智能化農(nóng)機(jī)裝備助力設(shè)施園藝發(fā)展探析

趙立虹，薛梅

（250100 山東省 濟(jì)南市 山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院）

0 引言

設(shè)施園藝具有集約、高效的特點(diǎn)，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要組成部分，它降低了自然氣候條件的不良因素影響，通過(guò)模擬適宜植物生長(zhǎng)的環(huán)境，在溫度、濕度、營(yíng)養(yǎng)可控的條件下，以先進(jìn)的栽培、管理技術(shù)，解決了我國(guó)冬春季蔬菜、水果供應(yīng)不足的問(wèn)題，滿足了多層次消費(fèi)需求，保障了我國(guó)蔬菜、水果等農(nóng)產(chǎn)品的均衡和周年供應(yīng)，促進(jìn)了地區(qū)經(jīng)濟(jì)的繁榮，對(duì)農(nóng)業(yè)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平的改善起到重大作用。

科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步改變了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的發(fā)展模式，為農(nóng)業(yè)帶來(lái)新的機(jī)遇。近年來(lái)，中國(guó)設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，技術(shù)水平不斷提高。未來(lái)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化技術(shù)將不斷與農(nóng)業(yè)融合，設(shè)施園藝發(fā)展顯示了光明的前景。

1 國(guó)外設(shè)施園藝中智能化應(yīng)用情況

世界上設(shè)施園藝技術(shù)領(lǐng)先的國(guó)家主要有荷蘭、美國(guó)、英國(guó)、日本等，經(jīng)過(guò)多年發(fā)展自動(dòng)化和機(jī)械裝備不斷完善，實(shí)現(xiàn)了生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)模式。設(shè)施內(nèi)配套智能裝備比較完善，環(huán)境綜合控制體系融合定位系統(tǒng)、各種傳感器、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、遙感等多項(xiàng)技術(shù)，溫度濕度、光照、土壤等作物生長(zhǎng)所需參數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)和調(diào)控，苗體定植、生長(zhǎng)管理、采收輸送、分選包裝等環(huán)節(jié)都由機(jī)械設(shè)備完成，對(duì)作物的培育實(shí)行精細(xì)化管理，獲得的農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量高，品質(zhì)優(yōu)，得到較高利潤(rùn)[1]。圖1 所示為智能機(jī)器人在園區(qū)內(nèi)工作。

圖1 農(nóng)業(yè)智能機(jī)器人Fig.1 Agricultural intelligent robot

在歐美和日本，設(shè)施生產(chǎn)已實(shí)現(xiàn)高度工廠化、自動(dòng)化管理，智能設(shè)備可完成苗木嫁接、環(huán)境控制、水肥管理、植物授粉、產(chǎn)品收獲等工作，如荷蘭ISO 集團(tuán)研發(fā) Cutting Planting 機(jī)器人完成玫瑰莖干嫁接、Pviva 公司的自動(dòng)化施肥機(jī)，采用Ec和pH 傳感器保證灌溉營(yíng)養(yǎng)液濃度的精準(zhǔn)性，同時(shí)循環(huán)利用，減少對(duì)環(huán)境的破壞[1]。西弗吉尼亞大學(xué)研制BrableBee 授粉機(jī)器人識(shí)別黑莓叢圖像信息進(jìn)行授粉操作，Clearpath 公司開發(fā)小型巡檢機(jī)器人，完成自主導(dǎo)航的生長(zhǎng)環(huán)境及生長(zhǎng)狀況監(jiān)測(cè)。SWEEPER 公司通過(guò)使用機(jī)器人操作，實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航的甜椒采摘。Lely 集團(tuán)研發(fā)Lely Astronaut 系列擠奶機(jī)器人和糞便收集機(jī)器人，提高管理效率。在果蔬分級(jí)、清洗、包裝環(huán)節(jié)，使用機(jī)器人，使勞動(dòng)力需求減少80%[2-3]，大大提高了生產(chǎn)率。

