蔬菜种苗生产数字化应用探索

韩吉书 韩吉胜 宋甲斌 杨景慧 李中华

蔬菜产业是中国农业的重要支柱产业，也是带动农民增收的主要产业之一。2014年全国蔬菜播种面积为2133.3万hm2，总产量7亿t，居农产品之首。目前，中国蔬菜移栽面积980万hm2，种苗需求量已达6833亿株/年，而当前全国的生产能力2000亿株/年，约占年蔬菜种植总需求量的30%，其中优质种苗只占生产种苗量的40%[1]。由此可见，蔬菜种苗存在着巨大缺口，这也是中国集约化育苗发展的动力。受供求关系的影响，全国涌现出一大批蔬菜育苗企业，据不完全统计，全国蔬菜育苗规模企业1500多个，但多数蔬菜育苗企业投资规模较小，育苗设施相对简单，以简易工厂育苗为主，主要依靠人工操作，机械化水平低，没有标准的生产工艺，主要靠经验决策。因此，其培育出的蔬菜种苗普遍存在质量不稳定、移栽成活率低、成苗质量差、病虫害严重等情况，给育苗行业和种植户带来重大损失，严重影响蔬菜产业的健康发展。

随着全球信息技术应用水平的不断提升，智能化、数字化成为农业发展的新趋势。近年来，国家高度重视“三农”工作，在大量政策及扶持资金的刺激下，国内数字农业水平快速提升，为适应设施蔬菜产业的快速发展，蔬菜育苗逐渐向智能化育苗方式转变。为解决传统蔬菜育苗效率低、蔬菜种植效益差、食品安全等问题，安信种苗在山东省济南市济阳区现代农业科技示范园率先构建了数字化智能种苗工廠（面积1 hm2），

配备了智能识别精量播种机、嫁接苗切割机、巡检机器人等设备，预计工厂建成后育苗量可达360万株/茬，年育苗能力为6茬（图1）。

蔬菜种苗生产智能化系统主要构成

数字化智能种苗工厂（图1～3）融合了AI、IoT、5G、云计算、大数据、生物表型组学等各种技术，通过建立种苗生长和设备控制数据模型，感知识别各节点状态，对物联网收集的数据进行大数据分析，控制中心下发指令，控制各种智能化机械设备自动运作，替代人工完成各项生产任务。数字化智能种苗工厂使IoT与种苗生产各个环节实现有效融合，实现精准控制、减少人工、提高效益的目的。以IoT技术为核心，集传感器技术、计算机技术、移动网络技术于一体，利用5G高速通讯技术高通量、宽连接、低时延的特点[2]，将种苗工厂的种子处理系统、植保系统、喷灌系统、运输系统等各个子系统有机连接起来，使各子系统之间能够相互通信，实现信息共享和任务全局统一化的综合管理，实时监测各子系统的运行状态，包括设施设备调度、作业信息、种苗生长状况、设备运行状况等信息，并通过数字决策系统实现最优系统集成以及各子系统间的协同作业，为无人化工厂做铺垫。

在蔬菜集约化育苗过程中，安信种苗创立“25节点育苗法”，采用工厂化流水线作业，通过对育苗前期准备、催芽与播种、播种后管理、出苗后管理以及秧苗定植前管理等5个过程共“25个关键点”的精准控制，来减少人为或天气因素对种苗培育质量的影响，实现激发种子潜能、提高种苗抗性、提高作物产量的效果，同时，育苗过程程序化、规范化、数据化、可追溯化，可显著提高工作效率，降低育苗成本，保证种苗质量稳定可靠，减少质量纠纷。

经过十多年的研发和实践，安信种苗在原来集约化育苗的基础上逐步探索出数字化育苗新模式，开发出一系列适用工厂化穴盘育苗的新设备，并建立了一套标准化穴盘育苗技术流程，针对穴盘育苗过程中存在的核心问题，对“25节点育苗法”深度解析，转化为可操作的数字语言，根据工艺要求建立生产模型，根据生产模型形成相关指令，操作智能化设备进行作业。蔬菜穴盘育苗数字化应用探索包括以下几个关键环节，分别为种子处理环节、播种环节、嫁接环节、植保环节、水肥管理环节、质量管理环节、运输环节、环控环节、管理环节、培训环节、数字推广环节。

