智能化农机装备助力设施园艺发展探析

赵立虹，薛梅

（250100 山东省 济南市 山东省农业机械科学研究院）

0 引言

设施园艺具有集约、高效的特点，是现代农业的重要组成部分，它降低了自然气候条件的不良因素影响，通过模拟适宜植物生长的环境，在温度、湿度、营养可控的条件下，以先进的栽培、管理技术，解决了我国冬春季蔬菜、水果供应不足的问题，满足了多层次消费需求，保障了我国蔬菜、水果等农产品的均衡和周年供应，促进了地区经济的繁荣，对农业农村经济发展和人民生活水平的改善起到重大作用。

科学技术的进步改变了传统农业的发展模式，为农业带来新的机遇。近年来，中国设施园艺产业发展迅速，技术水平不断提高。未来数字化、网络化、智能化技术将不断与农业融合，设施园艺发展显示了光明的前景。

1 国外设施园艺中智能化应用情况

世界上设施园艺技术领先的国家主要有荷兰、美国、英国、日本等，经过多年发展自动化和机械装备不断完善，实现了生态循环农业模式。设施内配套智能装备比较完善，环境综合控制体系融合定位系统、各种传感器、计算机控制系统、遥感等多项技术，温度湿度、光照、土壤等作物生长所需参数能够实现自动化监测和调控，苗体定植、生长管理、采收输送、分选包装等环节都由机械设备完成，对作物的培育实行精细化管理，获得的农产品产量高，品质优，得到较高利润[1]。图1 所示为智能机器人在园区内工作。

图1 农业智能机器人Fig.1 Agricultural intelligent robot

在欧美和日本，设施生产已实现高度工厂化、自动化管理，智能设备可完成苗木嫁接、环境控制、水肥管理、植物授粉、产品收获等工作，如荷兰ISO 集团研发 Cutting Planting 机器人完成玫瑰茎干嫁接、Pviva 公司的自动化施肥机，采用Ec和pH 传感器保证灌溉营养液浓度的精准性，同时循环利用，减少对环境的破坏[1]。西弗吉尼亚大学研制BrableBee 授粉机器人识别黑莓丛图像信息进行授粉操作，Clearpath 公司开发小型巡检机器人，完成自主导航的生长环境及生长状况监测。SWEEPER 公司通过使用机器人操作，实现自主导航的甜椒采摘。Lely 集团研发Lely Astronaut 系列挤奶机器人和粪便收集机器人，提高管理效率。在果蔬分级、清洗、包装环节，使用机器人，使劳动力需求减少80%[2-3]，大大提高了生产率。

2 国内设施园艺智能化装备研究情况

我国设施园艺发展起初引进发达国家设备技术，通过学习吸收，逐步走向自主研发和集成创新之路，现有建设面积总量最大，占世界总面积的85%以上，其中蔬菜和西（甜）瓜设施种植面积占世界总面积90%，人均占有设施园艺面积居世界第2[4]，年人均蔬菜占有量为240～250 kg，处于较高水平，但是在温室工程技术、监测预警、生产装备等与世界先进国家还有较大差距[5]。

设施园艺生产装备主要包括：种苗生产、嫁接、移栽、环境调控、植保、采摘、物流等装备。

2.1 种苗生产技术装备研究

种苗生产智能化装备主要利用机器视觉的识别定位，实现监测和反馈，为种苗提供最佳生长环境，提高生产效率。国内学者相关研究有：江苏大学创制的自走式蔬菜穴盘苗全自动移栽机[6]，可实现高速取苗，采用地面仿形系统，自动化程度和成功率较高；梁玉芹[7]等做了茄果类温室智能化育苗关键技术研究，缩短了育苗周期，且保证了种苗质量；徐立青[8]等提出基于Hough 椭圆拟合的子叶方向识别方法，可有效提高幼苗子叶识别率；贺磊盈[9]等提出一种基于机器视觉提取参数的方法，从而提高果蔬嫁接机器人的自动化水平；张宁[10]针对工厂化育苗，进行了基于机器视觉的远程监测系统的研究，把幼苗按质量分级，提供了穴盘苗自动移栽设备的研究支持。

2.2 环境调控装备研究

设施内智能环境调控系统利用各种传感器监测作物的长势、温度、湿度、土壤等情况参数，进行智能化决策，为设施内环境调控和水肥管理、病虫害防治提供科学依据，提高作物综合效益。欧阳华[11]等针对提高作物高效、精细生长管控的需求，提出了多作物的测控管智能平台，实现环境感知、图像分析、光谱检测和智能精细化生长控制管理等功能；李慧玲[12]等针对温室内非结构环境下作物的检测需求，开发了在温室内信息监测系统，实现了作物营养、长势和环境信息的综合监测；李道亮[13]团队开展了人工智能在水产养殖中的研究，为水下自主作业机器人开发提供理论依据和综合性参考，推动了水产养殖转型发展。

