溫室智能裝備系列之一百二十三國內外植物工廠蔬菜植株移栽智能裝備研究進展*

張梅 鄒承俊

植物工廠通過人工方式營造一個適合植物生長的最佳環境，將農作物與外界環境隔離，通過多層立體栽培、智慧管控等方式，避免外界環境對植物生長產生干擾，達到確保農作物周年連續生產的目的。植物工廠作為高效農業系統，核心因素包括高精度的LED補光、營養液按需調控和溫濕度的恒定管理等。由于上述特點，實際生產中為了提高生產效率，植物工廠大多采用功能分區，每個功能區通過流水作業，訂單生產和規模采收提高生產效率。

蔬菜移栽工作原理

植物工廠中的育苗功能區是一個重要的組成部分，該功能區可以規模化、集約化、標準化的供應植物工廠需要的種苗。面向蔬菜生產的植物工廠育苗區要解決標準化種苗的問題，育苗過程中蔬菜移栽是重要的環節，和傳統的間苗和疏苗有顯著區別，自動化的蔬菜移栽是作物育苗過程中按照控制軟件設定的參數，一次或多次的對種苗位置進行擺放。

蔬菜移栽是指將密集育苗方式的種苗根據需要取出，放入一個間距更大的育苗盤，或放入漂浮栽培泡沫板的孔中，通過蔬菜移栽工藝流程，使得種苗植株可以獲得更大的生長空間，進一步促進種苗健壯成長，達到種苗長勢均一化的目的，提高種苗的商品合格率。

種苗在播種到移栽之間的時間可以分成兩個時間段，一是種苗的發芽和生根時間段，二是種苗的加速育壯時間段。這種精細劃分時間段做法有利于種子發芽、成本降低，適合植物工廠中使用，原因如下：第一個時間段種子發芽需要精心呵護，環境參數的控制要求更高，集約化播種有利于管理難度的下降，同時采用128穴以上的苗盤，能在盡可能少的空間里放置更多的種苗，顯著的節省空間，達到成本降低的目的。第二個時間段根據育苗長勢及時調節苗的生長位置，給每個苗足夠的生長空間。但這個環節屬于勞動密集型作業，采用人工的傳統方式顯然無法滿足這個環節的勞動需求。如何將蔬菜移栽的環節標準化、機械化，借助裝備降低勞動強度，是一個必須要解決的問題。

植株移栽智能裝備主要是針對分階段育苗開發的專用裝備，通過定位、抓苗、分苗、對準、放苗5個步驟實現育苗植株的精準調節作業。定位是指播種用到的苗盤要到達指定的基準位置，無論是以行、以盤或者每次多盤為單位進行作業，不同規格的苗盤在基準位置都滿足苗盤沒有偏移量，連續作業上千小時后，系統誤差不會累計，定位要在上萬次的苗盤輸送之后依然能非常準確;抓苗是指在定位完成之后，機械手下降要能準確到達種苗的根部，機械手被驅動抓苗動作，能穩定地抓住秧苗從育苗盤中取出。傳統基質育苗要確保機械手的沖擊力不會損壞種苗的根和基質塊，水培育苗要確保直接抓苗不會損壞苗;分苗是指成組的機械手抓住種苗后，各個機械手相對運動分離，間距增大，并準確達到指定位置，使每一個機械手的位置對準一個新的穴孔，且沒有誤差;放苗是指機械手對準穴孔后下降，并準確地把苗放入新的穴孔中央，避免苗被放歪或者放倒。通過農機和農藝結合的方式，能實現植株移栽智能裝備的高效作業，為移栽工藝提供裝備支撐。

國外植株移栽智能裝備研究現狀

工程機理研究

國外植株移栽智能裝備研究重視裝備的工程機理分析，這對于推動全自動植株移栽智能裝備在設施園藝發達的國家得到廣泛應用發揮重要作用。這些基礎研究為溫室移栽裝備持續發展提供了理論指導，包括通過測試方法來分析不同取苗爪進行穴盤苗移栽的工作能力和適應性等。近年來，國外的溫室植株移栽智能裝備研究圍繞智能化方向發展，主要是移栽機器人成套技術。

移栽和嫁接一體化研究

移栽和嫁接同時進行，實現一體化的復合作業，這是該領域裝備發展的另一個新的發展趨勢。嫁接技術的工藝流程可以和移栽工藝合并。嫁接是移栽配套的一項重要技術，高速和精準的嫁接流水線系統是研究的熱點，目前歐洲有多家企業生產嫁接作業生產線產品，如意大利Techmek公司和Mosa公司等。荷蘭Visser公司生產出了自動化裝備較完善的蔬菜巖棉塊種苗生產線產品，并在蔬菜育苗企業生產中大規模應用。這些蔬菜巖棉塊種苗生產線屬于大型集成裝備，部分工位作業高度超過2 m，生產線寬度在1.5 m以上，長度可達30 m。

移栽配套技術裝備研究

移栽配套裝備還包括專用搬運車等。移栽用苗和完成移栽的種苗均采用搬運車運輸。丹麥 Container Centralen 公司專門生產穴盤搬運車。

國內植株移栽智能裝備研究現狀

國外溫室全自動移栽裝備存在結構復雜，價格昂貴，使用維護困難等缺陷，而且與中國的育苗技術及其他移栽輔助作業不配套，從而降低了種苗成功率和效率。因此，針對中國的國情開發植株移栽智能裝備非常必要。

