果园运输装备与数字果园的研究进展及展望

王 琢，张俊峰，肖 进，罗友谊，田满洲，何雨霜，周 朝

（武汉市农业科学院，武汉 430345）

中国是水果生产和消费大国，种植面积和产量均居世界第一位。2019 年，中国果园种植面积1 227.67 万hm2，主要集中在丘陵山区，丘陵果园生产机械化水平总体小于20%。

1 果园运输装备研究进展

1.1 国外果园运输装备现状

欧洲国家、美国、日本等发达国家果园机械化起步较早，19 世纪开始果园机械化运输装备的研发工作，20 世纪90 年代进入应用阶段。1966 年，日本Nikkari 公司研发出世界上第一台单轨道运输机，最大爬坡能力45°，最大装载能力3 000 kg。1994 年，韩国大韩国大铉株式会社MCK 机械有限公司研发出森林单轨运输机［1，2］。

国外标准化果园拥有完备的运输装备体系，机械化的运输方式得到了广泛应用。在德国和意大利，果园主要位于丘陵山地，以小规模农场为主，运输装备主要采用独立的中型轮式运输车和由拖拉机改造而来的运输机。在法国和英国，果园主要位于平地，以中等规模农场为主，运输装备主要采用中型拖拉机和箱式货运车。在美国和加拿大，果园主要位于平地，以大型农场为主，运输装备主要采用叉车、重型载货汽车和半挂牵引汽车。在日本，果园主要位于丘陵山地，且坡度较大，地形较为复杂，以小规模家庭经营为主。日本的果园运输装备齐全，有多轮（二轮至六轮）农用运输机、履带式果园运输机、轨道运输机和索道运输机［3-5］。发达国家的果园标准化程度高、集约化生产规模大，果园机械化运输装备体系相对健全。

1.2 国内果园运输装备现状

中国国内果园的特点是规模小、坡地多、种植标准差异大，从而导致机械化程度低，鲜果和肥料运输困难，果农劳动强度大。从经营方式上来看，中国果园目前主要以单户分散经营为主，正逐步向家庭农场和企业经营型发展。从运输方式上来看，目前以人工搬运为主，正逐步向机械化运输转变。相对于发达国家，中国的果园机械化装备研发和应用起步较晚，运输装备主要有轮式运输车、履带式运输车、轨道运输机、索道运输机等4 种类型。

轮式运输车结构简单、运行灵活，20 世纪80 年代，中国出现了不同型号的三轮和四轮农用运输车。其中，华南农业大学研发了适用于坡地的轻简化轮式运输车，最大爬坡能力为12°，最大装载能力为250 kg（平地）、200 kg（坡地）［4］。

相较于轮式运输车，履带式运输车具有爬坡能力强、通过性好的优点。2011 年，国内出现了一种遥控式履带运输车，主要特点是载货平台可以自动调平，防止爬坡时货物从载货平台上掉落［6］。2013年，华中农业大学研发了一款单履带动力运输车，以单人手扶式操作［7］。2016 年华南农业大学研发了一款手扶式微型履带运输车，采用双电机驱动，48 V锂电池供电［3］。

履带式运输车的爬坡能力通常不大于20°，而中国南方果园的坡度通常都大于20°，国内学者为解决该问题，研发了轨道式运输机。国内的山地果园运输机轨道类型主要有单轨型、双轨型、无轨型，运行方式主要有自走式、牵引式、无动力式，驱动力主要有柴油机、汽油机、电动机。2008 年，湖北省宜昌市夷陵区在坡度60°的柑橘果园安装了双轨软索运输机，以100 m 的间隔距离安装一条轨道，每组3~4 个拖车，可以装载800~1 000 kg 物料［8］。从2008 年开始，柑橘现代产业技术体系机械研究室华中农业大学团队研发了牵引式单轨、自走式单轨、自走式双轨等多款型号的山地果园运输机［9-18］，并在湖北、重庆、广西等省（市）进行了推广，如图1 所示。华南农业大学团队也研发了一系列的山地果园运输机，包括双轨牵引式、电动单轨自走式运输机，在传动系统、控制系统、避障系统等方面展开了研究［19-23］。

图1 华中农业大学研发的山地果园轨道运输机

索道运输机是另一种山地果园运输装备，与轨道运输机相比，索道运输装备不需要在地面修建轨道，安装施工难度和成本较低［24］。2011 年，华南农业大学研发了一种链式循环货运索道运输装备，实现了上下坡、转弯和直线的循环运行，以及启动、停止的遥控控制，最高生产率可达6.8 t/h［25-28］。

综上分析，中国果园地形坡度大，生产规模大小不一，南北种植模式差异大，导致早些年机械化运输装备研发与应用进展缓慢。近年来，由于国家政策的引导，土地流转加速，企业规模不断扩大，上下游产业链形成，配套研发投入扩大，越来越多的科研院所和企业投入到果园机械化运输装备的研发中，在中国南方地区，基本形成较为完备的机械化运输装备体系。