种子处理环节

种子消毒是工厂化穴盘育苗生产中预防病害的关键措施之一，工厂化穴盘育苗由于处理种子量大，温度不易掌握，温度太高容易烧伤种子。数字化智能种苗工厂模式利用计算机视觉技术对种子进行自动检验，在对采集的单粒种子图像进行处理后，提取特征参数图像[3]，经过种子参数数据库进行分析验算，检测蔬菜种子的种类、纯度、健康度等状态，确定种子处理的方式和方法。

温汤浸种和干热处理可以杀灭种子携带的病原，是种子消毒的重要手段之一。安信种苗经过反复试验及多年实践，研发出全自动温汤浸种机。把种子放入全自动浸种机中，根据蔬菜种子种类，设定浸种时间，全自动浸种机自动进行浸种，根据不同蔬菜种子需要设定恒定温度浸种，并不停地自动搅拌，直至设定时间，随后降低温度，混入杀菌药剂，达到设定时间后自动冲洗、排出种子，完成温汤浸种处理。

种子干热消毒处理可有效弥补常规处理的不足，不仅可以杀死种子表面附着的病菌，还可以杀死潜伏在种子内部的病原、钝化病毒，同时不会显著影响种子的发芽能力[4]。传统干热灭菌采用普通烘箱操作，种子处理量小、温度不稳定，蔬菜工厂化育苗专用的种子干热处理机，温度可稳定在病毒钝化最适宜温度，每批处理种子量300 kg以上，有效提高灭菌效率，减少或杜绝种子带菌引发的病害传播。

催芽是育苗的关键所在，蔬菜种子发芽的好坏决定着蔬菜种苗的数量和质量，同时还对蔬菜种苗的生长发育有着一定程度的影响。传统催芽方式将处理过的蔬菜种子进行控水后，用具有良好透气性的纱布包裹好进行催芽。智能种苗催芽室将根据蔬菜种子种类及发芽特性自动设置温、光、水、气、肥等基本因素，可为种子发芽提供良好的条件。

播种环节

针对人工播种和普通蔬菜穴盘播种机小粒径蔬菜种子穴盘育苗播种精度差、效率低等问题，安信种苗研发智能蔬菜种子精量播种线，通过CCD视觉识别技术、人工智能对播种质量进行检测，实现智能补种，降低空穴率、重播率，提高了精准率，真正实现蔬菜种子的精量播种，极大程度减少了种子的浪费及后期管理程序，经试验验证单粒播种准确率可达到99%以上。

嫁接环节

蔬菜种苗常用的嫁接方法主要有插接法、劈接法等，目前蔬菜种苗嫁接主要依靠人工操作，熟练嫁接工一般每天能嫁接种苗3500株左右，随着农村劳动力短缺，种苗嫁接用工矛盾日益突出。嫁接苗成活率的高低主要与操作人员的熟练程度有关，由于人工操作上的差异，往往同一批苗因为不同的人操作，而嫁接质量不同。嫁接质量不好的种苗会长出气生根、接穗生长势弱、品质差，严重时造成大量嫁接苗报废，造成经济损失[5]。如何生产出优质、健壮的嫁接苗，成为当前育苗行业急需解决的关键问题。

安信种苗投资设计研发的蔬菜嫁接机，根据嫁接苗特点设计，可以使砧木、接穗接合迅速，自动完成嫁接操作，避免切口长时间氧化和苗内液体的流失，大大提高了嫁接成活率和工作效率，嫁接成功率可达90%以上。解决手工嫁接费工费时，作业质量与作业效率相矛盾的问题，促进种苗嫁接技术的推广应用，满足嫁接苗的市场需求。

植保环节

基于视觉检测系统，采用YOLO-V3深度学习算法，对植物种类和病害实时检测识别。通过5G物联网技术将识别结果上传到云端进行大数据分析，根据防控标准，针对苗情、病虫害种类，自动采取不同植保处理措施，包括绿色防控、化学防治、物理防治等。

