淺析工廠化育秧基地物料配送存在的問題及解決途徑

□馬 超，馬玉春，黃操軍*

（1.黑龍江八一農墾大學信息與電氣工程學院 黑龍江 大慶 163000；2.黑龍江農墾科技職業學院 黑龍江 哈爾濱 150431）

1 研究背景

中國是世界上最大的水稻生產國，2019 年水稻播種面積為29 694 千hm2，近10 年的種植面積穩定在30 000 千hm2。我國的常年水稻種植面積占全世界水稻種植面積的20%。2019 年水稻種植的機械化水平從20%增長到50.86%，已超過“十三五”規劃的目標值，但與玉米、小麥的機械化程度相比還有很大差距。育秧環節仍是加快推進水稻生產機械化的重點和難點，水稻育秧中秧盤育種機械化配套技術和服務一直是水稻生產機械化的薄弱環節。在北方大規模的水稻生產系統中應用物流體系是解決規模水稻育種裝卸、搬運等問題的主要方法之一。

韓國生產的秧盤育秧播種生產線可以完成秧盤覆底土、鋪種、覆表土等工作，生產率通常為300～600 盤臺/h。可以看出，秧盤育秧播種生產線可機械化、高效率完成播種、覆土等工作。

多線全自動智能化水稻秧盤播種生產線的生產率通常為3 200～4 000 盤臺/h，是韓國生產的秧盤育秧播種生產線生產效率的10 倍以上，常規作業只需要50～60 個人在20 個大棚同時開展作業，大大節省了勞動力成本，提高了生產效率，避免了當前人群聚集帶來的防疫風險。

生產效率極大提升，對基質土物料的供應需求大大增加，縮短了底土及覆土的物料回收周期。多線全自動智能化的水稻秧盤播種生產線的物料配送系統智能化，沒有實質性解決物料倉填裝問題及生產線底土回收問題。多線全自動智能化的水稻秧盤播種生產線見圖1。

隨著我國經濟建設和現代化快速發展，拉大了第二三產業與農業生產之間的利益差距，適齡勞動力季節性短缺現象日益突出，造成農業勞動力嚴重短缺以及成本快速上升。許多地區出現了農業勞動力短缺的現象。在農忙季節，青壯年勞動力缺乏問題尤為突出，有的地區甚至出現了全面短缺的趨勢。以現代化、機械化、自動化為核心的水稻栽培技術已成為廣大稻農急需的技術[1]。

北大荒集團作為中國農業現代化的“先鋒隊”和“領頭羊”，是具有中國特色的新型農業現代化示范企業。近年來，該集團積極面對適齡勞動力季節性短缺問題，大力落實《關于進一步推進農墾改革發展的意見》（中發〔2015〕33 號），加快發展，推進農墾，率先實現農業現代化。水稻是北大荒集團最重要的農作物，水稻生產育苗、種植、施肥、收獲的機械化是水稻生產技術的主要發展趨勢，實現全自動化、無人化養殖尤為重要。

進入“十三五”以來，智慧農業成為現代化農業進程中的重要組成部分，是農業現代化發展的必然趨勢。黨和國家高度重視“智慧農業”的發展，多項政策文件中均提出要發展“智慧農業”及相關技術。北大荒集團是我國現代化農業的先驅者和踐行者，始終積極響應國家智慧農業的號召[2]。北大荒集團建三江分公司前進農場在購進4 臺韓國生產的秧盤育秧播種生產線后，發現引進的播種覆土設備功能不完善，在農忙育種時仍需較多人力。為保質保量完成生產和解放人工勞動力，實現農業自動化，黑龍江八一農墾大學與北大荒集團建三江分公司前進農場合作研發了全國首個多線全自動智能化的水稻秧盤播種生產線，該項目是黑龍江八一農墾大學建三江水稻研究院重點推進的項目。在該項目的建設過程中，多線全自動智能化的水稻秧盤播種生產線中基質土物料倉及種子物料倉的填充需人工拆裝和運輸。生產線在高速運轉時，因購進的國外生產線設備不完善，底土覆蓋秧盤時有大量底土物料落在地面，需要人工回收。

2 相關技術發展

目前，自動物料輸送已廣泛應用于各行各業。在農業物資運輸中，生產運輸與農業生產關系最為密切。農業生產物資運輸是農業生產技術中的一項物流活動，這種物流活動與整個生產過程相聯系，實際上已經成為生產過程的一部分。

