我国设施生菜无土生产装备研究现状及展望*

2022-03-08贾桃谭蓉赵倩王利春郭文忠

中国农机化学报 2022年2期

贾桃，谭蓉，赵倩，王利春，郭文忠

(1. 北京市农林科学院智能装备技术研究中心，北京市，100097；2. 北京农学院计算机与信息工程学院，北京市，100063)

0 引言

近年来，我国蔬菜产业持续稳定发展，据《2021中国统计年鉴》，我国蔬菜种植面积为2.1×107hm2；产量为7.2×108t[1]，且市场供应充足，品种丰富，特色鲜明，是我国优势特色种植业之一，现已逐步发展为农业的支柱型产业。其中从欧洲地中海沿岸传入中国的生菜，因其生长发育、营养口味等优质特点倍受消费者青睐，该类生菜种植面积已占全国蔬菜生产面积的10%，在我国蔬菜生产中占有重要地位。然而传统土壤栽培生产，存在生产效率低、劳动强度大、运输损耗率高等问题，对生菜的生产产生不利影响。因此，为了提高生菜的生产效率和效益，改善传统的低产量经验化农业生产方式，尤其是大中城市群城郊建立设施生菜的现代化生产基地，相关学者致力于推动设施生菜生产管理及机械方面的研究，并取得了大量的研究成果。其中，以水培为主的生菜生产，基本实现了生产过程装备化的初步阶段，从而为设施生菜的生产装备发展奠定了基础。本文综述了目前设施生菜无土生产各环节装备的研究现状，然后对当前装备研究和应用存在的问题进行分析，并在此基础上对未来发展方向进行展望。

1 设施生菜生产及其机械化管理的必要性

设施生菜生产具有生育期短、生长速度较快、植株矮小单一、单位面积上株数多等特点，且生菜中含有丰富的胡萝卜素、维生素、纤维素以及钙、铁、钾等微量元素，可以满足人体所需要的营养成分，也具有减缓慢性疾病、提高人体免疫力，延缓衰老，促进生长发育等功能[2]；现已成为农业种植与每日食谱首选。另外，由于生菜柔嫩含水量大，易损耗，通过长途外运易造成叶菜损耗大，新鲜程度低，品质下降。因此，我国对于生菜的需求与日俱增，而传统的生菜生产方式效率低下，费时费力，已经不能满足生产和市场需求。

然而生菜在生产过程中，对生长环境、土壤及水肥的要求较高，容易形成经验化农业且生产成本较高，需要大量的劳动力，产量也不能得到保证。除此之外，生菜种子萌发到餐桌食用的过程标准化程度高，比较容易实现各生产环节的有效串联，并结合现代物联网技术实现高效种植自动调度，如以下3个方面：(1)各生产环节作业装备；(2)各环节转运装备；(3)面向对象的自动种植调度。因此，随着科技的不断发展，研究开发系列设施生菜生产管理机械化装备和无人化作业十分必要，以此增加单位面积的栽培株数，降低劳动强度，提高产量，实现精细化管控生菜生产；建立全新的设施生菜生产模式和技术体系，把设施生菜年产量提高到50 kg/m2以上，大幅度超过传统生菜年产量11.04 kg/m2的生产水平，实现我国生菜生产模式颠覆性的技术革新。由此可以看出，我国设施生菜生产装备化、智能化、无人化是未来的发展趋势。

2 设施生菜生产装备应用现状

设施生菜生产管理过程主要包含精量播种、种苗培育、幼苗定植、田间管理、收获运输5个环节。目前，“物联网+农业”的形式已被大力推行，大大提高了农业生产力。利用各种传感器对农作物所需的温湿度、CO2浓度、光照强度等环境因子进行实时监测与调控[3-4]，利用PLC控制器和HMI人机界面实现水肥一体化精准控制以及生菜的采收等环节。现阶段，自动化生产装备已经应用到每一个环节，但对应的配套生产线作业，还在逐步研究中。

