植物工廠建設技術集成模式的分析范文

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摘要：植物工廠是設施農業發展的最高級階段，因其技術系統復雜、建設要求特殊等原因，傳統的建設技術管理模式不能很好地適應植物工廠高水平發展的需要。本文作者在對國內外典型植物工廠建設管理模式比較分析的基礎上，總結提煉了植物工廠建設技術的新思路，提出了在業主方自行管理模式的框架基礎上，基于項目總承包模式，應用信息共享協同理論，構建以專家團隊為導向的建設技術集成管理模式。最后，結合浙江大學植物工廠項目建設的實際，對該模式的應用進行了分析討論。

關鍵詞：植物工廠；建設管理；集成模式；應用

植物工廠是設施農業發展的最高級階段，是集成生物技術、信息技術、工程技術等先進技術的資源高效利用型農業生產方式。典型的植物工廠是指在全封閉條件下，智能調控植物生長所需的溫度、光照、濕度、CO2濃度以及營養液等環境條件，使作物擺脫或基本擺脫自然條件的制約，實現農業超高效和可持續發展。隨著植物工廠技術的快速發展，不遠的未來將會實現在荒漠、戈壁、海島、極寒地區等環境下進行封閉式作物生產，甚至在城市摩天大樓、航母、極地極端條件下等直接生產蔬菜等維持人類健康必需的作物[1]。因此，植物工廠是衡量一個國家農業科技水平的重要標志之一，其衍生的技術可廣泛應用于智慧農業、溫室自動化控制、設施農業、農業灌溉與農用水資源管理等，被認為是21世紀解決糧食安全、人口、資源、環境問題的重要途徑，也是未來航天工程、月球和其他星球探索，以及極地探索過程和嚴寒地區中實現食物特別是蔬菜自給的重要手段。近二十年來，世界各國政府和大型企業投入了大量資金支持植物工廠相關技術的研發，在植物工廠的關鍵技術領域取得了系列突破，如LED植物節能光源、光溫耦合節能環境控制、營養液立體多層栽培、物聯網智能控制等技術，為植物工廠的規模化和產業化應用提供了重要的技術支撐[2-3]。植物工廠建設由此進入了快速發展期，數量迅速增加，規模逐漸加大。截至2015年日本已建成人工光型植物工廠185座，荷蘭則建設了大量太陽光型植物工廠，韓國近十年內推出了10多個型號的植物工廠產品,中國通過引進吸收和自主創新等手段，近十年內也建設了80余座植物工廠[4]。然而，植物工廠建設過程中也面臨諸多難題，如設計方案系統性較差、建設成本居高不下、建成后運行成本高昂等。雖然許多專家學者對相關技術開展了大量研究，但很少關注植物工廠建設技術的集成研究，在實際建設過程中主要參考傳統生產型溫室或一般工業、民用建筑的管理模式，導致建設效果往往不能達到預期目標，建成之后無法發揮植物工廠的優勢。因此針對植物工廠項目建設的特殊專業要求，構建建設技術管理模式，總結植物工廠建設技術的新思路、新模式，對未來植物工廠建設發展具有重要意義。

1植物工廠建設的特殊性及其建設模式分析

1.1植物工廠建設的特殊性植物工廠作為一類高新技術集成的高效農業生產系統，包含了基礎結構、外圍護、營養液循環與控制、內環境控制、立體水耕栽培、人工光源、計算機智能控制等系統。這些系統涉及了農業工程、計算機科學與工程、光學工程、控制科學與工程、生物環境工程、園藝學等眾多學科的專業知識和技術能力，目前在國內外沒有一家設計單位、咨詢公司或者總承包公司有能力獨立完成全方位、全過程的設計與建設。而且，植物工廠目前在國內外還沒有統一的建設標準，給設計和施工帶來了巨大挑戰。因此，為實現高水平設計和高標準建設有效融合，必須突出專家團隊對植物工廠建設全過程的主導地位，在現有基礎上構建一套行之有效的建設技術集成模式，這對未來植物工廠發展尤為重要。

1.2植物工廠建設管理的主要模式建設管理模式是指一個農業設施項目建設中的業主與建設方之間所形成的各種關系的總和，通常一個農業設施的建設管理模式定義了各參與單位的角色和責任，一般包括設計、采購、施工等各環節和階段相關參與單位的職責[5]。農業設施建設的管理模式，主要有建設者自行管理和委托咨詢公司管理兩大類，各自特點見表1。由表1可見，在植物工廠等農業設施建設自行管理的模式中，高等院校、科研院所、農業高科技園區經營主體等業主依靠自有管理資源對工程項目進行自我管理，這種模式比較容易實現復雜農業設施工程的建設目標，但由于建設者對植物工廠等農業設施工程的設計、采購、施工等環節缺乏專業知識，容易陷入被動。而委托管理模式的情況則可能出現相反的情況，可能由于在設施、采購和施工中偏重于節省成本，最后導致植物工廠等農業高科技設施項目在運行中成本偏高，降低了項目運行的經濟和科技效益。因此，現階段比較理想的模式是兩者融合進行。

