大同黄花大田种植一体化技术架构

王晨升，苏芳，王舒玮

（山西大同大学机电工程学院，山西大同 037003）

引言

黄花是重要的经济作物，其花苞经过蒸、晒和深加工，可制成食品、饮品、菜品和功能产品等四大系列100多种黄花产品，具有健胃、利尿、消肿等功效；根可以用于酿酒，淡雅清香；叶可以用于造纸和编织手工制品；茎可用于制作生物燃料。黄花在大同市云州区已经有610多年的种植历史，云州区夏季雨水较为集中，昼夜温差大，地处火山地带，土壤中富含微量元素，非常适合黄花生长，因此，大同黄花的品质非常高[1]。

大同市政府非常重视黄花产业发展。自2011年以来，黄花产业被云州区确立为“一县一业”的主导产业，推动公司+农户、合作社+农户等多种运作模式，通过土地流转、资金扶持、招商引资、技术服务等一系列措施，不断扩大种植面积，推动黄花产业逐渐向规模化种植、集约化加工、品牌化销售的现代农业发展。2019年，“大同黄花”产业扶贫经验成功入选为全国第二批产业扶贫典型范例，是对大同黄花产业发展的极大肯定，同时，大同黄花也成功入选中国农业品牌目录。2020年，习近平总书记在大同考察，对大同黄花提出殷切希望，指出“黄花也能做成大产业，有着很好的发展前景，要保护好、发展好这个产业，让黄花成为群众脱贫致富的‘摇钱草’”。同年，大同市增选黄花为市花。2021年大同黄花全产业链产值突破18.4 亿元[2]。

经过近年来的快速发展，大同黄花在种植规模、产品开发和品牌成长等方面都取得了可喜的成绩。但是，发展所面临的困境也不容忽视，当前，随着种植数量的急剧增长，使得劳动力不足的问题更加突出，特别是采摘期，仍依赖于传统的人工采摘，采摘速度低，极大的限制了黄花产量。因此，大同黄花亟需一套一体化的解决方案，突破种植、采摘和加工关键技术，在工业4.0的背景下，推动黄花产业升级，保持良性发展，提升区域农业经济水平。

智慧农业是中国农业的发展趋势，是解决当前农业生产过程中存在问题的最终途径。赵春江[3-4]对智慧农业的概念与内涵做了具体阐释，从战略构想、重点任务和发展路径等方面对智慧农业的未来发展做了分析。王小兵等[5]对建设智慧农业的技术演进、现实需求、发展趋势进行了分析，提出了智慧农业建设和数字乡村发展的具体路径。杨印生等[6]对智慧农业的社会经济特征做了深入剖析，认为智慧农业的具体体现在于农业生产全生命周期管理的高度信息化、三产融合和人工智能等先进技术在农业生产中的成功应用和发展。智慧农业的目标在于，推动农业生产实现机械化、自动化、无人化、智慧化，能够最大化的降低人力投入，提高经济效益。

因此，在工业4.0技术背景下，突破种植、采摘及加工等方面的关键技术，提供大同黄花产业化发展的一体化技术解决方案，能够有效地推动大同黄花产业做大做强，增加农民收入，促进区域农业经济快速发展。本文考虑黄花的生长特征和大同市云州区的地域特色，基于智慧农业生产理念，提出一种从种植、采摘到加工的黄花产品全周期一体化技术解决方案，分析各生产环节的关键技术，为大同黄花现代化发展提供模型及路径参考。

1 架构模型

在工业4.0背景下，智能制造如火如荼的推动产业升级，在万物互联互通的条件下，“智慧”广泛融入到生产、生活中[7]。与此同时，智慧农业也进入到快车道，农业生产全生命周期管理高度信息化，融合人工智能、大数据、物联网和云计算等先进技术，集感知、分析、决策和执行一体的智慧农业新模式逐渐清晰。大同地处黄土高原，山地丘陵较多，农业发展面临地面条件、机械装备和成本等诸多因素制约，农业发展产业化水平、机械化作业水平均处于起步阶段[8]。与农业不同的是，地处大同地区以及周边区域的工业已经迈入了智能制造的行列，信息技术已经应用于生产线的升级改造中，因此，在区域工业技术外溢环境条件下，大同农业具备产业化升级的技术基础和可行性。

黄花种植行距约70cm，叶呈散落状，花茎高1m左右，生长4-6个侧枝，花苞呈射线状在空间生长。幼小花苞呈嫩绿色，成熟后花苞颜色鲜黄，角长肉厚，线条粗壮，花柄脆嫩。花苞采摘过程中，需将花柄折断，并尽量避免碰触幼小花苞。传统人工采摘方式中，依靠单手张力尽量减小花茎摇晃，并快速折断，然后放入容器中。大同黄花花期集中在6月底到7月底[9]，花苞采摘是在开放前完成，因此，在采摘阶段对劳动力需求非常大，劳动强度大，成本高。为解决当前大同黄花种植中面临的采摘难问题，本文提出了一种从种植、采摘到加工的一体化技术解决方案，支撑大同黄花产业化发展。方案总体架构模型如图1所示。首先，在种植阶段，为解决采摘难的问题，基于产业化种植技术创造容易实现机械化采摘的生物环境条件；其次，开发机械化、自动化、智能化的智能采摘技术，并配合连通各环节的输送系统；最后，实现数字化的集约式加工，完成产品加工。

