蔬菜種苗生產數字化應用探索

韓吉書 韓吉勝 宋甲斌 楊景慧 李中華

蔬菜產業是中國農業的重要支柱產業，也是帶動農民增收的主要產業之一。2014年全國蔬菜播種面積為2133.3萬hm2，總產量7億t，居農產品之首。目前，中國蔬菜移栽面積980萬hm2，種苗需求量已達6833億株/年，而當前全國的生產能力2000億株/年，約占年蔬菜種植總需求量的30%，其中優質種苗只占生產種苗量的40%[1]。由此可見，蔬菜種苗存在著巨大缺口，這也是中國集約化育苗發展的動力。受供求關系的影響，全國涌現出一大批蔬菜育苗企業，據不完全統計，全國蔬菜育苗規模企業1500多個，但多數蔬菜育苗企業投資規模較小，育苗設施相對簡單，以簡易工廠育苗為主，主要依靠人工操作，機械化水平低，沒有標準的生產工藝，主要靠經驗決策。因此，其培育出的蔬菜種苗普遍存在質量不穩定、移栽成活率低、成苗質量差、病蟲害嚴重等情況，給育苗行業和種植戶帶來重大損失，嚴重影響蔬菜產業的健康發展。

隨著全球信息技術應用水平的不斷提升，智能化、數字化成為農業發展的新趨勢。近年來，國家高度重視“三農”工作，在大量政策及扶持資金的刺激下，國內數字農業水平快速提升，為適應設施蔬菜產業的快速發展，蔬菜育苗逐漸向智能化育苗方式轉變。為解決傳統蔬菜育苗效率低、蔬菜種植效益差、食品安全等問題，安信種苗在山東省濟南市濟陽區現代農業科技示范園率先構建了數字化智能種苗工廠（面積1 hm2），

配備了智能識別精量播種機、嫁接苗切割機、巡檢機器人等設備，預計工廠建成后育苗量可達360萬株/茬，年育苗能力為6茬（圖1）。

蔬菜種苗生產智能化系統主要構成

數字化智能種苗工廠（圖1～3）融合了AI、IoT、5G、云計算、大數據、生物表型組學等各種技術，通過建立種苗生長和設備控制數據模型，感知識別各節點狀態，對物聯網收集的數據進行大數據分析，控制中心下發指令，控制各種智能化機械設備自動運作，替代人工完成各項生產任務。數字化智能種苗工廠使IoT與種苗生產各個環節實現有效融合，實現精準控制、減少人工、提高效益的目的。以IoT技術為核心，集傳感器技術、計算機技術、移動網絡技術于一體，利用5G高速通訊技術高通量、寬連接、低時延的特點[2]，將種苗工廠的種子處理系統、植保系統、噴灌系統、運輸系統等各個子系統有機連接起來，使各子系統之間能夠相互通信，實現信息共享和任務全局統一化的綜合管理，實時監測各子系統的運行狀態，包括設施設備調度、作業信息、種苗生長狀況、設備運行狀況等信息，并通過數字決策系統實現最優系統集成以及各子系統間的協同作業，為無人化工廠做鋪墊。

在蔬菜集約化育苗過程中，安信種苗創立“25節點育苗法”，采用工廠化流水線作業，通過對育苗前期準備、催芽與播種、播種后管理、出苗后管理以及秧苗定植前管理等5個過程共“25個關鍵點”的精準控制，來減少人為或天氣因素對種苗培育質量的影響，實現激發種子潛能、提高種苗抗性、提高作物產量的效果，同時，育苗過程程序化、規范化、數據化、可追溯化，可顯著提高工作效率，降低育苗成本，保證種苗質量穩定可靠，減少質量糾紛。

經過十多年的研發和實踐，安信種苗在原來集約化育苗的基礎上逐步探索出數字化育苗新模式，開發出一系列適用工廠化穴盤育苗的新設備，并建立了一套標準化穴盤育苗技術流程，針對穴盤育苗過程中存在的核心問題，對“25節點育苗法”深度解析，轉化為可操作的數字語言，根據工藝要求建立生產模型，根據生產模型形成相關指令，操作智能化設備進行作業。蔬菜穴盤育苗數字化應用探索包括以下幾個關鍵環節，分別為種子處理環節、播種環節、嫁接環節、植保環節、水肥管理環節、質量管理環節、運輸環節、環控環節、管理環節、培訓環節、數字推廣環節。

