關(guān)于塑造智慧城市的方案設(shè)計(jì)

垂直農(nóng)場(chǎng)向世人描繪了一副誘人的愿景：沒(méi)有使用殺蟲(chóng)劑的新鮮食物、產(chǎn)量的增加、用水量的減少、城市內(nèi)空置城區(qū)的合理利用等。要實(shí)現(xiàn)這一美好的愿景，需要對(duì)光照、溫度、用水和營(yíng)養(yǎng)輸送進(jìn)行精確地控制，這就涉及到大量的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，包括傳感器、機(jī)器人和數(shù)據(jù)分析。

垂直農(nóng)場(chǎng)的技術(shù)

金色的麥田在微風(fēng)中搖曳生姿，這是傳統(tǒng)農(nóng)場(chǎng)所展示的田園風(fēng)光，而垂直農(nóng)場(chǎng)則更像一個(gè)工廠（圖1）。這項(xiàng)技術(shù)正在迅速發(fā)生改變：商業(yè)垂直農(nóng)場(chǎng)是資金密集型產(chǎn)業(yè)，在啟動(dòng)之初便需要投入數(shù)百萬(wàn)美元，當(dāng)然，它還要面對(duì)來(lái)自溫室農(nóng)場(chǎng)及其他室內(nèi)農(nóng)場(chǎng)的激烈競(jìng)爭(zhēng)。

圖1：垂直農(nóng)場(chǎng)在工廠式的環(huán)境中使用技術(shù)來(lái)保證產(chǎn)品的質(zhì)量

從苗圃播種到收割，垂直農(nóng)場(chǎng)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的每一個(gè)環(huán)節(jié)都使用了技術(shù)，如圖2所：

圖2：技術(shù)可以協(xié)助改善室內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的每個(gè)環(huán)節(jié)

從自動(dòng)播種機(jī)到存放作物盆的苗圃機(jī)器人，大型室內(nèi)種植戶使用了各種各樣的自動(dòng)化設(shè)備。由于室內(nèi)農(nóng)業(yè)仍是小市場(chǎng)，目前鮮有專門(mén)的相關(guān)設(shè)備，所以，垂直農(nóng)場(chǎng)主通常采用來(lái)自其他行業(yè)的先進(jìn)技術(shù)。

氣候控制

加熱、通風(fēng)和空調(diào)(HVAC)系統(tǒng)通過(guò)控制溫度、濕度、二氧化碳(CO2)水平、空氣流動(dòng)和過(guò)濾等，可以為作物生長(zhǎng)創(chuàng)造最佳的環(huán)境。當(dāng)大氣中二氧化碳的濃度超過(guò)百萬(wàn)分之四百（400ppm）時(shí)，作物的生長(zhǎng)速度會(huì)更快：垂直農(nóng)場(chǎng)中，二氧化碳的濃度接近1000ppm。

氣候控制系統(tǒng)的控制范圍十分廣泛，從基本的風(fēng)扇和加熱器，到多功能控制系統(tǒng)，均有覆蓋。多功能控制系統(tǒng)還集成了最新的冷卻裝置、紅外線和紫外線殺菌技術(shù)。對(duì)于任何農(nóng)場(chǎng)，系統(tǒng)是否處于最佳狀態(tài)取決于以下幾個(gè)因素：當(dāng)?shù)氐姆ㄒ?guī)、農(nóng)場(chǎng)的規(guī)模、類型和位置、作物類型，當(dāng)然，還有預(yù)算。在篩選系統(tǒng)時(shí)，通常需要在資本支出(CapEx)和運(yùn)營(yíng)支出(OpEx)之間進(jìn)行一個(gè)權(quán)衡：造價(jià)高的系統(tǒng)往往更高效，運(yùn)營(yíng)成本也更低。

光照

傳統(tǒng)的農(nóng)場(chǎng)可以獲取充足的陽(yáng)光，相比之下，垂直農(nóng)場(chǎng)則使用人工照明來(lái)促進(jìn)作物更快地生長(zhǎng)，且其能源成本是預(yù)算中最大的項(xiàng)目之一。

通常，許多垂直農(nóng)場(chǎng)使用熒光燈照明，因?yàn)闊晒鉄粽彰飨鄬?duì)便宜，但是LED燈效率更高，即使是同樣的能量輸出，功耗也不過(guò)其60%。LED在技術(shù)上占有優(yōu)勢(shì)：其光亮可以進(jìn)行精確控制，且不會(huì)發(fā)射大量的紅外輻射(熱量)，還可以靠近作物放置以保持光吸收的最佳效果。LED是光譜和強(qiáng)度的最佳組合，使每一種作物能享有最節(jié)能的光合作用。

例如，日本的Mirai使用了17500個(gè)LED燈，為各種作物提供了生長(zhǎng)所需的精確波長(zhǎng)。據(jù)Mirai所述，新系統(tǒng)使功耗降低了40%，且產(chǎn)量提高了50%。

從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，由于有機(jī)LED(OLED)使用了有機(jī)化合物來(lái)生成光照，研究人員預(yù)測(cè)，其最終將成為一種更經(jīng)濟(jì)、更有效的選擇。

