丘陵山區果園機械化裝備發展現狀分析與展望

文/溫翔宇

[導語]

我國水果產量居世界首位，但果園多分布于丘陵山地，受地理條件限制，丘陵果園機械化程度長期處于較低水平。為全面提升我國機械化總體水平，改善農業機械化生產薄弱環節，應加強丘陵山區果園生產機械化環節關鍵技術創新與農機裝備研發，為水果生產提供強大科技支撐。

水果產業已成為我國繼糧食和蔬菜之后的第三大農業種植產業，2019年，我國果園種植面積為1204萬hm2，水果產量為2.74億噸，居世界首位。但國內優質果園多分布于川中、兩廣、陜甘等以丘陵山地為主的地區，受地理條件限制與傳統種植模式影響，果園機械化程度長期處于較低水平，果園生產管理多以人工作業為主，工作強度大、生產效率低、作業環境艱苦，很多人不愿意從事水果種植工作，加上務農人數越少和人口老齡化趨勢加重，誰來種地，怎樣種地，成為鄉村振興中急需破解的問題。機械化是解決這一問題的根本出路，也是保持我國水果產業穩定發展的一劑良藥。

《國務院關于加快推進農業機械化和農機裝備產業轉型的指導意見》中明確要求加強薄弱環節農業機械化技術創新和農機裝備的研發、推廣與應用，促進丘陵山區農業生產方式向集約化、規模化轉變，著力推進丘陵山區機械化進程，補短板、強弱項。在大力實施鄉村振興戰略的推動下，水果產業作為丘陵山區農業支柱型產業，應突破傳統農業種植方法和模式，全面提升丘陵山地果園機械化水平，滿足果農對果園生產管理機械裝備的迫切需求，促進現代農業與食品產業提質增效。本文介紹丘陵山區果園概況及特點，分析果園生產植保、采收環節機械化發展現狀，探討丘陵果園機械化進程中面臨的機遇與挑戰，以期為丘陵果園機械技術與裝備研發提供方向與思路。

果園機械化裝備發展現狀

1.機械動力底盤

動力底盤是實現果園機械化的基礎，與升降作業平臺、除草機構、噴霧機構、運輸貨框等模塊配合使用，執行果園生產各環節的作業。地勢平坦的區域多以輪式動力底盤為主，零部件通用性強，成本低，裝配簡單，但對地形的適應性較差，容易在起伏的丘陵山地發生打滑和傾覆現象。因此，丘陵區的果園機械底盤通常以小型履帶式為主，相比于輪式，其與地面接觸面積大、接地比壓力小，抗傾覆和防滑移能力強。

隨著遠程控制、無人駕駛進入農機領域，不再需要考慮駕駛位的配置問題，極大降低了機械動力底盤的重心，使其在坡度較大的丘陵山區也能更好地貼合地面行駛。通過遠程控制動力底盤驅動執行機構進行作業（見圖1），避免了在大坡度作業條件下手扶式或乘坐式果園作業機器發生傾覆，能夠保護機器操作員的人身安全。

圖1 遠程遙控履帶式動力底盤機械

在物聯網、大數據、人工智能、5G、機器人等新一代信息技術高速發展的時期，機械動力底盤將實現從遠程控制到全程自動控制，最終實現機器人自主控制的轉變，形成機器人自主感知作業需求、切換作業裝備，完成果園生產作業的全天候、全過程、全空間無人化生產模式，提高作業效率，節約勞動力，降低畝均成本，促進經濟效益提升。

2.植保機械

根據行走動力方式的不同，傳統果園植保施藥機械可分為人工施藥機具與機動式施藥機具。人工施藥機具以背負式、腳踏式和擔架式為主，具有成本低、不受地形限制的優點，但作業效率低，農忙期作業強度大，存在樹冠較大的果樹藥液噴施不便的情況，人為因素還會導致重噴漏噴，造成農藥噴施不勻和浪費；此外，果農長期處于高濃度藥劑環境下，易對身體造成危害。隨著機動式施藥機具進入市場，風炮式、塔式、圓環式及柔性導管式等機施配套的噴藥機構，通過牽引懸掛方式安裝在動力行走機械上，極大地提升了作業效率，減少農民勞動強度的同時提高了農藥噴施均勻度，但因霧滴偏移嚴重、藥量流失大，會導致出現農藥利用率低、資源浪費、環境污染和農產品農藥殘留超標等問題。精準施藥技術是解決上述問題的有效途徑，特別是靜電噴霧技術、對靶施藥技術、變量施藥技術等精準施藥技術在市場需求驅動下得到快速發展。

圖2 果園地面植保機械

無人機噴灑農藥進行植保作業模式的出現，改變了植保裝備的格局，將植保施藥重新定義為地面植保（見圖2）和航空植保（見圖3）兩種方式。2018年日本東京千葉縣幕張國際展覽中心的一架小型無人機，可負載農藥10kg，每小時作業面積可達4hm2，噴灑效率約為人工噴灑的30倍以上。此外，空中作業無需考慮地面裝備的田間通過性，受作物種類、種植密度及地形起伏影響小，通用性好、靈活機動、適應性強，且無人機能夠實現遠程遙控操作，避免了噴藥過程中農藥對作業人員健康造成的傷害，這些優勢使其受到廣泛關注。

