丘陵山區(qū)果園機械化裝備發(fā)展現狀分析與展望_溫翔宇.pdf

專家論道 丘陵山區(qū)果園機械化裝備發(fā)展現狀 分析與展望 文 溫翔宇 水果產業(yè)已成為我國繼糧食和 蔬菜之后的第三大農業(yè)種植產業(yè) 2019年 我國果園種植面積為 1204 萬 hm 2 水果產量為 2 74億噸 居世 界首位 但國內優(yōu)質果園多分布于 川中 兩廣 陜甘等以丘陵山地為 主的地區(qū) 受地理條件限制與傳統(tǒng) 種植模式影響 果園機械化程度長 期處于較低水平 果園生產管理多 以人工作業(yè)為主 工作強度大 生 產效率低 作業(yè)環(huán)境艱苦 很多人 不愿意從事水果種植工作 加上務 農人數越少和人口老齡化趨勢加重 誰來種地 怎樣種地 成為鄉(xiāng)村振 興中急需破解的問題 機械化是解 決這一問題的根本出路 也是保持 我國水果產業(yè)穩(wěn)定發(fā)展的一劑良藥 國務院關于加快推進農業(yè)機 械化和農機裝備產業(yè)轉型的指導意 見 中明確要求加強薄弱環(huán)節(jié)農業(yè) 機械化技術創(chuàng)新和農機裝備的研發(fā) 推廣與應用 促進丘陵山區(qū)農業(yè)生 產方式向集約化 規(guī)?；D變 著 力推進丘陵山區(qū)機械化進程 補短 板 強弱項 在大力實施鄉(xiāng)村振興 戰(zhàn)略的推動下 水果產業(yè)作為丘陵 山區(qū)農業(yè)支柱型產業(yè) 應突破傳統(tǒng) 農業(yè)種植方法和模式 全面提升丘 陵山地果園機械化水平 滿足果農 對果園生產管理機械裝備的迫切需 求 促進現代農業(yè)與食品產業(yè)提質 增效 本文介紹丘陵山區(qū)果園概況 及特點 分析果園生產植保 采收 環(huán)節(jié)機械化發(fā)展現狀 探討丘陵果 園機械化進程中面臨的機遇與挑戰(zhàn) 以期為丘陵果園機械技術與裝備研 發(fā)提供方向與思路 果園機械化裝備發(fā)展現狀 1 機械動力底盤 動力底盤是實現果園機械化 的基礎 與升降作業(yè)平臺 除草機 構 噴霧機構 運輸貨框等模塊配 合使用 執(zhí)行果園生產各環(huán)節(jié)的作 業(yè) 地勢平坦的區(qū)域多以輪式動力 底盤為主 零部件通用性強 成本 低 裝配簡單 但對地形的適應性 較差 容易在起伏的丘陵山地發(fā)生 打滑和傾覆現象 因此 丘陵區(qū)的 果園機械底盤通常以小型履帶式為 主 相比于輪式 其與地面接觸面 我國水果產量居世界首位 但果園多分布于丘陵山地 受地理條件限制 丘陵果園 機械化程度長期處于較低水平 為全面提升我國機械化總體水平 改善農業(yè)機械化生產 薄弱環(huán)節(jié) 應加強丘陵山區(qū)果園生產機械化環(huán)節(jié)關鍵技術創(chuàng)新與農機裝備研發(fā) 為水果 生產提供強大科技支撐 導語 基金項目 2020 年廣東省級鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略專項 南方地區(qū)自走式地膜回收機研發(fā)應用與示范 與 智能農機裝備產業(yè)技術創(chuàng)新專項 粵 財農 2020 39 號 34 專題 高端裝備制造 助力廣東制造強省建設 積大 接地比壓力小 抗傾覆和防 滑移能力強 隨著遠程控制 無人駕駛進入 農機領域 不再需要考慮駕駛位的 配置問題 極大降低了機械動力底 盤的重心 使其在坡度較大的丘陵 山區(qū)也能更好地貼合地面行駛 通 過遠程控制動力底盤驅動執(zhí)行機構 進行作業(yè) 見圖 1 避免了在大 坡度作業(yè)條件下手扶式或乘坐式果 園作業(yè)機器發(fā)生傾覆 能夠保護機 器操作員的人身安全 在物聯網 大數據 人工智能 5G 機器人等新一代信息技術高 速發(fā)展的時期 機械動力底盤將實 現從遠程控制到全程自動控制 最 終實現機器人自主控制的轉變 形 成機器人自主感知作業(yè)需求 切換 作業(yè)裝備 