2.1 精量播种

为保证种子的出苗率，要对生菜种子用温水或药剂进行播前消毒，在种子入土过程中可能会遭到逆境的侵袭而延缓萌发，甚至不能出苗；有的种子体积太小或者外形无规则，不利于机械播种。为了解决这一问题，一般会用薄膜包衣或者丸粒化技术处理种子[5]，从而提高种子质量保证苗齐苗壮。

播种作为生菜生产的重要环节，其主要过程如图1 所示，其精度和效率直接影响成苗质量，因此出现了多种自动播种装备，根据播种原理，现有的播种设备可以大致分为机械式、气力式和磁吸式3类，因为生菜种子无规则、粒径小的特点，故以气吸滚筒播种机应用最为广泛。它利用真空吸附原理，依靠涡旋气泵及振动器，通过滚筒上的吸孔吸附储种盒中的种子。当滚筒匀速转到下方时，在正压和种子自身重力的作用下，使种子恰好落入穴盘之中[6-7]，有效避免了多播漏播，平均播种精度大概在75%以上。

图1 播种流程图

在自动播种装备基础上，针对现有播种线自动化程度低、机械结构复杂、工作协调性差、播种精度低等问题，配合电控元器件，形成了比较典型的播种流水线，如图2所示，可自动实现基质搅拌、发盘、上料装基、压穴、播种、裂解、覆基、喷水等工序[8-10]，有效提高了作业效率与播种精度并且降低了空穴率。

图2 精量播种生产线

王晨健等[11]研发的新型生菜精量播种装备，依靠两排吸嘴旋转往复运动并按顺序交替完成播种作业，由导种管实现种子降落无偏差，并完成快速精确排种。试验结果表明，播种成功率达到90.6%，重播率为6.7%，漏播率为2.7%。有效保证了排种效率，达到了精量播种的要求，但该装备负压分流管内压强和气流速度会影响取种效果，导致吸嘴入口处的压力大小不稳定，容易漏播或重播。李小冉等研究的小型气力式蔬菜精量播种机，适用于温室大棚，提高了播种机的适应性，正负压作用排种有效解决了种子粘盘而漏播的问题；搅拌装置的设计，有效提高了排种器的充种率。但种子掉入种箱时，速度较大，容易产生飞弹现象。为解决种子不规则、难吸附、排种不稳定等问题，曾山等[12]设计了一种气吸式小粒种精量穴播排种器，在正负压作用下，排种器性能得到了优化。但要想保证播种效率，就必须确定排种器的合理工作压力范围。祁兵等[13]在气力集排式精量排种器基础上，对排种器内部流场进行数值模拟，并结合分割实体方法，得出漏播率维持较低水平的排种器室压力范围，进一步提升了播种精度。

综上所述，这些播种装备工作原理大致相同，均有效解决了由于生菜种子质量轻、粒径小、形状无规则所造成的重播率漏播率高、播种精度低、自动化控制程度低等问题，实现了播种装备的精量化和高效化。但这些装备中对于压强、气流速度等因素的要求严格，可能会差生误差。

2.2 种苗培育

种苗培育是生菜种子萌发成为壮苗最关键的环节，传统的土壤育苗由于土壤未经消毒处理存在细菌、真菌，所以根部容易发生病虫害，低效且浪费资源。目前逐渐被穴盘育苗和潮汐式育苗、植物工厂代替，从而实现节水节肥高效无污染。生菜的穴盘育苗一般采用72孔或者128孔穴盘，基质一般使用泥炭和珍珠岩。潮汐式育苗主要是一种从底部灌溉育苗的方式，如图3 所示，能充分利用育苗容器空间，节省劳动用工60%～90%，主要通过施肥机和循环管路控制元器件，让水肥在闭合系统内“零排放”循环使用，便捷高效，供给准确性较高，显著提高了水肥利用率，也实现了自动化管理和工厂化生产[14]。而植物工厂如图4所示，是通过一定的工程技术手段，对影响幼苗生长的所有环境因素如温度、湿度、光照、CO2以及营养液等进行高精度自动控制，不受自然环境限制，能确保幼苗在稳定、合理的条件下生长，从而保证幼苗的高品质，生产能力稳定[15-17]。潮汐式育苗和植物工厂育苗均可实现产量高、周期短、速度快、污染少、效益高，并有效提高了我国的设施利用率，前者可以实现90%以上的水肥利用率，并且栽培床下没有杂草生长，可有效减少菌类滋生。除此之外，潮汐式育苗床使用寿命较长，但是严禁暴晒；而后者相比之下最大的优势体现在质量，其过程无污染、无虫害也不使用农药。另外，植物工厂初始投入和后期维护成本较高，并且耗电量巨大，很大程度上限制了推广和使用[18]。

