设施蔬菜生产机械研发的方向与思考*
2022-03-16吴军辉林开颜司慧萍
陈 杰 吴军辉 林开颜 司慧萍
(同济大学新农村发展研究院,上海 杨浦 201804)
上海是一个国际化大都市,2022年常住人口近2 500万,市民的“菜篮子”保障工作是当地政府的工作重点之一。通过30年“菜篮子”工程的建设与实施,上海设施蔬菜生产面积大幅度增加,生产条件得到了极大改善,蔬菜产品的市场供应能力得到了显著提高,蔬菜质量安全性得到了较大改进[1,2]。2021年4月7日,中共上海市委、上海市人民政府颁布了《关于全面推进乡村振兴,加快农业农村现代化的实施意见》[3],明确提出了落实“菜篮子”市长负责制,推进蔬菜保护区、保护镇建设,确保地产蔬菜自给率稳定在40%以上、绿叶菜自给率稳定在80%以上。2022年4月,新冠肺炎疫情大面积爆发,上海全域实施静默管理,物流受阻,导致外省市蔬菜难以入沪,使得原本自给率较低的蔬菜供应更加捉襟见肘。因此,上海迫切需要提升蔬菜供应的自给率,以应对突发情况。
当前,我国农业从业者逐渐老龄化,劳动用工短缺[4],特别是像上海这样以工业和商业为主要发展目标的大都市,农业劳动力短缺问题尤为突出[5,6]。为了解决上海蔬菜生产“人”的问题,贯彻落实上海市委、市政府颁布的《关于全面推进乡村振兴,加快农业农村现代化的实施意见》[3],2021年5月8日,上海市农业农村委员会颁布了《上海市关于进一步加强蔬菜生产机器换人示范基地建设的通知》[7],着力推进蔬菜生产设施宜机化、生产标准化、作业机械化和服务社会化,实现蔬菜生产“机器换人”。蔬菜生产“机器换人”的核心是农业机械的研发和推广应用,设计者应与时俱进,充分考虑到科技进步、设施生产技术的发展以及农机和农技的结合,从系统性、可靠性、实用性和智慧化着手,研制稳定性好、适应性强、操作轻简化、作业智能化的农机,最终实现设施蔬菜生产全程机械化作业。
1 系统性
1.1 全程化
设施蔬菜生产具有要求高、环节多、种类杂等特点。设施蔬菜生产环节包括耕整地、施肥、除草、覆膜、播种、移栽、植保、灌溉、施肥、通风换气、保温降温、采收、产后包装、运输等,涉及的农机有耕整地机械、种植机械、植保机械、灌溉追肥机械、环境调控机械等[8],这些设备与各生产环节组成了设施蔬菜生产的全链条。在这个链条上,只要有一个环节缺少相应的农业机械,就会造成短板效应,阻碍设施蔬菜生产机械化的进程。因此,科技人员在研发适宜设施蔬菜生产的农机时,要认真梳理与分析每一个环节步骤以及相对应的机械,弥补薄弱环节、补齐短板,以期实现蔬菜生产的全链条机械化。
1.2 完整性
设施蔬菜生产的每个环节都包含不同的步骤,这些步骤相互衔接,如果其中一个步骤出现问题,会影响整个机械装置的工作效率和推广应用。如绿叶蔬菜收割机,包括收割装置、输送装置、储存篮框、行走装置、动力系统等,在工艺流程上有刀割、传送、入框等。研发蔬菜收割机时,研发人员往往重视收割装置的设计,而忽视了其它装置的配套设计。如放菜的储存篮框太小,与收割机的收割效率不匹配,收割时需要专门人员频繁更换储存篮框,既费力,也影响收割机的工作效率。采后的蔬菜包装机械包括上料输送带、供膜成型机构、中封牵引机构、端封与切断机构、称量机构以及标签打印粘贴机,配套的工艺流程有整理、输送、包装、切断、称重、贴标等。目前市场上销售的一些包装机,在整理、贴标等流程还需人工辅助,影响了包装效率。自动化灌溉设备包括抽水泵、输水管道、电磁阀、滴灌管或微喷头等,对应抽水、输送和灌溉等步骤。一些园艺场或蔬菜生产龙头企业虽然配备了自动化灌溉设施,但常常因为泵站的抽水泵功率太小、输送管道管径过细,导致整个园区或基地的自动化灌溉水压达不到要求等,只能依靠人工控制分片区灌溉。这就是因为研发人员没有考虑到自动化灌溉的整体性而造成的弊端。可见,设施蔬菜生产机械的研发如果考虑不到各环节的所有步骤,会降低机械的实际使用效率并影响其推广应用。
2 可靠性
可靠性是衡量产品质量、实现产品设计功能以及保证产品推广应用的重要指标。设施蔬菜生产机械的可靠性也是农机研发和推广过程中不可忽视的一个环节。
2.1 容错性
近年来,随着我国农业生产水平的快速提升,机械制造技术以及智能技术的普及,无人驾驶、自动导航和自主作业的智能化技术广泛应用于各类农机上,“电脑替代人脑”越来越普及,农业机械逐渐走向智能化[9]。但是,电脑终究不是人脑,硬件系统和软件系统不可避免地存在缺陷,而且还会受高温高湿等不利环境条件地干扰出现操作失误。虽然智能化、无人化是设施农机研发和应用的一个主流方向,但是农机一定要保留手动操作功能,且在设置操作优先权限上,人工手动操作的权限一定要高于自动化控制,保证在控制系统或其它部件突发故障时可以手动操作,以免影响蔬菜生产。