種子處理環節

種子消毒是工廠化穴盤育苗生產中預防病害的關鍵措施之一，工廠化穴盤育苗由于處理種子量大，溫度不易掌握，溫度太高容易燒傷種子。數字化智能種苗工廠模式利用計算機視覺技術對種子進行自動檢驗，在對采集的單粒種子圖像進行處理后，提取特征參數圖像[3]，經過種子參數數據庫進行分析驗算，檢測蔬菜種子的種類、純度、健康度等狀態，確定種子處理的方式和方法。

溫湯浸種和干熱處理可以殺滅種子攜帶的病原，是種子消毒的重要手段之一。安信種苗經過反復試驗及多年實踐，研發出全自動溫湯浸種機。把種子放入全自動浸種機中，根據蔬菜種子種類，設定浸種時間，全自動浸種機自動進行浸種，根據不同蔬菜種子需要設定恒定溫度浸種，并不停地自動攪拌，直至設定時間，隨后降低溫度，混入殺菌藥劑，達到設定時間后自動沖洗、排出種子，完成溫湯浸種處理。

種子干熱消毒處理可有效彌補常規處理的不足，不僅可以殺死種子表面附著的病菌，還可以殺死潛伏在種子內部的病原、鈍化病毒，同時不會顯著影響種子的發芽能力[4]。傳統干熱滅菌采用普通烘箱操作，種子處理量小、溫度不穩定，蔬菜工廠化育苗專用的種子干熱處理機，溫度可穩定在病毒鈍化最適宜溫度，每批處理種子量300 kg以上，有效提高滅菌效率，減少或杜絕種子帶菌引發的病害傳播。

催芽是育苗的關鍵所在，蔬菜種子發芽的好壞決定著蔬菜種苗的數量和質量，同時還對蔬菜種苗的生長發育有著一定程度的影響。傳統催芽方式將處理過的蔬菜種子進行控水后，用具有良好透氣性的紗布包裹好進行催芽。智能種苗催芽室將根據蔬菜種子種類及發芽特性自動設置溫、光、水、氣、肥等基本因素，可為種子發芽提供良好的條件。

播種環節

針對人工播種和普通蔬菜穴盤播種機小粒徑蔬菜種子穴盤育苗播種精度差、效率低等問題，安信種苗研發智能蔬菜種子精量播種線，通過CCD視覺識別技術、人工智能對播種質量進行檢測，實現智能補種，降低空穴率、重播率，提高了精準率，真正實現蔬菜種子的精量播種，極大程度減少了種子的浪費及后期管理程序，經試驗驗證單粒播種準確率可達到99%以上。

嫁接環節

蔬菜種苗常用的嫁接方法主要有插接法、劈接法等，目前蔬菜種苗嫁接主要依靠人工操作，熟練嫁接工一般每天能嫁接種苗3500株左右，隨著農村勞動力短缺，種苗嫁接用工矛盾日益突出。嫁接苗成活率的高低主要與操作人員的熟練程度有關，由于人工操作上的差異，往往同一批苗因為不同的人操作，而嫁接質量不同。嫁接質量不好的種苗會長出氣生根、接穗生長勢弱、品質差，嚴重時造成大量嫁接苗報廢，造成經濟損失[5]。如何生產出優質、健壯的嫁接苗，成為當前育苗行業急需解決的關鍵問題。

安信種苗投資設計研發的蔬菜嫁接機，根據嫁接苗特點設計，可以使砧木、接穗接合迅速，自動完成嫁接操作，避免切口長時間氧化和苗內液體的流失，大大提高了嫁接成活率和工作效率，嫁接成功率可達90%以上。解決手工嫁接費工費時，作業質量與作業效率相矛盾的問題，促進種苗嫁接技術的推廣應用，滿足嫁接苗的市場需求。