在農業生產過程中，物料運輸一般是種子、基質土、水分等輔助材料，從倉庫或農業大棚的“門”開始，進入生產線的起點，進一步流向生產加工過程的各個環節。物料經過加工后產生廢料和剩余材料，生產加工結束后返回倉庫，結束了農業生產材料的運輸過程。只有合理生產和運輸，才能使生產過程處于最佳狀態。物料運輸是生產物流系統的核心，整個物料運輸系統包括各種形式的運輸、半成品的儲存和過程管理，從某種角度來看，農業生產的基本內容是物資分配。物資運輸的自動化程度決定農業現代化的程度，直接影響農作物的生產效率。

要想發展現代農業，首先要實現物料運輸的自動化，包括現代管理技術和管理方法在物料運輸過程中的應用。其基本特點是物資運輸合理化、管理系統化、倉儲自動化、裝卸設備自動化、信息網絡化。隨著自動化和信息化程度提高，傳統的人工運輸和管理方式已不能滿足現代物資運輸的要求。現代物流不僅是簡單的實物運輸，還是物流多領域技術的融合。以計算機技術為核心的物資運輸管理模式能夠滿足現代自動化運輸的需要。

與傳統的物資運輸相比，現代物資運輸的內容較廣泛，包括自動化運輸系統、過程監控系統、管理系統和調度系統等。現代物資運輸的優勢在于能夠縮短生產周期，保證農作物的時效性，提高物資運輸的效率，降低工人的勞動強度。

20 世紀六七十年代，物料管理在歐洲發達國家受到了高度重視。近年來，計算機網絡和通信技術快速發展，有效促進了物資管理系統的發展，自動化、信息化、智能化、規模化的現代物資運輸模式基本形成。隨著信息技術的發展，國外工業企業的技術、設備和管理都達到了較高的水平，目前已形成了以信息技術為核心，以運輸、裝卸、自動倉儲、庫存控制、包裝等專業技術為支撐的現代物資運輸格局，主要表現在廣泛運用無線互聯網、衛星定位、地理信息系統、射頻識別、條形碼等技術完成信息采集，運用搬運機器人、電子識別和電子跟蹤等技術實現運輸自動化、高度集成化、信息化、機械化、自動化和智能化。

我國物流自動化技術起步較晚，雖然許多企業都對物資運輸系統進行了現代化建設，但采用整套現代化物資運輸系統的企業卻很少。隨著我國市場經濟體制不斷完善和企業間競爭日益激烈，工農業必須不斷提高生產效率，盡可能降低生產成本，以便更好地迎接挑戰。此外，我國工業對現代物質運輸體系的應用逐步加深。當前，我國現代物資運輸迎來巨大的發展機遇，在自動化技術飛速發展的今天，自動化柔性生產線已經逐漸取代了傳統的滾筒式、鏈式、皮帶式的物流傳輸方式，自動物料輸送系統已成功地應用在許多行業中。

3 AGV 小車

世界上第一輛AGV 小車出現在美國，當時AGV小車僅用于工廠倉庫搬運，以提高物料搬運的自動化水平。此后，由于歐洲車輛機械尺寸和結構標準化，AGV 小車技術在歐洲得到了迅速發展。1955 年，英國發明了基于電磁制導的AGV 小車，電磁制導作為歐洲應用最廣泛的制導技術被應用到實際生產和創造中。AGV 小車是集光、機、電技術于一體的高科技產品。隨著工業的快速發展，其市場前景越來越廣闊，目前主要集中在港口、煙草、汽車零部件制造、醫藥、印刷等行業。正如AGV 小車在工業生產中可以降低生產成本和提高產品質量一樣，自動化設備在農業生產中也起著同樣的作用。

1954 年，美國巴雷特電子公司成功研制出一種無人駕駛汽車，該汽車可以自動跟蹤倉庫貨物運輸。1961 年，美國韋伯公司成功研制出一種用于倉庫作業的AGV 小車。這些早期AGV 小車的性能無法與今天相比，但該產品的研發是發展史上的里程碑。

20 世紀六七十年代，由于諸多因素的影響，美國在應用領域發展緩慢，但西歐在這一時期的研究和應用取得了重大進展。首先，沃爾沃在瑞典的Kalman 汽車裝配廠將AGV 小車的應用范圍擴展到工業生產。1974 年建廠時，對裝配運輸系統的靈活性提出了更高的要求。digitron 與沃爾沃合作后，開發了一種可用于車身裝載的AGV 小車。該汽車裝配線由多輛AGV 小車組成，采用這種柔性裝配線，可使裝配時間降低25%，質量缺陷降低39%，成本回收時間減少57%，勞動力減少5%，曠工率降低4%。實踐證明，該廠應用AGV 小車取得了明顯的經濟效益。Kalmar 的實踐使西歐許多企業紛紛效仿，從而推動了AGV 小車在西歐的快速發展[3]。

