丘陵山区果园机械化装备发展现状分析与展望

文/温翔宇

[导语]

我国水果产量居世界首位，但果园多分布于丘陵山地，受地理条件限制，丘陵果园机械化程度长期处于较低水平。为全面提升我国机械化总体水平，改善农业机械化生产薄弱环节，应加强丘陵山区果园生产机械化环节关键技术创新与农机装备研发，为水果生产提供强大科技支撑。

水果产业已成为我国继粮食和蔬菜之后的第三大农业种植产业，2019年，我国果园种植面积为1204万hm2，水果产量为2.74亿吨，居世界首位。但国内优质果园多分布于川中、两广、陕甘等以丘陵山地为主的地区，受地理条件限制与传统种植模式影响，果园机械化程度长期处于较低水平，果园生产管理多以人工作业为主，工作强度大、生产效率低、作业环境艰苦，很多人不愿意从事水果种植工作，加上务农人数越少和人口老龄化趋势加重，谁来种地，怎样种地，成为乡村振兴中急需破解的问题。机械化是解决这一问题的根本出路，也是保持我国水果产业稳定发展的一剂良药。

《国务院关于加快推进农业机械化和农机装备产业转型的指导意见》中明确要求加强薄弱环节农业机械化技术创新和农机装备的研发、推广与应用，促进丘陵山区农业生产方式向集约化、规模化转变，着力推进丘陵山区机械化进程，补短板、强弱项。在大力实施乡村振兴战略的推动下，水果产业作为丘陵山区农业支柱型产业，应突破传统农业种植方法和模式，全面提升丘陵山地果园机械化水平，满足果农对果园生产管理机械装备的迫切需求，促进现代农业与食品产业提质增效。本文介绍丘陵山区果园概况及特点，分析果园生产植保、采收环节机械化发展现状，探讨丘陵果园机械化进程中面临的机遇与挑战，以期为丘陵果园机械技术与装备研发提供方向与思路。

果园机械化装备发展现状

1.机械动力底盘

动力底盘是实现果园机械化的基础，与升降作业平台、除草机构、喷雾机构、运输货框等模块配合使用，执行果园生产各环节的作业。地势平坦的区域多以轮式动力底盘为主，零部件通用性强，成本低，装配简单，但对地形的适应性较差，容易在起伏的丘陵山地发生打滑和倾覆现象。因此，丘陵区的果园机械底盘通常以小型履带式为主，相比于轮式，其与地面接触面积大、接地比压力小，抗倾覆和防滑移能力强。

随着远程控制、无人驾驶进入农机领域，不再需要考虑驾驶位的配置问题，极大降低了机械动力底盘的重心，使其在坡度较大的丘陵山区也能更好地贴合地面行驶。通过远程控制动力底盘驱动执行机构进行作业（见图1），避免了在大坡度作业条件下手扶式或乘坐式果园作业机器发生倾覆，能够保护机器操作员的人身安全。

图1 远程遥控履带式动力底盘机械

在物联网、大数据、人工智能、5G、机器人等新一代信息技术高速发展的时期，机械动力底盘将实现从远程控制到全程自动控制，最终实现机器人自主控制的转变，形成机器人自主感知作业需求、切换作业装备，完成果园生产作业的全天候、全过程、全空间无人化生产模式，提高作业效率，节约劳动力，降低亩均成本，促进经济效益提升。

2.植保机械

根据行走动力方式的不同，传统果园植保施药机械可分为人工施药机具与机动式施药机具。人工施药机具以背负式、脚踏式和担架式为主，具有成本低、不受地形限制的优点，但作业效率低，农忙期作业强度大，存在树冠较大的果树药液喷施不便的情况，人为因素还会导致重喷漏喷，造成农药喷施不匀和浪费；此外，果农长期处于高浓度药剂环境下，易对身体造成危害。随着机动式施药机具进入市场，风炮式、塔式、圆环式及柔性导管式等机施配套的喷药机构，通过牵引悬挂方式安装在动力行走机械上，极大地提升了作业效率，减少农民劳动强度的同时提高了农药喷施均匀度，但因雾滴偏移严重、药量流失大，会导致出现农药利用率低、资源浪费、环境污染和农产品农药残留超标等问题。精准施药技术是解决上述问题的有效途径，特别是静电喷雾技术、对靶施药技术、变量施药技术等精准施药技术在市场需求驱动下得到快速发展。