我國南方水稻種植區率先應用無人機進行農藥噴灑作業，此后各地也相繼出現使用無人機進行植保作業。丘陵山區地勢高低不平、起伏大，大部分機動式施藥機具無法進地作業，80%以上的施藥工作仍然依靠人工完成，只有部分小型化、轉場能力強的裝備適用于丘陵山區果園作業。無人機因不受作物種類、地形限制等影響，成為解決丘陵果園地面植保機械進出困難的有效選擇，符合農業無人化、智能化的發展方向。

我國在航空植保技術研究方面起步較晚，仍有技術瓶頸有待突破。第一，植保無人機專用藥劑需能適應低稀釋倍數且稀釋后穩定性高、霧化效果好、防漂移、抗揮發、沉降好等特點，但目前國內登記的適用于植保無人機飛防作業的超低容量液劑僅有19種（含生產調節劑），而日本飛防專用藥劑登記有266種、韓國110種，國內無人機無“劑”可施的局面限制了植保無人機的推廣，因此應加快專用藥劑研發。第二，電動植保無人機存在載荷小、續航短的問題，一方面需提高單機性能，另一方面可通過多機協同作業來解決，而無人機自主導航、航線規劃、調度及任務分配等技術集成應用是實現多機協同作業的重要手段。第三，丘陵果園地形高低起伏、果樹樹冠高度不一，無人機施藥需與作物保持一定的距離，距離過大則噴藥效果差，距離過小則響應不及時，易碰撞樹體造成機具損傷，因此在丘陵區進行無人機植保需實現無人機高度仿形，保證植保作業效果的穩定性，避免因地勢差異造成無人機損毀。第四，丘陵山區地形復雜、作物生長差異性較大也對植保無人機推廣增加了難度。目前，上述技術問題的解決仍需投入大量的人力、物力進行研究，形成有效的解決方案，使相關技術能夠盡快在丘陵山區應用推廣。

圖3 航空植保機械

3.收獲機械

果園收獲機械可分為非選擇性收獲機械和選擇性收獲機械。非選擇性收獲機械即對果實進行無差別收獲，主要依靠機械機構夾持果樹的樹干樹枝并產生振動（見圖4）、梳 齒 探入樹冠進行梳刷和擊打（見圖5）以及高速氣流沖擊等方式，使果實脫落完成收獲。這類無差別果實收獲方式具有作業效率高、采收成本低的優點，但會對果樹造成一定損傷，影響下一收獲期的產量，同時下墜的果實難免產生碰撞損傷，不利于水果商品化。

選擇性收獲機械已成為近年來的研究熱點，在一定程度上能夠彌補非選擇性收獲機械的劣勢。選擇收獲機械實施方式主要依靠相機、雷達、傳感器等進行目標識別與定位，機械臂和末端執行器進行單收或串收等擬人化作業模式（見圖6），對植株的損傷較小，便于加裝果實成熟度辨識等附加功能，提升產出的果實品質。但由于果實空間分布隨機、果莖葉相互遮擋、非結構化采收環境等諸多不確定因素，對果實采摘時目標識別準確率低，存在對部分果實識別成功但無法定位的問題；而且丘陵果園地形復雜，對行走機構穩定性影響較大，即使識別定位準確仍會導致末端執行器抓取目標失敗。目前，選擇性收獲機械多處于實驗室開發測試階段，在光照條件多變、地形崎嶇復雜的田間場景下采收成功率較低，與高昂的設備成本不匹配，距離實際推廣應用還有較大距離。

圖4 振動式收獲機

圖5 梳齒式收獲機

圖6 果實采摘機器人

當前，可將選擇性收獲機械應用在經濟價值較高、果實二維平面化分布、半結構化生產環境下的果品收獲作業中，如菠蘿、番茄、高架種植模式的草莓、獼猴桃等，可以回收部分前期研發投入成本。在實踐中需進行視覺識別深度學習，提升機器視覺識別準確率，對采收執行部件進行優化改進，提升部件在相似品種間的通用性，進一步控制成本并逐步向復雜作業環境過渡。隨著“無人化農場”概念的迅速推進及人們對高品質農產品需求的日益增長，選擇性收獲機械具有極大的發展潛力。在未來一段時間，復雜場景下的動態識別定位與行走、采摘執行機構協同控制等技術瓶頸的突破，識別定位與路徑規劃時間縮短以及自動化技術成熟與裝備成本的下降，都將推動選擇性收獲機械的推廣應用進程。

