世界設施園藝智能化裝備發展對中國的啟示研究

齊 飛，李 愷，李 邵，何 芬，周新群

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世界設施園藝智能化裝備發展對中國的啟示研究

齊 飛1,2，李 愷1,2，李 邵1,2，何 芬1,2，周新群1

（1. 農業農村部規劃設計研究院，北京 100125；2. 農業部農業設施結構工程重點實驗室，北京 100125）

設施園藝智能化是實現園藝產品播種移栽、栽培管理、環境調控、監測預警、作物采收、內部物流等全過程數字化、精細化、自主化的高級生產形態，是當前包括中國在內的世界農業智能化裝備的研發熱點和產業升級重點。為在全球設施園藝智能化裝備發展的大格局下科學定位中國的發展路徑，指導中國設施園藝智能化裝備的研發和推廣，需要對世界各國在該領域的發展現狀和趨勢進行研究分析。該文以全球設施園藝領域個人、企業和科研機構在智能化方面的主要研究內容和裝備開發重點為基礎，從全產業鏈的角度，分析世界設施園藝智能化裝備的發展現狀。籽種生產在播種、移栽等環節上已初步實現了智能化應用；作物生產在植株調整、授粉、植保和收獲等環節正加快研發，剪葉、巡檢等部分智能化裝備已經進入商業化試用；倉儲物流在內部運輸、分級分選、清洗、包裝等智能化方面不斷完善，智能苗床輸送、運輸機器人已大量應用，高速分選、包裝機器人等在加快研發。分析發現，世界設施園藝智能化裝備需求增長快、研發方向逐步聚焦、更加注重綠色安全、單機商業化速度加快、系統集成的全智能化生產設施開始出現。研究分析成果對中國設施園藝智能化的科技戰略和產業政策制訂、科研立項、成果評價、國際合作、裝備研發及推廣等工作提供參考和借鑒。

裝備；溫室；農業；設施園藝；智能化；現狀；趨勢

0 引 言

設施園藝智能化裝備是指將現代網絡通信技術、信息技術、智能控制技術與設施園藝商品化生產技術相結合，形成的具有感知能力、記憶和思維能力、學習和自適應能力、決策與行為能力的用于設施園藝生產管理的裝備。在新一輪工業革命方興未艾的大背景下，世界經濟強國都在大力推動智能化為重點的產業升級并制定了相應的發展路線，如德國“工業4.0”項目（德文語境中又稱“第四次工業革命”）旨在通過“智能工廠”的應用，全面開啟工農業生產乃至整個國民經濟體系的智能化過程[1]。中國也頒布了以智能制造為核心的綱領性文件《中國制造2025》[2-3]。在第二和第三產業中，智能化技術和裝備發展較快[4-8]，而相對于工業與民用智能裝備，設施園藝等農業產業在操作對象的標準性、環境狀態的復雜性、產品的易損性等方面均具有不同特點，研發難度更大、商業化周期更長，因此至今還沒有像工業機器人那樣在實際生產中得到普遍應用。隨著新經濟時代到來，設施園藝發達國家均加快了向智能化升級的步伐，如美國[9-10]、英國[11-12]、荷蘭[13-15]、日本[16-17]等國都制定了相關計劃并加大了研究力度，以澳大利亞[18-20]、加拿大等為代表的設施園藝新興國家甚至將智能化作為產業跨越式發展的重大機遇。歐洲提出了以精細農業為特征的“農業4.0”概念[21]。中國也將智能化作為“十三五”現代農業裝備技術發展的重點方向之一[22]，并制定了新一代人工智能發展規劃[23]。設施園藝領域國家重點研發計劃“智能農機裝備”專項“溫室智能化精細生產技術與裝備研發”項目正式啟動[24]。

從發展看，世界設施園藝技術進步都要經歷機械化、自動化、信息化、智能化等階段。當前，荷蘭、美國等設施園藝發達國家也正處在信息化向智能化的演進時期，絕大多數國家還沒有完成傳統意義上機械化和自動化的改造，以中國為例，生產力水平不平衡造成同一時間和空間內多種階段并存的現象[25-27]非常普遍。按照設施農業機械化評價標準[28-29]，2016年中國設施園藝綜合機械化水平31.5%，遠低于大田農作物耕種收65%的水平[30]，尤其在種植和采運環節僅分別為15.2%和7.7%。為開啟設施園藝智能化發展道路，中國必須在提高機械化和自動化水平、突破智能化關鍵技術裝備瓶頸、開展全過程智能化試點[31-32]等方面同步推進，才有可能在新一輪技術革命中贏得發展先機，同時借助農業智能化過程對社會就業產生的“替代效應”和“創造效應”[33]，來提高農業、乃至全社會的人均勞動生產率。本文按照設施農業生產環節分類，分項闡述了世界先進設施園藝生產裝備水平，分析了智能化關鍵技術與自動化裝備結合的研發應用現狀與趨勢，對指導中國設施園藝智能化發展方向、研發重點和開展國際合作、推廣應用等具有一定的借鑒和參考價值。

