林業機械自動化發展現狀與展望

柳瑩瑩，姚 強，江 陽※

（1.新賓滿族自治縣上夾河鎮綜合事務服務中心，遼寧 撫順 113000；2.塔里木大學機械電氣化工程學院）

0 引言

隨著科技的進步，高效的自動化機械正在快速發展[1]。現階段林業機械主要應用于重復性作業和危險場景，林業機械的自動化程度落后于農業、采礦或軍事等行業。對于農業和采礦業來說，龐大的規模、同質化的工作環境和大量投資是其能夠快速發展的主要原因[2]，而許多林業機械的開發仍處于原型或前商業化階段。

目前林業自動化機械的研究主要依靠嵌入式電子設備，如傳感器、測量工具和視頻傳輸工具等。相較于傳統的林業機械，自動化機械更具有優勢[3]。第一，林業自動化機械可實現遠程作業，采用智能平板實現作業狀況遠端可視化，結合GPS實現遠程控制并通過傳感器進行機器自身運行檢測和外部環境檢測，在提高機械可靠性的同時實現可控的無人作業；第二，林業自動化機械通過自主導航行駛到預定位置，在作業過程中捕獲地理空間信息，結合通信技術和云服務進行分析并優化機器性能，實現林業精準作業。此外，已有研究表明，自動化技術的使用可以輔助操作人員操作收割機或運輸機[4-5]。到2020年，大多數林業機械都采用了智能平板監視器并結合GPS系統實現了半自動操縱，預計2025年將采用遠程控制并將采用激光雷達或其他傳感器進行樹木目標選擇或使用無人機進行作業環境監測[6]。

本文通過討論林業機械的國內外研究現狀，分析了林業機械的自動化發展方向，從砍伐、采集、加工和運輸4個方面討論林業機械自動化研究進展，進行系統性總結并在此基礎上對林業自動化機械未來發展方向進行展望，以期為加快林業機械自動化技術推廣與關鍵技術優化提供參考。

1 砍伐機械發展現狀

為探討目前林業機械自動化發展現狀，本文從砍伐、采集、加工和運輸4個階段分析研究進展。

自20世紀80年代以來，國內外展開了對林業機械技術的研究與開發。國外針對新型林業設備的開發形成了研究人員和設備制造商共同協作的成熟研發體系，實現了從原型制造、測試、投資到商業化的一整套流程，造就了林業機械的高速發展，使得研究成果得以快速轉化。例如芬蘭龐賽PONSSE Scorpion采伐機和Logest 12H GTE Hybird輪式混動采伐機（圖1）。

圖1 PONSSE Scorpion 采伐機和Logest 12H GTE Hybird輪式混動采伐機

芬蘭龐賽PONSSE Scorpion 多輪全自動采伐機克服了在陡峭、敏感或不平坦的園林地形上作業的難題，通過增大與地面的接觸面積來增大摩擦力。整體機械通用性強且效率高，在林場能夠快速完成木材的切割和分類，可在2秒內完成作業，能夠輕松適應各種作業環境，穩定性強、作業效率高。Logest 12H GT Hybird輪式混動采伐機在此基礎上增強了輪式和履帶式機器的能力，采用210 hp 電機組合7.4L、300hp 柴油機的混動技術，在保持動力輸出的同時降低對環境的破壞[7]。

新西蘭正在開發一種新型搖樹擺動園林采伐機[8-9]，其目的是能夠自主作業且擺脫地形條件限制（坡度和粗糙度等）。該機將兩顆樹通過機械連接到一起并使用樹干作為支撐，作業時可以減少土壤干擾。烏美亞研究所的奧辛施設計了一臺在園林內無視地形影響的四輪采伐機，該機采用電機驅動，每個輪子上都安裝砍伐爪，通過制定好的程序自動穿過園林。作業過程中可通過機械臂來穩定自身，并恢復輪式運動，即在樹木之間移動。

這些思路雖然激發了創新，但離商業化還有很長距離。當前與砍伐作業自動化系統相配套的軟件系統仍處于起步研究階段[10]，為了實現自動砍伐機械的研發，必須使機具能夠識別單體樹木（即自動化識別）。在美國林務局的支持下，俄勒岡州立大學開發了一種樹木識別視覺系統，將攝像機安裝在砍伐機械上，通過視覺識別系統實時檢測樹木位置和數量，這項技術為砍伐機械提供了“視覺能力”。

2 采集機械發展現狀及問題

采集作業是將原木從作業區運輸到指定加工或存儲區域的重復性作業過程。該部分實現自動化需要先進的目標識別系統以方便采集與卸載時砍伐機或裝載機的精準定位。

在搭建自動化操作系統時，除了需要具備遠程操作能力，還需要對作業過程有清晰的決策，這導致即使是完全自動化的作業也可能需要配備半自動或自動輔助系統[11]。目前研究發現GNSS 信號會受到園林地理位置影響導致定位精度下降，因此，如果采集機械不具備避障能力就無法實現自主運動[12]。

