多场景中光波植物工厂的设计与应用硕士学位毕业论文 精品.docx

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多场景中光波植物工厂的设计与应用硕士学位毕业论文精品

硕士学位论文

多场景中光波植物工厂的设计与应用

摘要

随着农业生产力水平的提高，人们消费能力的增强，市场竞争愈加激烈，我国农业已经进入到一个新的发展阶段。

要彻底解决这些问题，必须从根本上转变农业生产方式，建立以资源高效利用和生态环境保护为基础的可持续农业生产体系，从而优化农业农村经济结构和增加农民收入，进而更好地满足消费者的需求。

“光波植物工厂”的生产实践虽然只有短短五年光景，但是已经取得了巨大的成就。

最早采纳光波植物工厂的地区多处于人多地少的环境中，例如日本、台湾省，多倾向于更经济的利用生产资料，谋求更大的生产效益。

由于我国现代化的农业科技的出现时间较晚，对新兴农业产业的研究才刚刚起步，理论研究更是滞后于实践发展的。

而对于光波植物工厂的深入分析，国内涉及甚少。

本研究的目的是通过分析光波植物工厂的自身特点和国内市场对光波植物工厂的需求，来探讨光波植物工厂在多场景中的设计与应用。

本研究选择对市场需求、产品技术、产品工业、产品服务和产品设计进行深化研究，同时使用针对部分潜在人群的访谈与针对消费者所进行的问卷调查法两种研究方法，来归纳提出光波植物工厂的未来的发展道路，力图对农业生产领域和实业方面提供帮助。

关键词：

光波植物工厂，服务设计，多场景

Abstract

Withtheimprovementofagriculturalproductivityandtheincreaseofpeople’sconsumingability,themarketcompetitionbecomesincreasinglyfierce,andChina'sagriculturehasenteredanewdevelopmentstage.Tosolvetheseproblems,itmustfundamentallychangetheagriculturalproductionmode,establishsustainableagriculturalproductionsystemsonthebasisoftheefficientuseofresourcesandtheenvironmentalprotection,andtherebyoptimizetheagriculturalandruraleconomicstructureandincreasepeasants’incomessoastobettermeetconsumers’demands.

Thoughthe“lightwaveplantfactory"productionpracticehasjustbeendoneforonly5years,ithasmadetremendousachievements.Theearliestadoptionof“lightwaveplantfactory"productionmodewasintheplacesofmorepeopleandlessland,suchasJapan,Taiwan,mostofwhereareinclinedtomoreeconomicalusethemeansofproductiontosearchforgreaterproductivity.InChina,themodernagriculturaltechnologyappearedverylate,theresearchontheemergingagriculturalindustrieshasjuststarted,andthetheoreticalstudywasseriouslylaggingbehindthepractice.Thedomesticin-depthanalysisof“lightwaveplantfactory"isespeciallylittle.

Thepurposeofthisstudyistoprobeintotheadvantagestoimport“lightwaveplantfactory"intoChina'smarketbyanalyzingthecharacteristicsandthedomesticmarketdemandsofthe“lightwaveplantfactory".Throughthein-depthstudyofthemarketdemand,producttechnology,productindustry,productserviceandtheproductdesignandtheadoptionofboththedepthinterviewmethodinallusiontothemanufacturerandthequestionnairesurveymethodinallusiontoconsumer,thethesisthenultimatelyputforwardthefuturedevelopmentofthe“lightwaveplantfactory"inChina,hopingthatitcangivesomehelptothedomesticagriculturalproductionandtheindustry.