1　發展背景

1.1　發展的基礎

從設施園藝產業自身看，智能化技術研究開展較早[34-36]，但受全球人力成本上升、農業從業者減少[37]，高技能專業人員不足等因素影響，同時為了進一步提高操作效率、減少人工操作對園藝產品質量的影響[38]、保證供應的及時性、提高產業競爭力，以商業化為目標的設施園藝智能化在近10年內開始加速發展。

從外部環境看，設施園藝智能化在硬件方面依賴于機械、信息、通訊等產業的發展。國際金融危機發生后，新一代信息技術與先進制造技術加快發展、深度融合，智能制造成為全球新一輪產業變革的代表，數字化、網絡化、智能化逐漸成為未來制造業發展的主要趨勢，人工智能技術的不斷突破[39-41]也為設施園藝的智能化預示出光明的前景。這種態勢為設施園藝智能化提供了有力的產業技術支撐，也使包括設施園藝在內的農業領域成為智能化制造業新的投資方向之一。近期硅谷在農業信息化、機器人技術等方面投資的大幅增長也說明了這一趨勢[42]，某些設施園藝新興國家也出現相同態勢[43]，迄今投資速度仍在加快、總量不斷增長。不少國家也以設立諸如“產業戰略挑戰基金”[44]等形式增加農業人工智能、機器人和遙感等方面的創新投入，提高技術競爭力。

1.2　協作研發形式

除以企業和研究機構單獨進行的研發行動外，世界各國采用多種協同攻關的方式加快智能化技術裝備在園藝產業的應用。歐盟依靠“Horizon2020”計劃[45]的資助并以此前開展的歐洲農業高技術研究項目CROPS[46]為基礎，與跨學科的REELER項目[47]合作，整合來自荷蘭、比利時、瑞典和以色列的6家研發單位自2015年開展了名為Sweeper[48]的甜椒收獲機器人研究，旨在實現第一代收獲機器人的商業化。英國聯合劍橋大學等5所頂尖研究型高校組成了科技創新聯盟[49]，以期在包括智能化農業等產業技術研發方面發揮更重要的作用。日本富士集團聯合九州大學[50]，發揮各自的優勢，加快人工智能技術在農業產業的應用。韓國通過建立以智能化為特征的智慧農業綜合體[51]來加快技術進步、提升產業競爭力、創造就業并吸引年輕人進入農業領域。上述研發雖與大田園藝智能化交叉進行，但這些裝備在技術原理和功能上與設施園藝相通性很多，部分產品可直接用于溫室作業。為促進全球設施園藝智能技術研發大協作，2018年瓦赫寧根大學研究中心在中國騰訊公司的支持下，組織了“國際挑戰”活動[52-53]，通過人工智能、傳感技術和“自治”溫室（autonomous greenhouses）技術的綜合應用來提高設施蔬菜的生產水平。

1.3　應用的主要環節

設施園藝工程技術裝備主要包括種苗工程、設施生產、產地物流、綜合管理4部分[54]，涵蓋了設施園藝商品化產業鏈各個環節，這些環節中均有適合于智能化升級的內容，但受技術、經濟、生產模式等影響，發展難度不同，重點和階段也不同。從世界設施園藝智能化裝備研發歷史和實際應用進展看，目前收獲智能裝備的投入和研發進展最為顯著，這主要源于世界范圍內的勞工短缺[55-56]和設施生產者老齡化等問題的加劇。但各個領域智能化技術與裝備的研發工作都在開展，從后文的分析中可清晰獲知。

1.4　目標和路徑

全球智能化的長遠目標是為了更好地滿足全球不斷增長的食品供應的需要，更有效地保障食品生產全過程的效率、質量和供應的精準性，同時降低農業生產對生態環境的影響。從研究預測看，到2050年，世界人口數量將達到91億～96億、食物需求較當前增長70%[57]，同時75%的世界人口將居住在城市之中，對高品質園藝產品的需求更大。為實現上述目標，設施園藝智能化要以增加效益、提高競爭力和發展持續性為目的，以關鍵環節為突破口，以提高效率、降低消耗為主要要求，以提高操作速度、作業精度、減少人工為手段。最終，通過智能化的應用，使設施園藝實現由人工操作型向人機協同型和真正意義上的全天候工廠化生產型[43]轉變，并實現技術供給、經濟成本、社會需求三者的平衡。