完成果園生產作業(yè)的 全天候 全過程 全空間無人化 生產模式 提高作業(yè)效率 節(jié)約 勞動力 降低畝均成本 促進經 濟效益提升 2 植保機械 根據行走動力方式的不同 傳統(tǒng)果園植保施藥機械可分為 人工施藥機具與機動式施藥機具 人工施藥機具以背負式 腳踏式 和擔架式為主 具有成本低 不受 地形限制的優(yōu)點 但作業(yè)效率低 農忙期作業(yè)強度大 存在樹冠較大 的果樹藥液噴施不便的情況 人為 因素還會導致重噴漏噴 造成農藥 噴施不勻和浪費 此外 果農長期 處于高濃度藥劑環(huán)境下 易對身體 造成危害 隨著機動式施藥機具進 入市場 風炮式 塔式 圓環(huán)式及 柔性導管式等機施配套的噴藥機 構 通過牽引懸掛方式安裝在動力 行走機械上 極大地提升了作業(yè) 效率 減少農民 勞動強度的同時 提高了農藥噴施 均勻度 但因霧 滴偏移嚴重 藥 量流失大 會導 致出現農藥利用 率低 資源浪費 環(huán)境污染和農產 品農藥殘留超標 等問題 精準施 藥技術是解決上述問題的有效途徑 特別是靜電噴霧技術 對靶施藥技 術 變量施藥技術等精準施藥技術 在市場需求驅動下得到快速發(fā)展 無人機噴灑農藥進行植保作 業(yè)模式的出現 改變了植保裝備的 格局 將植保施藥重新定義為地面 植保 見圖 2 和航空植保 見圖 3 兩種方式 2018年日本東京千 葉縣幕張國際展覽中心的一架小型 無人機 可負載農藥 10kg 每小 時作業(yè)面積可達 4hm 2 噴灑效率 約為人工噴灑的 30倍以上 此外 空中作業(yè)無需考慮地面裝備的田間 通過性 受作物種類 種植密度及 地形起伏影響小 通用性好 靈活 機動 適應性強 且無人機能夠實 現遠程遙控操作 避免了噴藥過程 中農藥對作業(yè)人員健康造成的傷害 這些優(yōu)勢使其受到廣泛關注 我國南方水稻種植區(qū)率先應用 無人機進行農藥噴灑作業(yè) 此后各 地也相繼出現使用無人機進行植保 作業(yè) 丘陵山區(qū)地勢高低不平 起 伏大 大部分機動式施藥機具無法 進地作業(yè) 80 以上的施藥工作 仍然依靠人工完成 只有部分小型 化 轉場能力強的裝備適用于丘陵 山區(qū)果園作業(yè) 無人機因不受作物 種類 地形限制等影響 成為解決 丘陵果園地面植保機械進出困難的 有效選擇 符合農業(yè)無人化 智能 化的發(fā)展方向 我國在航空植保技術研究方面 起步較晚 仍有技術瓶頸有待突破 第一 植保無人機 專用藥劑需能適應 低稀釋倍數且稀釋 后穩(wěn)定性高 霧 化效果好 防漂 移 抗揮發(fā) 沉降 好等特點 但目前 國內登記的適用于 植保無人機飛防作 業(yè)的超低容量液劑 圖1 遠程遙控履帶式動力底盤機械 圖2 果園地面植保機械 35 專家論道 僅有 19種 含生產調節(jié)劑 而日 本飛防專用藥劑登記有 266種 韓國 110種 國內無人機無 劑 可施的 局面限制了植保無人機的推廣 因此 應加快專用藥劑研發(fā) 第二 電動植 保無人機存在載荷小 續(xù)航短的問題 一方面需提高單機性能 另一方面可 通過多機協(xié)同作業(yè)來解決 而無人機 自主導航 航線規(guī)劃 調度及任務分 配等技術集成應用是實現多機協(xié)同作 業(yè)的重要手段 第三 丘陵果園地形 高低起伏 果樹樹冠高度不一 無人 機施藥需與作物保持一定的距離 距 離過大則噴藥效果差 距離過小則響 應不及時 易碰撞樹體造成機具損傷 因此在丘陵區(qū)進行無人機植保需實現 無人機高度仿形 保證植保作業(yè)效果 的穩(wěn)定性 避免因地勢差異造成無人 機損毀 第四 丘陵山區(qū)地形復雜 作物生長差異性較大也對植保無人機 推廣增加了難度 目前 上述技術問 題的解決仍需投入大量的人力 物力 進行研究 形成有效的解決方案 使 相關技術能夠盡快在丘陵山區(qū)應用推 廣 3 收獲機械 果園收獲機械可分為非選擇性 收獲機械和選擇性收獲機械 非選 擇性收獲機械即 對果實進行無差 別收獲 主要依 靠機械機構夾持 