图1 大同黄花产业化发展架构模型

该模型以现场层、控制层和信息层组成的金字塔结构为核心，现场层包括种植、采摘和加工。其中，种植和采摘主要工作区域在田间，加工则在田边。在物理世界，各环节基于输送系统连接；在虚拟空间，通过数据连接，形成一体化农业系统。产业化种植既是农业一体化系统的开端，也是基础，主要涉及的关键技术包括：线谱种植技术、生长监测、精准灌溉和防灾害等。并且，在种植业的基础上可拓展产业，结合火山文化，开发黄花旅游产业。另外，为合理利用空间，并实现节能创收、绿色农业的理念，在黄花种植的基础上拓展太阳能发电系统，在采摘季为采摘系统提供能源，其余时间则可发电产生经济效益。智能采摘是黄花产业的关键，主要涉及的关键技术包括：机器人、采摘机构及控制策略等。以已经在工业领域成功应用的机器人平台为基础，开发采摘机构，结合视觉识别系统，完成黄花智能采摘。传统生产模式中，加工阶段是黄花生产流程的最终阶段，包括了分拣清洗、蒸烘、破碎和深加工等。同时，结合现代生产理念，拓展生命周期，将跟踪服务划入加工阶段，通过后期的销售及数据跟踪，反馈指导产品加工，形成市场和生产的良性互动和循环流通。

2 产业化种植技术

2021年大同市云州区黄花产业种植面积已经突破17万亩，全大同市黄花种植面积达到26万亩[10]，而且已经形成了万亩级的连片区域，最大种植片区达到两万亩，为产业化作业奠定了基础。在大同市黄花产业化发展一体化技术解决方案架构内，产业化种植技术当前需要重点突破的关键技术包括精准灌溉、产业化种植技术和生产数据采集及管理。

2.1 辅助种植技术

尽管黄花在田间呈行种植，但是花茎并非规则的呈一条线，而且花茎容易晃动，给采摘带来困难。因此，应该通过辅助种植技术，实现花茎相对保持稳定的目标，为机械化采摘创造条件。另外，需要注意的是，地面空间有限，现有的在地面行走的采摘机器人[11-13]均未取得很好的应用效果，且容易使地面硬化，刮伤黄花叶片，影响黄花生长。因此，应该拓展思路，从种植技术和采摘技术双向突破，解决采摘慢的难题。

专利[14]提出一种产业化种植黄花菜的五线谱种植架及其实施方法，该方法通过线谱约束黄花花茎，使其弯曲生长，实现空间辅助定位，并通过地面小车实现采摘下来的黄花输送。该方法在一定程度上提高了劳动人员的作业速度，也为机械化采摘奠定了技术基础，但是，该方法对地面空间占有率高。因此，在该专利的基础上，提出一种新的黄花线谱种植方法，如图2所示，通过固定在种植架上的三条线谱辅助定位花茎的空间位置，保持花茎垂直生长，该方法将种植架的地面占有率降到最低，同时，通过限制花茎位置，为机械化采摘提供花苞理想的生长条件。

图2 黄花产业化种植技术示意图

2.2 精准灌溉

大同市地处山西省北部，属温带大陆性季风气候，四季特征鲜明。春季少雨，夏季雨水较为集中，不能满足黄花生长期需求，水资源贫乏，依赖于引黄工程和地下水，而传统的灌溉模式，水量损失严重，因此，为提高水资源利用率，精准灌溉尤为重要。首先，基于无线通信技术和土壤湿度传感技术，构建农田湿度网络系统。然后，基于数据分析与采集建立黄花生长与不同土壤层湿度函数关系模型。最终，以特定土壤层湿度控制为目标，开发精确决策及控制系统，实现黄花种植过程的自动检测、自动灌溉。

精准灌溉依赖于基础设施建设，当前大同市云州区田边封闭灌溉设施已经完成改造，实施精准灌溉只需完善田间配套管路即可，实施成本较低。在产业化种植技术中，实施精准灌溉方法，如图2所示，沿着黄花种植行铺设管路，并定距开设渗水口，根据黄花生长过程监测数据判断其对水分需求，从而实现精准、及时地灌溉。同时，可利用水分控制黄花及花苞长势，在采摘前可通过控制水分提高有效花苞韧性，降低采摘过程损失率。

2.3 数据采集与管理

黄花生长过程中的数据获取，有利于精确掌握、预测黄花生长情况及花期，支持农业生产活动决策。黄花种植数据的采集从黄花苗的摘种，一直到花苞的采摘全流程跟踪，包括品种、长势、水量记录、叶片色泽、高度、土壤水分、花茎和花苞数目、花期时间、施肥和除害等。基于地理信息系统、多传感器融合技术、大数据技术、人工智能技术等实现监测数据的有效管理与运用。基于监测数据，利用数字孪生技术构建黄花产业化种植虚拟模型，在虚拟空间中实现黄花种植的全模拟。利用遥感信息技术结合黄花生长模型，构建同化模型，在获得大量数据的条件下，基于数据分析和处理，可有效的获得逆向诊断、预判，为黄花种植决策提供依据。