2國內外植物工廠建設管理模式的比較分析

日本有關學者于1974年開始開展植物工廠建設的有關研究，植物工廠的研發目標并不是提供人工氣候室類型的科學研究環境條件，而是以全人工條件下產出10倍以上單位面積的作物產量為目標[6]。在人工光型植物工廠的技術研發和建造水平方面日本已處于世界領先地位，在太陽光型植物工廠的研發和產業化方面則是荷蘭實力最強。為了深入了解國外發達國家的植物工廠建設管理模式，課題組實地考察了日本富士電機植物工廠和荷蘭瓦赫寧根大學植物工廠。而我國的植物工廠發展時間較短，大多數還處于科研、試驗、示范階段。為深入了解國內植物工廠建設管理情況，課題組也實地調研了北京京鵬植物工廠和南京湯山翠谷植物工廠建設情況，現將有關典型植物工廠的建設管理模式特點作一比較。從表2可以看出，4個典型的植物工廠項目建設均以業主自行管理為主，只有南京湯山翠谷植物工廠項目部分采用委托管理的建設模式，總體上也以業主自行管理為主。分析其原因，主要是目前國內外的咨詢公司多為常規的民用、工業建筑提供管理和服務，而針對植物工廠這一類高科技系統集成的新興事物，缺乏系統的了解和專業技術人才。在專家團隊的作用方面，4個項目由于業主可以劃分為大學和專業公司之間的區別，荷蘭瓦赫寧根大學植物工廠的建設中科研團隊的作用最強，他們系統深入地參與到設計、采購、建設的各個環節，為植物工廠在荷蘭的推廣發展積累了十分有益的經驗，也對推動荷蘭植物工廠的發展起到了積極的作用。日本富士電機植物工廠，業主方即是植物工廠的建設者，他們在植物工廠的建設管理過程中，積極引進園藝、計算機、農產品營銷等各方面的專業人才，確保植物工廠建成和投入生產的時效性，在園藝產品的生產和銷售方面具有顯著的競爭力，因而該公司的植物工廠整體設計能力、建設能力和市場競爭力均較強，也有力地推動了日本植物工廠的發展，公司也取得了良好的經濟效益。北京京鵬植物工廠建設試圖探索走日本富士電機植物工廠項目的模式，但由于國內植物工廠建設還處于科研探索的階段，各分項系統之間的協調性和穩定性還不夠理想。南京湯山翠谷植物工廠是農業園區主體型，建設植物工廠的目的主要是農業高科技示范，但建設者以及園區主體均比較缺乏專業人才，存在運行成本偏高的問題。我國目前建成的植物工廠大多承擔農業科研院校、農業企業開展植物工廠相關技術研究之功能，還沒有一家設計單位或者總承包單位有能力進行全方位、全過程的設計與建設。并且，植物工廠目前在國內外都還沒有統一的建設標準，也給植物工廠項目的設計和施工帶來了巨大挑戰。

3植物工廠建設技術集成管理新模式構建

鑒于目前我國植物工廠建設呈現出快速發展的趨勢，對于植物工廠建設急需一套比較具有參考價值的建設技術集成模式。課題組根據浙江大學植物工廠建設的實踐，提出以植物工廠建設和使用全周期管理為主線，以業主方自行管理模式框架為基礎，基于項目總承包模式，應用信息共享協同理論，構建以專家團隊為導向的建設技術集成管理模式。通過建立專家團隊導向的建設技術集成管理模式，解決植物工廠項目建設中專業技術力量薄弱、設計與施工分離等問題；利用信息共享協同理論對該模式進行機制設計和流程優化，實現專家團隊在植物工廠建設管理中的主導作用，保證植物工廠建設目標的實現。

3.1組建專家團隊在組建植物工廠專家團隊時可根據植物工廠項目的建設目標及系統組成，邀請計算機科學與工程、建筑土木工程、控制科學與工程、光學工程、生物環境工程、農業工程、農業機械工程、農業電氣化與自動化、植物營養學、園藝學等多學科專家與業主代表共同組成專家團隊，負責植物工廠項目全過程的設計、建設與管理。專家團隊作為該模式中最重要的關鍵點，從植物工廠項目立項開始就介入項目建設。在項目立項決策、規劃設計、招投標階段，專家團隊作為業主專業技術顧問角色參與其中，提供技術支持；在施工管理、竣工驗收、試運行階段，專家團隊作為業主代表，與監理工程師一起，對各自專業領域系統內技術參數實現、施工質量、進度進行監督和管理，特別是各個施工環節對于事關植物工廠整體目標的影響進行指導和監督，還作為技術顧問角色對施工管理、竣工驗收及試運行等過程出現的問題提出指導意見，并進行優化設計。

