張艷紅，秦 貴，張 嵐，郭建業(yè)，潘張磊

（北京市農(nóng)業(yè)機械試驗鑒定推廣站，北京 100079）

設施農(nóng)業(yè)是北京農(nóng)業(yè)的重要組成部分，日光溫室是設施農(nóng)業(yè)的主要生產(chǎn)形式，據(jù)2014年年底數(shù)據(jù)統(tǒng)計，日光溫室在北京市各種設施農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)形式中占地面積65%，約15 800 hm2[1]。但由于日光溫室空間狹窄，僅在耕整地環(huán)節(jié)有比較適用的微耕機作業(yè)，綜合機械化水平很低[2]，表現(xiàn)為作業(yè)效率低、旋深淺（小于12 cm）、勞動強度大、燃油污染嚴重。日光溫室蔬菜生產(chǎn)中的其他作業(yè)環(huán)節(jié)，如施撒有機肥、鋪管覆膜、種植移栽、運輸?shù)然疽匀斯ぷ鳂I(yè)為主，勞動強度大、作業(yè)效率低，急需實現(xiàn)機械化作業(yè)。為提高日光溫室綜合機械化作業(yè)水平、提高耕整地作業(yè)質(zhì)量、降低勞動強度，北京市農(nóng)機試驗鑒定推廣站聯(lián)合企業(yè)共同研發(fā)了設施溫室智能化平臺。

1 智能化平臺的設計特點

平臺以電源為動力，將日光溫室蔬菜生產(chǎn)中各環(huán)節(jié)所需的農(nóng)機具集合安裝在該平臺上，實現(xiàn)一機多用；并采用程序化設計實現(xiàn)自動化或半自動化控制功能；同時輔以電子信息技術，實現(xiàn)遠程監(jiān)控作業(yè)模式。

1.1 實現(xiàn)一機多用、多環(huán)節(jié)機械化作業(yè)

設施溫室智能化平臺根據(jù)日光溫室空間結(jié)構(gòu)特點，采用了軌道、龍門式橫梁設計，實現(xiàn)了縱向、橫向行走及上下升降運動，專門用于日光溫室蔬菜生產(chǎn)機械化作業(yè)。設施溫室智能化平臺通過回旋盤結(jié)構(gòu)，可以方便、快捷地與多種農(nóng)機具連接配合，實現(xiàn)一機多用、多環(huán)節(jié)機械化作業(yè)，大幅度提高了日光溫室機械化作業(yè)水平。

工作時，平臺主機安裝上配套的農(nóng)機具后，沿兩側(cè)的軌道前后移動縱向行走，沿主橫梁左右移動橫向行走，同時主機可上下升降運動，從而實現(xiàn)在日光溫室內(nèi)三維化運動模式，輔以不同的作業(yè)機具，可以有效地實現(xiàn)有機肥撒施、土地耕整、開溝起壟，鋪管覆膜、播種移栽、灌溉植保、果實運輸?shù)榷喹h(huán)節(jié)無死角作業(yè)，提高日光溫室綜合機械化作業(yè)水平和作業(yè)質(zhì)量。

1.2 實現(xiàn)主機在日光溫室間轉(zhuǎn)移作業(yè)

在一個園區(qū)內(nèi)，同等寬度軌道設計情況下，可以實現(xiàn)主機在日光溫室間轉(zhuǎn)移作業(yè)，充分發(fā)揮主機效率，提高設備利用率。

各溫室鋪設同等跨度縱向軌道，同時在軌道一端鋪設轉(zhuǎn)運軌道。轉(zhuǎn)運軌道上對接轉(zhuǎn)運軌道車，該轉(zhuǎn)運軌道車也是各配套農(nóng)機具載體。在轉(zhuǎn)運軌道車上安裝主要配套農(nóng)機具碼放支架，確保農(nóng)機具碼放支架定位準確，以方便主機掛接。

當主機平臺轉(zhuǎn)運作業(yè)時，龍門式橫梁和主機沿縱向軌道行駛到轉(zhuǎn)運軌道車上，啟動轉(zhuǎn)運軌道車電機，轉(zhuǎn)運軌道車載著龍門式橫梁和主機以及碼放在轉(zhuǎn)運軌道車上的配套農(nóng)機具，一同沿轉(zhuǎn)運軌道行走到下一棟溫室，對接好該棟溫室縱向軌道，完成主機平臺的轉(zhuǎn)運工作。

1.3 實現(xiàn)自動化或半自動化生產(chǎn)作業(yè)