1.5　涉及的其他技術領域

除與園藝作物本身直接相關的生物、環境、管理等農業工程技術外，設施園藝智能化技術裝備還主要涉及傳感器技術、網絡通訊技術、智能控制技術以及以“智能制造”[58-59]為代表的機械、電子等工業與信息化技術，它們需要與設施園藝工程技術相互補充、深度融合才能實現由通用技術向設施園藝產業技術的轉變。同時，由于設施園藝智能化相對上述技術應用相對滯后，后者技術進步和產業化的速度，會直接影響到設施園藝智能化技術裝備常規化和商業化的速度與程度。

2　發展現狀

2.1　種苗生產智能化裝備

種苗生產可分為播前處理、播種、嫁接、移栽、定植幾個過程。發達國家育苗已基本實現工廠化，大多數以穴盤育苗為主，荷蘭也有一定量巖棉直播育苗[60]。在育苗階段除嫁接、定植等少數環節以外，其他均已配套自動化設備，通過物流和輸送設備的串聯完成流水線作業，裝備較為成熟，在智能化方面的研究主要集中在通過在線監測技術和機器視覺反饋，進一步提高設備作業精度和穩定性。

1）前處理環節。主要裝備包括基質消毒、穴盤清洗消毒、基質攪拌等，這些裝備均已實現機械化，并且向實現自動化生產過渡，以荷蘭、德國、意大利為主的裝備制造和應用大國采取蒸汽噴射基質消毒、紫外線穴盤消毒等相對成熟的技術形成了適于推廣的系列生產設備[61-63]。

2）播種環節。主要采用播種流水線，由穴盤解垛、基質填充、壓穴、播種、附土、噴淋、穴盤播后碼垛等單機設備串聯組成[64-65]，各單體設備自動化程度、設備匹配度都很高，在運行穩定性、種子適應性等方面已經能夠滿足當前育苗生產需求。滾筒式播種機生產效率可以達到1 200盤/h，準確率在95%以上，荷、意、美、英都在播種技術和設備方面形成自己特色[66-69]。如荷蘭大部分園藝生產以巖棉為主，播種時直接將種子播入巖棉塞或巖棉塊中。近年來，播種環節設備研究方向主要集中在如何進一步提高播種生產效率、加快或簡化不同類型種子變換時滾筒的更換以及對于特定種子的精量定向播種技術及裝備開發等；在智能化方面，荷蘭和美國為進一步提高針對不同種子播種時的自適應性，增加了播種滾筒的真空度反饋自動調整系統，通過實時檢測負壓系統的穩定性，判斷播種機運行穩定情況，并智能化調整設備作業速率，初步實現了播種機排種的智能化。中國在播種設備方面還處在自動化研發和初步推廣階段，如何進一步提高播種精度、提升作業穩定性依然是研究重點，針對排種機構、前后端自動化匹配設備的研發已初見成效[70-72]。

3）嫁接環節。從20世紀90年代日本提出自動化嫁接技術方案開始，嫁接設備經歷了機械化、半自動化、全自動化的發展過程[73-75]，目前正在與機器視覺技術結合實現智能化精準對接。由于嫁接作業過程精細，且嫁接對象復雜多樣，嫁接裝備研發速度緩慢。近期發展集中在2個方向，一是半智能嫁接機，由人工完成上苗，設備完成嫁接動作，荷蘭目前先進的生產設備生產效率可以達到1 050株/h[76]；另一方面由人工完成嫁接作業，研究依靠流程規劃并配套合理的輸送平臺，通過物流方式整合人工嫁接作業流程。在智能化應用上荷蘭、韓國為進一步提高嫁接成功率，將機器視覺技術應用于嫁接切削過程，通過實時識別合適的切削位置，躲避莖節、莖稈曲率過大等不利于嫁接的位置，從而調整切刀和對接手，保證對接成功率。中國在嫁接設備方面的研究處于并跑階段，在嫁接苗及穴盤的機器視覺識別定位，正負壓結合的持苗方式等方面有一定的研究，但距離實際生產應用還有一定差距[77-79]。

4）移栽環節。近年，荷、意、美、韓、澳等國在移栽技術和設備研發方面發展較快[80-81]，相繼開發出盆花與葉菜自動移栽系統，并大面積應用于設施園藝作物生產中[82]，在高效自動化的基礎上結合機器視覺和圖像分析技術實現種苗智能分級移栽。當前的研究重點一是針對移栽機構、末端執行器等硬件的改良升級，不斷精簡優化移栽拾取手的結構，通過改變移栽拾取軌跡減少對幼苗葉面的傷害，如荷蘭在傳統3軸直線伺服平臺基礎上引入6軸機械手臂和并聯機械手進行移栽，縮短單作業循環用時，提高移栽定位精度，移栽作業最高速度可達35 000株/h[83]；二是智能化升級，在疏苗、補苗、移栽過程中，依靠機器視覺技術幼苗分級分選、精準調向為后續育苗和成苗商品化提供的可靠保障。通過幼苗托離穴盤、旋轉拍照，實現對每一株苗的2D或3D成像，進行圖像分析，綜合高度、葉面積、葉方向、莖直徑、莖彎曲度等參數建立分級評分算法進行分級[84]。荷蘭還在扦插移栽方面開展研究，基于視覺快速識別平面扦插葉片、莖稈和莖節側芽位置，通過機械手末端執行器切割、拾取并插入基質，完成智能化扦插移栽作業[85]。中國在穴盤苗移栽設備研發方面起步較晚，目前還未形成成熟的商業化產品，但在基于機器視覺的識別分級研究和針對不同類型幼苗的末端執行器研發方面有所進展[86-87]。