監(jiān)測(cè)和控制

由于垂直農(nóng)場(chǎng)是一個(gè)封閉的環(huán)境，農(nóng)場(chǎng)主采取了嚴(yán)格的措施來(lái)消滅害蟲(chóng)、花粉或病毒。這一預(yù)防措施同樣適用于人類：在進(jìn)入Mirai的“綠色房間”前，工人們必須先沐浴清洗，并換上已消毒的工作服。

垂直農(nóng)場(chǎng)并不將土壤作為將營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)傳輸至植物根部的媒介，而是使用：

水培法：作物生長(zhǎng)在營(yíng)養(yǎng)豐富的水盆里，或
霧培法：對(duì)作物的根部定期噴灑含有水分和養(yǎng)分的薄霧。

對(duì)于這兩種方法，操作人員都將對(duì)作物所有的宏觀和微量營(yíng)養(yǎng)元素進(jìn)行監(jiān)控(圖3)。與常規(guī)操作不同的是，作物蒸發(fā)到大氣中的水分并沒(méi)有流失。垂直農(nóng)場(chǎng)的空調(diào)系統(tǒng)可以恢復(fù)98%蒸發(fā)的水分。

圖3：垂直農(nóng)場(chǎng)控制著生長(zhǎng)過(guò)程的方方面面，從燈光的布置，到根系的營(yíng)養(yǎng)等均有覆蓋（來(lái)源：Aerofarms）

嚴(yán)格的監(jiān)測(cè)和控制可以收獲良好的效果：垂直農(nóng)場(chǎng)不必再使用殺蟲(chóng)劑、除草劑或殺真菌劑；且在18天內(nèi)便可以完成豐收，相比傳統(tǒng)的農(nóng)場(chǎng)，時(shí)間周期縮短了一半。而相比傳統(tǒng)的農(nóng)產(chǎn)品，垂直種植的作物含有更多的維生素和礦物質(zhì)：Mirai聲稱，他們所種植生菜的貝塔胡蘿卜素含量是傳統(tǒng)生菜的10倍多，維生素C、鈣、鎂的含量是傳統(tǒng)生菜的2倍。此外，生菜不需要進(jìn)行清洗便可以直接烹飪，且在烹飪時(shí)可以鎖住95%的營(yíng)養(yǎng)成分，而普通的生菜通常只能保持60%的營(yíng)養(yǎng)成分。

機(jī)器人

垂直農(nóng)場(chǎng)的下一個(gè)階段便是大幅削減成本，甚至減少人力投入，因此，機(jī)器人和無(wú)人機(jī)的投入量正與日俱增。在日本京都，SPREAD公司的“科技農(nóng)場(chǎng)”剛剛破土動(dòng)工。這個(gè)預(yù)計(jì)每天將生產(chǎn)3萬(wàn)棵生菜的工廠造價(jià)17500萬(wàn)美元，預(yù)計(jì)在2018年完工。

據(jù)TechInsider所述，該農(nóng)場(chǎng)將使用機(jī)器人進(jìn)行播種、灑水、修剪及收割，這些機(jī)器人類似于“全副武裝的傳送帶”。與其現(xiàn)有的Kameoka工廠相比，Techno農(nóng)場(chǎng)將使勞動(dòng)力成本削減50%，能源成本降低30%。

無(wú)人機(jī)可以替代大部分的人力，以進(jìn)行大面積區(qū)域的監(jiān)控。該行業(yè)的供應(yīng)商正在引進(jìn)一種輕型無(wú)人機(jī)，將適合監(jiān)測(cè)大型室內(nèi)農(nóng)場(chǎng)的作物生長(zhǎng)條件：如英特爾的AeroDrone，即一款無(wú)人機(jī)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，涵括無(wú)線控制器和英特爾的RealSense攝像頭。

大數(shù)據(jù)的作用

在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中，數(shù)據(jù)分析主要為農(nóng)民提供有關(guān)作物生長(zhǎng)的現(xiàn)有數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。這些信息通過(guò)儀器和設(shè)備直接獲取，或通過(guò)衛(wèi)星和GPS跟蹤系統(tǒng)間接獲取。數(shù)據(jù)指標(biāo)包括土壤質(zhì)量和濕度、降雨量、化肥和殺蟲(chóng)劑使用量及作物產(chǎn)量。

最先進(jìn)的垂直農(nóng)場(chǎng)則將數(shù)據(jù)收集和分析視作商業(yè)模式中的關(guān)鍵元素，并雇傭了許多數(shù)據(jù)科學(xué)家和工程師，其就如農(nóng)學(xué)家和植物生物學(xué)扮演的重要角色一樣。例如，Aerofarms在一個(gè)生長(zhǎng)周期中，對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行了1萬(wàn)多次的測(cè)量。該公司利用這些數(shù)據(jù)來(lái)提高產(chǎn)量和質(zhì)量，同時(shí)也降低了成本，使垂直農(nóng)場(chǎng)相比傳統(tǒng)農(nóng)場(chǎng)更具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

總結(jié)

垂直農(nóng)場(chǎng)在類似工廠的環(huán)境中，大量地使用技術(shù)來(lái)種植作物。就像傳統(tǒng)的生產(chǎn)線，工人和管理者監(jiān)控和控制作物生長(zhǎng)的各個(gè)方面，以最大限度地提高產(chǎn)量，并確保產(chǎn)品質(zhì)量的始終如一。數(shù)據(jù)的收集將在改善未來(lái)幾代“產(chǎn)品”的質(zhì)量方面發(fā)揮重要作用。

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