設施溫室智能化平臺的集成應用，有力地促進了農(nóng)機農(nóng)藝融合發(fā)展，形成了以機械化作業(yè)為主的日光溫室蔬菜生產(chǎn)新模式。由于設施溫室智能化平臺可實現(xiàn)自動化或半自動化生產(chǎn)作業(yè)，同時通過網(wǎng)絡可實現(xiàn)作業(yè)情況報告和遠程監(jiān)測，減少勞動力用工量，緩解農(nóng)忙時節(jié)用工緊張問題；同時大幅度降低勞動強度，打破了傳統(tǒng)上以人工作業(yè)為主的溫室蔬菜生產(chǎn)模式。

1.4 實現(xiàn)節(jié)能減排

設施溫室智能化平臺以電能為動力，避免了汽油機、柴油機等機械設備作業(yè)時造成的環(huán)境污染，使用方便，運行成本低。

2 智能化平臺的設計方案

2.1 平臺總體結(jié)構(gòu)設計

設施溫室智能化平臺以電能為動力，實現(xiàn)一機多用，主要由2條平行的地軌、在地軌上縱向行走的橫梁、橫梁上橫向行走的主機、主機上回轉(zhuǎn)盤以及控制系統(tǒng)組成[3-4]（圖1）。

縱向行走軌道長度和跨度根據(jù)日光溫室結(jié)構(gòu)而定；龍門式橫梁主要由龍門架、驅(qū)動電機、行走輪、控制系統(tǒng)等部件構(gòu)成，通過齒孔嚙合，沿縱向軌道前后行走；主機主要由框架、驅(qū)動電機、行走鏈輪、升降系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)系統(tǒng)、電動伸縮桿等組成，通過鏈傳動，沿龍門式橫梁左右行走。主機升降系統(tǒng)采用獨立電機控制，通過機械傳動實現(xiàn)主機回轉(zhuǎn)系統(tǒng)上下升降；回轉(zhuǎn)系統(tǒng)在獨立電機驅(qū)動下，通過蝸輪蝸桿減速裝置可實現(xiàn)回轉(zhuǎn)盤180°往返旋轉(zhuǎn)運動。

圖1 設施溫室智能化平臺的總體結(jié)構(gòu)

設施溫室智能化平臺作業(yè)時，主機行走到作業(yè)機具坐標位置，啟動電動伸縮桿快速掛接農(nóng)機具，歸位縱向（橫向）作業(yè)原點。若啟動手動作業(yè)程序，每一步作業(yè)均需人工操作完成。若啟動自動作業(yè)程序，將按輸入程序自動完成既定的作業(yè)。如縱向自動旋耕作業(yè)，先啟動旋耕機旋耕刀，然后主機旋轉(zhuǎn)盤下降，使旋耕刀達到既定旋耕深度，接著龍門式橫梁帶動主機沿縱向軌道行走開始旋耕作業(yè)。當達到既定的作業(yè)行程時，龍門式橫梁帶動主機停止運動，主機旋轉(zhuǎn)盤提升，使旋耕刀離開地面達到既定高度；此時，主機帶動旋耕機沿作業(yè)方向后移0.5 m，然后回轉(zhuǎn)盤電機啟動驅(qū)動旋耕機旋轉(zhuǎn)180°，完成旋耕作業(yè)方向調(diào)整。此時，主機再次帶動旋耕機沿作業(yè)方向后移0.5 m，然后沿龍門式橫梁移動一個作業(yè)幅寬，再驅(qū)動旋轉(zhuǎn)盤下降，使旋耕刀達到既定旋耕深度，接著龍門式橫梁帶動主機沿縱向軌道行走開始回程旋耕作業(yè)。如此往復既定的作業(yè)行程，自動完成日光溫室內(nèi)無死角旋耕作業(yè)。同理也可以實現(xiàn)自動化起壟、播種等環(huán)節(jié)作業(yè)。

2.2 設施溫室智能化平臺行走機構(gòu)設計

2.2.1 縱向行走機構(gòu)設計

設施溫室智能化平臺縱向行走機構(gòu)主要由支撐架、電機、減速箱、鏈傳動、驅(qū)動齒輪、從動輪等部件構(gòu)成，在兩側(cè)軌道各制作1套。通過電控調(diào)頻控制保證兩側(cè)縱向行走機構(gòu)同步運動。

2.2.2 橫向行走機構(gòu)設計

設施溫室智能化平臺橫向行走機構(gòu)主要由支撐架、電機、減速箱、鏈傳動、驅(qū)動鏈輪、側(cè)支撐輪等部件構(gòu)成。通過電控調(diào)頻控制實現(xiàn)橫向行走變速運動。