水肥管理环节

通过苗床、育苗温室、种苗状态等多维度的数据采集，然后利用5G物联网传输并进行大数据分析，通过大数据和传统农业技术的融合，对蔬菜种苗当前水肥需求进行综合评价，再通过5G物联网水肥一体智能灌溉系统，针对种苗生长状态自动进行水肥管理（图4）。

基于移动苗床的智能灌溉系统对运输过程中的种苗进行检测识别，自动精量控制，极大降低人力成本，提高种苗质量。

质量管理环节

蔬菜种苗一个育苗周期内一般要经过2～3次分拣合盘工作，目前人工挑选需要大量的时间，且分级标准不统一。蔬菜种苗智能分级分拣设备（图5）集成机构学、机器视觉、可编程逻辑控制（PLC）技术，通过机器视觉采集穴盘种苗图像，经上位机（计算机）程序处理，运用目标区域像素统计的方法，对幼苗生长状况（真叶数、苗龄、株高和长势一致性等）进行评价。种苗培育期，对穴盘里种苗健康度分级，对缺苗、弱苗和病苗剔除补种;发货时对种苗检查验收，将符合标准的种苗移至发货区域，提高产品一致性，保证移栽质量。

运输环节

目前蔬菜工厂化育苗运输作业还是以人工搬运为主，非常耗费人力。安信种苗数字化智能种苗工厂研发棚内、棚间多种运输设备，包括智能寻址运输车，通过UWB、二维码寻址定位等多种技术，实现运输车智能规划路线、自动寻址行进，减少运输环节对人工的依赖，并且更加高效;苗床多功能运输车，通过多个伺服电机配合视觉和UWB导航定位系统，能够灵活地穿梭于苗床之间，行走平稳，承重能力强，并且预留多种接口可以搭载各种智能设备协同作业;吊轨运输设备能有效减小地面运输压力，实现育苗工厂内物料的空中运输;智能物流苗床通过PLC控制实现苗床智能调度。通过5G+IoT通信，地上地下运输系统智能协同作业，实现种苗、物料等的智能运输。

环境控制环节

环境控制能力不足是影响工厂化育苗的重要原因，目前传统的农业物联网系统大部分只有视频监控和环境数据监测功能，无法将相应设备进行联动。基于网络通讯传输、远程监控、数据分析，实时获取温室环境和植物生长状态，通过种苗生长环境模型分析，自动控制设备运行，精准调控温室光、热、水、气等环境参数。例如，根据传感器和气象采集的天气、温度、光照、风力等数据，通过Zigbee无线通讯到物联网网关，再传送到本地服务器分析[6]。控制中心智能控制外遮阳、内遮阳、内保温、顶开窗、风机湿帘、补光系统，从而调控温室内光照、温度。

5G物联网系统把智能音箱与温室设施设备连接，实现设备间的直接通讯，语音实现对设施设备的快速远程控制，已有温室可通过智能改造，实现语音控制灯光、喷水、卷膜等设备运行。

管理环节

种苗工厂ERP管理系统，将公司管理各个环节有机串联起来，实现流程化、数据化、标准化管理。基于云平台的管理系统，打破时间、空间限制，随时随地查看相关信息，实现人与人、人与设备、设备与设备互通。销售管理、生产管理、财务管理、服务平台各系统有机配合，能够保证质量管理各步骤的实施监控，农户服务平台实现在线为农户提供技术支持，通过现代化手段更好地服务农户，提高生产效率，降低管理成本。

智能巡检机器人能够不间断地在智能种苗工厂内进行巡回检查，主要解决人员管理不及时、用人多、信息不准确的问题。运用雷达构建地图模型以及模型匹配自动巡航，利用超声波自动避障;搭载高清摄像头，对种苗的状况进行实时采集分析，对苗情和人员进行管理。智能巡检机器人结合数字ERP系统对种苗生产各环节实现智慧管理。