对于万亩级的黄花产区，首先，需对土地进行分片分区，按片区编号，按编号采用分层式通信方案，通过节点优化，实现分区网络系统构建。然后，依靠田间网络系统，从黄花苗摘种，到黄花花苞采摘全过程实现数据检测记录，为产品溯源奠定基础。黄花种植数据采集依赖于网络建设，因此，对于黄花农业生产过程的数据采集依赖于网络基础设计的构建，对于作业期较为集中的应用特征，可构建便携式的数据采集系统。

3 智能采摘技术

大同黄花花期集中，约40天左右。为解决采摘难的问题，在一体化技术解决方案架构下，基于产业化种植技术，在并联机器人detal平台基础上，开发黄花采摘机构和智能采摘技术，实现黄花机械化、自动化采摘。智能采摘技术涉及主要设备及设施包括：并联机器人、采摘机构、空间导轨、太阳能供电系统以及输送系统。

3.1 智能采摘技术

黄花采摘流程如图3所示，首先，采摘机构通过视觉识别系统，定位采摘目标；其次，并联机器人和输送系统根据采摘目标位置规划路径，并在顶轨上运动，到达目标位置，采摘机构调整角度，执行动作完成采摘；最后，采摘下来的黄花花苞被置入输送箱内，待输送箱采摘满后，可运送到田边，进而，输送到加工车间。智能采摘技术工作场景如图4所示。

图3 采摘过程

图4 采摘系统示意图

同时，黄花采摘按种植片区进行，在片区内，实现多目标扫描和路径优化。采摘后黄花按片区分类登记，数据上传控制中心，并生成数据标签，以便于产品溯源。

3.2 采摘机构

人工采摘方式中，需要单手抓住花苞，沿着花柄处折断，完成采摘。该采摘方式除采摘速度受限外，还容易误伤幼小花苞，且需要人工数量多，人体重复作业劳动强度大。花苞采摘下来后，保留有一部分花柄，花柄质地较硬，口感较差，不适合加工产品。鉴于以上考虑，智能采摘技术中的采摘机构需要满足以下要求：

（1）能够根据花苞生长方向实现角度调整；

（2）能够根据花苞大小实现长度调整，采摘不留花柄；

（3）结构简单、动作灵活，稳定性好。

并联机器人detal具备三个自由度，无法应对空间散射生长的黄花花苞采摘任务，因此需在末端搭载2自由度采摘机构，才能实现任意空间角度的调整。同时，为保证采摘机构顺利完成黄花花苞抓、摘的动作，利用产业化种植技术中的辅助线提高花茎在空间的稳定性。因此，综合考虑以上因素，开发与并联机器人detal匹配度高的灵巧性采摘机构，是实现黄花机械化、自动化、智能化采摘的关键。

3.3 控制策略

智能采摘技术的实现是一项庞大的系统工程，是信息技术在黄花种植领域的融合和充分应用，而系统控制技术尤为重要。黄花花苞的识别及空间定位依赖于视觉系统。为了提高采摘效率，同时降低漏采率，首先，基于卷积神经网络技术，通过图像采集、数据处理，根据颜色识别黄花成熟度，扫描适宜采摘的花苞，建立目标群。然后，根据目标空间位姿调整采摘机构位置和角度。

同时，需要按照种植片区，对扫描空间和花苞目标采摘顺序均做出优化，以期在最短的时间内，保质保量地完成采摘。因此，控制系统获得目标数据后，经过分析、处理，做出决策，实现精准采摘。另外，在采摘箱满后需规划路径输送到田边，进而进入加工环节。因此，智能采摘技术依赖于合理的控制策略，以保障系统安全运行。

4 集约式加工

为缩短黄花输送链，尽可能地保持水分和新鲜度，减少黄花磨损和碰撞，同时，考虑大同市云州区村落散错特征，在田边建立黄花产业化加工集群。集约式加工产业布局如图5所示，采摘下来的黄花通过田间输送系统直达分拣、清洗车间，按大小分拣，并在清洗完成后，按类分送各加工车间，完成加工。在输送、分拣、存储、加工过程中全程记录数据，并上传控制中心，最终生成产品码，便于产品标识和溯源。

图5 集约式加工

同时，利用现代信息技术，通过物联网终端节点，将各加工环节、设备柔性接入构建的物联网体系，可联通各加工环节、工厂，实现信息共享和交互。亦可通过虚拟端实现物理空间全流程的跟踪、监测和控制。

5 总结

针对大同黄花大规模发展过程中面临的采摘难问题，提出了大同黄花产业化发展一体化技术解决方案，构建了大同黄花产业化发展的架构模型，并对架构内关键环节：种植、采摘和加工中的关键技术做了分析。在后续研究中，重点突破采摘机构、精确识别、智慧控制等关键技术，推动农业技术和经济发展。