總體上，設施園藝種苗需在主要環節自動化、復雜環節半自動化的基礎上，進一步提升技術裝備的節能環保、智能化水平，尤其在復雜判斷環節通過增加機器視覺和人工智能（AI，artificial intelligence）等技術，實現更快、更精準的識別、定位、分級、轉移。

2.2　作物生產智能化裝備

生產過程自動化、智能化一直是設施園藝領域研究與發展的重點，目前中國與其他設施園藝發達國家相繼開發出設施環境控制、作物調整與授粉、病蟲害防治及自動采摘等自動化與智能化技術裝備，大幅度節省了勞動力、提高了資源利用率與生產效率及生產操作舒適度，在一定程度上實現了設施園藝的自動化與智能化生產[88-89]。

1）設施環境控制。環境控制是設施園藝智能化的重要前提。結合不斷提升精度和穩定性的環境監測傳感器以及葉片溫度、徑流、莖直徑、稱質量等原位生理監測傳感技術，通過無線傳感網絡、物聯網技術，融合AI技術實現信息通信傳輸，結合模糊理論、遺傳算法等數學工具建立精細的環境控制模型與植物生長模型相適應，同時，在智能算法方面，逐步由單因素控制向多因素耦合控制過渡，不斷豐富環境控制專家系統，形成自適應學習的設施環境控制“大腦”。熱泵技術、相變材料、LED補光、納米技術及清潔能源等新型技術與設備在設施農業的推廣應用實現了設施環境參數的精確控制；作物—環境互作機理的研究不斷深入，明確了不同作物對設施環境參數的需求。結合作物水分與養分快速診斷技術、無損檢測技術和裝備以及作物生長模型與決策模型研究成果，逐步實現了基于作物真實需求的環境精確控制目標，相應技術與設備的應用大幅度提高了設施作物生產的資源利用效率與生產管理效率[90-93]。

2）作物調整和授粉，視覺技術、人工智能、植物表型組學以及作物生長模型等技術綜合應用到設施園藝作物調整與授粉方面[94-97]，結合不斷發展的機器人技術，裝備的智能化屬性不斷提升。如在勞動強度很大的吊落蔓環節中，美國研發了滑軌式自動吊蔓系統[98]；在植物修剪葉方面，荷蘭開發出番茄自動剪葉機器人[99]，并應用到番茄生產管理中，通過3D視覺定位技術準確識別需要減掉的枝葉，由旋轉切刀快速精準完成剪葉工作；在設施作物授粉方面，基于風力授粉與振動授粉原理，國內外研究學者開發出有軌式與無人機類的機械化與自動化授粉機器人來代替自然授粉與雄峰授粉[100-101]。近年，華沙理工大學、美國哈弗大學、英國謝菲爾德大學和薩塞克斯大學學者將無人機和人造蜜蜂大腦結合在一起研究開發出機器蜂來進行作物授粉[102-103]，但目前這種機器蜂在模擬蜜蜂大腦認知功能方面還有很大的提升空間[104]。

3）植物保護。目前研究大多基于1972年被公認病蟲害綜合治理理念上開展的[105]，近幾年美國、荷蘭等國家利用多維與高精度光譜成像與分析技術及3D傳感器（立體攝像頭與激光掃描儀）對植物進行高頻率掃描，再進行圖像與反射比分析來精確監控病蟲害發生情況[106-107]，將分析后的結果記錄形成植保數據庫，作為噴藥等作業機器人的目標地圖，結合室內定位技術實現智能對靶精量噴施。在植物病蟲害防治設備方面，20世紀90年代開始國內外研究學者就研發了紫外線、臭氧、植物天敵等技術與設備，并廣泛應用到生產中，近年來的智能化移動噴藥設備以及無人機噴藥設備也在生產中開始使用。目前作物病蟲害防治方向由從單純注重作物植保到注重作物健康的研究方向發展的趨勢。