KeyWords：

PlantFactory,ServiceDesign,DifferentScenes

图目录

表目录

第1章绪论

1.1课题背景

当前，我国农业已经进入到一个新的发展阶段。

随着温饱问题的基本解决，社会对农产品的需求日益转向多样化、优质化。

但随着形势的变化，人口增长与生态环境恶化的矛盾日益尖锐，突发性生态环境问题接踵而至。

特别是我国加入世贸组织后，农产品面临着国际市场的严峻挑战。

这样，就要求我们致力于农村经济的可持续发展，保留发展后劲，以促进我们这样一个农业大国的不断完善、进步。

要彻底解决这些问题必须从根本上转变农业生产方式，建立以资源高效利用和生态环境保护为基础的可持续农业生产体系，从而优化农业农村经济结构和增加农民收入，进而更好的满足消费者的需求。

目前我国的农业生产结构是以机械化生产为主，辅以传统的露天传统种植以及新兴的无土种植。

这三种生产方式虽然各自有自身的特点，但是在生产规模、产品质量、环境污染和产品利润等方面都有着自己的不足和缺陷。

露天传统种植虽然做到了精耕细作，产品污染小，但是农业部门结构较单一，生产规模较小，经营管理和生产技术仍较落后，抗御自然灾害能力差，农业生态系统功效低，商品经济较薄弱，基本上没有形成生产地域分工，难以满足整个社会的需求。

同时耕地减少、人口转移、农村劳动力迅速老年化，生产力后继无人，而城镇人口快速膨胀，蔬菜需求急剧增长，使得生产供应有巨大的潜在危机。

随后出现的大面积机械化种植，可以用相对较少的劳力与物质消耗获取最大的收益，极大地提高农业劳动生产率和经济效益，但是由于农药化肥污染，使得瓜菜质量普遍低劣，同时人们为了自身健康，对瓜菜品质提出更高的要求，追求无污染的绿色消费，大规模的机械化种植的产品越来越缺乏竞争力。

而现有的“无土栽培”一次性投资巨大，需要增添设备，并且操作困难、成本高昂并不适合我国的基本国情。

针对这一情况，近年来在日本、中国台湾以及澳大利亚等农业科技发达地区发展了一种新的农业科技即光波植物工厂，通过光波植物工厂的生产和建设从而为消费者提供定量定质定价格的农产品，从而适应市场多层次、多样化的需求，发展无公害农产品、绿色食品和有机食品。

新兴的植物工厂不仅保护生态环境，而且促进农业生产和农村经济持续高效发展，是农业和农村经济结构战略性调整的有效途径之一，因此在我国应该得到重视和发展。

1.2国内外研究现状

对于植物工厂的研究在上世纪90年代开始迅猛的发展，与许多新兴产业不同的是最早对植物工厂研究投入精力的不是学术研究者，而是企业组织。

这一现象一直发展到今天，植物工厂在实践上的进步要明显优于理论发展，究其原因可能在于农业生产的创新发展更具有实践可操作性的特点。

1994年在牛尾治郎、黑川纪章等有识之人的推动下，日本建立了植物工厂共同研究组织，这是一个由食品、电力和石油等不同产业公司制造商所组成的共同进行“植物工厂”研究开发的“植物工厂振兴会”。

新组织将交换各公司所拥有的情报，并进行高效率生产系统的确立和适于植物工厂栽培的作物品种的开发等活动。

[1]

随后学术界也开始正视植物工厂的重要性。

1995年E.J.Hahn,Y.B.Lee,C.H.Ahn等人指出植物工厂能够在高度控制环境条件下,在狭小的土地上大量生产作物,并且不受时间和地理条件的左右，适于耕地面积很少的地区和环境条件恶劣的地域进行农业生产的一种理想方法,有希望于21世纪在不少国家走向普及化。

但他们也指出，是植物工厂和生物工艺学结合在一起,将具有更为深远的意义,只有随着生物工艺学的发展,开展新的种苗工程,植物工厂才能真正地实现实用化。

随着代表现代化农业的植物工厂逐步投入使用．高技术在农业综合企业的应用研究正在探索之中。

在“植物工厂”的具体技术上，近年来研究者也做出了很大的贡献。

例如日本学者晨光就通过在全国各地兴建的诸多依靠人造光培育蔬菜的“植物工厂”为实验基地，采用荧光灯、钠光灯和发光二极管加快蔬菜生长，从而更有效地进行采光。

以此为基础，日本中央电力研究所开展的LED植物工厂的研究现已进入实用化阶段，并又提出了利用激光作照明光源的“激光植物工厂”的宏伟目标。

随着农业产业化的发展，日本政府于2010年近提出了一个新的概念:

“六次产业化”。

在官方政策的鼓励下，日本一些大型企业开始涉足农产品的生产，他们应用发光二极管照明、太阳能发电等技术,建造更为先进的“植物工厂”，对第一产业“农业”的迅猛发展起到了极大的推动作用。

在欧美方面，奥地利、丹麦等国先后建立了植物工厂，由奥地利Ruttuner教授设计的Complexsystem是当今最高水平的世界温室设施及温室自动监控系统，美国NASA甚至研究在太空采用人工光植物工厂技术实现宇航员食物的自给。

我国对于“植物工厂”的介绍早在上世界90年代初就可见于一些专业期刊、报纸，但是大多数为零散非体系化的介绍。

2005年由中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所杨其长、张成波两位研究员共同撰写的《植物工厂概论》一书是我国第一部有关植物工厂内容的学术著作，第一次全面系统地介绍了世界植物工厂的发展历程、结构类型、主要特征、存在的问题及解决途径，对植物工厂的主要配套技术如营养液栽培、环境控制、关键设备等进行了逐章阐述，对植物工厂的典型案例进行了介绍和评价。

在介绍西方先进研究经验的同时，也有很多国内的研究者从我国国情出发探讨如何发扬植物工厂在我国农业改革进展中的作用。

鲍顺淑、张成波和马承伟结合世界植物工厂化栽培的现状,探讨药用植物栽培在该领域的发展，指出药用植物的工厂化栽培对我国有着特殊的意义，为药用植物提供了新的栽培模式。

向建国、施春对台湾农村的“植物工厂”进行了田野调查，指出台湾应建立以“植物工厂”为主体的现代精致农业，提高自己的农业产业化水平。

宁夏林业研究所的白永强、于卫平等人提出了优良沙旱生植物工厂化快繁技术，该技术具有繁殖系数高、繁殖速度快、保证品种纯度、防御植物病毒病、缩短育苗周期等方面的优势，对西部地区的植物栽培有着积极的效果。

同样近年来，我国的实业者和学者在研究中也做出了很多世界领先水平的成果。

在2010年底，在植物工厂创新成果发布会上，国内公司研发的家庭版植物工厂及家庭园艺系列产品正式亮相，这标志着国内首例家庭版植物工厂正式诞生，同时也标志着设施园艺最尖端技术的数字植物工厂即将正式步入中国人的家庭生活。

而中国农业大学的贺冬仙、杨珀、朱本海则首创性的提出了密闭式植物工厂的嵌入网络式环境监控系统，用户可根据实际生产需要选择适当的控制策略和控制目标,也可调整控制参数来增减或改善执行机构的运行。

植物工厂内所有控制参数和实时监测的数据和图像都可以动态地进行WEB发布，用户界面友好并实施各级安全自动管理。

通过以上的综述，可以看出无论是国外还是国内，对植物工厂的研究更多的局限于农业生产技术和科技更新手段，缺少针对消费者市场做出的关于光波植物工厂的工业设计与服务设计的研究出现。

笔者针对此所做的研究具有一定的开拓性，能够恰好填补研究领域的空缺。

1.3本文的结构安排

在章节内容上，本文共分为七章，具体安排如下：

第一章，绪论。

主要阐释了研究的总体思路和具体规划，介绍了文章的研究背景、研究意义、研究目的、研究思路、研究方法和研究的主要创新点等，是本篇论文的总纲。

第二章，市场需求分析。

这一章从市场现状和产品市场两个方面进行了调查研究。

从代表企业、受众需求、主流产品等方面对国内的农产品市场进行了全面阐释，重点总结了目前国内市场的所具备的不同特点；其次对本产品的市场前景进行了系统的梳理，将产品进入市场所遇到的可能性进行了组织和归纳。