图3 潮汐式育苗床

图4 植物工厂培育生菜

种苗培育过程中还应解决水肥光温气的耦合调控，以此来确保幼苗的正常生长，避免弱病苗和死苗存在的现象。其中，水肥方面主要结合水肥一体化技术利用灌溉设备的同时，把水分、养分均匀精准且定时定量地供给作物；环境温湿度作为最基本的重要条件，已经从基于经验的手动控制发展到了现在的基于多源信息融合的智能控制阶段：通过环境监测传感器等原位生理监测传感技术，利用无线传感网络、物联网技术,并融合AI技术，结合模糊理论、遗传算法等数学工具建立与植物生长模型相适应的精细环境控制模型,尝试形成自适应学习的设施环境控制“大脑”。

2.3 幼苗定植

定植指的是将生菜苗从密集的穴盘里移植到低密度、栽培空间较大的水培槽中继续培育。传统的人工定植方法因为劳动强度大，生产效率低而逐渐被定植装备所取代。由于技术要求和经济的影响，定植装备的形式也呈现多样化，如图5和图6所示的X-Y-Z型移植机和机械手臂型移植机，前者设计复杂但成本较低，而后者设计简易但成本较高。定植装备的核心部件—机械手，一般采用气压传动，该方式成本较低，反应灵敏，易于控制，以拾取部件分类主要有铲式和针式两种，前者适用于小苗定植，精度高但尺寸较大，容易对基质造成破坏；后者依靠伸缩针的倾角对基质进行提取，能够有效避免基质块的破裂[19]，但对控制精细程度要求更高。

图5 X-Y-Z型移植机

图6 机械手臂型移植机

童俊华等[20]研究的叶菜高速稀植机构，适用于泥炭基质育苗方式，利用所设计的针爪式多移植手进行稀植移栽作业，可实现穴盘内成排取苗和栽培槽变间距并行植苗作业。经过试验测得，移栽的平均效率为3 956株/h，成功率为96.7%，但是该装置作业部件在碰撞过程中，容易导致钵苗基质掉落在外部或者倾斜于内部，影响幼苗生长。王超等[21]研究的气动下压式高速取苗装置，通过“有序供盘、连续送苗、气动下压取苗、自由投苗”等作业工序，改善了取苗频率低、基质破损等的问题。经过试验验证，其频率已经达到7 200株/h，实现了高速取苗。同种夹取式取苗方式还有英国的Pearson自动蔬菜移栽机[22]，将钵苗成排取出进行定植，移栽的作业效率高达14 400株/h。龙新华等研究的穴盘苗自动移栽机，苗盘进给装置用“已”字型进行移位，实现整个过程的取苗、拔苗和投苗。经过试验验证，该装置可以提高移栽效率，精确性可靠，但是由于装置结构复杂，环节较多，横向和纵向位移的距离不精准，极易差生误差。刘凯等研究的移栽机器人，用视觉相机提供每颗苗是否满足移栽条件的触发信号后，通过两台PLC间的逻辑控制系统对移栽机械手进行调相和移栽作业，在挑选了符合基准幼苗的同时有效提高了幼苗定植的精度，但该过程对秧苗输送的精度要求较高，如出现误差会导致机械手定位不准，无法移栽。黄林生等[23]研究的基于卷积神经网络的生菜多光谱图像分割与配准，对生菜多光谱进行精准分割，结合边缘提取算法对生菜多光谱图像进行精确配准，有利于无损监测生菜生长状态和确定其采摘时期，但在近距离采集各通道图像时，很容易产生位移偏差。

