果蔬全产业链数字化技术发展研究

周大森，马 迪，高 玲，杨相政，张 鑫，郑晓冬，黄寓洋，陈 静，公维敏，宋 烨*

（1.中华全国供销合作总社济南果品研究所，山东济南 250014；2.全国供销合作总社济南果蔬华德公司，山东济南 250014；3.苏州苏纳光电有限公司，江苏苏州 215000；4.山东友谊出版社，山东济南 250003）

2023年，中央网信办等五部门印发《2023年数字乡村发展工作要点》，提出因地制宜发展智慧农业，包括加快农业全产业链数字化转型、强化农业科技和智能装备支撑。当前，我国果蔬产业处于应对综合成本上升、保障质量安全、提升发展效益等复杂因素影响的关键时期，促进果蔬全产业链数字化发展，有助于加快实现农业农村现代化、推动农业高质量发展。果蔬产业数字化转型就是数字技术在果蔬领域的创新扩散过程，对于加快解放和发展农业生产力、促进农业价值链跃升、优化城乡要素流动具有重要意义[1]。

为推动果蔬产业转型升级，保障果蔬产品质量，有效提升果蔬产业数字化水平，物联网、大数据、云计算、区块链等新一代信息技术逐渐应用于果蔬生产和流通实践。宋钟炎[2]研究了基于物联网的设施果蔬数字化监控系统，分析了种植过程中信息技术的应用方式和应用体系。董苗苗[3]研究了生鲜农产品供应链平台数字化运作模式，重点提出了仓储、流通、销售等环节信息技术的应用模式和数字化管理体系。张乐伟[4]研究了刺梨果实分级的智能设备，包括智能分级控制系统和分级机械设备，可通过深度学习实现分级效果的提升。吕怡秋等[5]研究了果园机械采摘和分级的研究进展，提出目前机械采摘尚处于初步发展阶段，智能采摘仍不具备条件，但是部分果品的分级机械化已经十分成熟，数字化将为果品分级产业带来巨大发展空间。果蔬智能化在不同环节的发展进程不尽相同，智能化改造难度也有较大差异，本文梳理了果蔬全产业链数字化管理体系和技术，分析整理了果蔬产业数字化发展存在的问题和下一步发展建议，为果蔬全产业链数字化改造提供思路。

1 果蔬全产业链数字化管理体系

果蔬全产业链数字化管理是一个相对独立又紧密联系的整体，要实现全产业链的数字化管理，需要对每个环节进行数字化改造，根据每个环节的特点建成独立的数字化管理体系，再通过云计算技术、大数据技术、区块链技术等实现数据互通、共享，保证数据真实可靠，形成统一的管理体系。根据果蔬产业链特点和联系性，可将全产业链分为生产环节、分选环节、贮藏流通环节、终端交易环节。在每个环节，均需建立适当的数字化管理体系，为数字化技术的应用、全产业链数字化水平的提升奠定基础。

1.1 生产环节

生产环节包括果蔬产品从栽培到采收的全过程，生产过程数字化需实现生长环境信息的采集、智能决策及农事自动控制，生产环节数字化管理系统工作流程见图1。图1 显示，生产环节数字化管理系统的核心是智能决策子系统，一方面，智能决策子系统根据果蔬生产要求调动环境信息采集子系统采集相关环境信息，如环境温度、空气湿度、光照强度、CO2浓度、土壤湿度等相关参数；另一方面，决策系统需根据采集的环境信息及预先设定的专家知识库，做出决策或决策建议，进而调动（或建议农民）相关农事自动控制系统开展农事活动，如水肥控制子系统、施药控制子系统、环境控制子系统等。

图1 生产环节数字化管理系统Fig.1 Digital management system for production process

1.2 分选环节

分选环节是通过人工、机械将果蔬产品按外在或内在特征进行分类，有针对性进行后续处理，是提升果蔬产品附加值，实现优质优价的关键环节。分选环节数字化管理系统工作流程见图2，该系统主要包括数字化上料子系统、智能输送子系统、智能分级子系统，其中核心是智能分级子系统。果蔬产品通过数字化上料子系统，实现线上、线下“上料”，在输送过程中，由智能输送子系统实现果蔬产品转动、速度调控等，协助智能分级子系统进行分级。智能分级子系统通过分析果蔬产品的大小、质量、糖度、酸度、硬度、缺陷等指标，按需进行智能分级。