2 國(guó)內(nèi)設(shè)施園藝智能化裝備研究情況

我國(guó)設(shè)施園藝發(fā)展起初引進(jìn)發(fā)達(dá)國(guó)家設(shè)備技術(shù)，通過(guò)學(xué)習(xí)吸收，逐步走向自主研發(fā)和集成創(chuàng)新之路，現(xiàn)有建設(shè)面積總量最大，占世界總面積的85%以上，其中蔬菜和西（甜）瓜設(shè)施種植面積占世界總面積90%，人均占有設(shè)施園藝面積居世界第2[4]，年人均蔬菜占有量為240～250 kg，處于較高水平，但是在溫室工程技術(shù)、監(jiān)測(cè)預(yù)警、生產(chǎn)裝備等與世界先進(jìn)國(guó)家還有較大差距[5]。

設(shè)施園藝生產(chǎn)裝備主要包括：種苗生產(chǎn)、嫁接、移栽、環(huán)境調(diào)控、植保、采摘、物流等裝備。

2.1 種苗生產(chǎn)技術(shù)裝備研究

種苗生產(chǎn)智能化裝備主要利用機(jī)器視覺的識(shí)別定位，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)和反饋，為種苗提供最佳生長(zhǎng)環(huán)境，提高生產(chǎn)效率。國(guó)內(nèi)學(xué)者相關(guān)研究有：江蘇大學(xué)創(chuàng)制的自走式蔬菜穴盤苗全自動(dòng)移栽機(jī)[6]，可實(shí)現(xiàn)高速取苗，采用地面仿形系統(tǒng)，自動(dòng)化程度和成功率較高；梁玉芹[7]等做了茄果類溫室智能化育苗關(guān)鍵技術(shù)研究，縮短了育苗周期，且保證了種苗質(zhì)量；徐立青[8]等提出基于Hough 橢圓擬合的子葉方向識(shí)別方法，可有效提高幼苗子葉識(shí)別率；賀磊盈[9]等提出一種基于機(jī)器視覺提取參數(shù)的方法，從而提高果蔬嫁接機(jī)器人的自動(dòng)化水平；張寧[10]針對(duì)工廠化育苗，進(jìn)行了基于機(jī)器視覺的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究，把幼苗按質(zhì)量分級(jí)，提供了穴盤苗自動(dòng)移栽設(shè)備的研究支持。

2.2 環(huán)境調(diào)控裝備研究

設(shè)施內(nèi)智能環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)利用各種傳感器監(jiān)測(cè)作物的長(zhǎng)勢(shì)、溫度、濕度、土壤等情況參數(shù)，進(jìn)行智能化決策，為設(shè)施內(nèi)環(huán)境調(diào)控和水肥管理、病蟲害防治提供科學(xué)依據(jù)，提高作物綜合效益。歐陽(yáng)華[11]等針對(duì)提高作物高效、精細(xì)生長(zhǎng)管控的需求，提出了多作物的測(cè)控管智能平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境感知、圖像分析、光譜檢測(cè)和智能精細(xì)化生長(zhǎng)控制管理等功能；李慧玲[12]等針對(duì)溫室內(nèi)非結(jié)構(gòu)環(huán)境下作物的檢測(cè)需求，開發(fā)了在溫室內(nèi)信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了作物營(yíng)養(yǎng)、長(zhǎng)勢(shì)和環(huán)境信息的綜合監(jiān)測(cè)；李道亮[13]團(tuán)隊(duì)開展了人工智能在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的研究，為水下自主作業(yè)機(jī)器人開發(fā)提供理論依據(jù)和綜合性參考，推動(dòng)了水產(chǎn)養(yǎng)殖轉(zhuǎn)型發(fā)展。