實際上，卡爾瑪思想是對工業生產組織方式的一次深遠變革，是從傳統生產組織形式向大規模生產線柔性生產形式轉變的開始。面對國際市場的激烈競爭和國內工業生產的萎縮，美國被迫尋求更有效的制造和裝配技術。1978 年，美國從西歐引進運輸系統應用于貨物供應中心。1981 年，約翰迪爾的滑鐵盧分公司將新技術用于生產車間的貨物運輸[4]。1984 年，通用汽車公司建立了自己的柔性裝配系統，此后AGV 小車在美國得到了廣泛應用。現在，美國已成為世界上該技術研究和應用領域最廣的國家。

在日本，AGV 小車的應用始于1966 年Webb 產品的推出，1986 年該產品已經被幾十家公司生產和銷售。1976—1986 年，共有5 032 臺AGV 小車投放市場。但在1983—1986 年，AGV 小車占據了3 017 個站點[5]，這說明日本在20 世紀80 年代非常重視AGV 小車技術，AGV 小車的發展必然促進其學術研究的深化。1981 年，第一屆國際學術會議在英國舉行，之后每兩年舉行1 次，但1985—1989 年每年都會舉辦1 次，這間接反映了20 世紀80 年代末世界對AGV 小車技術需求的迫切性。

總之，在目前的AGV 小車技術研究中，歐美國家的研究比較成熟和完善，處于絕對領先地位；日本和韓國的水平在亞洲處于領先地位，特別是日本，其技術能力可以與歐美國家相媲美。

我國對AGV 小車技術的研究始于20 世紀60 年代，第一臺定點通信電磁制導AGV 小車于1975 年在北京起重運輸機械研究所設計完成[6]。我國第一臺雙向無線通信AGV 小車于1989 年在北京郵政研究規劃院設計完成，并進行批量生產。

20 世紀90 年代，沈陽自動化研究院為沈陽金杯汽車有限公司的裝配線設計了9 套AGV 小車自動裝配系統，標志著國產化生產系統已得到大規模應用。21 世紀后，我國AGV 小車技術發展迅速[7]。目前，昆明船舶裝備集團有限公司、沈陽新松機器人自動化有限公司、北京機械科技發展有限公司、上海富陽科技發展有限公司、廣州景源機電設備有限公司等多家企業具有AGV 小車設計制造能力。農業設施自動化的應用已成為一種發展趨勢，特別是在解決勞動力成本上升和過度依賴勞動力所造成的問題方面具有重要作用。結合AGV 小車的發展趨勢和國內外應用情況，將AGV 小車系統應用于農業領域，可以進一步促進現代農業的轉型和發展，解決勞動力成本高的問題，降低勞動者的勞動強度，提高農場自動化生產管理水平和農業生產效率[8]。

4 秧盤生產線物料配送簡介

由于全自動智能化物料分配系統受限于應季投產使用的研發周期短，在實際運行過程中存在新的運輸需求，具體如下。

第一，多線全自動智能化水稻秧盤播種生產線運轉時，全自動智能化物料分配系統供應物料時底土倉、種子倉中的物料消耗極快，在實際生產車間中，物料垛距生產線物料倉63 m，需通過手推車將物料袋運輸到物料倉附近并由人工進行割袋、填裝。人工搬運是該項目唯一的人力成本，雇傭人力會增加成本，出現效率低下和判斷失誤等問題，造成一系列嚴重后果，甚至造成無法挽回的損失。

第二，在使用多線全自動智能化水稻秧盤播種生產線的過程中，底土、蓋土及種子會通過軌道銜接處落在地上，損耗大量基質土，并且大量粉塵會污染廠房環境。其中，種子已被加水成為潮濕狀態，不可以直接回收加入種箱二次使用，所以需要單獨回收晾曬后再用。

秧盤生產線AGV 小車物料配送系統可以在多線全自動智能化水稻秧盤播種生產線的物料配送過程中更加高效地完成基質土及種子的供應，是農業機械化、智能化的主要發展道路。所以研究的關鍵是如何使AGV 小車在高噪聲、大粉塵的環境下將物料準確運輸到物料倉的同時自動割開基質土及種子的物料袋，完成物料倉的物料填裝。