2.2.3 升降運動機構(gòu)設計

設施溫室智能化平臺主機升降運動機構(gòu)主要由支撐架、電機、絲杠等部件構(gòu)成。通過絲杠旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)主機升降運動，并可停留在所要求的作業(yè)高度。

2.2.4 往返運動機構(gòu)設計

設施溫室智能化平臺主機往返運動機構(gòu)主要由支撐架、電機、蝸桿、蝸輪等部件構(gòu)成。通過電動控制實現(xiàn)回轉(zhuǎn)盤180°內(nèi)不同角度的旋轉(zhuǎn)，從而滿足作業(yè)要求。

2.3 農(nóng)機具的設計

設施溫室智能化平臺主機通過旋轉(zhuǎn)盤可以懸掛各種農(nóng)機具，根據(jù)作業(yè)需要與主機配套集成，實現(xiàn)主機＋不同農(nóng)機具的機械化作業(yè)模式；本次研發(fā)以實現(xiàn)葉類蔬菜（主要以油菜為代表）全程機械化作業(yè)為目標，設計配套農(nóng)機具，葉類菜生產(chǎn)主要包括土地旋耕、平整、播種、噴灌、植保、運輸環(huán)節(jié)作業(yè)[5]。

2.3.1 旋耕機設計

旋耕機采用雙電機同步驅(qū)動，主要由機架、快速連接吊耳、旋耕部件、減速機、鏈傳動部件構(gòu)成（圖2）。耕幅寬度1.0 m，耕深15～20 cm。

2.3.2 平地鏟設計

平地鏟主要由機架、快速連接吊耳、鏟面部件構(gòu)成（圖3）。平地作業(yè)幅寬2.0 m。

圖2 旋耕機結(jié)構(gòu)

圖3 平地鏟結(jié)構(gòu)

2.3.3 播種機設計

播種機采用變頻電機驅(qū)動，主要由機架、快速連接吊耳、播種部件、鎮(zhèn)壓輥部件構(gòu)成（圖4）。播種幅寬0.9 m；播種行數(shù)1～6行可調(diào)；行距15.0、18.0、22.5、30.0 cm可調(diào)；粒距2～30 cm可調(diào)。

2.3.4 噴灌系統(tǒng)設計

噴灌系統(tǒng)主要由機架、噴灌桿、噴頭、復卷式供水管系統(tǒng)構(gòu)成（圖5）。在滿幅噴灌噴桿上安裝噴水、噴藥、施肥三用噴頭。當進行澆水作業(yè)時，設定好主機行走速度，調(diào)整好噴頭，將復卷式供水管快速接通噴桿，打開閥門即可實現(xiàn)澆水作業(yè)。當施肥（液態(tài)）作業(yè)時，設定好主機行走速度，調(diào)整好施肥噴頭，連接好施肥罐，將復卷式供水管快速接通噴桿，打開閥門即可實現(xiàn)施肥作業(yè)。

2.3.5 植保系統(tǒng)設計

植保系統(tǒng)主要由機架、噴桿、噴頭、藥箱、電機、泵等部件構(gòu)成（圖6）。當植保作業(yè)時，設定好主機行走速度，調(diào)整好打藥噴頭，將藥箱管路快速接通噴桿，啟動電機、泵即可實現(xiàn)植保作業(yè)。

2.3.6 運輸車設計

以單邊縱向軌道為基礎，運輸車設計成遙控式單軌運動形式。運輸車主要由機架、車斗、電機、減速箱、鏈傳動、驅(qū)動齒輪、從動行走輪、側(cè)支撐輪、蓄電池、控制系統(tǒng)等構(gòu)成（圖7）。可承載質(zhì)量不大于100 kg，遙控有效距離100 m內(nèi)。

圖4 播種機結(jié)構(gòu)

3 平臺在油菜上的應用效果

在試驗示范園區(qū)進行了油菜播種試驗，效果良好（圖8）。

3.1 旋耕作業(yè)

采用縱向旋耕作業(yè)模式，絕對深度18 cm，耕幅1 m，行進速度10 m/min。觀察設備作業(yè)情況，測耕深和碎土率。

采用縱向旋耕作業(yè)模式，將平臺主機安裝好旋耕部件，歸位縱向作業(yè)原點，設定旋耕深度為18 cm，行程23 m，橫向移動1.0 m，啟動旋耕縱向作業(yè)模式，自動完成7個往返作業(yè)耗時25 min，作業(yè)效果良好。