果樹的樹干樹枝 并產生振動 見 圖 4 梳齒探 入樹冠進行梳刷 和擊打 見圖 5 以及高速氣流沖 擊等方式 使果 實脫落完成收獲 這類無差別果實 收獲方式具有作 業(yè)效率高 采收 成本低的優(yōu)點 但會對果樹造成 一定損傷 影響 下一收獲期的產量 同時下墜的果 實難免產生碰撞損傷 不利于水果 商品化 選擇性收獲機械已成為近年 來的研究熱點 在一定程度上能夠 彌補非選擇性收獲機械的劣勢 選 擇收獲機械實施方式主要依靠相機 雷達 傳感器等 進行目標識別與 定位 機械臂和 末端執(zhí)行器進行 單收或串收等擬 人化作業(yè)模式 見 圖 6 對植株的 損傷較小 便于 加裝果實成熟度 辨識等附加功能 提升產出的果實 品質 但由于果實空間分布隨機 果莖葉相互遮擋 非結構化采收環(huán) 境等諸多不確定因素 對果實采摘 時目標識別準確率低 存在對部分 果實識別成功但無法定位的問題 而且丘陵果園地形復雜 對行走機 構穩(wěn)定性影響較大 即使識別定位 準確仍會導致末端執(zhí)行器抓取目標 失敗 目前 選擇性收獲機械多處 于實驗室開發(fā)測試階段 在光照條 件多變 地形崎嶇復雜的田間場景 下采收成功率較低 與高昂的設備 成本不匹配 距離實際推廣應用還 有較大距離 當前 可將選擇性收獲機械應 用在經濟價值較高 果實二維平面 化分布 半結構化生產環(huán)境下的果 品收獲作業(yè)中 如菠蘿 番茄 高 架種植模式的草莓 獼猴桃等 可 以回收部分前期研發(fā)投入成本 在 實踐中需進行視覺識別深度學習 提升機器視覺識別準確率 對采收 執(zhí)行部件進行優(yōu)化改進 提升部件 在相似品種間的通用性 進一步控 圖4 振動式收獲機 圖5 梳齒式收獲機 圖3 航空植保機械 36 專題 高端裝備制造 助力廣東制造強省建設 制成本并逐步向復雜作業(yè)環(huán)境過渡 隨著 無人化農場 概念的迅速推 進及人們對高品質農產 品需求的日益增長 選擇 性收獲機械具有極大的發(fā) 展?jié)摿?在未來一段時間 復雜場景下的動態(tài)識別定 位與行走 采摘執(zhí)行機構 協(xié)同控制等技術瓶頸的突 破 識別定位與路徑規(guī)劃 時間縮短以及自動化技術 成熟與裝備成本的下降 都將推動選擇性收獲機 械的推廣應用進程 4 果園運輸機械 果園運輸機械主要 包括輪式 履帶式 軌 道式及索道運輸機 美國 法國 荷蘭等國家果園地 形以大面積平原為主 采 用輪式運輸機即可滿足運 載需求 部分緩坡及路況 差的區(qū)域采用履帶式運輸 機 盡管履帶式運輸機在 山地運輸中具有很強的適 應能力 但我國丘陵果園 地勢坡度陡 起伏大 大 部分園區(qū)不具備通車條件 因此果實采收及生產資料 的運輸主要依靠人工 國內研究者借鑒日 本和韓國的軌道運輸技術 對單軌道式 雙軌道式運 輸機進行大量研究 以解 決我國丘陵山區(qū)果園運輸 問題 華中農業(yè)大學研制 的 7YGS45型雙軌道果園 運輸機 見圖 7a 采用 自走式作業(yè)方式 實現爬 坡 轉彎 前進 倒退和任意點制 動等功能 最大爬坡角 47 最小 水平轉彎半徑 8m 平均運行速度 1 0m s 張俊峰等設計的山地果園 遙控單軌運輸機 見圖 7b 單軌 依地形鋪設 能適應不同地形條件 的運輸需求 防脫軌防側倒裝置可 防止運行時脫軌和側倒 在實際應 用過程中 雙軌道運輸機運行的安 全性與穩(wěn)定性更高 而單軌道運輸 機具有安裝占地面積小 成本低的 優(yōu)點 華南農業(yè)大學洪添勝等設計 的山地橘園鏈式循環(huán)貨運索道 見 圖 8 可根據地勢及果樹種植情 況靈活架設 按一定間隔設置掛鉤 果農可隨意上載和卸下果品和生產 物料 由于香蕉果串質量較大 運 輸耗費大量人力 香蕉園等也多采 用索道運輸機 見圖 9 相比于 軌道運輸 索道安裝靈活 成本更 低 但索道安裝對地勢的要求嚴格 國內目前只有小部分的丘陵山地果 園滿足安裝要求 當前丘陵山區(qū)果園運輸機械各 a 雙軌運輸機 圖8 橘園鏈式運輸索道 b 單軌運輸機 圖9 