5 秧盤生產線物料配送問題

第一，基質土、種子損耗料的回收運輸控制系統的結構組成；對運輸控制系統硬件設計分析；對系統的落料單元進行設計；對散落在運輸生產線上的基質土的震蕩，使基質土損耗完全運輸到底土和蓋土的物料倉中；種子損耗料在生產線流程中被淋濕，不可直接回收加入種箱二次使用；解決受潮種子回收烘干問題，并輸送到種子倉中使用。

第二，對應用與秧盤生產車間的AGV 小車引導方式進行分析，采用符合車間粉塵條件和運行條件的AGV 小車引導方式。分析運行路徑可根據使用設備環境變化的AGV 小車的運行路徑，即考慮成本問題和維修的便利性。使用運輸效率高、抗干擾能力強、可長時間運行的AGV 小車。AGV 小車遠程運輸需參考底土倉及蓋土倉的基質土使用情況。AGV 小車滿足物料倉供料需求，對全自動智能化物料分配系統的物料供應完成配套使用。

第三，西門子PLC-200 可編程控制器開發控制系統與已研發的全自動、智能化物料分配系統使用同一控制端，完成全自動智能化物料分配系統的配套使用。對工廠化育秧基地AGV 小車物料配送系統的使用情況進行實時監控。利用西門子PLC-200 可編程控制器完成對AGV 小車遠程運輸及基質土、種子損耗料的回收控制，根據需要采集設備當前工作狀態及基本操作指引信息，對運行數據進行收集，保證數據實時、準確、不丟失。發生機械故障時要停止運行并及時反饋到控制端，保證生產車間在農忙時安全穩定運行，保質保量地完成秧盤育苗工作。

6 秧盤生產線物料配送問題的解決途徑

第一，為了符合現代農業智能化的發展趨勢，提高系統的推廣價值、擴大其應用范圍，AGV 小車遠程運輸基質土及種子的引導方式擬采用磁條導航，便于廠房貨物碼放后地點變化的線路更改。磁條成本低，更改方便，且在高噪聲、高粉塵的環境對AGV 小車的運輸過程無影響。

第二，觀察4 條生產線的擺放位置，底土和頂土的流出端口應在同一水平線上。在水平線下開槽，在槽內建設生產線，使用槽內生產線直接運輸到頂土物料倉。為了回避基質土土料回收線路，受潮的種子回收生產線采用反向運動方式。采用地槽皮帶輸運和傾斜皮帶輸運的方式，將物料運輸到烘干箱內，使用傳感器對烘干箱內的濕度及溫度進行測量，通過數據采集及自動對比，當烘干箱內種子達到可二次使用的標準后，再次運輸到種子倉內，通過全自動智能化物料分配系統進行秧盤育苗生產。應在秧盤生產線生產時一直開啟物料回收生產線，該生產線無需調速和精準控制，只需將生產線上的物料運輸到底土倉內即可。

第三，結合經濟成本及系統功能，對硬件使用的合理性進行分析。工廠化育秧基地AGV 小車物料配送系統擬采用西門子PLC-200 可編程控制器。西門子PLC-200 可編程控制器具有運行穩定、使用簡單方便、價格便宜等特點，在物料回收生產線中可以節省成本，既能發揮作用，又不會對農場產生過多經濟負擔。通過了解西門子PLC-200 可編程控制器的硬件功能，對軟件進行操作學習，對全自動智能化物料分配系統的西門子PLC 程序進行改進，基于西門子PLC-200 可編程控制器的編程規則編寫配套的自動物料循環系統，對基質土及種子的物料運輸和回收功能的軟硬件進行匹配。

7 結束語

全自動智能化物料分配系統能夠實現全自動底土、蓋土及兩種種子的運輸和生產線分配，生產全程均可實現自動監測與控制，生產線發生故障時可以聲光報警。對生產工藝流程和生產工況進行監測，生產線正常工作時綠色指示燈常亮，待機停車或故障時紅色指示燈常亮，生產線停產時所有指示燈熄滅，以指示生產線的工作狀態。該系統還可以隨時采集線上各工位的工作狀態，一方面用于指示燈控制，另一方面將數據發送到主控計算機，圖形化顯示各生產線各工位工況，保障底土、蓋土及兩種種子運輸過程有序高效，最大限度地減少人力投入。

希望廣大農民和社會各界積極參與中國農民豐收節活動，營造全社會關注農業、關心農村、關愛農民的濃厚氛圍，調動億萬農民重農務農的積極性、主動性、創造性。

——習近平