沿機組前進方向，用耕深尺測定旋耕深度5次，均大于18 cm。在耕幅內(nèi)測定0.5 m×0.5 m面積內(nèi)的全耕層土塊5次，土塊邊長均小于4 cm。

3.2 土地平整作業(yè)

油菜播種要求種子播深一致以利于出苗，旋耕后的土地需要刮平以保證更高的出苗率。

對同一棟溫室來說土地一次大平整后基本處于平整狀態(tài)，播種前的平地作業(yè)完全手動操作。以軌道頂面為測量0點標高，根據(jù)溫室土壤地面高度，在總土量基本平衡的情況下，確定平地鏟作業(yè)標高為－10 cm，進行橫向、縱向行走，并根據(jù)土壤地面情況，以－9 cm標高作業(yè)，將土壤刮平。

3.3 播種作業(yè)

進行油菜播種作業(yè)，油菜種子基本圓粒形，直徑在1.8～2.2 mm，故選用6穴眼3 mm播種輪作業(yè)。縱向播種油菜作業(yè)，要求行距15 cm，株距5 cm。將平臺主機安裝好播種部件，歸位縱向作業(yè)原點，匹配株距設定縱向行走速度10 m/min，播種機播種轉(zhuǎn)速為35 r/min，行程23 m，橫向移動0.9 m，啟動播種作業(yè)模式，自動完成6個往返作業(yè)耗時26 min，作業(yè)良好。

待出苗后挑選2行各選擇1 m，經(jīng)觀察、計算，油菜重播率、漏播率符合播種機要求，播種株距變異系數(shù)小于3%，基本穩(wěn)定在5 cm左右。

3.4 植保、灌溉作業(yè)

在油菜播種后，主要是植保、灌溉管理作業(yè)，接好澆灌系統(tǒng)歸位起點，設定設施溫室智能化平臺縱向行進速度0.5 m/min（根據(jù)澆水量可調(diào)整行進速度）進行澆灌作業(yè)。植保作業(yè)時，接好藥箱系統(tǒng)，調(diào)整縱向行走速度，自動完成植保作業(yè)。測定澆灌、植保均勻系數(shù)大于90%，效果較好。

3.5 運輸作業(yè)

在油菜收獲后，成筐擺放在遙控運輸車上，遙控距離大于50 m，一次可承載100 kg，運行穩(wěn)定。

4 智能化平臺的經(jīng)濟效益分析

以油菜生產(chǎn)為例，在不考慮設備成本情況下，在旋耕、平整地、播種、噴灌澆水等環(huán)節(jié)應用設施溫室智能化平臺，每棟日光溫室、每個茬次可節(jié)約10個人工，按每人每日120元計算，每667 m2每茬可節(jié)約人工成本1 200元，每667 m2溫室每年按生產(chǎn)6茬次葉類菜（油菜）計算，可節(jié)約人工成本7 200元。

雖然設施溫室智能化平臺前期研發(fā)投資與試驗投資偏高，待設備性能可靠、運行穩(wěn)定后批量生產(chǎn)，可大幅度降低設備成本，同時節(jié)約人工成本。只要完成了溫室軌道及溫室間轉(zhuǎn)運軌道的建設，1套平臺主機可以完成多個溫室的農(nóng)機作業(yè)，不用購買拖拉機、各種農(nóng)機具，避免了重復投資。設備定型后平臺主機成本低于10萬元。

圖5 噴灌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖6 植保系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖7 運輸車結(jié)構(gòu)

圖8 智能化平臺作業(yè)試驗

5 智能化平臺應用前景分析

設施溫室智能化平臺是設施蔬菜種植園區(qū)內(nèi)的專用生產(chǎn)裝備，1套裝備基本可滿足園區(qū)內(nèi)50棟日光溫室的生產(chǎn)作業(yè)，通過配套溫室軌道，便可實現(xiàn)葉類菜全程機械化生產(chǎn)作業(yè)。在設備成本投入方面，配備設施溫室智能化平臺主機＋配套農(nóng)機具及軌道，減少了拖拉機、旋耕機、起壟機、植保機械等設備投資；在使用成本方面，增加電費支出，減少汽油、柴油消耗支出，并節(jié)約大量人工費用。

目前，平臺實現(xiàn)了葉類菜（油菜）全程機械化作業(yè)，未來將進一步完善主機平臺性能，加大果菜類生產(chǎn)關鍵環(huán)節(jié)如自動化鋪管覆膜、移栽等配套農(nóng)機具研發(fā)力度，逐步實現(xiàn)設施蔬菜生產(chǎn)全程機械化作業(yè)。