呂怡秋，楊葉

（寧夏工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院，寧夏 銀川 750001）

果業(yè)經(jīng)濟(jì)是我國(guó)農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，亦是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的強(qiáng)勁動(dòng)力，隨著水果產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，極大地滿足了市場(chǎng)和消費(fèi)者的巨大需求?，F(xiàn)階段，隨著我國(guó)果園種植規(guī)模和面積日益擴(kuò)大，對(duì)果園采摘工序提出了更高要求。我國(guó)部分水果種植區(qū)仍沿用傳統(tǒng)的人工采摘模式，勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低及易造成水果損壞等弊端嚴(yán)重制約著我國(guó)林果業(yè)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展[1]。因此，果業(yè)采摘作業(yè)與機(jī)械化的有效融合，不僅能夠顯著提高采摘效率、節(jié)約生產(chǎn)成本，而且最大程度上降低了水果的損耗，提高了種植戶的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)實(shí)現(xiàn)果園全機(jī)械化具有現(xiàn)實(shí)意義。

水果分級(jí)，即按照果實(shí)的形式大小、質(zhì)量品質(zhì)及顏色等特征分為不同等級(jí)，是水果采摘后商品化的重要生產(chǎn)環(huán)節(jié)[2]。在水果采摘、加工、包裝、打蠟及分級(jí)等產(chǎn)后處理工序中，除分級(jí)外，其他環(huán)節(jié)相對(duì)容易解決，因此，水果分級(jí)技術(shù)對(duì)于果業(yè)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要作用。

1 果園機(jī)械采摘研究現(xiàn)狀

現(xiàn)階段，我國(guó)果園采摘主要有人工采摘模式、機(jī)械輔助人工采摘模式及全機(jī)械化采摘模式三種方式，隨著互聯(lián)網(wǎng)信息化水平不斷提高，機(jī)械化程度逐漸提高，經(jīng)過長(zhǎng)期的實(shí)踐，我國(guó)林果業(yè)生產(chǎn)常用的機(jī)械分為搖臂式水果采摘機(jī)、撞擊式水果采摘機(jī)、氣動(dòng)式水果采摘機(jī)、分割式水果采摘機(jī)及機(jī)器人采摘模式[3]。

搖臂式水果采摘機(jī)，主要有搖臂機(jī)械、夾持裝置、連接裝置及傳輸裝置組成，其工作原理是利用機(jī)械搖臂對(duì)果樹主要干枝進(jìn)行搖動(dòng)，將力矩傳輸至果實(shí)上，使得水果通過振動(dòng)自然脫落；這種機(jī)械采摘方式適用于中小型水果，比如蘋果、桃子、梨、紅棗及櫻桃等。

撞擊式水果采摘機(jī)，主要有機(jī)械傳動(dòng)裝置、連接裝置及敲擊部件組成，其主要原理是利用敲擊部件對(duì)果樹枝條上果實(shí)進(jìn)行反復(fù)撞擊，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)果實(shí)脫落。這種連續(xù)式撞擊方式對(duì)果樹造成了極大的傷害，一般不適用矮化密植建園模式，普及率相對(duì)較低。

氣動(dòng)式水果采摘機(jī)，主要通過氣體流速裝置產(chǎn)生強(qiáng)大的吸力和吹力，所以，氣動(dòng)式水果采摘機(jī)根據(jù)其工作原理一般分為吹氣式和吸氣式兩種類型。對(duì)于吹氣式水果采摘機(jī)來(lái)說(shuō)，主要通過多個(gè)機(jī)械排氣孔對(duì)果樹枝條產(chǎn)生振動(dòng)，結(jié)合氣體流向不斷發(fā)生變化，使得果實(shí)脫離枝條；吸氣式水果采摘機(jī)主要利用強(qiáng)大的氣體吸力，將果實(shí)采摘至機(jī)械儲(chǔ)存?zhèn)}內(nèi)，通過過濾裝置，將樹葉、枝條等雜物有效排出。氣動(dòng)式水果采摘機(jī)在規(guī)?；N植基地較為適用且應(yīng)用廣泛，采摘效率較高，但機(jī)械功率高，極容易破壞樹體。

分割式水果采摘機(jī)主要是利用切割裝置將果實(shí)枝條和果柄快速切割，從而實(shí)現(xiàn)果實(shí)和樹體分割，常用的切割裝置有油動(dòng)力、氣動(dòng)力及電動(dòng)力三種類型。該采摘機(jī)械具有省力省時(shí)優(yōu)勢(shì)，對(duì)果樹枝條的損壞率低，不僅在矮化密植果園適用，同時(shí)在高大樹型中被廣泛應(yīng)用。

機(jī)器人采摘模式是新時(shí)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的時(shí)代產(chǎn)物，在國(guó)內(nèi)其應(yīng)用還處于試驗(yàn)階段，僅局限于小范圍采摘，投入生產(chǎn)還需進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