最后将这两个方面相结合介绍了目前国内市场需求研究的相关内容。

第三、四、五章则从多场景环境中对光波植物工厂分别进行了设计与应用。

具体每个场景的构成含以下几个部分。

产品工业设计研究。

作者根据之前理论文献综述以及企业实际营销行为，结合国外相关产品的特征统计，构建了光波植物工厂产品的多个外观模型，并对光波植物工厂产品的工业设计进行进一步的深入分析。

产品设计研究。

研究选取了多家国内知名的农产品公司的经营管理人员进行访谈，针对光波植物工厂产品的营销策略、用户分层以及外观包装进行了探讨，由此设计出更具有市场效果的产品样式。

产品服务设计研究。

笔者根据对光波植物工厂产品的了解，独创性的提出了产品在国内可采用的多个场所与途径，扩大了产品的销售范围，更将农产品与人们的时尚生活更紧密的结合在一起。

第六章，则对光波植物工厂的现状进行了调查和阐述。

本章一方面描述了目前国际上通行的光波植物工厂在生产方面所采取的措施和方法，另一方面对光波植物工厂在技术支持等方面的行为进行了解读。

两相结合之下，指出目前光波植物工厂的存在瓶颈和可能解决方法。

第七章，研究结论。

本章对本次研究进行了总结，指出了本研究存在的不足和缺陷，同时也为以后的相关研究提出了建议。

1.4本章小结

如新兴科技产业的其他组成部分，光波植物工厂的发展速度远远超出了传统的农业生产方式，在发展的同时出现的研究课题数目众多而且需要深入和广泛的探讨与研究。

由于光波植物工厂的发展时间所限制，现有的研究中，无论是在国内还是国外都还很难说做到了成熟的阶段。

尽管在国外相关方面的学术论文和研究报告在数量质量两方面都有很大的提高，但是从研究内容来看，大多是基于本国的实际情况展开讨论，集中于日本、中国台湾地区，探讨如何利用新兴技术来解决本地域农地稀少、劳动力不足的困境，寻求农业生产的新发展；或者是存在于澳大利亚、美国等农业机械化大生产高度发达地区，寻求农业生产技术的新飞跃，而像我国大陆地区所存在的农业生产问题还没有相关的论文进行探讨和分析。

而在光波植物工厂的相关研究上，大多数研究仍然以传统的农业生产技术为讨论热点，强调提高劳动生产率，而忽视了市场的开拓和产品的推广，甚至某些国家和地区将光波植物工厂的建设看作是以政府政策为导向的政府行为，而不是以企业为核心的市场行为，这种论点不符合我国自改革开放以来提出的市场先行的观点。

所以本文在国内外研究现状进行综合阐释的基础上，将重点放在了产品的工业设计、服务设计等方面，对我国市场的现状进行了详细的调研，力求光波植物工厂在我国的顺利发展，这是本文试图发掘和阐释的重点所在。

第2章市场需求分析

2.1市场现状调研

从代表企业、受众需求、主流产品等方面对国内的农产品市场进行了全面阐释，重点总结了目前国内市场的所具备的不同特点。

近年来我国农业产品市场逐步实现了农产品供应的平衡，但是受国际市场和国内自然灾害因素影响，中国农业市场商品价格也在多年间出现异常波动。

尤其是2010年，我国相继经受了北方低温、西南旱情、南北方洪灾等考验，全国夏粮7年来首次减产，早籼稻产量、质量均有所下降，再加上宏观经济通胀预期强烈，农产品价格也出现轮番上涨。

这样的情况，充分暴露了我国在农业生产上的不足和缺陷。

虽然只要国内外不发生大的突发事件和自然灾害，在可预见的未来，我国的农产品市场供应将有可靠保障，粮食价格将继续在国家的调控下稳中有升，但是面对灾难我国农产品市场依然存在着一定的风险。

