厂释放的热能（30～60℃）可作为热源用于冬天温室保温、食品与材料干燥等方面。因此，种植食品类植物等资源再利用方式可以显著减少城市地区资源消耗量与垃圾产量。　　人工光植物工厂生产中唯一不足且昂贵的资源是光能，需要利用灯具并消耗电能产生人工光补足。　　不过，城市地区夜间常有过剩的电能，价格通常低于白天，可以降低人工光植物工厂中用于光照与空调的花费。　　与使用荧光灯相比，人工光植物工厂的用电量与电费在使用发光二极管（light-emitting diode，LED）时减少了30%～40%或者更多。随着智能 LED光照系统的发展，这项费用会进一步降低。此外，利用自然能源如太阳能、风能、生物质能发电的成本也在逐年降低。人工光植物工厂，尤其是智能人工光植物工厂，就可以成为城市地区中一种资源节约型与环境友好型的高产量植物生产系统，并有望帮助解决食物、资源与环境三大问题。　　1.2 人工光植物工厂的特征与主要组成部分　　在多数亚洲国家，植物工厂同时包括人工光植物工厂和太阳光植物工厂（plant factory with solar lighting，PFSL）。由于太阳光植物工厂仅在本章1.2.2小节中有所述及讨论，故本书中“植物工厂”专指“人工光植物工厂（PFAL）”，不包括太阳光植物工厂。植物生产系统中，人工光植物工厂也被称为垂直农场（Despommier，2010）、室内农场或封闭式植物生产系统。　　1.2.1 人工光植物工厂的特征　　人工光植物工厂，而非智能人工光植物工厂，在本书中被定义为一类使用人工光源的封闭式植物生产系统（closed plant production system，CPPS；Kozai et al.，2015）。人工光植物工厂的栽培室（或培养室）有良好的隔热性与气密性，并且需要保持洁净。由于良好的气密性与隔热性，人工光植物工厂内部不受天气影响，只要控制单元经过良好的设计并正确运行，其环境便可控制在预期的设定值上。　　1.2.2 人工光植物工厂与太阳光植物工厂的区别　　由于人工光植物工厂栽培室的墙面是不透光、隔热且气密的，环境控制设备如加热器、遮光帘、隔热屏、防虫网及天花板风扇通风设备或蒸发降温系统都是不需要的。但是，太阳光植物工厂与环控温室内则需要这些控制设备。在人工光植物工厂中，灯具产生的热量需要利用空调制冷抵消，以保持空气温度在设定值，即便在冬天的夜晚也是如此。这意味着人工光植物工厂不需要加热系统。因此，人工光植物工厂的主要成本是光照和降温所需的电费，太阳光植物工厂的主要成本是加热、降温、防虫的消费，这二者的区别是环境控制的其中一个因素。其他因素在第2章中叙述。　　1.2.3 人工光植物工厂的主要组成部分　　人工光植物工厂栽培室的主要组成部分（或系统）列于表1.1中，并以图的形式展示在图1.3中（更多细节见 Kozai et al.，2015）。　　表1.1 商业化生产的典型人工光植物工厂的主要组成部分（或系统）（左列序号与图1.3中的序号一致）　　现在，大多数占地面积在5000 m2及以上的大规模人工光植物工厂都配备了自动进行播种、移栽、运输及包装操作的机器或设备。占地面积在1000 m2及以下的人工光植物工厂未装备自动化机器，而占地面积在1000～5000 m2的人工光植物工厂则是部分自动化的。因此，自动化技术并非人工光植物工厂的必要条件。在任何人工光植物工厂中，发现生理紊乱的叶片并将其去除（修剪）仍是靠人工操作的。工具或机器通常用于清理栽培板和栽培床，以及栽培室的地面，但这些操作也不是完全自动化的。　　图1.3 人工光植物工厂（PFAL）中的栽培室结构由8个主要部分（系统）组成。自动化机器未在图中展示。多数电能消耗在光照与空调系统。图中序号与表1.1中的一致。此图是 Kozai等（2015）所著文献第4章中图4.1的修订版　　1.3 人工光植物工厂的现状　　1.3.1 人工光植物工厂的数量估计　　截至2018年9月，粗略估计商业化生产的人工光植物工厂在日本超过200个，在中国台湾约100个，在全世界超过500个。中国、美国与韩国的人工光植物工厂数量自2015年来有显著增长。2013～2017年，多个人工光植物工厂在新加坡、巴拿马、蒙古国、俄罗斯、法国、越南、荷兰、印度、英国、马来西亚与一些包括阿联酋在内的中东国家建成。

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