植保環節

基于視覺檢測系統，采用YOLO-V3深度學習算法，對植物種類和病害實時檢測識別。通過5G物聯網技術將識別結果上傳到云端進行大數據分析，根據防控標準，針對苗情、病蟲害種類，自動采取不同植保處理措施，包括綠色防控、化學防治、物理防治等。

水肥管理環節

通過苗床、育苗溫室、種苗狀態等多維度的數據采集，然后利用5G物聯網傳輸并進行大數據分析，通過大數據和傳統農業技術的融合，對蔬菜種苗當前水肥需求進行綜合評價，再通過5G物聯網水肥一體智能灌溉系統，針對種苗生長狀態自動進行水肥管理（圖4）。

基于移動苗床的智能灌溉系統對運輸過程中的種苗進行檢測識別，自動精量控制，極大降低人力成本，提高種苗質量。

質量管理環節

蔬菜種苗一個育苗周期內一般要經過2～3次分揀合盤工作，目前人工挑選需要大量的時間，且分級標準不統一。蔬菜種苗智能分級分揀設備（圖5）集成機構學、機器視覺、可編程邏輯控制（PLC）技術，通過機器視覺采集穴盤種苗圖像，經上位機（計算機）程序處理，運用目標區域像素統計的方法，對幼苗生長狀況（真葉數、苗齡、株高和長勢一致性等）進行評價。種苗培育期，對穴盤里種苗健康度分級，對缺苗、弱苗和病苗剔除補種;發貨時對種苗檢查驗收，將符合標準的種苗移至發貨區域，提高產品一致性，保證移栽質量。

運輸環節

目前蔬菜工廠化育苗運輸作業還是以人工搬運為主，非常耗費人力。安信種苗數字化智能種苗工廠研發棚內、棚間多種運輸設備，包括智能尋址運輸車，通過UWB、二維碼尋址定位等多種技術，實現運輸車智能規劃路線、自動尋址行進，減少運輸環節對人工的依賴，并且更加高效;苗床多功能運輸車，通過多個伺服電機配合視覺和UWB導航定位系統，能夠靈活地穿梭于苗床之間，行走平穩，承重能力強，并且預留多種接口可以搭載各種智能設備協同作業;吊軌運輸設備能有效減小地面運輸壓力，實現育苗工廠內物料的空中運輸;智能物流苗床通過PLC控制實現苗床智能調度。通過5G+IoT通信，地上地下運輸系統智能協同作業，實現種苗、物料等的智能運輸。

環境控制環節

環境控制能力不足是影響工廠化育苗的重要原因，目前傳統的農業物聯網系統大部分只有視頻監控和環境數據監測功能，無法將相應設備進行聯動。基于網絡通訊傳輸、遠程監控、數據分析，實時獲取溫室環境和植物生長狀態，通過種苗生長環境模型分析，自動控制設備運行，精準調控溫室光、熱、水、氣等環境參數。例如，根據傳感器和氣象采集的天氣、溫度、光照、風力等數據，通過Zigbee無線通訊到物聯網網關，再傳送到本地服務器分析[6]。控制中心智能控制外遮陽、內遮陽、內保溫、頂開窗、風機濕簾、補光系統，從而調控溫室內光照、溫度。

5G物聯網系統把智能音箱與溫室設施設備連接，實現設備間的直接通訊，語音實現對設施設備的快速遠程控制，已有溫室可通過智能改造，實現語音控制燈光、噴水、卷膜等設備運行。

管理環節

種苗工廠ERP管理系統，將公司管理各個環節有機串聯起來，實現流程化、數據化、標準化管理。基于云平臺的管理系統，打破時間、空間限制，隨時隨地查看相關信息，實現人與人、人與設備、設備與設備互通。銷售管理、生產管理、財務管理、服務平臺各系統有機配合，能夠保證質量管理各步驟的實施監控，農戶服務平臺實現在線為農戶提供技術支持，通過現代化手段更好地服務農戶，提高生產效率，降低管理成本。

智能巡檢機器人能夠不間斷地在智能種苗工廠內進行巡回檢查，主要解決人員管理不及時、用人多、信息不準確的問題。運用雷達構建地圖模型以及模型匹配自動巡航，利用超聲波自動避障;搭載高清攝像頭，對種苗的狀況進行實時采集分析，對苗情和人員進行管理。智能巡檢機器人結合數字ERP系統對種苗生產各環節實現智慧管理。

