張梅 鄒承俊

植物工廠通過人工方式營造一個(gè)適合植物生長的最佳環(huán)境，將農(nóng)作物與外界環(huán)境隔離，通過多層立體栽培、智慧管控等方式，避免外界環(huán)境對(duì)植物生長產(chǎn)生干擾，達(dá)到確保農(nóng)作物周年連續(xù)生產(chǎn)的目的。植物工廠作為高效農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，核心因素包括高精度的LED補(bǔ)光、營養(yǎng)液按需調(diào)控和溫濕度的恒定管理等。由于上述特點(diǎn)，實(shí)際生產(chǎn)中為了提高生產(chǎn)效率，植物工廠大多采用功能分區(qū)，每個(gè)功能區(qū)通過流水作業(yè)，訂單生產(chǎn)和規(guī)模采收提高生產(chǎn)效率。

蔬菜移栽工作原理

植物工廠中的育苗功能區(qū)是一個(gè)重要的組成部分，該功能區(qū)可以規(guī)?；?、集約化、標(biāo)準(zhǔn)化的供應(yīng)植物工廠需要的種苗。面向蔬菜生產(chǎn)的植物工廠育苗區(qū)要解決標(biāo)準(zhǔn)化種苗的問題，育苗過程中蔬菜移栽是重要的環(huán)節(jié)，和傳統(tǒng)的間苗和疏苗有顯著區(qū)別，自動(dòng)化的蔬菜移栽是作物育苗過程中按照控制軟件設(shè)定的參數(shù)，一次或多次的對(duì)種苗位置進(jìn)行擺放。

蔬菜移栽是指將密集育苗方式的種苗根據(jù)需要取出，放入一個(gè)間距更大的育苗盤，或放入漂浮栽培泡沫板的孔中，通過蔬菜移栽工藝流程，使得種苗植株可以獲得更大的生長空間，進(jìn)一步促進(jìn)種苗健壯成長，達(dá)到種苗長勢(shì)均一化的目的，提高種苗的商品合格率。

種苗在播種到移栽之間的時(shí)間可以分成兩個(gè)時(shí)間段，一是種苗的發(fā)芽和生根時(shí)間段，二是種苗的加速育壯時(shí)間段。這種精細(xì)劃分時(shí)間段做法有利于種子發(fā)芽、成本降低，適合植物工廠中使用，原因如下：第一個(gè)時(shí)間段種子發(fā)芽需要精心呵護(hù)，環(huán)境參數(shù)的控制要求更高，集約化播種有利于管理難度的下降，同時(shí)采用128穴以上的苗盤，能在盡可能少的空間里放置更多的種苗，顯著的節(jié)省空間，達(dá)到成本降低的目的。第二個(gè)時(shí)間段根據(jù)育苗長勢(shì)及時(shí)調(diào)節(jié)苗的生長位置，給每個(gè)苗足夠的生長空間。但這個(gè)環(huán)節(jié)屬于勞動(dòng)密集型作業(yè)，采用人工的傳統(tǒng)方式顯然無法滿足這個(gè)環(huán)節(jié)的勞動(dòng)需求。如何將蔬菜移栽的環(huán)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)化、機(jī)械化，借助裝備降低勞動(dòng)強(qiáng)度，是一個(gè)必須要解決的問題。