采伐機械的作業環境往往是復雜的山地，地面上有砍伐殘留物，作業路徑（滑道）具有高度可變的地形特征，因此將原木從收獲地點移動到裝載區需要共享機器實時位置并獲得園林中裝載區和卸貨區的位置坐標，同時在采集和卸載原木時需要具備探測和規避障礙物的能力。

將路徑檢測集成到機械中的另一種方法是使用無人機進行聯合作業，無人機能夠在復雜環境中繞過障礙物，在深度學習算法的加成下可實現在園林小徑和樹林之間的導航。由麻省理工學院計算機科學和人工智能實驗室（CSAIL）的研究人員開發的一種名為推掃式雷達的無人機能夠以50 km/h 的速度飛行并通過障礙物探測系統避開樹狀障礙物。研究人員開發的系統可以實現無人機探測物體并實時建立周圍環境的完整地圖，雖然該無人機目前只是在測試階段，但可以有效地引導林業機械在復雜的園林地形中靈活進出[13]。

約翰迪爾John Deere 1910G 輪式收割機融合多機功能實現了采集運一體化（圖2）[14]，其動臂范圍為8 m，起重力矩151 kN·m，旋轉力矩41 kN·m，額定載重19 t，整機質量28t，該機由駕駛員一人即可完成全套集采作業，駕駛員可以通過駕駛室的儀表盤實時監測工作數據并將工作日志上傳到服務器中，極大提高了作業效率。

圖2 John Deere 1910G 輪式收割機

楊德嶺等人研制了一款多功能輪式集材機，集清障、集材和裝卸等功能于一體，可在20°斜坡實現木材運輸（圖3a）。東北林業大學研制了一款以SWDY-60 履帶式挖掘機為基礎改造的履帶式小型聯合采伐機（圖3b），這種采伐機可在我國東北林區路面濕軟、崎嶇的濕地環境進行作業。

圖3 多功能輪式集材機和SWDY-60 履帶式挖掘機改裝采伐機

3 加工機械發展現狀

加工區工作環境復雜，所有的木材都將從采伐區運輸到指定的加工（儲存）區域，以供后續轉場。林業機械木材卸載加工的整體流程包括沿傳送帶進行掃描和分類識別以及卡車裝載。目前有學者開發了數字立體視覺系統，該系統能夠獲取樹木參數和地理立體圖像，可以實現對木材的自動分類和裝載[15-16]。對于處理多個樹種的問題，拉瓦爾大學正在研究一種基于樹皮的計算機視覺物種識別系統[17]。

定長切割（CTL）系統可對樹木進行機械卸載、分類和裝載。原木量材系統，可對被運送到卸載點的樹干進行自動化質量評估，包括掃描、處理以及排序，其難點在于需要設計可移動的機械臂來支持該作業。

4 運輸機械發展現狀

自動駕駛技術目前正被廣泛應用于運輸作業中[18]。鑒于林業卡車通常不需要在城市環境中運輸且運輸路線相對固定，所以自動駕駛技術很可能相比其他行業更早實現普及，在特定的林業道路上進行原木長距離運輸作業將有助于自動駕駛技術在這種場景的推廣應用[19]。

自動駕駛技術正在迅速發展和變革[20]，具備遠程操控和實時監控功能的智能運輸卡車已開始被運用于不同的行業中，目前具備自動駕駛功能的卡車離開公共道路進入作業道路的技術也已經被開發出來并應用于采礦作業中[21]，因此將其應用到林業也是可以實現的。許多制造商已經開發了野外作業運輸系統，包括Caterpillar、Hitachi和Komatsu，這些卡車配備了高精度導航和路徑規劃系統以及障礙物檢測系統，使其能夠快速地從一個作業地點移動到另一個作業地點從而完成木材運輸作業。

5 結論與展望

綜合國內外林業機械的研究進展，國外林業機械功能和種類齊全，目前更注重聯合作業、多功能集成以及自動化產品的研發。國內林區大部分是原始林區，路況復雜，未來在林業機械的結構設計中應注重結構的優化和自動化以及智能化創新，加強司機的駕駛安全和舒適性改造。此外，為滿足林業高效生產和可持續發展，今后林業機械技術研究應在基礎方面重點開展林業基礎機械技術研究，以期為林業自動化技術實施提供指導。加強林業自動化技術產品開發及配套軟件技術研究，著重研發適合各地區山區環境特點的林業機械裝置，加強林業機械裝置關鍵部件研究并重點關注砍伐、采集、加工以及運輸各個生產環節。

（1）提升林業機械自動化工作能力的同時應加強林業機械的通訊能力以獲得傳感器以外的信息，提高其在復雜環境下的工作能力，實現多臺機械協同作業。

（2）研發基于互聯網絡和蜂窩數字通訊網絡的智能作業機械，利用局域網和5G 數字通訊網絡進一步擴展作業機械的控制手段，使其不再受空間和地域的限制。

（3）以分布式人工智能的多智能體理論為基礎，將多個智能林業機械構成作業編隊，通過多機協調控制高效地完成任務。

（4）加強遙感技術、機器視覺、速度、姿態等傳感器在林業機械裝置上的應用，進一步開發智能化控制系統并優化算法，減少延遲，使無人化和智能化邁向實際應用。