香蕉園鏈式運輸索道 圖7 軌道式果園運輸機 a 番茄單收 b 番茄串收 圖6 果實采摘機器人 37 專家論道 有優(yōu)勢和不足 果園運輸系統(tǒng)應根 據園區(qū)地形實際情況進行布局 綜 合考慮地勢 穩(wěn)定性 成本等因素 進行區(qū)域網格劃分 根據區(qū)域地勢 特征進行運輸機械選型 在不同運 輸機械間建立對接機制 隨著農機 裝備向自動化 信息化 智能化方 向發(fā)展 以及農機監(jiān)控調度系統(tǒng)的 應用推廣 復合式運載系統(tǒng)的建立 獲得越來越有力的技術支撐 果園機械化裝備發(fā)展趨勢 1 果園環(huán)境標準化 信息化 為減輕地理條件對果園生產 機械化的限制 配合園區(qū)農業(yè)機 械通行需求 應完善園區(qū)的基礎 設施 如水 電 路 網絡等基 礎設施 改善園區(qū)道路 優(yōu)化地 塊布局 實現相鄰地塊之間 地 塊與道路之間銜接順暢 建立標 準化 信息化果園 需對園區(qū)進 行適度宜機化改造 配置各類傳 感器 搭建果園環(huán)境信息自動 采集系統(tǒng) 采集光照度 溫濕 度 風向 風速 雨量 土壤水分 土壤 PH 值 土壤 EC 值 植物生 長狀況等環(huán)境參數 開發(fā)生產數 據分析展示大屏系統(tǒng) 基于全景 的可視化生產監(jiān)控調度系統(tǒng) 通 過數據分析 建立模型 進行產 量預估 產量實測 實現果園生 產全程數字化 標準化管理 實 際生產過程中 可根據數據信息 分析結果 實現各個生產環(huán)節(jié)智 能調控 充分發(fā)揮信息化對果園 生產的指導作用 2 果園作業(yè)裝備自動化 智能 化 果園作業(yè)裝備自動化 智能化 是現代農業(yè)發(fā)展的必然趨勢 植保 無人機 采摘機器人等高度自動化 作業(yè)裝備將逐步在果園生產環(huán)節(jié)投 入使用 隨著自主導航 機器視覺 深度學習 數字信息高速處理等一 系列技術難題的突破 未來在果園 也將實現 機器替代人類 的無人 化作業(yè) 但現階段 技術突破難度 大 裝備制造成本高 應用場景復 雜多變 機具適用性較差 難以大 面積推廣應用 可研制半智能化的 機型填補裝備轉型期空白 決策和 規(guī)劃等環(huán)節(jié)仍為人工操作 例如 無人機對園區(qū)實景建模后 由操作 人員規(guī)劃植保作業(yè)路徑 無人機按 人工預設路徑進行植保作業(yè) 半智 能化的作業(yè)流程可減少無人機根據 環(huán)境信息自主規(guī)劃路徑的信息處理 工作量 執(zhí)行效率更高 作業(yè)軌跡 更精準 且同時操作多臺無人機能 夠降低人工成本 提高作業(yè)效率 3 開發(fā)多功能果園作業(yè)裝備 隨著果園作業(yè)裝備向自動化 智能化轉型 相關作業(yè)裝備將更加 注重用戶體驗 裝備功能也將集成 化 多樣化 果園機械化作業(yè)不再 局限于單一作業(yè)環(huán)節(jié) 可搭配不 同組件參與到果園生產的多個環(huán) 節(jié) 例如 無人機配置不同的傳感 器 實現果園病蟲害預警及環(huán)境監(jiān) 測 產量預測等功能 將藥箱和噴 頭替換成果箱和采摘機構 實現無 人機采收 將修剪工具替換到采摘 機器人執(zhí)行末端上 實現果樹枝葉 的修剪 在軌道運輸車搭載中小型 噴霧機 輔助無人機進行植保作業(yè) 等 果園區(qū)機械裝備通用性的提升 有助于降低種植人員的勞動強度 減少設備空置率 節(jié)約成本 提升 效率 形成果園生產各環(huán)節(jié)機械化 深度融合發(fā)展的新模式 編輯 陳嵐 專家簡介 溫翔宇 男 博士 廣東省現代農業(yè)裝備 研究所信息中心研發(fā)工程師 研究方向 丘陵 山區(qū)智能農機裝備關鍵技術 已參與 十三五 國家重點研發(fā)計劃項目 2項 發(fā)表 EI 核心收錄 論文 5篇 授權 申請發(fā)明專利 10項 38 專題 高端裝備制造 助力廣東制造強省建設