2.2 稳定性
农业机械经常在高温高湿的设施大棚内运行,保持正常的工作状态和性能对其是一种巨大的考验,因此,稳定性也是农业机械研发人员必须重点考虑的一个因素。农机由各种零部件组成,零部件的种类多、数量大、企业杂、品控难,目前零部件质量已成为制约我国农机发展和应用的十分突出问题[10]。研发人员应严把质量关,尽量选用大品牌、信誉度高、质量好的零部件,以保证机械运行的稳定性以及维修保养的便捷性。
3 实用性
机械替代人工是农机研发的重要目标,便捷化、易操作、用途广是保证农机推广应用的重要推动力。因此,农机研发人员要从轻简化、适用性等方面着手,提高农机的实用性。
3.1 轻简化
随着科学技术的发展,轻简化、小型化已成为设施农业机械主要发展方向。要实现农机的便捷化,用锂电池替代传统的化石能源作为农机动力系统的能量来源是目前农机研发中普遍采用的方法[11]。采用锂电池替代传统的化石燃料,不仅可以减轻农机的质量,还有利于蔬菜生产的清洁化、低碳化。锂电池农机的研发与普及虽然远远落后于新能源汽车和各类电动工具,但不可否认的是,锂电池农机必将是今后农机发展的一个重要方向。和当前的电动车行业一样,用锂电池替代化石燃料的农机也存在续航焦虑、质量大以及功率匹配的难点。电池的续航时间太短,使用过程中需要不断更换电池或进行充电,会给使用者带来极大的不便;增加电池组的数量,虽然可以提高续航能力,但影响农机的轻简化和使用的便捷化。设施蔬菜生产对农机有不同的作业需求,需要对应不同的电池功率和能耗,因此在设施蔬菜农机的研发上,应顺应技术发展潮流,尽量选用锂电池作为农机动力系统的能量来源。在锂电池的选择上,研发人员应针对功能需求,将续航时间、质量尺寸和功率能耗三者结合起来综合考虑,以最大限度发挥锂电池的优势。
3.2 适用性
设施类型多样、蔬菜种类和品种丰富、生产环节复杂、栽培环境多变,要求用于设施蔬菜生产的农机要具备一定的兼容性,以适应不同的作业对象和作业环境[12]。例如绿叶菜收割机,在研发设计上要考虑到作物的株高和采收高度,收割刀具的收割高度能够灵活调整;作物栽培的垄或畦高度不一,就要设计高度可调的作业机构,使其根据实际的垄畦高度调整作业高度;同样,作物栽培的垄或畦宽度也不一样,农机作业的幅宽也要根据实际的情况留有调整的空间;研发人员应根据土壤质地(如沙土、壤土、黏土)设计仿形机构,使农机随着地面起伏变化而运动,从而保持作业深度不变。提高农业机械的适应性是推动农机推广应用的重要举措。
4 智慧化
截至2019年底,我国已成为世界第一农机生产大国和使用大国,但是我国农机的整体水平与世界发达国家还存在着较大的差距。当今,物联网、大数据、人工智能技术突飞猛进,大数据、智慧的先进算法、云技术的进步,为推动我国农机智能化的发展打下了基础[13]。在今后农机的研发上,智能化是必须重视的一个重要环节。
4.1 云系统的应用
云系统是指所有的电子产品以及带有通讯接口的各种终端设备能够通过互联网相互连接,使得云系统中的所有设备能够实现信息共享、远程操控、云端服务等智能化作业。2020年起,我国大力推进新型基础设施建设[14],特别是以5G、物联网为代表的通信网络基础设施,以人工智能、云计算为代表的新技术基础设施,以及以数据中心、智能计算中心为代表的算力基础设施的建设,为新型农机云系统的应用提供了条件。云系统的应用可实现追溯监管、大数据利用、远程操控以及精细化管理。利用云平台,农机的作业信息(如播种、移植、植保、采收、包装等)可一键上云,既能够作为农产品安全追溯的主要数据来源,也便于相关职能部门的监管。利用云系统可以远程操控农机,完成一系列的农事作业,既节省劳力,又能充分利用云端的专家系统提升农事操作管理的精准性和科学性。数据是实现智能农业的基础和关键所在,数据获取需要通过不同的方法和手段:一方面,安装在栽培现场的固定传感器会获得许多有价值的数据;另一方面,农机的运行和操作数据也是农业大数据的重要组成部分,农机运行和作业的信息一键上云,结合生产现场固定传感器的数据,利用云平台进行大数据分析,能够为设施蔬菜智能化生产提供更多有效的数据支持。云系统还可为设施蔬菜生产实行精细化管理提供帮助。例如,采收和包装的数据一键上云,可以根据产量数据合理安排销售,提升企业的经济效益。
4.2 无人化作业
机器换人的核心是省力化,省力化的最高境界是无人化。在无人机、无人驾驶技术飞速发展与应用的大背景下,农机的无人化进程也在进一步加快。特别是在北斗卫星、GPS系统以及图像识别技术的支撑下,农机作业让“四自”(自动导航、自主行走、自动识别和自主作业)成为可能。在设施生产农机的开发上,如何利用现代化的智能技术,实现农机工作的“四自”是当前农机研发工作的一个新趋势和发展方向。