设施果菜生产智能装备研发应用现状及建议

李恺 王春辉 张凌风

前言

中国设施蔬菜产业发展迅速。在“国家重点研发计划”等科技项目的不断支持和推广下，温室栽培等技术不断创新，尤其是作为设施蔬菜重要组成部分的果菜，栽培生产工艺与叶菜及其他蔬菜相比，在嫁接育苗、吊蔓种植、空间采收方面具有明显特征，生产栽培环节更复杂，管理要求更精细。从设施果菜的生产环节看，典型的温室果菜生产可分为育苗和栽培生产两个主要阶段。育苗阶段主要包括播种、催芽、嫁接、愈合、育苗炼苗、分级补苗等工艺环节;栽培生产阶段主要包括耕整地、定植移栽、灌溉施肥、植保、植株管理、采收等工艺环节。

设施育苗可以缩短栽培周期、改善秧苗质量、增加种植茬次，提高土地利用率。中国设施蔬菜种苗培育自动化程度相对较低，穴盘育苗推广应用良好，针对穴盘的自动化播种生产线、催芽室等设备已在很多农业园区得到良好应用。嫁接环节技术要求高，劳动强度大，缺乏有效的生产组织模式，并且人工作业效率低，人力成本高，无法标准化、精细化实施，同时，嫁接后存在愈合周期长、愈合成活率低等问题，急需在嫁接生产模式、快速愈合技术方面有所突破和集成。苗期生产在国内主要还以粗放型管理为主，而育苗环节对环境要求较高，需要精细控制温-光参数，以保障嫁接苗成活率及成品苗标准化品质。穴盘育苗灌溉方面，自走式喷淋机和喷药机也在一定程度上得到应用。潮汐式灌溉技术发展时间尚短，还未形成真正适用的营养液循环、消毒、复配等设备成套应用。总体来看国内种苗生产环节机械化、自动化水平仍然较低，除自动播种生产线外，自动生产装备研究成果较少，虽然针对嫁接机、移栽机、种苗分级等技术产品的研究也在逐步开展，但与国外设备相比成熟度不高，应用率较低，还处于系统性薄弱的状态，与智能化差距依然很大，无法串联成为体系，没有集中管理。开发成套设施育苗自动化设备对于保障中国蔬菜育苗产业的可持续发展具有重要意义。

果菜的栽培生产环节较为复杂，劳动强度大，中国还基本处于主要以手工作业为主的阶段，亩产相对较低。国内日光温室和中大型塑料大棚中的果菜生产在耕整地环节实现部分机械化，定植移栽、植保、植株管理以及采收等环节则完全依靠人工，在落蔓疏蔓环节以及拉秧环节的工作量很大，且果菜土传病害相对严重，仅有一些大型园区引进如采摘升降车等辅助生产设备。虽然国内科研机构也在移栽定植、行间植保等方面有所研究，但成果甚微。总体来说，中国果菜栽培生产自动化程度较低，缺乏集中管理。尤其在吊蔓、疏落蔓环节以及成品采收运输方面，这部分劳动作业强度大，费时费工，是亟待解决的问题。

国外应用与研究现状

荷兰作为设施农业强国，果菜生产以无土栽培为主，尤其在岩棉栽培方面已形成较为完善的工艺体系且拥有与各个环节配套的自动化、智能化生产装备，装备应用普及率较高。目前，荷兰园艺生产中采用岩棉栽培的面积占无土栽培总面积的70%，温室岩棉栽培的黄瓜、番茄的产量比传统露地栽培产量高10倍。针对岩棉块生产蔬菜种苗的工艺要求，荷兰Visser公司和Filer Systems公司等大型园艺装备生产企业也相应采用岩棉块进行蔬菜育苗的自动化生产，可实现整包岩棉块自动解垛、岩棉块充水、精量播种、种子覆土、幼苗移栽和支撑签插入等一系列自动作业，之后利用自动转运铺放车将岩棉块搬运至温室内，灌溉采用潮汐式灌溉，并在大型连栋温室进行集中管控，对温度、光照、水肥营养等环境参数精细管控，整个生产过程大大节省了劳动力，提高了作业生产率和作业质量。荷兰无土栽培的果菜生产从播种前的基质处理到采收后的成品包装，重点环节基本实现自动化，并在整体生产过程的环境调控、水肥管理方面实现了智能化的成熟应用。虽然在嫁接作业、成品采收、植保环节还是以人工作业为主，但总体流程设备齐全，连贯性好，系统性强，尤其在环境水肥系统控制、全程生产管理方面的软硬件成果众多，例如Priva的模块化生产管理系统不单具有环境调控，水肥管理的功能，后續还在不断增加如能源管理、劳动力管理、产品追溯管理等方面的功能。这些成型的软硬件产品已在全球范围内进行技术输出。