2 数字果园研究进展

2.1 数字果园的概念

现代农业强调传统农艺种植技术与数字技术深度融合，数字农业是农业现代化的发展趋势。数字果园是信息技术领域与果树栽培、果园管理领域交叉形成的新的研究领域，对果园生产、管理、经营、流通、服务等环节中产生的数据资源进行利用，使果园按照消费者需求的目标和方向发展［29，30］。在数字果园中，数据是关键的生产要素，也是影响效益的重要因素。信息与数据贯穿果园的整个产业过程，通过传感器、采集器、物联网平台等电子信息设备收集、存储和分析数据，再依据数据做出决策。相比传统的劳动密集型果园，数字果园可以降低劳动强度，提高生产管理水平，提升水果品质，做到水果种类和数量的按需供给。

2.2 数字果园研究现状

国内学者对数字果园的研究主要集中在物联网、云计算、大数据、人工智能等技术领域。主要包括3 个方面，一是果园环境与果树生长信息的数字化表示，二是果园档案与生产过程数字化监测，三是水果经营与流通数字化管理［30］。中国农业科学院资源与农业区划研究所以“数据—知识—决策”为主线，从果园智能感知、快速诊断、精准作业3 个方面，利用航天遥感、航空遥感、地面物联网，构建了天空地一体的果园生产精准管理体系［31］。中国农业科学院农业信息研究所针对果园环境采集数据的交换与共享规范缺乏的问题，提出了一种基于XML 的果园环境采集数据表示格式［32］。太原理工大学与太原师范学院等单位设计和实现了一套果园GPS 数据采集系统，能对果园面积和产量进行估算［33］。河北农业大学设计了一套基于移动终端的数字果园管理系统，系统以单株果树为管理单元，可以方便地记录和查询果园和果树属性等信息［34］。以上研究着重从理论方面对数字果园的相关底层技术、管理体系、运行模式等方面进行了探索，而在实际的数字果园建设中还会面临更复杂的现实问题。

3 主要问题与展望

经过近年来的迅速发展，不少机械化装备和信息化系统在市场上得到了应用，解决了果农面临的一部分实际问题。然而，在果园机械化运输装备和数字果园方面还存在一系列亟待解决的问题。

1）机械化运输装备自动化程度低。许多运输装备仍然需要人工直接对机械进行操控，装备自身缺乏感知设备，没有实现自动化运行。电动化、信息化、网络化是机械装备发展的趋势，有必要对机械运输装备的整体和局部进行优化设计，进一步降低劳动强度，解放劳动力。随着土地的流转和农村人口的下降，果园经营模式朝着“地大人少”的方向改变，未来的果园可能存在多种机械化运输方式并存的生产运输模式，同一个果园的不同区域因坡度不同采用不同的运输装备，各种运输装备同时协同分工运行。果农利用一套系统可以掌握果园全局作业情况，各个运输装备自主作业。

2）轨道运输机功能单一，与之配套的装备、系统不健全。轨道式运输机实现了水果山间运输环节的机械化作业，但是仍然需要人力将水果从坡地上搬运到运输机上，当运输机下行到山脚后同样需要人力将水果从运输机转运到货车上。有必要研发配套的自动搬运和转运装备，实现整个运输环节的无人化作业。同时，轨道式运输机可以搭载更多的传感检测设备，通过机器学习和智能分析，在山间穿行的同时，对实时气候、果园产量、病虫害信息进行采集和预测。

3）数字果园没有全面实现数字化。数字果园不是数字技术在某个环节的简单应用，而是全面系统地应用到果园生产、管理以及消费市场的各个环节。目前的研究多集中在果园环境数据和果树生长数据的采集，没有将数据转换为知识系统，数据作为生产要素没有得到充分利用。未来，应该将果园生产数据、经营数据、消费数据进行全面整合，水果的品质、果树的长势、土壤的营养状况、气候的变化、运输的保鲜情况、消费者的评价等都应该有相应的数字化表示，并且可以分析得出各个参数之间的影响机理，形成一整套从生产端到消费端的数字化系统。

4 结论

近年来，中国已经研发出多款果园机械化运输装备，包括轮式运输车、履带式运输车、轨道运输机、索道运输机等，不少厂家开发生产的运输装备已经纳入农机补贴目录，也在中国南方地区进行了推广。从技术研发上来看，装备的稳定性、适应性、便利性还有提升空间；从产品推广来看，轨道式运输机已经逐步在南方地区的部分果园投入使用。数字果园的研究也在许多环节取得了进展，但由于种植模式、经营模式的限制，离全面应用还有很大的距离。当农机与农艺、信息化与机械化深入融合后，未来的果园将会更加快速地朝着全程机械化、全面数字化的方向发展。