图2 分选环节数字化管理系统Fig.2 Digital management system for sorting process

1.3 贮藏流通环节

果蔬产品贮藏流通环节损失率高达10%～20%[6]，是全产业链中损失率最高的环节，通过贮藏流通环节数字化改造，既能降低产品供应方的成本风险，提高市场响应能力，又可以为消费者提供产品质量保障，提升消费者满意度。贮藏流通环节智能管理系统工作流程见图3，该系统主要包括中控管理系统、仓库管理系统、运输车管理系统，其中仓库管理系统包括出入库管理子系统、仓储定位查询子系统、环境监控子系统，运输车管理系统包括环境监控子系统、线路规划子系统。仓库管理系统能对仓库环境信息进行实时监控，并根据预设条件开展监控预警，通过“智慧门”实现产品出入库管理，通过定位查询子系统获取仓库货物情况；运输车管理系统中通过环境监控子系统监控环境情况并开展监控预警，通过线路规划子系统实现线路智能规划和优化。

图3 贮藏流通环节数字化管理系统Fig.3 Digital management system for storage and circulation links

1.4 终端交易环节

近几年终端交易模式变化较多，尤其近两年，“直播带货”“社区团购”等新兴模式兴起，对终端交易环节数字化改造提出了新的要求。终端交易环节数字化管理系统工作流程见图4，该系统主要包括溯源信息系统和交易管理系统。溯源信息系统通过向消费者展示果蔬生产、流通、加工全过程信息，保障消费者知情权，同时采集消费者反馈信息，指导果蔬产品生产。交易管理系统包括经销商管理子系统、交易信息管理子系统、售后管理子系统，通过经销商管理子系统，实现线上线下销售信息管理及消费者信息维护，并通过售后管理子系统，实现售后产品的处理。

图4 终端交易数字化管理系统Fig.4 Terminal transaction digital management system

2 果蔬产品全产业链数字化技术

果蔬全产业链数字化转型必须依靠数字化技术，数字化技术的发展和进步是果蔬产品全产业链数字化发展的基础。在果蔬生产、加工、流通的全过程，信息技术尤其是新一代信息技术的应用能有效实现数字化的动态管理，提高果蔬生产效率，降低果蔬生产劳动强度[7]。按照信息技术在果蔬全产业链的功能，可分为信息采集技术、信息无线传输技术、信息处理技术、自动化控制技术。

2.1 信息采集技术

果蔬全产业链信息采集主要通过物联网技术实现。物联网（Internet of Things，IoT）是在互联网基础上的进一步延伸和扩展，将各种信息传感设备与网络结合起来而形成的一个巨大网络，实现人、机、物的互联互通、信息交换与智能服务[8]。在果蔬全产业链中，物联网技术主要用于信息采集，运用的技术主要有传感器技术、遥感技术等。传感器技术应用较多的是温度传感器、湿度传感器、光照传感器、位置传感器、质量传感器等，主要用于生产、流通、仓储等环节的环境信息、位置信息、仓储信息采集；遥感技术应用较多的是红光探测技术、红外探测技术，主要用于各环节高清视频信息采集、植物生长信息采集和加工环节果蔬产品外观信息采集。整体来看，信息采集技术改变了果蔬全产业链各种信息的采集模式，提升了数据采集的数量和质量，对于从宏观层面上加强顶层设计，完善果蔬全产业链数字化体系，推动果蔬产业数字化转型具有基础性作用[9]。

2.2 无线传输技术

果蔬全产业链数字化系统的信息无线传输技术按传输距离分为长距离无线通信技术和短距离无线通信技术。当前长距离无线通信主要依靠第5 代移动通信技术（5G 技术），该技术具有高速率、低延时和大连接的特点。第5 代移动通信技术需投入大量资源建设通讯设施，目前，我国已建成全球规模最大的移动宽带和光纤网络，建成5G 基站近160 万个，成为全球首个基于独立组网模式规模建设5G 网络的国家，有力支撑经济社会数字化、网络化转型。短距离信息传输主要依靠RFID 技术、Zigbee 技术、蓝牙技术等[10]，具有建设成本低、传输效率高、性能稳定、保密性好等特点，用于短距离信息传输，实现大量复杂数据的准确传输。

2.3 信息处理技术

数字化管理系统中信息整合、智能决策、自我学习、安全加密等功能的实现都依赖于信息处理技术的不断进步。目前应用较多的有大数据技术、云计算技术、人工智能技术、区块链技术，果蔬全产业链数字化管理系统的信息采集环节会采集大量数据，大数据技术为数据的汇总、存储提供支撑，能有效提高数据调取、使用的效率，为信息处理奠定良好基础；云计算技术通过云端并行计算促进了大数据的高效化处理，结合专家知识库系统，实现数字化预警和决策；人工智能模型的训练依托于大规模云计算资源的支持，通过构建智能模型反作用于云计算，进行更优化更智能的决策；区块链技术解决了信息被泄露、篡改的安全性问题，对大数据、云计算、人工智能等提供基础支撑及重塑信任机制[11]。