目前国内主要的农业生产商涵盖了多个种类。

其中随着改革、开放和农村商品经济的发展，农业企业取得了迅速的发展，出现了多种形式。

按所有制性质不同，有国有农业企业、集体所有制的合作企业、股份制合作企业、联营企业、私营企业、中外合资企业、中外合作经营企业等。

按经营内容不同，有农作物种植企业、林业企业、畜牧业企业、副业企业、渔业企业以及生产、加工、销售紧密结合的联合企业等。

而小型农户也没有消失，反而继续在农业生产中发挥着自身的作用。

同时由于国家允许农村的部分生产能手租赁他人土地进行生产，在新形势下出现了新生的种粮大户，他们成为联系农户和企业的纽带，在农业生产中发挥着越来越大的作用。

目前国内消费者对农业产品的需求，正从原先的数量需要逐步发展到质量和安全的标准，绿色无公害农产品成为大多数受众的首选，甚至愿意为其付出更高的价格。

一些知名的农产品品牌开始在市场上崭露头角，和传统的“无名”农产品相比，其价格更高、质量更好，也更受到消费者的青睐，新兴的青年高消费群体往往将其作为首选产品。

从目前来看，未来我国应切实加强农业综合生产能力建设，特别是水利等抗灾能力建设，从根本上稳定和提高粮食播种面积和产量；要改变长期以来“重生产、轻加工”、“重收购销售”的抓粮思路，加快整合培育国内粮食企业，扶持一批面向消费终端的、具有国际竞争力的大型粮食加工企业，大力提高终端粮食产品的自给率以应对国际市场波动。