3.2搭建信息共享平臺植物工廠是一個新興事物，可借鑒或者重復案例非常少，所以在植物工廠建設過程中，邊施工邊修改設計的情況普遍存在。因此建立由業主牽頭，專家團隊、監理、施工總承包單位、設備供應單位、分包單位等相關負責人組成的植物工廠建設工作小組尤為重要，利用QQ、微信等網絡工具搭建信息共享工作平臺。各參建單位均可以在平臺中發表信息，發揮各參建單位自身專業優勢，合理配置資源、優化建設設計；同時基于信息共享平臺進行項目信息管理，關聯與項目有關的各類數據，實現對工程項目的實時控制，也為各參建單位調整計劃、控制變更，及時提供參考。

4實際應用———以浙江大學植物工廠建設項目為例

4.1植物工廠建設集成管理模式的組織結構以浙江大學“人工光植物工廠技術集成研究”（“863”項目）項目組成員為基礎，由業主農業科技園管委會牽頭，整合與植物工廠技術直接相關的計算機科學與工程、建筑土木工程、控制科學與工程、光學工程、生物環境工程、農業工程、農業機械工程、農業電氣化與自動化、植物營養學、園藝學等多學科專家組成植物工廠專家團隊，相互協作，完成植物工廠項目的全過程設計、建設與管理。

4.2新模式的實施應用

4.2.1項目規劃設計針對浙江大學植物工廠建設目標，專家團隊經過反復討論研究，提出了植物工廠各系統的技術標準和參數要求，并充分論證了各系統聯動運行的可行性及可靠性。

4.2.2項目建設管理浙江大學植物工廠由萊福兄弟溫室制造(上海)有限公司承擔建設。在項目建設以前，專家團隊各領域專家會同勘察單位、監理單位、專業分包單位、材料設備供應單位以及總承包人的管理人員、設計人員、現場施工人員等對植物工廠項目所有系統施工工作的進行分解研究，形成工作分解結構圖，明確每項工作的性質、工作內容、資源要求，并確定相應的負責人。在建設過程中，專家團隊作為業主代表，與監理單位一起，對各自專業領域系統內工程施工質量、進度進行監督及管理進行分析，保證工程質量及施工進度，并對施工過程出現的問題予以指導解決或者優化設計。4.3實際應用成效分析通過該管理模式的實施，浙江大學建成了工程質量優良、技術領先、設施先進的植物工廠。

4.3.1創新運行機制，解決專業技術難題組建植物工廠項目專家團隊，充分發揮其在項目建設與管理過程中的主導作用，各領域的專家運用其專業知識和技術特長，彌補業主方、總承包者在植物工廠項目技術方面的不足。專家團隊在項目策劃、規劃設計、工程施工、竣工驗收、試運行各階段均發揮了重要作用，為植物工廠項目按期、保質建成提供了極其重要的技術支撐。

4.3.2暢通協調機制，搭建信息共享平臺專家團隊在項目建設過程中處于主導地位，綜合運用技術和經濟手段，較好地協調了工程總承包單位、勘察單位、監理單位、專業分包單位、設備材料供應單位等參建單位的相關關系；利用網絡技術搭建信息共享平臺，各參建單位均積極發揮各自專業優勢，在植物工廠這個項目建設中合理配置資源、優化施工設計，實現了建設成本最小化和功能最優化。

4.3.3保證建設質量，嚴控施工過程管理在專家團隊的帶領下，項目施工過程中各參建單位根據已形成的植物工廠項目施工工作分解結構圖進行各自范圍的質量嚴控，也有助于業主單位對于整個的工作范圍、成本、進度和質量進行計劃和控制，提高管理效率；基于工作分解結構圖，便于業主單位第一時間發現影響項目工期、質量和費用的施工節點以及該系統施工負責人，及時進行設計、施工調整，保證項目的按期完成。

5結論與展望

近年來，植物工廠受到學術界和科技企業界的熱切關注，可能為我國實施鄉村振興戰略提供全新的模式和思路。由于植物工廠的建設涉及多學科、多領域的知識和技術，尚處于“邊研究邊建設”階段，建設技術集成管理模式研究非常缺乏，根據植物工廠項目建設的特殊性要求，進行建設管理模式的創新，對于提升植物工廠項目建設管理水平和運行效果具有重大意義。據此，本文作者提出了構建一種以專家團隊為導向的建設技術集成管理模式，預期對推動未來植物工廠建設起到較好的借鑒作用。浙江大學植物工廠項目的建設已經產生了良好的經濟和社會效益。單位面積的蔬菜生產能力約為普通裸地的7倍左右，而且具有蔬菜產品有機和絕對無農藥殘留的優勢，每年有2000多名國內外農業科技人員和專家學者前往考察交流，也為提升浙江省現代設施農業的發展提供了新的發展機遇。

參考文獻

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[5]王學通,謝壁林,陸文欽.工程項目管理模式決策研究綜述[J].工程管理學報，2013，27（4）：67-71.

作者：吳正輝；孔德棟；黃沖平；俞洪良 單位：浙江大學農業試驗站