本文原载于Ansys Advantage：《Vertical Farming is Coming to a Store Near You》

水果和蔬菜摄入不足已成为威胁当今人类健康的十大危害因素之一。每天摄入适量的水果和蔬菜有助于预防多种重大疾病，可以确保多种微量元素和纤维的充分摄入，有助于取代富含饱和脂肪、糖分与盐分的食物。

多吃农产品对健康的好处是毋庸置疑的，但古语有云“奏庶鲜食”，是什么意思呢？即食用当地种植的水果和蔬菜有明显的优势，水果和蔬菜采摘后越早食用好处越大，因为蔬菜从采收的那一刻起就开始进入营养流失的阶段。此外，本地种植和销售的农产品，到达消费者端的运输时间最短，就也减少了交通工具的污染排放。

在不久的将来，即使是没有菜园的城市居民，也可以亲手采摘新鲜的西红柿或是生长中的生菜。室内农场，甚至店内农场，正在不断满足我们就近消费蔬菜的需求。而半自动垂直农场，拉近了食品产地与消费者的距离，并能够提供新鲜、健康的食品。

垂直农场采用特种LED灯等先进技术帮助蔬菜生长，仿真技术则能够助力室内农场照明设计优化，打造出早收、高产的种植环境。

垂直农业照明挑战

设计店内垂直农场的工程师必须考虑许多光学因素。首先，对于某些特定农作物的植株行，务必要确保适当的照度值。不同的农作物生长所需的光照量不同，而且同样的农作物在生长周期的不同阶段，所需的光照量也可能会有所不同。

确保所有植株行的光照均匀性也很重要，这样，所有的种子才能以相同的速度生长。经优化的光照环境可减轻生产过程中的田间管理负担，并支持种植户根据需要安排采收时机。

同样，在光谱方面，农作物的生长并不需要所有波长的自然光。农作物对红色和蓝色波段光照的反应最好，因此，模仿阳光的传统灯具其实产生了不必要的能耗。缜密的光学设计有助于优化LED灯照明，只针对必要的波长投入能耗，有助于节能减排。

最后，还应该最大限度地增加农作物吸收的光照量。农作物反射的光越少，它们生长得就越快，也就有助于降低能耗。

仿真推进垂直农场发展

LED灯是用于在室内农作物照明最高效且最为方便易用的方式。它们消耗的能量低，产生的热量少，并且可优化光照颜色以促进农作物生长。为了展示如何使用Ansys SPEOS设计农作物生长LED灯阵列解决方案和仿真室内农场，我们设计了一个具有 90个LED灯的通用灯阵列。根据文献资料，漫射紫色光谱（不含绿光）最适合农作物生长。农作物会反射大部分绿色可见光并吸收其余光谱。因此，我们构建的照明阵列包含45个蓝色光谱的LED灯和45个红色光谱的LED灯，结合形成紫色光谱。

照度传感器（左）和3D吸收（右）揭示出设计中有待改进的短板

我们首先在农场中设计种植了八行生菜植株，每行15株。每行由我们构建的三个紫色光谱光阵列照明。

为了分析生菜的光学特性（光吸收和反射），我们使用Ansys的Portable Optical Measurement Device (OMD)对叶片样本进行观测。然后，将得到的双向反射分布函数(BRDF)应用于设计中的所有生菜植株。

之后，我们使用光仿真来测量和可视化照度均匀性，以及蔬菜对光的吸收。

我们发现整行的照度呈不均匀分布。然后，我们对 LED灯阵列的位置、LED灯光谱和垂直农场围挡的材料进行迭代，以生成最有效的解决方案。

垂直农业仿真结果照亮开发前路

我们使灯具的间距更加均匀，并在LED灯阵列和生菜植株之间留出更多空间。此外，还将侧方和后方的材料从透明材料（吸收）改为白色材料（漫射）。垂直农场正面的材料保持透明，便于消费者选购农产品。

后续的仿真结果显示，照射生菜植株的光分布更加均匀，产生的光吸收也更均匀。

我们发现，前方和后方的生菜植株的光照略弱，因此它们的长势可能不如中间的生菜植株。由于仿真结果非常直观，因此很容易确定垂直农场设计需要改进的地方。对于前方的生菜植株，一种可能的方法是，在前方玻璃的内表面覆涂上一层部分反射涂层，以反射更多的光线。优化后的系统就可以确保最佳产量和最佳能耗。

店内直产的垂直农业，正逐渐成为主流。光学仿真有助于量化和展示垂直农场的效益，例如消耗更少的能源和水，以及支持特定作物的小批量种植，从而减少粮食浪费。