浅析工厂化育秧基地物料配送存在的问题及解决途径

□马 超，马玉春，黄操军*

（1.黑龙江八一农垦大学信息与电气工程学院 黑龙江 大庆 163000；2.黑龙江农垦科技职业学院 黑龙江 哈尔滨 150431）

1 研究背景

中国是世界上最大的水稻生产国，2019 年水稻播种面积为29 694 千hm2，近10 年的种植面积稳定在30 000 千hm2。我国的常年水稻种植面积占全世界水稻种植面积的20%。2019 年水稻种植的机械化水平从20%增长到50.86%，已超过“十三五”规划的目标值，但与玉米、小麦的机械化程度相比还有很大差距。育秧环节仍是加快推进水稻生产机械化的重点和难点，水稻育秧中秧盘育种机械化配套技术和服务一直是水稻生产机械化的薄弱环节。在北方大规模的水稻生产系统中应用物流体系是解决规模水稻育种装卸、搬运等问题的主要方法之一。

韩国生产的秧盘育秧播种生产线可以完成秧盘覆底土、铺种、覆表土等工作，生产率通常为300～600 盘台/h。可以看出，秧盘育秧播种生产线可机械化、高效率完成播种、覆土等工作。

多线全自动智能化水稻秧盘播种生产线的生产率通常为3 200～4 000 盘台/h，是韩国生产的秧盘育秧播种生产线生产效率的10 倍以上，常规作业只需要50～60 个人在20 个大棚同时开展作业，大大节省了劳动力成本，提高了生产效率，避免了当前人群聚集带来的防疫风险。

生产效率极大提升，对基质土物料的供应需求大大增加，缩短了底土及覆土的物料回收周期。多线全自动智能化的水稻秧盘播种生产线的物料配送系统智能化，没有实质性解决物料仓填装问题及生产线底土回收问题。多线全自动智能化的水稻秧盘播种生产线见图1。

随着我国经济建设和现代化快速发展，拉大了第二三产业与农业生产之间的利益差距，适龄劳动力季节性短缺现象日益突出，造成农业劳动力严重短缺以及成本快速上升。许多地区出现了农业劳动力短缺的现象。在农忙季节，青壮年劳动力缺乏问题尤为突出，有的地区甚至出现了全面短缺的趋势。以现代化、机械化、自动化为核心的水稻栽培技术已成为广大稻农急需的技术[1]。

北大荒集团作为中国农业现代化的“先锋队”和“领头羊”，是具有中国特色的新型农业现代化示范企业。近年来，该集团积极面对适龄劳动力季节性短缺问题，大力落实《关于进一步推进农垦改革发展的意见》（中发〔2015〕33 号），加快发展，推进农垦，率先实现农业现代化。水稻是北大荒集团最重要的农作物，水稻生产育苗、种植、施肥、收获的机械化是水稻生产技术的主要发展趋势，实现全自动化、无人化养殖尤为重要。

进入“十三五”以来，智慧农业成为现代化农业进程中的重要组成部分，是农业现代化发展的必然趋势。党和国家高度重视“智慧农业”的发展，多项政策文件中均提出要发展“智慧农业”及相关技术。北大荒集团是我国现代化农业的先驱者和践行者，始终积极响应国家智慧农业的号召[2]。北大荒集团建三江分公司前进农场在购进4 台韩国生产的秧盘育秧播种生产线后，发现引进的播种覆土设备功能不完善，在农忙育种时仍需较多人力。为保质保量完成生产和解放人工劳动力，实现农业自动化，黑龙江八一农垦大学与北大荒集团建三江分公司前进农场合作研发了全国首个多线全自动智能化的水稻秧盘播种生产线，该项目是黑龙江八一农垦大学建三江水稻研究院重点推进的项目。在该项目的建设过程中，多线全自动智能化的水稻秧盘播种生产线中基质土物料仓及种子物料仓的填充需人工拆装和运输。生产线在高速运转时，因购进的国外生产线设备不完善，底土覆盖秧盘时有大量底土物料落在地面，需要人工回收。

2 相关技术发展

目前，自动物料输送已广泛应用于各行各业。在农业物资运输中，生产运输与农业生产关系最为密切。农业生产物资运输是农业生产技术中的一项物流活动，这种物流活动与整个生产过程相联系，实际上已经成为生产过程的一部分。