图2 果园地面植保机械

无人机喷洒农药进行植保作业模式的出现，改变了植保装备的格局，将植保施药重新定义为地面植保（见图2）和航空植保（见图3）两种方式。2018年日本东京千叶县幕张国际展览中心的一架小型无人机，可负载农药10kg，每小时作业面积可达4hm2，喷洒效率约为人工喷洒的30倍以上。此外，空中作业无需考虑地面装备的田间通过性，受作物种类、种植密度及地形起伏影响小，通用性好、灵活机动、适应性强，且无人机能够实现远程遥控操作，避免了喷药过程中农药对作业人员健康造成的伤害，这些优势使其受到广泛关注。

我国南方水稻种植区率先应用无人机进行农药喷洒作业，此后各地也相继出现使用无人机进行植保作业。丘陵山区地势高低不平、起伏大，大部分机动式施药机具无法进地作业，80%以上的施药工作仍然依靠人工完成，只有部分小型化、转场能力强的装备适用于丘陵山区果园作业。无人机因不受作物种类、地形限制等影响，成为解决丘陵果园地面植保机械进出困难的有效选择，符合农业无人化、智能化的发展方向。

我国在航空植保技术研究方面起步较晚，仍有技术瓶颈有待突破。第一，植保无人机专用药剂需能适应低稀释倍数且稀释后稳定性高、雾化效果好、防漂移、抗挥发、沉降好等特点，但目前国内登记的适用于植保无人机飞防作业的超低容量液剂仅有19种（含生产调节剂），而日本飞防专用药剂登记有266种、韩国110种，国内无人机无“剂”可施的局面限制了植保无人机的推广，因此应加快专用药剂研发。第二，电动植保无人机存在载荷小、续航短的问题，一方面需提高单机性能，另一方面可通过多机协同作业来解决，而无人机自主导航、航线规划、调度及任务分配等技术集成应用是实现多机协同作业的重要手段。第三，丘陵果园地形高低起伏、果树树冠高度不一，无人机施药需与作物保持一定的距离，距离过大则喷药效果差，距离过小则响应不及时，易碰撞树体造成机具损伤，因此在丘陵区进行无人机植保需实现无人机高度仿形，保证植保作业效果的稳定性，避免因地势差异造成无人机损毁。第四，丘陵山区地形复杂、作物生长差异性较大也对植保无人机推广增加了难度。目前，上述技术问题的解决仍需投入大量的人力、物力进行研究，形成有效的解决方案，使相关技术能够尽快在丘陵山区应用推广。

图3 航空植保机械

3.收获机械

果园收获机械可分为非选择性收获机械和选择性收获机械。非选择性收获机械即对果实进行无差别收获，主要依靠机械机构夹持果树的树干树枝并产生振动（见图4）、梳 齿 探入树冠进行梳刷和击打（见图5）以及高速气流冲击等方式，使果实脱落完成收获。这类无差别果实收获方式具有作业效率高、采收成本低的优点，但会对果树造成一定损伤，影响下一收获期的产量，同时下坠的果实难免产生碰撞损伤，不利于水果商品化。

选择性收获机械已成为近年来的研究热点，在一定程度上能够弥补非选择性收获机械的劣势。选择收获机械实施方式主要依靠相机、雷达、传感器等进行目标识别与定位，机械臂和末端执行器进行单收或串收等拟人化作业模式（见图6），对植株的损伤较小，便于加装果实成熟度辨识等附加功能，提升产出的果实品质。但由于果实空间分布随机、果茎叶相互遮挡、非结构化采收环境等诸多不确定因素，对果实采摘时目标识别准确率低，存在对部分果实识别成功但无法定位的问题；而且丘陵果园地形复杂，对行走机构稳定性影响较大，即使识别定位准确仍会导致末端执行器抓取目标失败。目前，选择性收获机械多处于实验室开发测试阶段，在光照条件多变、地形崎岖复杂的田间场景下采收成功率较低，与高昂的设备成本不匹配，距离实际推广应用还有较大距离。

图4 振动式收获机

图5 梳齿式收获机

图6 果实采摘机器人

当前，可将选择性收获机械应用在经济价值较高、果实二维平面化分布、半结构化生产环境下的果品收获作业中，如菠萝、番茄、高架种植模式的草莓、猕猴桃等，可以回收部分前期研发投入成本。在实践中需进行视觉识别深度学习，提升机器视觉识别准确率，对采收执行部件进行优化改进，提升部件在相似品种间的通用性，进一步控制成本并逐步向复杂作业环境过渡。随着“无人化农场”概念的迅速推进及人们对高品质农产品需求的日益增长，选择性收获机械具有极大的发展潜力。在未来一段时间，复杂场景下的动态识别定位与行走、采摘执行机构协同控制等技术瓶颈的突破，识别定位与路径规划时间缩短以及自动化技术成熟与装备成本的下降，都将推动选择性收获机械的推广应用进程。