植株移栽智能裝備主要是針對(duì)分階段育苗開發(fā)的專用裝備，通過定位、抓苗、分苗、對(duì)準(zhǔn)、放苗5個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)育苗植株的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)作業(yè)。定位是指播種用到的苗盤要到達(dá)指定的基準(zhǔn)位置，無論是以行、以盤或者每次多盤為單位進(jìn)行作業(yè)，不同規(guī)格的苗盤在基準(zhǔn)位置都滿足苗盤沒有偏移量，連續(xù)作業(yè)上千小時(shí)后，系統(tǒng)誤差不會(huì)累計(jì)，定位要在上萬次的苗盤輸送之后依然能非常準(zhǔn)確;抓苗是指在定位完成之后，機(jī)械手下降要能準(zhǔn)確到達(dá)種苗的根部，機(jī)械手被驅(qū)動(dòng)抓苗動(dòng)作，能穩(wěn)定地抓住秧苗從育苗盤中取出。傳統(tǒng)基質(zhì)育苗要確保機(jī)械手的沖擊力不會(huì)損壞種苗的根和基質(zhì)塊，水培育苗要確保直接抓苗不會(huì)損壞苗;分苗是指成組的機(jī)械手抓住種苗后，各個(gè)機(jī)械手相對(duì)運(yùn)動(dòng)分離，間距增大，并準(zhǔn)確達(dá)到指定位置，使每一個(gè)機(jī)械手的位置對(duì)準(zhǔn)一個(gè)新的穴孔，且沒有誤差;放苗是指機(jī)械手對(duì)準(zhǔn)穴孔后下降，并準(zhǔn)確地把苗放入新的穴孔中央，避免苗被放歪或者放倒。通過農(nóng)機(jī)和農(nóng)藝結(jié)合的方式，能實(shí)現(xiàn)植株移栽智能裝備的高效作業(yè)，為移栽工藝提供裝備支撐。

國外植株移栽智能裝備研究現(xiàn)狀

工程機(jī)理研究

國外植株移栽智能裝備研究重視裝備的工程機(jī)理分析，這對(duì)于推動(dòng)全自動(dòng)植株移栽智能裝備在設(shè)施園藝發(fā)達(dá)的國家得到廣泛應(yīng)用發(fā)揮重要作用。這些基礎(chǔ)研究為溫室移栽裝備持續(xù)發(fā)展提供了理論指導(dǎo)，包括通過測試方法來分析不同取苗爪進(jìn)行穴盤苗移栽的工作能力和適應(yīng)性等。近年來，國外的溫室植株移栽智能裝備研究圍繞智能化方向發(fā)展，主要是移栽機(jī)器人成套技術(shù)。

移栽和嫁接一體化研究

移栽和嫁接同時(shí)進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)一體化的復(fù)合作業(yè)，這是該領(lǐng)域裝備發(fā)展的另一個(gè)新的發(fā)展趨勢(shì)。嫁接技術(shù)的工藝流程可以和移栽工藝合并。嫁接是移栽配套的一項(xiàng)重要技術(shù)，高速和精準(zhǔn)的嫁接流水線系統(tǒng)是研究的熱點(diǎn)，目前歐洲有多家企業(yè)生產(chǎn)嫁接作業(yè)生產(chǎn)線產(chǎn)品，如意大利Techmek公司和Mosa公司等。荷蘭Visser公司生產(chǎn)出了自動(dòng)化裝備較完善的蔬菜巖棉塊種苗生產(chǎn)線產(chǎn)品，并在蔬菜育苗企業(yè)生產(chǎn)中大規(guī)模應(yīng)用。這些蔬菜巖棉塊種苗生產(chǎn)線屬于大型集成裝備，部分工位作業(yè)高度超過2 m，生產(chǎn)線寬度在1.5 m以上，長度可達(dá)30 m。

移栽配套技術(shù)裝備研究

移栽配套裝備還包括專用搬運(yùn)車等。移栽用苗和完成移栽的種苗均采用搬運(yùn)車運(yùn)輸。丹麥 Container Centralen 公司專門生產(chǎn)穴盤搬運(yùn)車。

國內(nèi)植株移栽智能裝備研究現(xiàn)狀

國外溫室全自動(dòng)移栽裝備存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，使用維護(hù)困難等缺陷，而且與中國的育苗技術(shù)及其他移栽輔助作業(yè)不配套，從而降低了種苗成功率和效率。因此，針對(duì)中國的國情開發(fā)植株移栽智能裝備非常必要。

移栽系統(tǒng)研究

近年來，國內(nèi)學(xué)者積極開展移栽技術(shù)裝備研究，在關(guān)鍵技術(shù)上有一些突破，報(bào)道了一些新成果。綜合有關(guān)報(bào)道，目前存在的問題是所研制的移栽機(jī)工作效率偏低，作業(yè)效率的范圍為500～800株/h，主要問題是移栽成功率低，關(guān)鍵指標(biāo)苗缽崩壞率達(dá)到10%左右。因此需要進(jìn)一步開展溫室穴盤苗移栽針對(duì)性研究，推動(dòng)穴盤育苗產(chǎn)業(yè)快速高效和可持續(xù)發(fā)展，提高設(shè)施園藝機(jī)械化水平。