4）作物收獲。設施作物收獲是生產中耗時耗力與持續時間較長的環節，是智能農業機器人技術集中呈現的領域。自動導航、機械手臂與視覺識別技術的日漸成熟提高了作物自動收獲的可行性。近年來，中國、荷蘭、日本、美國、比利時、西班牙、意大利均在果蔬收獲方面開展了探索性研究[108-113]，分別針對不同外形、顏色的番茄、黃瓜、草莓等果蔬采摘機器人開展研發工作。在軟件方面，訓練不同目標識別模板，運用雙目視覺、高光譜以及熒光成像技術并結合電子鼻技術，獲取采摘果實的位置、尺寸、損傷、成熟度、品質等信息。在識別算法方面研究不斷升級，多卷積神經網絡、模糊決策、遺傳算法的聯合運用攻克背景噪聲分割、復雜果實外形識別、消除葉片遮擋和重疊影響等方面不斷進步，結合AI技術建立自適應學習算法，提升識別模型的精準性。在執行機構方面，為提高采摘效率，開展了機械臂-手-眼協調研究[114-115]，關節型多軸機械手臂已廣泛應用于采摘機器人，針對草莓等柔軟易損對象在末端執行器和拾取手方面展開研究，采摘方式包括夾持或吸持后切割的方式和更加仿生的柔性扭動采摘方式等[116]，最快的草莓采摘機器人單次采摘周期可以縮短到3 s[117]。果蔬采摘機器人目前還未能商品化，但大量的研究成果展示出這一領域巨大的發展前景。

總體來看作物生產智能化裝備研究處于從單因素向多因素、多環節融合方向發展，單因素智能技術與裝備逐漸成熟，多因素與多環節融合還處于初級階段，美國率先提出的可與植物對話的技術（SPA，speak plant approach to environment control），是通過融合植物監測、分析、模型決策、調控等環節，利用自動化、信息化等技術與設備，實現對植物生產過程的智能化管控，這可能成為未來作物生產智能化技術與裝備的融合研究方向[118]。

2.3　物流倉儲智能化裝備

物流倉儲是產后商品化的重要過程，主要包括內部輸送、分級分選、洗凈、包裝、儲藏保鮮、追溯等裝備。

1）內部輸送。包括智能苗床輸送系統、自動引導車輛（AGV，automated guided vehicle）、搬運機器人等。智能輸送是工廠化盆栽植物及育苗生產需要解決的重要環節[119]。目前，國外的盆栽植物智能栽培輸送設備已形成產業化。荷蘭盆花生產中將輸送帶、自動搬運軌道、苗床搬運天車和搬運叉車等輸送設備有機連接，構成了溫室內部物流生產體系，大大提高了生產效率，減輕了人工作業的勞動強度[120]，配套智能化的管理軟件實現苗床等單元載荷的定時定點自動運輸。近年來，隨著中國勞動力成本上升和規模效益的驅動，智能化物流裝備的研發逐步開始，但只被極少數高檔花卉溫室采用。設施園藝AGV裝備在傳統的電磁、視覺或慣性導航基礎上，不斷拓展定位方式，如RFID（radio frequency identification）定位、Wi-Fi定位、UWB（ultra wide band）定位，精度不斷提升，實現溫室內地圖與生長、環境信息的匹配，形成設施園藝生產數據庫，提升設施園藝生產的精準性。另一方面AGV成為內部運輸、植保巡檢、視覺測產等功能機器人的智能化行走底盤[121]。荷蘭、中國生產者已經將AGV應用于收獲甜椒、西紅柿的運輸[122]和種苗生產中[123]。同時，越來越多的搬運機器人被應用到溫室園藝生產搬運中[124]，以此幫助保障工人的安全和整體效率。美國采用機器人進行盆花的搬運，效率達到240盆/h[125]。

2）分級分選。按大小、質量、色澤、形狀、成熟度、病蟲害等指標對農產品進行等級評定，是果蔬商品化的核心環節，對增值減損具有重要意義。隨著視覺傳感元件的升級，識別精度和速度都在提升，算法模型更加精準、穩定。國外從20世紀80年代中期開始水果品質自動檢測的研究，早期主要采用彩色CCD相機作為傳感器，近年多運用神經網絡，灰度、顏色自適應評估、小波分析和遺傳算法、分形理論等對蘋果、紅棗、番石榴、芒果等進行顏色、果形、缺陷等的檢測分級[126-129]；采用高光譜和多光譜圖像技術、熱紅外、X射線、近紅外和中紅外雙相機在線檢測損傷缺陷[130-132]；采用核磁共振、紅外線、沖擊檢測水果的成熟度[133]。法國、西班牙、意大利、荷蘭等發達國家較早開始利用計算機進行果蔬分級，開發設備已系列化、商業化。法國可對蘋果、柑桔、葡萄、菠蘿、火龍果等圓形和穗狀水果以及茄子、辣椒等長形蔬菜進行分級分選，其中蘋果、柑橘等的分選效率最高可達18 000個/h，火龍果5～8 t/h[134]。日本山岡大學開發的菜用大豆分選設備，分選效率達到85 kg/h，是人工分選的7倍[135]。中國關于果蔬品質智能識別分選所采用的理論與技術與國外差別不大[136-137]，研發的設備多聚焦在蔬果的外部品質檢測，如國內企業已實現了贛南臍橙、獼猴桃、檸檬、蜜柚等的分級分選，四通道電子果蔬分選機處理量達到20 t/h[138]。未來重點是進行多傳感器測量信息集成，采用機械、光學與機器視覺、傳統計算和AI等實現實時自動檢測與分級，同時基于大數據的深度學習應用于黃瓜等果蔬的分選也將成為熱點研究[139]。