以上研究均针对基质钵苗，并融合了先进的传感器技术和自动控制技术，大幅度提高了移栽作业效率，保证了幼苗移栽的质量问题。在装备功能方面，已经从过去单一的精准定位功能，发展到了筛选和定位的多功能集成。但是这些装备在移送作业过程中会伴随着变速运动，而运动过程中因为夹持力、摩擦力、冲击力的大小改变而产生误差，很容易导致苗针夹苗不稳、钵苗基质散落，均不利于幼苗后期生长。另外，定植装备中主要部件设计复杂，维修也很困难。

2.4 田间管理

随着设施生菜种植规模的逐步扩大，田间管理成为幼苗定植后的重要环节，旨在运用系列设施装备来提高生菜的生长质量与抗病能力。传统的管理模式以经验农业为主，难以及时监测生菜生长信息，目前设施生菜的栽培模式在不断地完善，田间管理也采用系统模块化的设计，运行性能稳定，依据各传感器的数据对生菜生长的环境：温湿度、辐射等因素进行精准调控，有效控制了生菜生产过程中的水肥光温气问题，保证生菜能够吸收充足的水分和养分，提高抵抗力，从而减少病虫害的入侵，从根本上提高了设施生菜的质量问题。

我国对设施生菜的立体栽培模式进行了大量的研究，如墙体栽培、立柱式栽培和三层栽培架的使用，如图7所示，这些栽培模式保证了生菜的种植密度，同时，有效提高了单位面积产出率和空间利用效率，节约了土地资源，且操作过程简单，减轻了劳动力强度[24]，对产品经济效益具有重要意义。但是上述普通立体栽培模式受光照影响较大，上层光照条件充足而下层被遮挡，造成各层光照分布不均匀，容易产生叶片遮光现象和光照不充足的情况，从而，导致产量差异较为明显。因此，相关研究提出一种立体错位栽培模式，如图8所示，这种模式将栽培槽按照上下左右不同的间距分层放置，可以充分提高生菜生产的光照利用率。

图7 栽培架

图8 立体错位栽培

病虫害防治是田间管理的关键环节，主要以化学方法为主，传统喷洒农药方式频率高、剂量大，容易造成农药污染。而我国的智能精准喷药装备正在逐步发展中，现阶段一般采用喷雾机器人装备结合传感器技术和导航技术来根据规划好的路径引导施药，然后根据设施生菜作物的大小以及稠密程度进行变速喷雾达到按需喷药，同时实现机器人的自由行走。杨征鹤等[25]研究的对靶喷雾机器人能够及时发现病虫害、找到病虫害发生的位置，实现对靶精准喷药。靳文停等[26]研究的履带式喷药机器人，以单片机为核心，利用履带底盘、搅拌机自主摄像头等原件结合光电传感器、避障传感器实现温室内喷药作业。目前病虫害的防治与机器视觉不断融合，有效提高了病虫害的识别效率和准确性。

水肥调控是田间管理的基础环节，主要采用单片机或可编程控制器等作为CPU，配合模拟量采集单元和液位、流量、EC、pH等传感器[27]，实时监测生菜生长动态，并结合作物生长发育规律和水分养分吸收特征，控制外围施肥机，以持续为作物提供最佳生长环境，即利用水肥一体化装备，如图9所示，实现水肥的按需供给。国外的水肥一体化装备，如以色列的耐特菲姆NetBeat和荷兰的priva施肥机等，集成度高、体系性强，其产品已非常成熟且形成产业并对外出口。我国的水肥一体化装备虽然起步较晚，但经过几年的快速发展，已经基本上摆脱了对进口设备的依赖，不论是首部装备还是控制策略，均取得了较大的进展[28]，并针对不同作物进行了大量需水规律或灌溉方法试验，初步形成了符合我国气候特征的智能灌溉方法。