在农业生产过程中，物料运输一般是种子、基质土、水分等辅助材料，从仓库或农业大棚的“门”开始，进入生产线的起点，进一步流向生产加工过程的各个环节。物料经过加工后产生废料和剩余材料，生产加工结束后返回仓库，结束了农业生产材料的运输过程。只有合理生产和运输，才能使生产过程处于最佳状态。物料运输是生产物流系统的核心，整个物料运输系统包括各种形式的运输、半成品的储存和过程管理，从某种角度来看，农业生产的基本内容是物资分配。物资运输的自动化程度决定农业现代化的程度，直接影响农作物的生产效率。

要想发展现代农业，首先要实现物料运输的自动化，包括现代管理技术和管理方法在物料运输过程中的应用。其基本特点是物资运输合理化、管理系统化、仓储自动化、装卸设备自动化、信息网络化。随着自动化和信息化程度提高，传统的人工运输和管理方式已不能满足现代物资运输的要求。现代物流不仅是简单的实物运输，还是物流多领域技术的融合。以计算机技术为核心的物资运输管理模式能够满足现代自动化运输的需要。

与传统的物资运输相比，现代物资运输的内容较广泛，包括自动化运输系统、过程监控系统、管理系统和调度系统等。现代物资运输的优势在于能够缩短生产周期，保证农作物的时效性，提高物资运输的效率，降低工人的劳动强度。

20 世纪六七十年代，物料管理在欧洲发达国家受到了高度重视。近年来，计算机网络和通信技术快速发展，有效促进了物资管理系统的发展，自动化、信息化、智能化、规模化的现代物资运输模式基本形成。随着信息技术的发展，国外工业企业的技术、设备和管理都达到了较高的水平，目前已形成了以信息技术为核心，以运输、装卸、自动仓储、库存控制、包装等专业技术为支撑的现代物资运输格局，主要表现在广泛运用无线互联网、卫星定位、地理信息系统、射频识别、条形码等技术完成信息采集，运用搬运机器人、电子识别和电子跟踪等技术实现运输自动化、高度集成化、信息化、机械化、自动化和智能化。

我国物流自动化技术起步较晚，虽然许多企业都对物资运输系统进行了现代化建设，但采用整套现代化物资运输系统的企业却很少。随着我国市场经济体制不断完善和企业间竞争日益激烈，工农业必须不断提高生产效率，尽可能降低生产成本，以便更好地迎接挑战。此外，我国工业对现代物质运输体系的应用逐步加深。当前，我国现代物资运输迎来巨大的发展机遇，在自动化技术飞速发展的今天，自动化柔性生产线已经逐渐取代了传统的滚筒式、链式、皮带式的物流传输方式，自动物料输送系统已成功地应用在许多行业中。

3 AGV 小车

世界上第一辆AGV 小车出现在美国，当时AGV小车仅用于工厂仓库搬运，以提高物料搬运的自动化水平。此后，由于欧洲车辆机械尺寸和结构标准化，AGV 小车技术在欧洲得到了迅速发展。1955 年，英国发明了基于电磁制导的AGV 小车，电磁制导作为欧洲应用最广泛的制导技术被应用到实际生产和创造中。AGV 小车是集光、机、电技术于一体的高科技产品。随着工业的快速发展，其市场前景越来越广阔，目前主要集中在港口、烟草、汽车零部件制造、医药、印刷等行业。正如AGV 小车在工业生产中可以降低生产成本和提高产品质量一样，自动化设备在农业生产中也起着同样的作用。

1954 年，美国巴雷特电子公司成功研制出一种无人驾驶汽车，该汽车可以自动跟踪仓库货物运输。1961 年，美国韦伯公司成功研制出一种用于仓库作业的AGV 小车。这些早期AGV 小车的性能无法与今天相比，但该产品的研发是发展史上的里程碑。

20 世纪六七十年代，由于诸多因素的影响，美国在应用领域发展缓慢，但西欧在这一时期的研究和应用取得了重大进展。首先，沃尔沃在瑞典的Kalman 汽车装配厂将AGV 小车的应用范围扩展到工业生产。1974 年建厂时，对装配运输系统的灵活性提出了更高的要求。digitron 与沃尔沃合作后，开发了一种可用于车身装载的AGV 小车。该汽车装配线由多辆AGV 小车组成，采用这种柔性装配线，可使装配时间降低25%，质量缺陷降低39%，成本回收时间减少57%，劳动力减少5%，旷工率降低4%。实践证明，该厂应用AGV 小车取得了明显的经济效益。Kalmar 的实践使西欧许多企业纷纷效仿，从而推动了AGV 小车在西欧的快速发展[3]。