2.4 自动化控制技术

自动化技术的核心是电子电力技术，具有准确高效的特点，通过信息技术自动化系统会不断的输出指令，同时按照特定的设备进行输送，这些指令在短时间内到达指定的设备，并真实有效、精准地完成指令[12]。自动化控制技术是数字化管理系统的输出环节，能够促进果蔬生产效率的提高，进而大大解放农村的生产力，降低果蔬生产成本[13]。目前应用较多的自动化控制技术主要有单片机技术、PLC（Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器）技术、工控机技术等，果蔬生产全产业链中，种植过程研究较为成熟，包括温室控制自动化、水肥一体化、农机自动化、收获自动化等，但加工环节研究相对较少，近几年机器视觉技术等逐渐发展成熟，其在果蔬产品初加工领域的研究和应用越来越受到重视。

3 果蔬全产业链数字化发展存在的问题

3.1 产业链条长，各环节发展不平衡

果蔬全产业链链条长、涉及部门多、发展不平衡，农业农村部、工业与信息化部、中华全国供销合作总社、商务部、市场监管总局等多个部委分别根据职责管理果蔬产品种植、加工、贮藏流通、贸易等相关环节。各个部委数字化发展进程不一致，尚未建立协调一致的果蔬全产业链数字化创新发展机制，无法有效引导全产业链数字化转型。例如，在深加工环节，机械化、标准化生产已基本实现，数字化技术也已应用于生产实践；在贸易环节，受益于电商及新零售产业的迅速发展，数字化技术已广泛应用；但是在种植环节，尤其在远离城镇的生态果蔬种植区，数字化转型尚处于试验示范阶段。各环节发展不平衡导致环节衔接不通畅，数据传输效率低。

3.2 基础设施不健全，数字化转型成本高

目前，我国农村地区数字化基础设施建设尚不完善，尤其是果品产业集中的山区，互联网普及率较低[14]，甚至有的生态果园区尚未通电，不具备数字化转型的基础条件。即使在基础设施相对完善的地区，果蔬全产业链设施设备也以非智能设施设备为主。全产业链的数字化转型需要相应的硬件设备及软件支持，如硬件平台、软件平台、控制平台等，这对多数农业生产者而言成本较高，而且后续运营维护也是一大难题，影响其在农业领域中的真正落地[15]。

3.3 数字技术与果蔬产业融合度不高

数字技术发源于工业，但果蔬产品属于生鲜产品，具有生产面积大、环境复杂、生产周期长、产业链条长、产品品质不稳定、变化快等特点，直接将数字技术用于果蔬产业，无法有效发挥数字技术优势，解决果蔬产业特有问题。标准化、规范化生产是数字化转型的基础，也是引入数字技术提升产业生产管理水平的基本要求，但从果蔬产业实际来看，果蔬标准化、规范化程度低的局面依然未改变[16]，果蔬产业标准化在适应数字化转型发展需求方面仍然存在一些问题。

4 果蔬全产业链数字化发展建议

4.1 推动果蔬全产业链协同发展

相关部委应加大对果蔬全产业链数字化发展的支持力度，制定果蔬全产业链数字化发展规划，形成跨部门协同发展机制，共同推动果蔬全产业链数字化转型。一方面应在各自职责范围内支持本领域数字化转型，鼓励、引导本领域数字化发展，由点到面推动产业转型升级；另一方面应重点突破果蔬产业数字化发展技术难题，推动环节衔接和信息联通，通过建设统一的数字化标准，实现数字化平台共建共享、数字化技术相辅相成、数字化信息互联互通，避免形成“数据壁垒”“信息孤岛”，统筹推动全产业链数字化发展，

4.2 推进数字化软硬件基础设施建设

数字化基础建设包括硬件基础建设和软件基础建设，要齐抓共建，全面推进。一是加快果蔬主产区建设数字化转型必需的供电站、网络基站等基础设施建设，统筹采购传感器、线缆、支架等硬件材料，降低数字化硬件网络搭建成本，减轻企业负担。二是由政府统筹建设果蔬全产业链数字化开源系统。集成种植、加工、流通、贸易等全程服务，形成跨区域、跨主体的数据归集场景[17]。通过搭建开源生态框架，能够实现“跨环节”的数据集成，更能够吸引大量农业数字化主体参与应用开发创造，不但解决了数字化体系建设成本高的问题，也解决了监管部门无法实时掌握产业情况的问题，有助于加速果蔬全产业链数字化应用生态的形成。

4.3 促进数字技术与果蔬产业融合发展

通过互联网平台的运用，破解果蔬产业技术的壁垒，数字化提高产业技术的应用效率和水平，实现技术成果的最大化应用[18]。结合果蔬全产业链实际需求，针对先进数字化技术进行改进和适配，推动适合果蔬产业特点、解决果蔬关键问题的技术在果蔬产业中发挥作用，提升产业效率。通过技术研究，挖掘数字化技术在果蔬全产业链应用模式和路径，充分发挥数字技术在信息获取、传递、处理方面的优势，高效解决果蔬产业链中信息难采集、易断链、利用低等问题，不断提升数字化技术对果蔬产业数字化改造的支撑作用。