图9 全自动水肥一体化设备

其中，国内一些公司开发生产的滴灌系列、管道管件、过滤系列等高效灌溉产品，保证了水肥一体化首部和末端的稳定性；中国农业机械化研究院研制的2000型温室自动灌溉施肥系统、天津市水利科学研究所研制的FICS-1和FICS-2型滴灌施肥智能化控制系统等进一步推动了我国水肥一体化设备的开发和推广。北京市农林科学院智能装备技术研究中心开发的水肥一体化装备集成了物联网技术、信息传感技术和控制技术[29-30]，运行稳定、应用效果明显，用少量多次的水肥耦合供液模式代替了传统大水大肥的管控方式，解放了劳动力，减少了水分渗漏，有效解决了水肥管理智能化水平低、水肥不协调以及水肥利用效率低下的问题。

2.5 收获运输

生菜的收获过程一般包括拔取、输送、切根、剥叶、装箱等环节[31]。自动化收获不仅速度更快，而且有利于提升蔬菜的保鲜质量，能够切断各个途径的污染，减少病菌传播等。剑桥大学研发的自主生菜采摘机器人如图10所示，能够自主识别和收获生菜，融入机器学习的算法训练，在天气不定的情况下也能识别健康的生菜。但是，针对精确定位采摘的发力点和生菜的健康度识别一直都是一个巨大的挑战，仍需要不断研究。

图10 自主式生菜采摘机器人

我国目前对于生菜采收领域的自动化装置也正在逐步研究中。徐鹏等[32]设计的水培叶菜收获机，利用往复式移动装置、限位装置、转运装置和旋转切刀实现水培叶菜的切割。采用轨道移动式收获机和输送带相结合的方式进行采收。试验结果表明，当叶菜株距为0.2 m，收获生产效率为3.0 s/棵时，收获成功率为86.7%，有效提升了收获成功率。但如果叶菜行发生位置偏移时，作业效果将会产生偏差。繆鹏等设计的收获机控制系统，利用对行探测机构迅速检测，并调整偏转角度，实现自动对行，经过试验，作业效果良好。吴伟等[33]设计了一种基于物联网的中小型采收平台，主要完成菜类的采摘和切根等操作，成功率均达到80%以上，但仍采用定时间间隔运行的模式，不能进行自动识别收获。莫浩[34]研究的水培奶油生菜装置，利用PLC检测定植板的输入，就位后用切根装置迅速完成切根操作，然后用单气缸进行生菜的拔取搬运动作。该装置经过试验，切根成功率为82%，搬运成功率为85%，但是该装置不能保证定植板是否成功到达指定位置，可能会造成切根不合格；除此之外，由于剪切刀具刀刃长短不适，也会产生影响。

除此之外，生菜运输存储过程中因叶片柔嫩且含水量大，容易受损腐烂。因此，生菜的保鲜和溯源问题尤为重要。对生菜进行包装，并提供高湿和气调环境，可以有效保持生菜的新鲜程度。徐灿[35]研究的水培生菜自动包装装置样机，选择包装盒、薄膜相结合的包装方案，动作基本由单片机控制，包装盒进入输送带后，到达目标位置，进行封膜。该装置经过试验验证，包装成功率达到92%，可以有效减少生菜运输过程中的损伤，提高水培生菜的商品价值。但是由于拉伸力大小和刀刃长度无法精确把握，可能会导致切膜、拉膜失败。姜含露等设计的叶菜溯源系统，搭建了生产信息管理、在线监测模块、仓库销售管理和系统管理，实现了从生产到销售的信息覆盖；并结合ZigBee模块构建RFID组网环境，对叶菜的存储进行了质量监督，实现了运输的溯源管理。

3 设施生菜生产装备存在的问题

设施生菜生产管理装备正在经历着从机械化到自动化、信息化、智能化的变革。我国是世界农机制造和使用大国，全国农作物耕种收综合机械化率超过71%，但是农业装备行业整体大而不强，装备总量高，但智能化水平低；装备作业量大，但智能作业量少。本文分析了设施生菜生产各环节现有的机械装备，目前仍存在以下问题需要重点关注和解决。