实际上，卡尔玛思想是对工业生产组织方式的一次深远变革，是从传统生产组织形式向大规模生产线柔性生产形式转变的开始。面对国际市场的激烈竞争和国内工业生产的萎缩，美国被迫寻求更有效的制造和装配技术。1978 年，美国从西欧引进运输系统应用于货物供应中心。1981 年，约翰迪尔的滑铁卢分公司将新技术用于生产车间的货物运输[4]。1984 年，通用汽车公司建立了自己的柔性装配系统，此后AGV 小车在美国得到了广泛应用。现在，美国已成为世界上该技术研究和应用领域最广的国家。

在日本，AGV 小车的应用始于1966 年Webb 产品的推出，1986 年该产品已经被几十家公司生产和销售。1976—1986 年，共有5 032 台AGV 小车投放市场。但在1983—1986 年，AGV 小车占据了3 017 个站点[5]，这说明日本在20 世纪80 年代非常重视AGV 小车技术，AGV 小车的发展必然促进其学术研究的深化。1981 年，第一届国际学术会议在英国举行，之后每两年举行1 次，但1985—1989 年每年都会举办1 次，这间接反映了20 世纪80 年代末世界对AGV 小车技术需求的迫切性。

总之，在目前的AGV 小车技术研究中，欧美国家的研究比较成熟和完善，处于绝对领先地位；日本和韩国的水平在亚洲处于领先地位，特别是日本，其技术能力可以与欧美国家相媲美。

我国对AGV 小车技术的研究始于20 世纪60 年代，第一台定点通信电磁制导AGV 小车于1975 年在北京起重运输机械研究所设计完成[6]。我国第一台双向无线通信AGV 小车于1989 年在北京邮政研究规划院设计完成，并进行批量生产。

20 世纪90 年代，沈阳自动化研究院为沈阳金杯汽车有限公司的装配线设计了9 套AGV 小车自动装配系统，标志着国产化生产系统已得到大规模应用。21 世纪后，我国AGV 小车技术发展迅速[7]。目前，昆明船舶装备集团有限公司、沈阳新松机器人自动化有限公司、北京机械科技发展有限公司、上海富阳科技发展有限公司、广州景源机电设备有限公司等多家企业具有AGV 小车设计制造能力。农业设施自动化的应用已成为一种发展趋势，特别是在解决劳动力成本上升和过度依赖劳动力所造成的问题方面具有重要作用。结合AGV 小车的发展趋势和国内外应用情况，将AGV 小车系统应用于农业领域，可以进一步促进现代农业的转型和发展，解决劳动力成本高的问题，降低劳动者的劳动强度，提高农场自动化生产管理水平和农业生产效率[8]。

4 秧盘生产线物料配送简介

由于全自动智能化物料分配系统受限于应季投产使用的研发周期短，在实际运行过程中存在新的运输需求，具体如下。

第一，多线全自动智能化水稻秧盘播种生产线运转时，全自动智能化物料分配系统供应物料时底土仓、种子仓中的物料消耗极快，在实际生产车间中，物料垛距生产线物料仓63 m，需通过手推车将物料袋运输到物料仓附近并由人工进行割袋、填装。人工搬运是该项目唯一的人力成本，雇佣人力会增加成本，出现效率低下和判断失误等问题，造成一系列严重后果，甚至造成无法挽回的损失。

第二，在使用多线全自动智能化水稻秧盘播种生产线的过程中，底土、盖土及种子会通过轨道衔接处落在地上，损耗大量基质土，并且大量粉尘会污染厂房环境。其中，种子已被加水成为潮湿状态，不可以直接回收加入种箱二次使用，所以需要单独回收晾晒后再用。

秧盘生产线AGV 小车物料配送系统可以在多线全自动智能化水稻秧盘播种生产线的物料配送过程中更加高效地完成基质土及种子的供应，是农业机械化、智能化的主要发展道路。所以研究的关键是如何使AGV 小车在高噪声、大粉尘的环境下将物料准确运输到物料仓的同时自动割开基质土及种子的物料袋，完成物料仓的物料填装。