3）清洗。發達國家已形成完善的蔬菜加工設備體系，在結構優化、新工藝和新材料應用等方面處于技術創新階段；設備專用性強，一套設備一般只針對特定種類蔬菜如蘑菇、草本植物等進行清洗，裝備主要還是以自動化作業為主，通過增加水位及水質實時監測傳感器，實現清洗水的自動補充和更新，清洗過程全自動化，避免了人工污染[140-141]。荷蘭[142]、德國[143]企業研制的筐式生菜清洗生產設備，針對性強，清洗性能和效果好、蔬菜損傷小且以生產線為主，清洗過程全自動化，生產效率高；荷蘭公司[144-145]研制的蔬菜清洗生產線采用氣浴、水射流和噴淋相結合，通過在水中產生更強的湍流對蔬菜進行低損清潔，清洗能力可達4 000 kg/h。中國蔬菜清洗技術研究基礎比較薄弱。山東研制的TS型臥式混流噴沖清洗機清洗能力≤2 000 kg/h[146]，且蔬菜加工設備應用多集中在發達城市，與美國、荷蘭、德國、日本等食品工業發達國家存在一定差距。

4）包裝。包裝是采后商品化不可或缺的環節，在保鮮過程中起到至關重要的作用，目前設備主要以自動化作業為主。常見蔬菜包裝技術有薄膜包裝、涂膜包裝、氣調包裝以及真空包裝等[147]。國外蔬菜包裝設備起步較早，意、西、德、日等國的企業已開發出商業化的包裝設備。由于果蔬包裝屬勞動密集型工作，為此西、澳、英、荷等國果蔬生產商均使用機器人來協助包裝生菜、草莓、黃瓜等，使勞動力需求減少80%，如黃瓜最大包裝效率可達6 000根/h[148-151]。中國蔬菜包裝裝備研發較快，在2011－2015年協作機器人在包裝業的應用從9.5%增加到17.4%，特別是《機器人產業發展規劃（2016－2020年）》的發布將有助于進一步推動果蔬包裝業的自動化和智能化水平[152]。

3 主要趨勢

農業作為人類生存的基礎性產業，隨著人口的絕對增加，在社會進步的大背景下必然面臨著傳統要素投入減少、環境和資源壓力增加的客觀現實，設施園藝也同樣。相較于工業，農業智能化發展依然較落后，但實現智能化的趨勢卻成為一種必然并呈現出以下主要特點。

3.1　技術與需求加快互促

需求是促進技術進步和產業升級的根本動力。從長遠看，農產品供應的壓力使智能化成為戰略投資者的必然選擇，并對此產業前景充滿樂觀。從當前生產需求看，面對投入成本的增加和人力資源供應的持續減少，設施園藝種植者面臨著前所未有的競爭壓力，而智能化產品的初步應用，就為許多種植者帶來了顯著的經濟效益[153]，展現出巨大的潛力[154]，大大激發了種植者采用先進智能化技術裝備的熱情[43]，并且這種意愿不斷保持增長，不僅傳統的大型企業加快智能化裝備的應用，中小企業也在不斷增加投入。某些種植者甚至直接與機器人公司合作，以加快相關技術裝備的研發[155]、更早地獲得技術優勢。這種工業制造企業尋求新市場，設施種植者追求更高效率和效益的需求在當前高度契合，形成了“拉”和“推”的2種動力，相互促進的態勢越來越明顯。

3.2　研發方向逐步聚焦

技術進步通常受到發展的必要性、迫切性、技術成熟性和經濟性等方面的影響，智能化技術裝備也不例外。通過前文的分析不難發現，世界設施園藝智能化技術裝備研發應用也呈現出不同的層次和熱度，當前的研發重點主要集中在以下幾個方面：1）人工操作比例大、勞動強度高的工作，如收獲、打葉、授粉、除草、室內運輸、設施維護等；2）操作精度要求高、人員技能要求高的工作，如播種、嫁接、移苗等；3）對經營成本影響大的環節，如灌溉、施肥、施藥等；4）內容單調重復，易引起誤差的工作，如巡檢、數據采集等；5）決策綜合性強、內容涉及面廣的工作，如環境調控系統、能源綜合管理系統等。這些技術裝備的局部應用或集成應用可以顯著提高設施園藝的作業精度、降低投入成本、提高生產質量，因此也將是智能化技術裝備研發應用的長期關注點。