4.果园运输机械

果园运输机械主要包括轮式、履带式、轨道式及索道运输机。美国、法国、荷兰等国家果园地形以大面积平原为主，采用轮式运输机即可满足运载需求，部分缓坡及路况差的区域采用履带式运输机。尽管履带式运输机在山地运输中具有很强的适应能力，但我国丘陵果园地势坡度陡、起伏大，大部分园区不具备通车条件，因此果实采收及生产资料的运输主要依靠人工。

国内研究者借鉴日本和韩国的轨道运输技术，对单轨道式、双轨道式运输机进行大量研究，以解决我国丘陵山区果园运输问题。华中农业大学研制的7YGS45型双轨道果园运输机（见图7a），采用自走式作业方式，实现爬坡、转弯、前进、倒退和任意点制动等功能，最大爬坡角47°，最小水平转弯半径8m，平均运行速度1.0m/s；张俊峰等设计的山地果园遥控单轨运输机（见图7b），单轨依地形铺设，能适应不同地形条件的运输需求，防脱轨防侧倒装置可防止运行时脱轨和侧倒。在实际应用过程中，双轨道运输机运行的安全性与稳定性更高，而单轨道运输机具有安装占地面积小、成本低的优点。

华南农业大学洪添胜等设计的山地橘园链式循环货运索道（见图8），可根据地势及果树种植情况灵活架设，按一定间隔设置挂钩，果农可随意上载和卸下果品和生产物料。由于香蕉果串质量较大，运输耗费大量人力，香蕉园等也多采用索道运输机（见图9）。相比于轨道运输，索道安装灵活、成本更低，但索道安装对地势的要求严格，国内目前只有小部分的丘陵山地果园满足安装要求。

图7 轨道式果园运输机

图8 橘园链式运输索道

图9 香蕉园链式运输索道

当前丘陵山区果园运输机械各有优势和不足，果园运输系统应根据园区地形实际情况进行布局，综合考虑地势、稳定性、成本等因素进行区域网格划分，根据区域地势特征进行运输机械选型，在不同运输机械间建立对接机制。随着农机装备向自动化、信息化、智能化方向发展，以及农机监控调度系统的应用推广，复合式运载系统的建立获得越来越有力的技术支撑。

果园机械化装备发展趋势

1.果园环境标准化、信息化

为减轻地理条件对果园生产机械化的限制，配合园区农业机械通行需求，应完善园区的基础设施，如水、电、路、网络等基础设施，改善园区道路，优化地块布局，实现相邻地块之间、地块与道路之间衔接顺畅。建立标准化、信息化果园，需对园区进行适度宜机化改造，配置各类传感器。搭建果园环境信息自动采集系统，采集光照度、温湿度、风向、风速、雨量、土壤水分、土壤PH值、土壤EC值、植物生长状况等环境参数，开发生产数据分析展示大屏系统、基于全景的可视化生产监控调度系统，通过数据分析、建立模型，进行产量预估、产量实测，实现果园生产全程数字化、标准化管理。实际生产过程中，可根据数据信息分析结果，实现各个生产环节智能调控，充分发挥信息化对果园生产的指导作用。

2.果园作业装备自动化、智能化

果园作业装备自动化、智能化是现代农业发展的必然趋势，植保无人机、采摘机器人等高度自动化作业装备将逐步在果园生产环节投入使用。随着自主导航、机器视觉、深度学习、数字信息高速处理等一系列技术难题的突破，未来在果园也将实现“机器替代人类”的无人化作业，但现阶段，技术突破难度大，装备制造成本高，应用场景复杂多变，机具适用性较差，难以大面积推广应用。可研制半智能化的机型填补装备转型期空白，决策和规划等环节仍为人工操作。例如，无人机对园区实景建模后，由操作人员规划植保作业路径，无人机按人工预设路径进行植保作业。半智能化的作业流程可减少无人机根据环境信息自主规划路径的信息处理工作量，执行效率更高，作业轨迹更精准，且同时操作多台无人机能够降低人工成本，提高作业效率。

3.开发多功能果园作业装备

随着果园作业装备向自动化、智能化转型，相关作业装备将更加注重用户体验，装备功能也将集成化、多样化。果园机械化作业不再局限于单一作业环节，可搭配不同组件参与到果园生产的多个环节。例如，无人机配置不同的传感器，实现果园病虫害预警及环境监测、产量预测等功能；将药箱和喷头替换成果箱和采摘机构，实现无人机采收；将修剪工具替换到采摘机器人执行末端上，实现果树枝叶的修剪；在轨道运输车搭载中小型喷雾机，辅助无人机进行植保作业等。果园区机械装备通用性的提升，有助于降低种植人员的劳动强度，减少设备空置率，节约成本、提升效率，形成果园生产各环节机械化深度融合发展的新模式。