在不断应用实践的基础上，设施果菜生产装备的智能化方面也在不断升级。近几年随着物联网、AI等相应技术的发展，智能农业发展先驱国荷兰在已经较为成熟的成套设备基础上，对环境信息获取、能耗降低、设备生产率提升、水肥控制等方面进一步发力，并着重研究如整枝打叉、采收、拉秧等几个难点环节设备的自动化和智能化，已提出了自动拉秧、智能剪枝机器人以及基于灵巧手的采摘机器人等智能化设备。

虽然荷兰基于大型连栋温室、少品种或单一品种的无土栽培模式，尤其是岩棉栽培模式，存在设施建造，加温成本巨大等问题，并不适合中国以地栽为主的果菜生产现状，但其流程设备连贯，全程生产管理的结构却值得学习借鉴。

西班牙作为欧盟菜篮子，其果菜种植条件与中国相近，但在智能灌溉方面有其独到的一面;日本由于本土资源短缺、从业人员减少、老龄化现象严重，主要致力于开发小型、轻便、多功能、高性能设施耕作机具、播种育苗装置、灌溉施肥装置。在农业机器人方面研究启动较早，形成了较为成熟的育苗移栽机器人、采摘收获机器人。

国内应用与研究现状

中国温室果菜育苗和生产的装备还主要以手工作业为主，关键环节的生产设备从整机引进到国产化创新研发，尤其是随着我国设施农业面积的大规模发展及农机补贴政策的出台，与之相适应配套的农业机具也发展较快。2014年，我国设施农业机械化水平为36.28%，其中耕整地、灌溉施肥环节的机械化水平分别达到79%和60%，环境调控、种植、采运等环节的机械化水平较低，不能满足中国温室种植发展的需要，与发达国家相比还有很大的差距，深入研究开发温室果菜生产环节的智能化装备任重道远。随着各地农机购置补贴政策支持范围和力度加大，也在应用层面逐步普及，但在连续性和农机农艺结合方面还有很长的路要走。

中国对于温室果菜育苗和生产的装备研发机构多为科研院所和企业，且研究多集中在种苗的种子播种线设备、嫁接机、移栽机等。中国农业机械化科学研究院等科研单位开发了多种型号的穴盘育苗精密播种机，浙江博仁、广州绿翔等企业也推出相应产品并逐步开始推广。中国农业大学、华南农业大学等开发了温室育苗用的半自动嫁接机，但这些设备目前仍需要操作工从穴盘逐一取出秧苗，现有技术水平在嫁接效率和节省人力方面进一步提升空间有限。国内对穴盘育苗分选移栽技术的研究还处于初级阶段，2003年才开始穴盘苗自动移栽机的研究，落后于国外成熟的技术体系。目前，国内华南农业大学，南京理工大学等也针对蔬菜钵苗自动移栽机进行了相关研究，目前还处于试验样机阶段，在移栽夹持手优化、种苗质量识别和对不同操作对象通用性等关键技术方面仍需进一步研究。

国内有关设施果菜整枝装备的产品研发尚为空白，因此没有出台与之相关的产品设备设计、安装等标准，研究还停留在工具改进方面。如若要实现智能化必须要通过机器识别、判断来进行下一步的动作，与采摘机器人类似。整枝机器人需要清除的枝条和叶子与周围环境无论从形状、颜色、大小上都一样，因此识别上存在很大困难，这成为开发智能整枝机的难点。

在果菜生产管理环节中，植保环节无论在设备研发还是相关自动化控制领域都需较大投入。虽然在施药机械和施药技术上作了一些研究和示范推广，但国内安全施药技术与国外比较差距甚大，借助国外成功的经验与技术在国内研究、应用和推广新一代安全施药机械和技术是当务之急。

落蔓作业是设施果菜种植生产不可缺少的环节，对无限生长型高秧爬蔓作物需在生长过程中用支撑物将不断生长的茎蔓攀起或吊起。目前落蔓作业主要以人工手动为主，以结构简单的落蔓器使用最为广泛，劳动作业效率不高，且劳动强度大。沈阳农业大学开发研究了单垄整体落蔓结构，该结构在一定程度上提升了落蔓效率。关于疏蔓相关技术国内外研究均较少，农业农村部规划设计研究院提出一种温室作物的移动吊蔓裝置及作物栽培方法，通过试验得到预期效果。