培训环节

传统育苗教学周期长、不可重复，虚拟仿真系统（图6）可对蔬菜生产全生命周期进行模拟，用以培养新时代专业高端人才。用于蔬菜育苗技术教学的同时，可进行种植户蔬菜栽培管理培训，培养高素质农民。基于AR技术的虚拟仿真还可以增加更多交互模式，增加用户与农业的互动体验，推动农业的现代化发展。

数字推广环节

信息技术高速发展的潮流下，线上推广已成为当下的主流形式，抖音、快手等多媒体平台已经广泛应用于产品推介，而利用3D、4D、AR、VR等現代数字技术能够实现更加逼真、生动的展示，增强了交互沉浸感，显著增强系统吸引力[7]，可广泛用于广告宣传、产品展示、公司文化宣传等。

总结与展望

数字化智能种苗工厂的优势及问题

数字化智能种苗工厂的优势主要有三点，一是精准化，提高工厂化育苗效率和质量，减少失误;二是机器替代人工，人工成本大幅度降低;三是工作环境改善，吸引人才，可持续发展。

目前数字化智能种苗工厂发展主要有三个问题，一是急需构建数字种苗产业发展的生态圈;二是投入大，要持续研发数字化智能种苗工厂投入是传统种苗工厂的3倍以上;三是缺乏复合型人才，数字化智能种苗工厂横跨农业技术、机械自动化、信息技术等多个领域，既包括传统行业也涵盖了新型高科技，对于多栖跨界人才非常缺乏。

数字化智能种苗工厂效益分析

通过农机农艺融合，形成智能化模式，改变传统工厂化育苗模式。经过近几年数据统计分析和初步测算，传统育苗工厂若实现10亿株/年的育苗量，大约需要4000名工人，数字化智能种苗工厂可以提高机械化使用率，节省用工成本80%;若将员工待遇提高50%，则节省人工成本约70%。对传统育种工厂的数字化改造虽然增加了投入，但是可以节省大量人工成本。数字化智能种苗工厂模式可以通过软硬件整体输出（交钥匙模式）、EPC模式（设计、建设、运营）、合资、合作等模式快速复制，广泛推广应用。

数字化智能种苗工厂新模式生产要素可控、成本可控、精准可靠，成本低、效益高，突破了制约蔬菜工厂化育苗发展的“瓶颈”，通过智能设备代替人工，提高了生产效率、减轻了劳动强度、节省了劳动用工，解决了投入大的问题，推动农机技术、农艺技术的融合及示范推广。同时改善工作环境，提高待遇，吸引人才，具有良好的经济效益、社会效益和环境效益，促进行业高效可持续发展。

参考文献

[1]种苗产量缺口6333亿株集约化是破题关键育苗行业掀起蔬菜产业发展大热潮. 济南日报[EB/OL]. http：//jnrb.e23.cn/shtml/jinrb/20160822/1583935.shtml.2016-08-22/2021-04-30.

[2]刘廷敏，向模军.5G技术在农业农村中的应用展望[J].现代农业科技， 2020（8）： 262-263.

[3]成芳，应义斌.机器视觉技术在农作物种子质量检验中的应用研究进展[J]. 农业工程学报， 2001，17（6）： 175-179.

[4]李明，李佐，杜翠花.干热处理对甜椒种携带真菌、细菌防效研究[J].山西农业大学学报，2000， 20（1）：119-121.

[5]韩吉书，宋甲斌，高中强，等.山东安信种苗针对蔬菜种苗机械化嫁接育苗关键技术的开发与应用[J].农业工程技术，2020，40（4）：25-28.

[6] 薛卫强.基于物联网的无线环境监测系统设计与软件的实现[D].秦皇岛：燕山大学，2013.

[7] 徐丽静.裸眼3D广告视觉效果的影响因素与设计原则[J].传媒论坛， 2019，2（18）：113-114.

*项目支持：2018年农业应用技术创新计划“智能蔬菜育苗人工气候箱研发”（201801）。

作者简介：韩吉书（1970-），男，山东济南人，高级农艺师，研究方向为蔬菜工厂化育苗。

[引用信息]韩吉书，韩吉胜，宋甲斌，等.蔬菜种苗生产数字化应用探索[J].农业工程技术，2021，41（07）：16-20.