移栽系統研究

近年來，國內學者積極開展移栽技術裝備研究，在關鍵技術上有一些突破，報道了一些新成果。綜合有關報道，目前存在的問題是所研制的移栽機工作效率偏低，作業效率的范圍為500～800株/h，主要問題是移栽成功率低，關鍵指標苗缽崩壞率達到10%左右。因此需要進一步開展溫室穴盤苗移栽針對性研究，推動穴盤育苗產業快速高效和可持續發展，提高設施園藝機械化水平。

移栽機器人研究

國內開發了一種結合自動化輸送裝置的并聯移栽機器人，具有剛度大、精度高且累積誤差小的特點。將128孔穴盤黃瓜苗移栽至72孔穴盤中且移栽加速度高于20 mm/s時，仍能保證較好的移栽精度。江蘇大學孫夢濤研制出了一款新型的空間三自由度并聯移栽機器人，移栽效率為1865株/h，移栽成功率在95.3%。江蘇大學還設計了一種輕簡型自動移栽機，利用成熟的直線模組和無桿氣缸組合設計出自動移栽機械臂，移栽效率分別達到1221株/h和1025株/h，多種穴盤苗移栽成功率平均達到90.70%，苗缽夾取破碎率低于5%，自動取苗移栽效果較好。

移栽和選苗一體化研究

移栽的工藝流程和選苗的工藝結合起來，實現一體化復合作業。移栽作業過程中，同時完成穴盤苗篩選。首先對苗的質量在線進行識別后，自動化地完成種苗的剔補，在經過上述2個環節后，直接進行移栽，3個環節由一套裝備一次性完成。國內研發的一種集圖像在線識別和處理、穴盤運輸、穴盤苗剔補移栽于一體的多功能全自動移栽機，該機配備的圖像識別系統可識別穴盤幼苗優劣并進行剔補移栽，平均苗株生產效率可達到1098.2株/h，平均苗盤生產效率可達89.2盤/h。溫室多葉缽苗健康識別與移栽路徑優化方面，浙江理工大學開發了一種能實現傾斜穴盤校正和幼苗健康評估的算法及移栽路徑優化方法，研究905個稀疏穴盤和密集穴盤的樣本，可縮短移栽路徑16.5%以上。

植物工廠移栽智能裝備的思考

植物工廠的移栽技術裝備在近二十年中得到了迅猛的發展，國內在該領域的某些關鍵技術居于領先地位。但是，該領域在中國從植物工廠開始應用，也就是三十年的時間，相比傳統的大田作業機械，還屬于新興的裝備技術，存在諸多發展問題：

裝備的工程機理研究還不深入。移栽技術裝備需要和穴盤精確地對準，誤差的累計、系統的震動、穴盤的傾斜、種苗的倒伏等問題都會引發機器毀苗的問題，由于高速運動和大規模作業，裝備發生一次故障就會引發大批的種苗被毀壞，同時還導致整個流水線停工，耽誤育苗作業整體進度。這些問題都需要植株移栽智能裝備工程機理的深入探究，提高裝備的適應性、達到標準化、普適化和規模化的技術要求。

整排高速嫁接和移栽一體化研究有待完善。高速嫁接的技術難點是種苗長勢差異和高速切接種苗之間的矛盾。這一問題的解決可以通過農藝和結構兩個路子分別解決，農藝方面通過加強水肥等田間管理實現種苗長勢的整齊均一，減少由于種苗生長因素導致的種苗損失;結構方面可以通過增設扶苗的裝置，將種苗限定在一個相對固定的區域，滿足高速整排調節同時嫁接的復合操作的生產需求。

移栽智能機器人的規模化應用條件還不成熟。株調節智能機器人的規模化應用需要具備的一些條件還很欠缺：針對植物工廠的機器人的視覺及光譜等關鍵傳感器研究不深入，穩定性有待提高;機器人的成本還偏高，農業生產中存在用不起的問題，亟待降低機器人系統的成本，使之與農業生產匹配;機器人操控人才還很欠缺，具備一定知識結構，熱愛植物工廠的年輕人需要進行培養，形成完整的人才梯隊;移栽智能機器人售后維護成本還偏高，生產中不能及時解決出現的故障和問題，影響后續的生產。

植物工廠發展建議

植物工廠是個快速發展的新興領域，該領域的植株移栽智能裝備的研究和產業化應發揮“產學研”一體化模式的優勢，調動更多資源構建產業生態圈，促進該領域裝備技術的可持續發展。

引入更多的企業參與到技術創新。企業在技術消化和市場推廣上應成為主體，通過大規模的技術應用促進該領域的相關裝備產品的加速熟化;企業在利用技術優勢開拓市場，獲取利潤后，有動力、有資金繼續開展的相關的技術創新，推進產業生態鏈條的構建。

在國家層面推進都市農業研究。技術的原始創新應依托學科的發展，通過學科帶動研究的深入，通過研究的創新帶動產品的迭代，通過產品的完善促成整個產業的完整。科技計劃應重點布局都市農業領域的重點任務，推進該領域系統化、深入化和產業化的發展，最終形成合力，共同構建植物工廠全程機械化體系的完善。

總的來說，植物工廠相關裝備的研究建立在栽培模式科學化、設施結構產業化、創新人才團隊化的前提下，在信息大發展的時代浪潮中，植物工廠全程機械化是一個必然的趨勢，這一領域的發展將會對中國的現代農業產生深遠的影響，必將使得中國成為該領域全球的領先者和引導者。

*項目支持：成都地方財政專項資金項目NASC2020KR05。

[引用信息]張梅，鄒承俊.溫室智能裝備系列之一百二十三國內外植物工廠蔬菜植株移栽智能裝備研究進展[J].農業工程技術，2020，40（25）：47-49.