2.3 植保裝備研究

植物保護(hù)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。溫室內(nèi)溫度濕度相對(duì)恒定，病蟲害發(fā)生率較露地更高，危害嚴(yán)重。智能植保系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)施內(nèi)病蟲害發(fā)生情況，作出決策進(jìn)行綜合防治和防控。隋媛媛[14]采用光譜分析和信息模型判斷，得出溫室內(nèi)病蟲害發(fā)生狀況監(jiān)測(cè)報(bào)告，進(jìn)行病蟲害預(yù)警；柴洋[15]利用圖像處理和識(shí)別技術(shù)，對(duì)溫室內(nèi)番茄病害完成識(shí)別任務(wù)，有效提高了識(shí)別率；耿長(zhǎng)興[16]等研究了光照、土壤、溫濕度與黃瓜病害特征信息表達(dá)的相互關(guān)系，預(yù)警黃瓜病害，并設(shè)計(jì)溫室黃瓜精準(zhǔn)對(duì)靶施藥機(jī)器人；王鵬[17]等研制了基于導(dǎo)航線和QR 組合導(dǎo)航的設(shè)施噴霧機(jī)器人，提高了噴霧機(jī)器人導(dǎo)航的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，能夠?qū)崿F(xiàn)溫室內(nèi)巡檢、植保噴霧等工作。

2.4 采摘裝備研究

果蔬智能收獲系統(tǒng)能有效解決勞動(dòng)力不足的問(wèn)題，通過(guò)視覺識(shí)別技術(shù)判斷果實(shí)的尺寸、品質(zhì)、成熟度等信息，結(jié)合多卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊算法等提升準(zhǔn)確性，運(yùn)用柔性仿生機(jī)械臂配合完成采摘、收集等任務(wù)。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)2009 年研制國(guó)內(nèi)第1 臺(tái)黃瓜采摘機(jī)器人[18]，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人自主導(dǎo)航移動(dòng)，研制了具有自適應(yīng)性的黃瓜采摘柔性機(jī)械手、輕型智能關(guān)節(jié)機(jī)械臂；紀(jì)超[19]等設(shè)計(jì)了自主導(dǎo)航的黃瓜采摘機(jī)器人系統(tǒng)，精確計(jì)算切割位置且采用柔性材料末端執(zhí)行器，能夠加緊黃瓜果實(shí)不傷表皮，降低了采摘損傷；劉繼展[20]等對(duì)機(jī)器人果實(shí)采摘中果梗激光切割技術(shù)進(jìn)行分析和探討，為機(jī)器人收獲中的結(jié)合應(yīng)用提供理論支持；陳昕[21]等、陳軍[22]等進(jìn)行了水果采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器的研究，旨在提高采摘效率和作業(yè)穩(wěn)定性。相關(guān)的采摘研究，改善了收獲環(huán)節(jié)費(fèi)時(shí)費(fèi)力、效率低的問(wèn)題，推動(dòng)了智能化采摘技術(shù)的發(fā)展。

2.5 物流智能化裝備研究

物流裝備主要包括運(yùn)輸、儲(chǔ)存、搬運(yùn)、包裝等環(huán)節(jié)，通過(guò)稱重和紅外光譜、機(jī)器視覺等技術(shù)，快速完成信息識(shí)別，進(jìn)行下一步作業(yè)，并把生產(chǎn)各個(gè)環(huán)節(jié)連接起來(lái)，完成輸送、存儲(chǔ)、包裝等任務(wù)。李健航[23]利用機(jī)器視覺進(jìn)行藍(lán)莓果實(shí)投影面積的數(shù)字化識(shí)別計(jì)算，為藍(lán)莓自動(dòng)分級(jí)提供依據(jù)；劉啟全[24]等利用橢圓擬合算法對(duì)圖像進(jìn)行特征提取，實(shí)現(xiàn)了對(duì)哈密瓜的在線分級(jí)；杜碩翌[25]等設(shè)計(jì)了基于機(jī)器視覺的智能存放系統(tǒng)，達(dá)到了自動(dòng)化、智能化果蔬儲(chǔ)存；這些研究節(jié)省了大量分揀、運(yùn)輸?shù)裙ぷ鳎岣吡诵剩档土顺杀尽?/p>

3 存在問(wèn)題

（1）我國(guó)農(nóng)機(jī)制造技術(shù)總體不高，當(dāng)前不僅要提高智能化水平，同時(shí)，也要提升農(nóng)機(jī)可靠性、關(guān)鍵零部件研發(fā)、農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合等方面。智能農(nóng)機(jī)系統(tǒng)融合了機(jī)械作業(yè)的信息采集和智能決策環(huán)節(jié)和執(zhí)行環(huán)節(jié)，執(zhí)行環(huán)節(jié)還存在可靠性不足和“無(wú)好用機(jī)”等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，智能化技術(shù)要與高度自動(dòng)化生產(chǎn)模式相匹配，才能高效完成作業(yè)任務(wù)，創(chuàng)造更大的效益。