3.3　更加注重綠色安全

農業既受環境影響又影響環境，而設施園藝相對大田農業具有能耗高[156]、藥肥施用量大[157]等特點，因此綠色生產的壓力更大。針對綠色生產，智能化裝備一方面在信息判斷的科學性、操作的精準性、施用的精量化、流程的便捷化等方面不斷提高，使水、藥、肥、廢棄物減量程度不斷提高[158]，甚至嘗試通過建立植物、人類、機器人之間的信息交流平臺[159-160]，使作物的可持續生產與人類生活更加協調；另一方面，智能技術裝備也在適應綠色制造的趨勢[161-162]，不斷推進機械系統、動力系統、能源供應系統的優化和材料的改進，充分利用太陽能等可再生能源，減少材料和能源消耗。針對安全生產，智能化裝備在避障、無人化、容錯等技術方面也不斷提高，最大程度地減少對作物、設施和生產人員[163]的不良影響。

3.4　單機商業化速度加快

智能化作為一種復雜性很高的實現過程，技術和產品需要多個應用、反饋、改進的循環。智能化的實現也需要通過局部和某些環節的突破來帶動系統化解決方案的實現。除直接采用工業技術的部分倉儲物流智能裝備應用較早外，其他單一功能的智能化裝備均在近5a才開始投入商業化運行，如嫁接機器人、移苗機器人、苗圃和盆花生產轉運維護機器人[164]、打葉機器人[165]、授粉無人機、施藥機器人、除草機器人[166]、運輸機器人等均逐漸進入市場。從目前的研發進度看，以番茄、黃瓜、甜椒為對象的果菜采摘機器人，以草莓為代表的漿果采摘機器人[167-168]等研發進度很快，許多機型都已進入商業化測試階段[169]，如松下公司計劃2019年開始番茄采收機器人的試銷[170]。其他諸如綜合巡檢機器人[171]、診斷機器人[172]、葉菜采收機器人、落蔓機器人等均在加快研發和測試。隨著工業和信息產業在新材料、智能制造、5G通訊、AI等方面的技術進步和產業發展，單機商業化的速度將進一步加快，成本也將逐步降低。

3.5　系統集成的智能化生產設施逐步出現

完全通過數字化信息聯接各種生產裝備而形成的智能農場將是設施農業發展的最高階段，在實現此目標之前，小規模、局部性的集成化智能生產單元既是研發過程的必經階段，也是生產實踐的迫切要求，并且這種嘗試需要在生產單元結構化程度相對較高的環境下才易于實現。在當前所有設施類型中，近年來方興未艾的植物工廠[173-176]，品種也逐漸由傳統的葉菜、香料作物向果菜、花卉拓展。為進一步提高這一高度集約化生產設施的效率，全智能化設施將會率先以植物工廠為平臺開始集成[177]，如近年來日本松下、三菱等公司正在探索完全由機械手操作的植物工廠[178]。從經濟角度看，雖然目前植物工廠的投入成本還是相對較高[179-180]，但隨著以植物工廠為代表的都市農業不斷升溫，以自動化和智能化為主要手段來降低成本的趨勢將更加明顯。

4　討論和建議

在農業全球化的背景下，智能化技術裝備將是包括設施園藝在內的新一輪農業競爭的焦點之一，中國既承擔著滿足國內社會轉型、消費升級和生態需求的重任，也肩負著穩定世界農產品市場的國際責任。作為世界設施園藝面積最大的國家[181]，智能化技術裝備可以全面促進技術升級、產業轉型和競爭力彎道超車，支撐中國城鎮化發展和鄉村振興戰略的實施。因此，中國在大力發展智能化工業和服務業的同時，應當將農業智能化作為重要的戰略性發展目標之一，并率先在設施園藝這一生產參數可控度和相對效益較高的行業率先探索實踐，以提高技術進步效率和發揮示范引領作用。

1）主動適應設施園藝智能化的趨勢。克服被動和跟隨的產業推動模式和技術研發模式，通過各種方式，研究并準確預見設施園藝智能化發展可能帶來的生產方式和競爭態勢變化，在產業發展規劃和政策、技術發展戰略等宏觀方面具有前瞻性。在技術引進、知識產權保護、技術轉移等方面采取相應的保護和促進措施。

2）努力形成中國的核心技術和產品體系。針對關鍵零部件、大數據構建和挖掘、系統集成等關鍵環節加大投入，國家應設置連續的共性基礎研究支持項目，鼓勵協同創新、跨行業聯合，構建具有中國特色的技術支撐體系。鼓勵企業成為創新主體，特別是在大數據共建共享、產品集成和服務方面形成穩定的推廣和服務體系。