移栽機(jī)器人研究

國內(nèi)開發(fā)了一種結(jié)合自動(dòng)化輸送裝置的并聯(lián)移栽機(jī)器人，具有剛度大、精度高且累積誤差小的特點(diǎn)。將128孔穴盤黃瓜苗移栽至72孔穴盤中且移栽加速度高于20 mm/s時(shí)，仍能保證較好的移栽精度。江蘇大學(xué)孫夢(mèng)濤研制出了一款新型的空間三自由度并聯(lián)移栽機(jī)器人，移栽效率為1865株/h，移栽成功率在95.3%。江蘇大學(xué)還設(shè)計(jì)了一種輕簡型自動(dòng)移栽機(jī)，利用成熟的直線模組和無桿氣缸組合設(shè)計(jì)出自動(dòng)移栽機(jī)械臂，移栽效率分別達(dá)到1221株/h和1025株/h，多種穴盤苗移栽成功率平均達(dá)到90.70%，苗缽?qiáng)A取破碎率低于5%，自動(dòng)取苗移栽效果較好。

移栽和選苗一體化研究

移栽的工藝流程和選苗的工藝結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)一體化復(fù)合作業(yè)。移栽作業(yè)過程中，同時(shí)完成穴盤苗篩選。首先對(duì)苗的質(zhì)量在線進(jìn)行識(shí)別后，自動(dòng)化地完成種苗的剔補(bǔ)，在經(jīng)過上述2個(gè)環(huán)節(jié)后，直接進(jìn)行移栽，3個(gè)環(huán)節(jié)由一套裝備一次性完成。國內(nèi)研發(fā)的一種集圖像在線識(shí)別和處理、穴盤運(yùn)輸、穴盤苗剔補(bǔ)移栽于一體的多功能全自動(dòng)移栽機(jī)，該機(jī)配備的圖像識(shí)別系統(tǒng)可識(shí)別穴盤幼苗優(yōu)劣并進(jìn)行剔補(bǔ)移栽，平均苗株生產(chǎn)效率可達(dá)到1098.2株/h，平均苗盤生產(chǎn)效率可達(dá)89.2盤/h。溫室多葉缽苗健康識(shí)別與移栽路徑優(yōu)化方面，浙江理工大學(xué)開發(fā)了一種能實(shí)現(xiàn)傾斜穴盤校正和幼苗健康評(píng)估的算法及移栽路徑優(yōu)化方法，研究905個(gè)稀疏穴盤和密集穴盤的樣本，可縮短移栽路徑16.5%以上。

植物工廠移栽智能裝備的思考

植物工廠的移栽技術(shù)裝備在近二十年中得到了迅猛的發(fā)展，國內(nèi)在該領(lǐng)域的某些關(guān)鍵技術(shù)居于領(lǐng)先地位。但是，該領(lǐng)域在中國從植物工廠開始應(yīng)用，也就是三十年的時(shí)間，相比傳統(tǒng)的大田作業(yè)機(jī)械，還屬于新興的裝備技術(shù)，存在諸多發(fā)展問題：

裝備的工程機(jī)理研究還不深入。移栽技術(shù)裝備需要和穴盤精確地對(duì)準(zhǔn)，誤差的累計(jì)、系統(tǒng)的震動(dòng)、穴盤的傾斜、種苗的倒伏等問題都會(huì)引發(fā)機(jī)器毀苗的問題，由于高速運(yùn)動(dòng)和大規(guī)模作業(yè)，裝備發(fā)生一次故障就會(huì)引發(fā)大批的種苗被毀壞，同時(shí)還導(dǎo)致整個(gè)流水線停工，耽誤育苗作業(yè)整體進(jìn)度。這些問題都需要植株移栽智能裝備工程機(jī)理的深入探究，提高裝備的適應(yīng)性、達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化、普適化和規(guī)?；募夹g(shù)要求。