2.3 植保装备研究

植物保护是农业生产的重要环节。温室内温度湿度相对恒定，病虫害发生率较露地更高，危害严重。智能植保系统实时监测设施内病虫害发生情况，作出决策进行综合防治和防控。隋媛媛[14]采用光谱分析和信息模型判断，得出温室内病虫害发生状况监测报告，进行病虫害预警；柴洋[15]利用图像处理和识别技术，对温室内番茄病害完成识别任务，有效提高了识别率；耿长兴[16]等研究了光照、土壤、温湿度与黄瓜病害特征信息表达的相互关系，预警黄瓜病害，并设计温室黄瓜精准对靶施药机器人；王鹏[17]等研制了基于导航线和QR 组合导航的设施喷雾机器人，提高了喷雾机器人导航的实时性和准确性，能够实现温室内巡检、植保喷雾等工作。

2.4 采摘装备研究

果蔬智能收获系统能有效解决劳动力不足的问题，通过视觉识别技术判断果实的尺寸、品质、成熟度等信息，结合多卷积神经网络、模糊算法等提升准确性，运用柔性仿生机械臂配合完成采摘、收集等任务。中国农业大学2009 年研制国内第1 台黄瓜采摘机器人[18]，实现了机器人自主导航移动，研制了具有自适应性的黄瓜采摘柔性机械手、轻型智能关节机械臂；纪超[19]等设计了自主导航的黄瓜采摘机器人系统，精确计算切割位置且采用柔性材料末端执行器，能够加紧黄瓜果实不伤表皮，降低了采摘损伤；刘继展[20]等对机器人果实采摘中果梗激光切割技术进行分析和探讨，为机器人收获中的结合应用提供理论支持；陈昕[21]等、陈军[22]等进行了水果采摘机器人末端执行器的研究，旨在提高采摘效率和作业稳定性。相关的采摘研究，改善了收获环节费时费力、效率低的问题，推动了智能化采摘技术的发展。

2.5 物流智能化装备研究

物流装备主要包括运输、储存、搬运、包装等环节，通过称重和红外光谱、机器视觉等技术，快速完成信息识别，进行下一步作业，并把生产各个环节连接起来，完成输送、存储、包装等任务。李健航[23]利用机器视觉进行蓝莓果实投影面积的数字化识别计算，为蓝莓自动分级提供依据；刘启全[24]等利用椭圆拟合算法对图像进行特征提取，实现了对哈密瓜的在线分级；杜硕翌[25]等设计了基于机器视觉的智能存放系统，达到了自动化、智能化果蔬储存；这些研究节省了大量分拣、运输等工作，提高了效率，降低了成本。

3 存在问题

（1）我国农机制造技术总体不高，当前不仅要提高智能化水平，同时，也要提升农机可靠性、关键零部件研发、农机农艺融合等方面。智能农机系统融合了机械作业的信息采集和智能决策环节和执行环节，执行环节还存在可靠性不足和“无好用机”等现实问题，智能化技术要与高度自动化生产模式相匹配，才能高效完成作业任务，创造更大的效益。

（2）设施装备科技含量低，高昂的成本和受农业生产环境的限制，智能农机和设备只能应用在大型现代化高档温室，普通大棚基础建设条件差，缺乏轻简化小型机械。

（3）设施园艺相对大田种植模式能耗高，农药、肥料用量大，水肥、废弃物等造成污染严重，节能和绿色生产的需求迫切。

（4）设施园艺涉集生物、环境、工程、信息、电子工业等多种学科的技术领域，各部分相互影响相互促进，需要具备一定专业知识。现阶段从事农业生产的劳动力人口不足且年龄较大，设施内管理和智能农机使用维护的专业人员缺乏。

4 建议

大数据背景下农机的智能化发展和应用，是现代农业发展的必然趋势，对提高农产品产量和质量，提高劳动生产效率，起到重要作用。

（1）支持智能化农机发展，通过打造一批智能装备产业园区，在示范引领作用下，促进智能化装备的推广应用。同时加大科技投入，支持设施作物难点环节、急需环节装备研发，满足设施内机械化作业需求，形成高度自动化生产模式。

（2）改造适宜机械设备作业条件，预留作业空间，促进设施园区规模化发展。提高农机农艺融合度，农艺人员在作物栽培时考虑机具的使用，调整种植模式、工艺，重视农艺参数积累，为智能农机研制提供有效的数据支持，使智能机械设备研发适合作物的生理，研发小型省力化机械装备。

（3）智能化装备要考虑绿色发展要求，从工程建设、环境控制、土壤保护、废弃物处理等环节，提高智能化装备信息判断的准确性，精确施用农药、肥料，减少能源消耗，促进有机绿色农业发展。

（4）人才是创新的第一动力，要加强专业人才培养，组建优质科研队伍，采取措施吸引优秀人才投身农业，开展与设施园艺相关知识普及培训，培养具备相应的专业知识新型职业农民，解决人才缺乏问题。

5 结语

综上所述，目前我国设施园艺智能装备发展处于初级阶段，满足设施生产的有效装备供给不足，高端农机装备尚处于研发阶段，不能有效用于实际生产。进入“十四五”发展时期，智能机械设备将从实验室走向规模化推广阶段，技术先进、品质优良的智能农机装备将会发挥更大的作用，推进设施园艺产业向高产高效、优质安全、绿色健康方向发展。