3）大力加強國際技術、人才和商業合作。中國設施園藝智能化技術起步較晚，目前的研究項目數量、研發團隊規模、企業投入都相對弱小，但在AI等技術發展的外部環境上卻十分有利，并具有巨大的市場潛力。因此，在技術、產業的發展上要擴大開放，積極引進先進技術和產品，利用本地優勢吸引國外高水平專家，同時推動中國產品在“一帶一路”等框架下的輸出。

4）加快各類智能化生產模式的研究示范。智能化作為生產方式的一種革命，隨著制造成本的下降和農產品銷售價格的上升，必然會在適當的時刻成為主流。因此中國應加大在技術、組織、產業3方面的創新探索，以適度先進的技術裝備為基礎、以適當的組織方式為經營主體、以良好的政策與產業環境為保障，探索形成適應中國自然、社會特點和市場需求的新一代生產模式，形成設施園藝和智能化裝備制造業的共促共贏。

5　結 論

設施園藝智能化正成為產業發展的時代潮流和全球設施園藝產業升級的重要標志，在未來5～10a內，育苗、收獲、植保等智能化裝備將在設施園藝發達國家率先實現商品化應用，全智能生產的植物工廠也將出現。在全球化背景下，受價格競爭和技術輸出的影響，各國都將加快設施園藝產業裝備升級。在農業供給側改革深入推進的長期趨勢下，中國高品質農產品需求加快增長，并對設施園藝的生產成本、質量和供給效率提出更高要求，智能化裝備的市場空間巨大。為保障園藝產品供給的數量安全和質量安全，中國應在智能化上升為國家戰略的大背景下，將設施園藝智能化裝備研發作為實現農業產業技術升級的重要舉措，力爭在主要環節、重點裝備上優先研發、率先突破。為此，一要充分考慮中國設施園藝數量大、類型雜、層次多的特點，在洞悉世界發展特點的前提下確立具有高度適應性和針對性的中國設施園藝智能裝備研發目標體系；二要借鑒發達國家在注重國際合作、協同研發、強調企業主體等方面成功經驗，形成以自主創新為主的研發推廣體制機制；三要在政府科研投入、政策引導、金融支持、知識產權交易與保護等方面加大對設施園藝智能化的傾斜，通過構建良好的發展環境，讓更多的機構、人才、資金、技術進入該領域。通過上述措施，使中國設施園藝產業能夠抓住此次智能化技術革命的機遇，成為智慧農業和中國農業現代化的領頭羊。

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Development of intelligent equipment for protected horticulture in world and enlightenment to China

Qi Fei1,2, Li Kai1,2, Li Shao1,2, He Fen1,2, Zhou Xinqun1

(1.100125; 2.100125,)

Intelligentprotected horticulture is the advanced production form of digitization, refinement and automation in the whole process of horticultural products seeding and transplanting, cultivation management, environmental controlling, monitoring and early warning, harvesting and inner logistic etc. It is the hotspot of research and development and also the focus of agriculture upgrading both in China and overseas. In order to locate the development path of China and guide the research and development of the intelligent equipment of Chinese protected horticulture, it is necessary to study and analyze the current status and trend of the world's development in this field. Based on the individuals’, enterprises’ and institutes’ main research in intelligent technology and equipment, the status and prospect of theintelligent equipment are analyzed. Intelligent seed production has been preliminarily realized in sowing and transplanting. The development of intelligent crop production in the aspects of plant adjustment, pollination, plant protection and harvest is speeding up. Some intelligent equipment such as leaf cutting and inspection has entered commercialized trial. Intelligent storage logistics has been continuously improved continuously in internal transportation, classification separation, cleaning, packaging and so on. The intelligent seedbed conveying and transportation robot has been widely applied, and research for high-speed sorting and packaging robots are accelerating research and development. It is found that the demand for intelligent equipment in the world protected horticulture is growing rapidly, the direction of research and development is gradually focused, green and safety are concerned more, commercialization of single machine is accelerating, and the systematic integrated intelligent production facilities are beginning to emerge.The research and analysis results have important reference for the scientific and technological strategy and industrial policy formulation, scientific research projectapproval, achievement evaluation, international cooperation and equipment research and development forintelligent protected horticulture in China.

equipment; greenhouses; agriculture; protected horticulture; intelligence; status; prospect

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.02.024

S26; TU261

A

1002-6819(2019)-02-0183-13

2018-05-25

2018-11-05

國家重點研發計劃項目（2017YFD0701500）

齊 飛，總工程師、研究員，主要從事溫室結構、設備、材料和產業發展方面的研究。Email：qf2008@188.com

齊 飛，李 愷，李 邵，何 芬，周新群. 世界設施園藝智能化裝備發展對中國的啟示研究[J]. 農業工程學報，2019，35(2)：183－195. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.02.024 http://www.tcsae.org

Qi Fei, Li Kai, Li Shao, He Fen, Zhou Xinqun. Development of intelligent equipment for protected horticulture in world and enlightenment to China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(2): 183－195. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.02.024 http://www.tcsae.org