文/溫翔宇

[導語]

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。

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hm2，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)模化轉變，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。

圖1 遠程遙控履帶式動力底盤機械

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。

圖2 果園地面植保機械

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4hm2，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。

圖3 航空植保機械

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。

圖4 振動式收獲機

圖5 梳齒式收獲機

圖6 果實采摘機器人

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。

圖7 軌道式果園運輸機

圖8 橘園鏈式運輸索道

圖9 香蕉園鏈式運輸索道

當前丘陵山區(qū)果園運輸機械各有優(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?？裳兄瓢胫悄芑臋C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。