（2）設(shè)施裝備科技含量低，高昂的成本和受農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的限制，智能農(nóng)機(jī)和設(shè)備只能應(yīng)用在大型現(xiàn)代化高檔溫室，普通大棚基礎(chǔ)建設(shè)條件差，缺乏輕簡(jiǎn)化小型機(jī)械。

（3）設(shè)施園藝相對(duì)大田種植模式能耗高，農(nóng)藥、肥料用量大，水肥、廢棄物等造成污染嚴(yán)重，節(jié)能和綠色生產(chǎn)的需求迫切。

（4）設(shè)施園藝涉集生物、環(huán)境、工程、信息、電子工業(yè)等多種學(xué)科的技術(shù)領(lǐng)域，各部分相互影響相互促進(jìn)，需要具備一定專業(yè)知識(shí)。現(xiàn)階段從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的勞動(dòng)力人口不足且年齡較大，設(shè)施內(nèi)管理和智能農(nóng)機(jī)使用維護(hù)的專業(yè)人員缺乏。

4 建議

大數(shù)據(jù)背景下農(nóng)機(jī)的智能化發(fā)展和應(yīng)用，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，對(duì)提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量，提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率，起到重要作用。

（1）支持智能化農(nóng)機(jī)發(fā)展，通過(guò)打造一批智能裝備產(chǎn)業(yè)園區(qū)，在示范引領(lǐng)作用下，促進(jìn)智能化裝備的推廣應(yīng)用。同時(shí)加大科技投入，支持設(shè)施作物難點(diǎn)環(huán)節(jié)、急需環(huán)節(jié)裝備研發(fā)，滿足設(shè)施內(nèi)機(jī)械化作業(yè)需求，形成高度自動(dòng)化生產(chǎn)模式。

（2）改造適宜機(jī)械設(shè)備作業(yè)條件，預(yù)留作業(yè)空間，促進(jìn)設(shè)施園區(qū)規(guī)模化發(fā)展。提高農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合度，農(nóng)藝人員在作物栽培時(shí)考慮機(jī)具的使用，調(diào)整種植模式、工藝，重視農(nóng)藝參數(shù)積累，為智能農(nóng)機(jī)研制提供有效的數(shù)據(jù)支持，使智能機(jī)械設(shè)備研發(fā)適合作物的生理，研發(fā)小型省力化機(jī)械裝備。

（3）智能化裝備要考慮綠色發(fā)展要求，從工程建設(shè)、環(huán)境控制、土壤保護(hù)、廢棄物處理等環(huán)節(jié)，提高智能化裝備信息判斷的準(zhǔn)確性，精確施用農(nóng)藥、肥料，減少能源消耗，促進(jìn)有機(jī)綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展。

（4）人才是創(chuàng)新的第一動(dòng)力，要加強(qiáng)專業(yè)人才培養(yǎng)，組建優(yōu)質(zhì)科研隊(duì)伍，采取措施吸引優(yōu)秀人才投身農(nóng)業(yè)，開展與設(shè)施園藝相關(guān)知識(shí)普及培訓(xùn)，培養(yǎng)具備相應(yīng)的專業(yè)知識(shí)新型職業(yè)農(nóng)民，解決人才缺乏問(wèn)題。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，目前我國(guó)設(shè)施園藝智能裝備發(fā)展處于初級(jí)階段，滿足設(shè)施生產(chǎn)的有效裝備供給不足，高端農(nóng)機(jī)裝備尚處于研發(fā)階段，不能有效用于實(shí)際生產(chǎn)。進(jìn)入“十四五”發(fā)展時(shí)期，智能機(jī)械設(shè)備將從實(shí)驗(yàn)室走向規(guī)模化推廣階段，技術(shù)先進(jìn)、品質(zhì)優(yōu)良的智能農(nóng)機(jī)裝備將會(huì)發(fā)揮更大的作用，推進(jìn)設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)向高產(chǎn)高效、優(yōu)質(zhì)安全、綠色健康方向發(fā)展。