培訓環節

傳統育苗教學周期長、不可重復，虛擬仿真系統（圖6）可對蔬菜生產全生命周期進行模擬，用以培養新時代專業高端人才。用于蔬菜育苗技術教學的同時，可進行種植戶蔬菜栽培管理培訓，培養高素質農民。基于AR技術的虛擬仿真還可以增加更多交互模式，增加用戶與農業的互動體驗，推動農業的現代化發展。

數字推廣環節

信息技術高速發展的潮流下，線上推廣已成為當下的主流形式，抖音、快手等多媒體平臺已經廣泛應用于產品推介，而利用3D、4D、AR、VR等現代數字技術能夠實現更加逼真、生動的展示，增強了交互沉浸感，顯著增強系統吸引力[7]，可廣泛用于廣告宣傳、產品展示、公司文化宣傳等。

總結與展望

數字化智能種苗工廠的優勢及問題

數字化智能種苗工廠的優勢主要有三點，一是精準化，提高工廠化育苗效率和質量，減少失誤;二是機器替代人工，人工成本大幅度降低;三是工作環境改善，吸引人才，可持續發展。

目前數字化智能種苗工廠發展主要有三個問題，一是急需構建數字種苗產業發展的生態圈;二是投入大，要持續研發數字化智能種苗工廠投入是傳統種苗工廠的3倍以上;三是缺乏復合型人才，數字化智能種苗工廠橫跨農業技術、機械自動化、信息技術等多個領域，既包括傳統行業也涵蓋了新型高科技，對于多棲跨界人才非常缺乏。

數字化智能種苗工廠效益分析

通過農機農藝融合，形成智能化模式，改變傳統工廠化育苗模式。經過近幾年數據統計分析和初步測算，傳統育苗工廠若實現10億株/年的育苗量，大約需要4000名工人，數字化智能種苗工廠可以提高機械化使用率，節省用工成本80%;若將員工待遇提高50%，則節省人工成本約70%。對傳統育種工廠的數字化改造雖然增加了投入，但是可以節省大量人工成本。數字化智能種苗工廠模式可以通過軟硬件整體輸出（交鑰匙模式）、EPC模式（設計、建設、運營）、合資、合作等模式快速復制，廣泛推廣應用。

數字化智能種苗工廠新模式生產要素可控、成本可控、精準可靠，成本低、效益高，突破了制約蔬菜工廠化育苗發展的“瓶頸”，通過智能設備代替人工，提高了生產效率、減輕了勞動強度、節省了勞動用工，解決了投入大的問題，推動農機技術、農藝技術的融合及示范推廣。同時改善工作環境，提高待遇，吸引人才，具有良好的經濟效益、社會效益和環境效益，促進行業高效可持續發展。

參考文獻

[1]種苗產量缺口6333億株集約化是破題關鍵育苗行業掀起蔬菜產業發展大熱潮. 濟南日報[EB/OL]. http：//jnrb.e23.cn/shtml/jinrb/20160822/1583935.shtml.2016-08-22/2021-04-30.

[2]劉廷敏，向模軍.5G技術在農業農村中的應用展望[J].現代農業科技， 2020（8）： 262-263.

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[5]韓吉書，宋甲斌，高中強，等.山東安信種苗針對蔬菜種苗機械化嫁接育苗關鍵技術的開發與應用[J].農業工程技術，2020，40（4）：25-28.

[6] 薛衛強.基于物聯網的無線環境監測系統設計與軟件的實現[D].秦皇島：燕山大學，2013.

[7] 徐麗靜.裸眼3D廣告視覺效果的影響因素與設計原則[J].傳媒論壇， 2019，2（18）：113-114.

*項目支持：2018年農業應用技術創新計劃“智能蔬菜育苗人工氣候箱研發”（201801）。

作者簡介：韓吉書（1970-），男，山東濟南人，高級農藝師，研究方向為蔬菜工廠化育苗。

[引用信息]韓吉書，韓吉勝，宋甲斌，等.蔬菜種苗生產數字化應用探索[J].農業工程技術，2021，41（07）：16-20.