3.1 农机与农艺不相融

我国耕地面积较大，分布范围广泛，每个地区在农业生产中，装备参数不同，互相独立，很难形成统一的标准[36]，导致部分装备无法大范围推广应用，其中针对设施生菜很多装备，应用范围也存在一定的差异性，大部分装备适用于大田或大棚等环境，但却不适合设施水培环境。这主要源于对农机农艺结合工作缺乏基本的认识与沟通，农艺部门仅将产量作为工作重点，而农机技术将有机械生产代替人工劳作，降低人工投入成本作为工作重点，致使农机与农艺工作分别进行。

3.2 设施生菜生产过程装备技术研究薄弱

我国农业机械产业正在由高速增长向中速增长转变，尚未形成完善的以信息技术为基础的全程机械化技术模式和高度智能化的机器配置系统。

1) 设施生菜生产各装备长时间作业会因为关键部件表面的光滑程度、磨损程度等因素，在运行过程中出现死点、卡顿现象。另外，因装置设计的复杂特性，对于磨损严重的关键部件，寿命较低，维修成本也相对较高。

2) 设施生菜的自动移栽取苗技术还处于研究阶段，大部分装备取苗时会受夹持力影响，从而降低取苗的成功率。除此之外，机械手入土位置及收缩拾取模式对于保证基质块的完整性仍然存在不足，导致幼苗根系损伤，成活率未能得到保障。

3) 设施生菜生产中的收获装备与包装装备，精准定位技术尚不成熟，切割位置定位过高会导致收获损失较大，定位偏低会导致切割阻力增大，刀片表面磨损，关键部件使用寿命降低。同时，定位不精准也会导致刀片切割时，刀刃长度不够，采收时切根失败或者包装时割膜失败。

4) 设施生菜运输过程中，为保持生菜的新鲜度，包装时会对生菜进行一定的压缩，而目前我国缺乏对生菜挤压特性的研究，导致包装装备方面的相关成果缺乏。而且，针对运输过程中已经造成生菜损伤情况的补救措施与装备使用情况的研究较少。除此之外，专门针对生菜的溯源系统不够完善，很少有这方面的研究成果出现。

5) 播种时为保证种子出苗率需筛选种子活性、移栽时为提高幼苗成活率需筛选幼苗的合格度、收获时为识别生菜的合格率需筛选叶面积大小等，以上装备的识别都需要用到图像处理技术，目前常见的是辣椒与番茄的识别研究，而对于生菜装备的图像处理技术应用研究非常少。

4 设施生菜生产装备研究展望

随着我国设施农业的迅速发展，设施生菜的产量、质量、价值等方面要求也在不断提高，只有加快生产机械化技术的创新，结合物联网、机器视觉、人工智能等新一代信息技术手段，推动生产装备和技术向更高水平发展，提高智能感知技术的精准度、可靠性和实时性，更好地为自动调度提供强有力的技术支撑。因此，如何合理衔接各道工序，实现无间隙多岔口高效生产，大幅提高生菜生产效率，解决当前供需矛盾成为了近几年农业信息化领域的热门研究课题，在未来的发展方向主要表现在以下几个方面。

1) 设施生菜生产装备实现智能控制，趋向于全程装备化、智能化、无人化方向发展。农业机器人集成的传感器技术、检测技术、通信技术和精密机械技术等前沿科学技术，能够更好地应用于设施生菜生产管理各环节中，如智能喷药、智能监测实时数据、及时预警并采取措施、自主采收，结合各环节生产装备能够更好地实现增产、增收。

2) 设施生菜生产装备实现流水线作业。目前，设施生菜生产各环节之间相互衔接功能还未达到要求，只停留在单个设备的自动控制中。在下一阶段的发展中，应该加大力量开发各环节衔接作业装备，突破各阶段间的机械控制设备的衔接算法，以形成流水线作业模式，实现无间隙多岔口的高效生产，实现机械控制设备系统的全自动化。

3) 生产管理过程由单一的信息系统向融合大数据平台的方向不断演变。现阶段仅仅依靠单一的信息技术并不能完全解决设施生菜生产面临的问题，而需要大数据、专家系统、人工智能、机器视觉等综合性的系统方法，实现设施生菜的生产管理一体化管控和智能化控制。