整排高速嫁接和移栽一體化研究有待完善。高速嫁接的技術(shù)難點(diǎn)是種苗長勢(shì)差異和高速切接種苗之間的矛盾。這一問題的解決可以通過農(nóng)藝和結(jié)構(gòu)兩個(gè)路子分別解決，農(nóng)藝方面通過加強(qiáng)水肥等田間管理實(shí)現(xiàn)種苗長勢(shì)的整齊均一，減少由于種苗生長因素導(dǎo)致的種苗損失;結(jié)構(gòu)方面可以通過增設(shè)扶苗的裝置，將種苗限定在一個(gè)相對(duì)固定的區(qū)域，滿足高速整排調(diào)節(jié)同時(shí)嫁接的復(fù)合操作的生產(chǎn)需求。

移栽智能機(jī)器人的規(guī)模化應(yīng)用條件還不成熟。株調(diào)節(jié)智能機(jī)器人的規(guī)模化應(yīng)用需要具備的一些條件還很欠缺：針對(duì)植物工廠的機(jī)器人的視覺及光譜等關(guān)鍵傳感器研究不深入，穩(wěn)定性有待提高;機(jī)器人的成本還偏高，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中存在用不起的問題，亟待降低機(jī)器人系統(tǒng)的成本，使之與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)匹配;機(jī)器人操控人才還很欠缺，具備一定知識(shí)結(jié)構(gòu)，熱愛植物工廠的年輕人需要進(jìn)行培養(yǎng)，形成完整的人才梯隊(duì);移栽智能機(jī)器人售后維護(hù)成本還偏高，生產(chǎn)中不能及時(shí)解決出現(xiàn)的故障和問題，影響后續(xù)的生產(chǎn)。

植物工廠發(fā)展建議

植物工廠是個(gè)快速發(fā)展的新興領(lǐng)域，該領(lǐng)域的植株移栽智能裝備的研究和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)發(fā)揮“產(chǎn)學(xué)研”一體化模式的優(yōu)勢(shì)，調(diào)動(dòng)更多資源構(gòu)建產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈，促進(jìn)該領(lǐng)域裝備技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展。

引入更多的企業(yè)參與到技術(shù)創(chuàng)新。企業(yè)在技術(shù)消化和市場推廣上應(yīng)成為主體，通過大規(guī)模的技術(shù)應(yīng)用促進(jìn)該領(lǐng)域的相關(guān)裝備產(chǎn)品的加速熟化;企業(yè)在利用技術(shù)優(yōu)勢(shì)開拓市場，獲取利潤后，有動(dòng)力、有資金繼續(xù)開展的相關(guān)的技術(shù)創(chuàng)新，推進(jìn)產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈條的構(gòu)建。

在國家層面推進(jìn)都市農(nóng)業(yè)研究。技術(shù)的原始創(chuàng)新應(yīng)依托學(xué)科的發(fā)展，通過學(xué)科帶動(dòng)研究的深入，通過研究的創(chuàng)新帶動(dòng)產(chǎn)品的迭代，通過產(chǎn)品的完善促成整個(gè)產(chǎn)業(yè)的完整?？萍加?jì)劃應(yīng)重點(diǎn)布局都市農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的重點(diǎn)任務(wù)，推進(jìn)該領(lǐng)域系統(tǒng)化、深入化和產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，最終形成合力，共同構(gòu)建植物工廠全程機(jī)械化體系的完善。

總的來說，植物工廠相關(guān)裝備的研究建立在栽培模式科學(xué)化、設(shè)施結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)化、創(chuàng)新人才團(tuán)隊(duì)化的前提下，在信息大發(fā)展的時(shí)代浪潮中，植物工廠全程機(jī)械化是一個(gè)必然的趨勢(shì)，這一領(lǐng)域的發(fā)展將會(huì)對(duì)中國的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，必將使得中國成為該領(lǐng)域全球的領(lǐng)先者和引導(dǎo)者。

*項(xiàng)目支持：成都地方財(cái)政專項(xiàng)資金項(xiàng)目NASC2020KR05。

[引用信息]張梅，鄒承俊.溫室智能裝備系列之一百二十三國內(nèi)外植物工廠蔬菜植株移栽智能裝備研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)，2020，40（25）：47-49.