4.果園運輸機械

果園運輸機械主要包括輪式、履帶式、軌道式及索道運輸機。美國、法國、荷蘭等國家果園地形以大面積平原為主，采用輪式運輸機即可滿足運載需求，部分緩坡及路況差的區域采用履帶式運輸機。盡管履帶式運輸機在山地運輸中具有很強的適應能力，但我國丘陵果園地勢坡度陡、起伏大，大部分園區不具備通車條件，因此果實采收及生產資料的運輸主要依靠人工。

國內研究者借鑒日本和韓國的軌道運輸技術，對單軌道式、雙軌道式運輸機進行大量研究，以解決我國丘陵山區果園運輸問題。華中農業大學研制的7YGS45型雙軌道果園運輸機（見圖7a），采用自走式作業方式，實現爬坡、轉彎、前進、倒退和任意點制動等功能，最大爬坡角47°，最小水平轉彎半徑8m，平均運行速度1.0m/s；張俊峰等設計的山地果園遙控單軌運輸機（見圖7b），單軌依地形鋪設，能適應不同地形條件的運輸需求，防脫軌防側倒裝置可防止運行時脫軌和側倒。在實際應用過程中，雙軌道運輸機運行的安全性與穩定性更高，而單軌道運輸機具有安裝占地面積小、成本低的優點。

華南農業大學洪添勝等設計的山地橘園鏈式循環貨運索道（見圖8），可根據地勢及果樹種植情況靈活架設，按一定間隔設置掛鉤，果農可隨意上載和卸下果品和生產物料。由于香蕉果串質量較大，運輸耗費大量人力，香蕉園等也多采用索道運輸機（見圖9）。相比于軌道運輸，索道安裝靈活、成本更低，但索道安裝對地勢的要求嚴格，國內目前只有小部分的丘陵山地果園滿足安裝要求。

圖7 軌道式果園運輸機

圖8 橘園鏈式運輸索道

圖9 香蕉園鏈式運輸索道

當前丘陵山區果園運輸機械各有優勢和不足，果園運輸系統應根據園區地形實際情況進行布局，綜合考慮地勢、穩定性、成本等因素進行區域網格劃分，根據區域地勢特征進行運輸機械選型，在不同運輸機械間建立對接機制。隨著農機裝備向自動化、信息化、智能化方向發展，以及農機監控調度系統的應用推廣，復合式運載系統的建立獲得越來越有力的技術支撐。

果園機械化裝備發展趨勢

1.果園環境標準化、信息化

為減輕地理條件對果園生產機械化的限制，配合園區農業機械通行需求，應完善園區的基礎設施，如水、電、路、網絡等基礎設施，改善園區道路，優化地塊布局，實現相鄰地塊之間、地塊與道路之間銜接順暢。建立標準化、信息化果園，需對園區進行適度宜機化改造，配置各類傳感器。搭建果園環境信息自動采集系統，采集光照度、溫濕度、風向、風速、雨量、土壤水分、土壤PH值、土壤EC值、植物生長狀況等環境參數，開發生產數據分析展示大屏系統、基于全景的可視化生產監控調度系統，通過數據分析、建立模型，進行產量預估、產量實測，實現果園生產全程數字化、標準化管理。實際生產過程中，可根據數據信息分析結果，實現各個生產環節智能調控，充分發揮信息化對果園生產的指導作用。

2.果園作業裝備自動化、智能化

果園作業裝備自動化、智能化是現代農業發展的必然趨勢，植保無人機、采摘機器人等高度自動化作業裝備將逐步在果園生產環節投入使用。隨著自主導航、機器視覺、深度學習、數字信息高速處理等一系列技術難題的突破，未來在果園也將實現“機器替代人類”的無人化作業，但現階段，技術突破難度大，裝備制造成本高，應用場景復雜多變，機具適用性較差，難以大面積推廣應用。可研制半智能化的機型填補裝備轉型期空白，決策和規劃等環節仍為人工操作。例如，無人機對園區實景建模后，由操作人員規劃植保作業路徑，無人機按人工預設路徑進行植保作業。半智能化的作業流程可減少無人機根據環境信息自主規劃路徑的信息處理工作量，執行效率更高，作業軌跡更精準，且同時操作多臺無人機能夠降低人工成本，提高作業效率。

3.開發多功能果園作業裝備

隨著果園作業裝備向自動化、智能化轉型，相關作業裝備將更加注重用戶體驗，裝備功能也將集成化、多樣化。果園機械化作業不再局限于單一作業環節，可搭配不同組件參與到果園生產的多個環節。例如，無人機配置不同的傳感器，實現果園病蟲害預警及環境監測、產量預測等功能；將藥箱和噴頭替換成果箱和采摘機構，實現無人機采收；將修剪工具替換到采摘機器人執行末端上，實現果樹枝葉的修剪；在軌道運輸車搭載中小型噴霧機，輔助無人機進行植保作業等。果園區機械裝備通用性的提升，有助于降低種植人員的勞動強度，減少設備空置率，節約成本、提升效率，形成果園生產各環節機械化深度融合發展的新模式。