[Колонка Чон Сон У] Растительная фабрика и автомобильный завод

[Колонка Чон Сон У] профессор кафедры садоводства и биотехнологии Колледжа сельского хозяйства и наук о жизни Чоннамского национального университета

В слове «фабрика» заложено ожидание массового производства продукции определенного стандарта. Подобно тому как на автомобильном заводе одна за другой сходят машины одной модели, считается, что и на растительной фабрике сельскохозяйственные культуры одинакового качества будут производиться в заданное время. Поскольку можно уменьшить влияние погоды и регулировать свет и температуру, воду и питательные вещества, ожидается, что при правильной настройке условий выращивания результаты производства также станут стабильными.
 

Контроль среды и контроль роста — не одно и то же

Однако объекты, с которыми работают эти две фабрики, различны. Автомобиль собирают из деталей согласно проекту, а растение реагирует на окружающую среду и само формирует свое тело. Свет и температура влияют не только на скорость роста, но и на размер и направление листьев, а также на длину стебля. Такая изменившаяся форма, в свою очередь, меняет условия, в которых растение получает свет. Растение является объектом, проходящим через производственный процесс, и одновременно, живым организмом, который постоянно меняется в ходе этого процесса.

Вспомним салат-латук. Даже при одинаковой яркости освещения распределение света, получаемого молодым салатом и салатом накануне уборки, различается. Когда листья вырастают и накладываются друг на друга, верхние листья затеняют нижние, и это влияет даже на листья соседних растений. Даже растения, посаженные в одно и то же время, получают разное количество света, если различаются размер и расположение листьев. Настройки освещения в сооружении остаются прежними, но среда, которую испытывают растения, меняется. Постоянно контролировать среду и делать рост растений равномерным — не одно и то же.

Поэтому для стабильного производства, помимо способности настраивать среду на желаемые значения, необходима способность прогнозировать, как растение будет расти в этих условиях. Недостаточно лишь проверять текущее состояние. Нужно знать, к каким последствиям для роста и урожая через несколько дней приведет сегодняшнее решение уменьшить освещение или изменить расстояние посадки. Вопрос переходит от ‘можем ли мы контролировать среду’к ‘какую среду следует создать’.

Самый надежный способ проверки — действительно вырастить растения. Однако количество условий для испытаний быстро растет. Если разделить интенсивность света, температуру, концентрацию углекислого газа, и расстояние посадки каждое на три уровня и сравнить все комбинации, получится 81 вариант. Если учитывать сорт, стадию роста, и повторные эксперименты, число случаев становится еще больше. Для каждого условия нужно выделить пространство и дождаться уборки урожая, а на действующих производственных объектах приходится также принимать на себя потери в случае неудачи. Трудно сначала проверять каждый выбор на реальных культурах.
 

Чему можно научиться у виртуальной фабрики автомобильного завода

Автомобильные заводы тоже не проверяют все проблемы только на реальной производственной линии. BMW в примере, представленном в 2025 году, объяснила, что использует виртуальную фабрику, чтобы заранее проверять, не столкнется ли новый кузов с окружающим оборудованием при прохождении по производственной линии. То есть проблемы ищут на компьютере до изменения реального оборудования. Растительной фабрике стоит учиться у автомобильного завода не только автоматизированным производственным устройствам. Стоит перенять и метод проверки результатов выбора до реального производства.

В сельском хозяйстве основой таких виртуальных испытаний служит модель сельскохозяйственной культуры. Модель культуры, основанная на физиологических процессах, выражает в формулах фотосинтез и дыхание в зависимости от среды, рост и распределение веществ. Она рассчитывает, как культура отреагирует при вводе различных условий света или температуры. Кандидатные условия, которые трудно все испытать в реальном сооружении, можно сначала рассмотреть внутри компьютера, а затем выбрать среди них важные условия для эксперимента.
 

Модель культуры·FSPM, рассчитывают рост до эксперимента

Особенно при определении положения освещения и расстояния между растениями полезно учитывать и пространственный облик растения. Потому что даже при одинаковой общей площади листьев распределение света меняется в зависимости от высоты и угла расположения листьев, а также от степени их перекрытия. Инструмент, который можно использовать в этом случае, — функционально-структурная модель растения, так называемая FSPM(Functional-Structural Plant Model). Это модель, которая связывает трехмерную структуру листьев и стеблей с физиологическими процессами, такими как фотосинтез.

Суть не в том, чтобы правдоподобно нарисовать растение. Суть в расчете того, сколько света достигает того или иного листа, и насколько этот свет используется для фотосинтеза. В модели, реализующей и рост, заново рассчитывается распределение света, меняющееся по мере появления новых листьев и увеличения существующих. Она рассматривает связь, при которой среда меняет физиологию и форму, а изменившаяся форма снова влияет на физиологическую активность.

Если расширить такие расчеты до симулятора, можно рассматривать вопросы вроде того, когда проводить полив во время выращивания, и в какой период регулировать освещение. Если связать с этим расчет энергопотребления оборудования и эксплуатационных затрат, изменятся и критерии принятия решений. Нужно искать не условия самого быстрого роста, а условия, которые позволяют снизить затраты, соблюдая целевой размер и сроки уборки. Это направление, связывающее прогнозирование роста с производственным планированием.

Наличие симулятора не означает отказа от реальных опытов по выращиванию. Это означает определять, с каких экспериментов начинать, и вновь использовать знания, полученные в экспериментах, для последующих решений. Не менее важны, чем записи о среде, исследования, измеряющие изменения листьев и корней, физиологические реакции и конечную урожайность. Необходима связь, при которой реальное выращивание проверяет модель, а модель направляет следующий опыт по выращиванию.

Растительная фабрика и автомобильный завод похожи тем, что стремятся к равномерному и стабильному производству. Однако наличие одной и той же цели не означает, что к ней можно прийти одним и тем же способом. Чтобы растительная фабрика обладала производительностью, соответствующей названию «фабрика», нужно не обращаться с растениями как с деталями, а лучше понимать их реакции как живых организмов. Когда к сооружениям, регулирующим среду, добавляются инструменты прогнозирования изменений растений, автоматизация выращивания может привести к стабильности производства.