同时大力建设无污染、纯天然的绿色产品来应对受众日益增长的消费品质需求，建立知名的农产品品牌来扩大市场占有率。

2.2产品市场研究

2.2.1传统的园艺设施特质

植物生长地基本可分为四类，一是旱田、水田、田园、土地，二是传统的园艺设施：

温室、网室等，三则是自然光型的植物工厂，四，即是本文提到的完全闭锁型的光波植物工厂。

前三种植物生长地和光波植物工厂的特点都有着较大的区别，虽然各自有着自己的特长和优点，但都不具备光波植物工厂的优势，与光波植物工厂相比还有这较大的距离。

以与光波植物工厂最接近的温室为例，它采用的装置，是一种室内温室栽培装置，包括栽种槽、供水系统、温控系统、辅助照明系统及湿度控制系统。

温室是以采光覆盖材料作为全部或部分围护结构材料，可在冬季或其它不适宜露地植物生长的季节供栽培植物的建筑。

温室功能分类根据温室的最终使用功能，可分为生产性温室、试验（教育）性温室和允许公众进入的商业性温室。

蔬菜栽培温室、花卉栽培温室、养殖温室等均属于生产性温室；人工气候室、温室实验室等属于试验（教育）性温室；各种观赏温室、零售温室、商品批发温室等则属于商业性温室。

温室的性能指标，可以分为透光性能、保温性能和耐久性三部分。

温室是采光建筑，因而透光率是评价温室透光性能的一项最基本指标。

温室透光率受温室透光覆盖材料透光性能和温室骨架阴影率的影响，而且随着不同季节太阳辐射角度的不同，温室的透光率也在随时变化。

温室透光率的高低就成为作物生长和选择种植作物品种的直接影响因素。

一般，连栋塑料温室在50%~60%，玻璃温室的透光率在60%~70%，日光温室可达到70%以上。

　　加温耗能是温室冬季运行的主要障碍。

提高温室的保温性能，降低能耗，是提高温室生产效益的最直接手段。

温室的保温比是衡量温室保温性能的一项基本指标。

保温比越大，说明温室的保温性能越好。

温室建设必须要考虑其耐久性。

温室耐久性受温室材料耐老化性能、温室主体结构的承载能力等因素的影响。

一般钢结构温室使用寿命在15年以上。

要求设计风、雪荷载用25年一遇最大荷载；竹木结构简易温室使用寿命5~10年，设计风、雪荷载用15年一遇最大荷载。

由于温室运行长期处于高温、高湿环境下，构件的表面防腐就成为影响温室使用寿命的重要因素之一。

钢结构温室，受力主体结构一般采用薄壁型钢，自身抗腐蚀能力较差，在温室中采用必须用热浸镀锌表面防腐处理，镀层厚度达到150~200微米以上，可保证15年的使用寿命。

对于木结构或钢筋焊接桁架结构温室，必须保证每年作一次表面防腐处理。

2.2.2传统园艺设施背景下植物的保养

以下以多肉植物为例，对传统园艺设施背景下植物的水分保养进行了记录。

多肉植物是储水植物的一种，身体大多数有水分构成。

独特的身体结构，保证其在长期没有外来水分补给的情况下，也能凭借自身的水分积蓄而存活下去。

相反，如果浇水过量，反而会因为水分过多而腐烂。

当然，如果多肉植物的水分最终耗尽，其也会逐渐枯萎。

因此，在浇水之前，一定要细心观察。

最简单的判断方法是通过外形区别，需要水分的时候，它的外形呈瘦瘪状，而储水充足的时，外形相对较为饱满。

图2.1传统园艺设施背景下植物的水分保养

而植物放置场所的光线也相当重要。

多肉植物也是植物，在完全无光的环境是没法生存的。

在无光的地方，其呈现孱弱无力状，叶子上的色素也会渐渐消失。

所以，只有经常接触阳光的照射，多肉植物才能茁壮成长。

大多数植物都会在春季进入成长活跃期。

随着气温的缓缓上升，植物根部的活动更加活跃，花盆中的土壤很容易变得干燥而缺乏水分。

所以，这个时期的植物很需要补充水分。

我们在日常生产的观察中，如果发现土壤表面干燥，则需要立即对其补充水分。

夏天湿度较高，所以空气中充满了水汽。

多肉植物单靠这些水汽就足够维持生存，所以不需要浇水。

不过体积很小的多肉植物因为储水量有限，超过三个月不浇水的话也可能会枯萎。

这时候，要注意观察叶子的状态，在需要水分的时候等到凉爽的晚上对其进行浇水作业。

随着温度逐渐降低，多肉植物也会慢慢变色。

本季节中应及时为其补充水分，这个季节也是多肉植物生长的高速期。

同时由于秋天阳光较为温和，多肉植物应充分接触日光，其叶子颜色也会日趋饱满。

冬季只需要减少浇水的次数和量数，可以防止植物冻伤，保证多肉植物顺利过冬。

因为浇水量减少后，植物体内水分的浓度也会有所下降，被冻伤的可能性自然也就降低了。

和夏天一样，要控制浇水，少数特别畏寒的植物可以完全停止浇水。

多肉植物这一类的畏寒植物会在这个时期落叶，同时完全停止生长。

保证其顺利过冬后，在次年春季就会重新萌发新芽。

[2]

2.2.3光波植物工厂的特点与技术

从上面的传统园艺设施背景下植物的水分保养可以看出，种养植物是一个非常繁琐的过程。

在植物工厂为代表的日本，由于人口老龄化日趋严重。

近几年来，日本农业后继乏人的问题更加突出。

日本农业从业人员现在约为686万人，几乎全是老人和小孩。

自此就出现了恶性循环，一方面是老人年龄越来越大，一方面是年轻人不断出走，农业人员得不到应有补充，荒地逐年增加，农业面临空前的危机。

如何解决这一危机，日本各界都在认真思考这一问题。

日本是一个科技大国，解决问题当然要靠科技。

农业主要分为两个方面，一是粮食种植，一是蔬菜生产，从现在的情况来看，日本的科