5 秧盘生产线物料配送问题

第一，基质土、种子损耗料的回收运输控制系统的结构组成；对运输控制系统硬件设计分析；对系统的落料单元进行设计；对散落在运输生产线上的基质土的震荡，使基质土损耗完全运输到底土和盖土的物料仓中；种子损耗料在生产线流程中被淋湿，不可直接回收加入种箱二次使用；解决受潮种子回收烘干问题，并输送到种子仓中使用。

第二，对应用与秧盘生产车间的AGV 小车引导方式进行分析，采用符合车间粉尘条件和运行条件的AGV 小车引导方式。分析运行路径可根据使用设备环境变化的AGV 小车的运行路径，即考虑成本问题和维修的便利性。使用运输效率高、抗干扰能力强、可长时间运行的AGV 小车。AGV 小车远程运输需参考底土仓及盖土仓的基质土使用情况。AGV 小车满足物料仓供料需求，对全自动智能化物料分配系统的物料供应完成配套使用。

第三，西门子PLC-200 可编程控制器开发控制系统与已研发的全自动、智能化物料分配系统使用同一控制端，完成全自动智能化物料分配系统的配套使用。对工厂化育秧基地AGV 小车物料配送系统的使用情况进行实时监控。利用西门子PLC-200 可编程控制器完成对AGV 小车远程运输及基质土、种子损耗料的回收控制，根据需要采集设备当前工作状态及基本操作指引信息，对运行数据进行收集，保证数据实时、准确、不丢失。发生机械故障时要停止运行并及时反馈到控制端，保证生产车间在农忙时安全稳定运行，保质保量地完成秧盘育苗工作。

6 秧盘生产线物料配送问题的解决途径

第一，为了符合现代农业智能化的发展趋势，提高系统的推广价值、扩大其应用范围，AGV 小车远程运输基质土及种子的引导方式拟采用磁条导航，便于厂房货物码放后地点变化的线路更改。磁条成本低，更改方便，且在高噪声、高粉尘的环境对AGV 小车的运输过程无影响。

第二，观察4 条生产线的摆放位置，底土和顶土的流出端口应在同一水平线上。在水平线下开槽，在槽内建设生产线，使用槽内生产线直接运输到顶土物料仓。为了回避基质土土料回收线路，受潮的种子回收生产线采用反向运动方式。采用地槽皮带输运和倾斜皮带输运的方式，将物料运输到烘干箱内，使用传感器对烘干箱内的湿度及温度进行测量，通过数据采集及自动对比，当烘干箱内种子达到可二次使用的标准后，再次运输到种子仓内，通过全自动智能化物料分配系统进行秧盘育苗生产。应在秧盘生产线生产时一直开启物料回收生产线，该生产线无需调速和精准控制，只需将生产线上的物料运输到底土仓内即可。

第三，结合经济成本及系统功能，对硬件使用的合理性进行分析。工厂化育秧基地AGV 小车物料配送系统拟采用西门子PLC-200 可编程控制器。西门子PLC-200 可编程控制器具有运行稳定、使用简单方便、价格便宜等特点，在物料回收生产线中可以节省成本，既能发挥作用，又不会对农场产生过多经济负担。通过了解西门子PLC-200 可编程控制器的硬件功能，对软件进行操作学习，对全自动智能化物料分配系统的西门子PLC 程序进行改进，基于西门子PLC-200 可编程控制器的编程规则编写配套的自动物料循环系统，对基质土及种子的物料运输和回收功能的软硬件进行匹配。

7 结束语

全自动智能化物料分配系统能够实现全自动底土、盖土及两种种子的运输和生产线分配，生产全程均可实现自动监测与控制，生产线发生故障时可以声光报警。对生产工艺流程和生产工况进行监测，生产线正常工作时绿色指示灯常亮，待机停车或故障时红色指示灯常亮，生产线停产时所有指示灯熄灭，以指示生产线的工作状态。该系统还可以随时采集线上各工位的工作状态，一方面用于指示灯控制，另一方面将数据发送到主控计算机，图形化显示各生产线各工位工况，保障底土、盖土及两种种子运输过程有序高效，最大限度地减少人力投入。

希望广大农民和社会各界积极参与中国农民丰收节活动，营造全社会关注农业、关心农村、关爱农民的浓厚氛围，调动亿万农民重农务农的积极性、主动性、创造性。

——习近平