在采收环节，中国农业大学李伟等针对现代连栋温室研制了番茄、黄瓜采摘机器人。该机器人采用温室内的加温管道作为导轨采摘机械臂，采用4自由度的轻型专用机械臂，经双目立体视觉判别并定位成熟果实，末端采用气动式手指执行器，在夹持番茄果柄的过程中，手指上的刀片完成对果柄的切割，番茄采摘成功率为90%、黄瓜采摘成功率达85%，单根黄瓜采摘耗时28.6 s。温室果蔬采摘机器人已经发展了几十年，但是由于对象的多态性以及环境的结构化程度低导致了机器人采摘作业效率低，而生产制造成本高，因此尚无商业化的成熟产品。在将来的发展中，应重点突破复杂环境下的果实目标识别定位、柔性灵巧采摘机械手、适合机器人高效作业的采摘模式以及相应的农艺种植模式等难点。

中国果菜种植主要以日光温室和塑料大棚生产为主，种植种类和模式多样，运输物流劳动强度较大，目前国内生产搬运仅仅是减轻了劳动者的劳动强度，多数搬运为单台单机模式。近年来，设施搬运设备的种类有所拓展：出现了一些多功能集成搬运平台，突破了单一的搬运功能，融入了附属功能;其次在功能控制方面也有一些拓展，如无线遥控的应用;除此之外，AGV磁导航技术在设施果菜搬运领域也日益受到研究者追捧。北京农业智能装备技术研究中心马伟等设计了温室喷药采摘作业多功能平台;该设备集成了运输及施药平台应用，脱离了单一功能。山东省农业机械科学研究院张波等设计了设施农业无线智能电动运载平台，成功将无线遥控技术应用到温室物料搬运中。农业农村部规划设计研究院设施农业研究所丁小明等研究开发了一种日光温室单轨物料运输装置，山东农业大学苑进等研究了温室内精准定位物流车，成为当前日光温室搬运设备的代表。伴随社会劳动力成本的增加，解放劳动生产力，串联各作业环节成为今后产业发展与竞争的实力体现，智能化运输系统可视为终极解决方案。

结论及建议

目前中国关于温室果菜生产装备的研究随着我国设施农业面积的大规模发展及农机补贴政策的出台在应用层面取得了较大的进步，尤其在设施农业园区生产过程中，在播种、嫁接、产地物流、环境控制等方面起到示范带动作用，但受制于成本和相应的配套农艺技术还在不断探索完善;在研究层面，主要集中于播种、移栽、嫁接、定植、采收、水肥、环境控制等环节的相对独立的设备研究，尤其是耕整地、播种、水肥等方面技术基本与国外达到并跑水平，并逐步形成适合我国国情的生产模式;但在移栽、嫁接、定植、采收等环节的装备还大多停留在实验室阶段，实际生产过程中仍无法实现各生产环节效率的协调、物料流通的连贯，未能形成高效、高产的全产业链生产系统，导致果菜无论是品质还是产量都未能达到最优水平。

由于温室果菜生产在育苗、种植、采收方面的明显特征，更需要集约化和规模化种植。当前国家推动土地流转方式促进规模化经营取得阶段性成果，“十四五”期间为巩固设施农业发展成果，设施果菜的规模化经营势必进一步扩大，这就给果菜生产转型升级带来了机遇。设施果菜生产组织化程度、机械化水平相对更高，对高价值的研究成果接受能力强，这就为其作业的精细化、管理的智能化奠定了基础。

从研发角度来看，应重点结合栽培工艺，一方面大力发展集成应用技术，集成现有装备成果，提升设备精度及稳定性，通过筛选实用设备并进行推广普及，不断熟化实践;另一方面，应当查缺补漏，重点研发嫁接、采摘、运输等“跟跑”节点设备，打通果菜生产全程机械化、自动化、智能化生产的装备应用路线。以自主研发为主、借鉴为辅，从整体生产管理视角出发，真正研究符合中国国情、适合中国设施特点的各环节自动化装备和智能化管理系统，提出整套果菜生产方法，构建温室蔬菜智能化精细生产系统。

*项目支持：国家重点研发计划项目（2017YFD0701500）。

作者简介：李恺（1986-），男，山西太原人，博士，主要从事现代农业装备研发工作。

[引用信息]李恺，王春辉，张凌风.设施果菜生产智能装备研发应用现状及建议[J].农业工程技术，2020，40（07）：22-25.