2 水果分級(jí)技術(shù)研究現(xiàn)狀

2.1 基于水果大小分級(jí)研究現(xiàn)狀

對(duì)于水果機(jī)械分級(jí)來(lái)說(shuō)，主要是依據(jù)水果直徑大小進(jìn)行機(jī)械化分級(jí)，在我國(guó)市場(chǎng)上常見的分級(jí)機(jī)械有滾筒篩孔式分揀機(jī)和輥帶式分揀機(jī)，雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易、生產(chǎn)效率高，但運(yùn)行過程中機(jī)械摩擦?xí)龃蠊麄怕剩M(jìn)而水果質(zhì)量無(wú)法充分保障，尤其是形狀不規(guī)則的水果，很容易造成分揀存在極大偏差。以滾筒篩孔式分揀機(jī)為例，常見的滾筒篩孔式分揀機(jī)一般由多個(gè)滾筒組成，每個(gè)滾筒直徑為60～80cm之間，不同類型的水果其滾筒的篩孔直徑各異，篩孔大選擇直徑大的水果、篩孔小選擇直徑小的水果，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)大小分級(jí)的目的。

計(jì)算機(jī)機(jī)器視覺技術(shù)是新時(shí)代互聯(lián)網(wǎng)信息化的創(chuàng)新發(fā)展產(chǎn)物，其與水果分級(jí)有效結(jié)合，從根本上代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工及機(jī)械分級(jí)模式，極大促進(jìn)了分揀效率，其次，機(jī)器視覺分級(jí)技術(shù)能夠最大程度上避免人為因素干擾而導(dǎo)致分級(jí)產(chǎn)生偏差。對(duì)于機(jī)器視覺在水果大小分級(jí)方面的應(yīng)用，我國(guó)相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了大量研究表明，利用計(jì)算機(jī)圖像處理軟件實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地連續(xù)采集3張以上的清晰圖像就能夠充分反映水果相關(guān)要素，結(jié)合面積投影法及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，精確地計(jì)算出不同類型水果的直徑大小，進(jìn)而高效地實(shí)現(xiàn)水果智能化分級(jí)?，F(xiàn)階段，機(jī)器視覺技術(shù)在我國(guó)水果應(yīng)用還未普及，但也取得了現(xiàn)階段成果，常見的機(jī)器視覺水果分級(jí)系統(tǒng)能夠滿足分級(jí)要求和市場(chǎng)需求，分級(jí)速度、精度和效率已遙遙領(lǐng)先純機(jī)械化分揀模式。

2.2 基于水果其他指標(biāo)研究現(xiàn)狀

現(xiàn)階段，水果機(jī)械分揀機(jī)主要是運(yùn)用對(duì)水果大小進(jìn)行分級(jí)，而對(duì)形狀、顏色及內(nèi)在品質(zhì)等方面無(wú)法實(shí)現(xiàn)分級(jí)的目的，因此，傳統(tǒng)的機(jī)械化分級(jí)模式已無(wú)法滿足果業(yè)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展?；跈C(jī)器視覺技術(shù)在水果的顏色、形狀、品質(zhì)及表面缺陷等指標(biāo)的廣泛應(yīng)用，結(jié)合分揀速度快、信息量大及精確度高等優(yōu)勢(shì)且能消除主觀意識(shí)因素，同時(shí)對(duì)水果相關(guān)分級(jí)指標(biāo)進(jìn)行智能識(shí)別，實(shí)現(xiàn)無(wú)損分級(jí)，有效代替了傳統(tǒng)的分級(jí)模式，因此，計(jì)算機(jī)機(jī)器視覺技術(shù)具有無(wú)可比擬的巨大優(yōu)勢(shì)，必將成為水果分級(jí)的未來(lái)發(fā)展方向。

3 果園機(jī)械采摘與分級(jí)所面臨困境

3.1 水果機(jī)械采摘所面臨困境

當(dāng)前，隨著科學(xué)水平不斷提高，我國(guó)果園采摘機(jī)械得到了前所未有的發(fā)展機(jī)遇，市場(chǎng)涌現(xiàn)了許多創(chuàng)新產(chǎn)品，比如人工采摘剪、動(dòng)力采摘器、通用式采摘機(jī)械等，總體上應(yīng)用效果不明顯，大部分采摘機(jī)械功能單一、效率低下及對(duì)果實(shí)極易造成損壞，雖相對(duì)于人工方式生產(chǎn)效率有所提高，在成本方面卻未顯著提高，無(wú)法根本上解決果業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展緩慢的現(xiàn)狀。同時(shí)，由于種植區(qū)地域條件和果樹品種具有差異，使得果實(shí)成熟期各不相同，進(jìn)而對(duì)采摘機(jī)械提出了更高要求，因此，在實(shí)際生產(chǎn)過程中難以實(shí)現(xiàn)果業(yè)機(jī)械自動(dòng)化，通用性不強(qiáng)。其次，在我國(guó)山東、新疆及廣西等地區(qū)已形成規(guī)?；N植基地，但絕大部分地區(qū)仍沿用傳統(tǒng)勞動(dòng)密集型種植方式，其果園較為分散、規(guī)?；潭鹊?，農(nóng)藝措施和農(nóng)機(jī)之間無(wú)法有效銜接，無(wú)法真正建立現(xiàn)代化大型水果種植基地，同時(shí)，農(nóng)戶專業(yè)素質(zhì)低也是影響果業(yè)采摘機(jī)械推廣的主要阻力。

采摘機(jī)器人是當(dāng)前比較新穎的高科技產(chǎn)品，但在實(shí)際生產(chǎn)過程中無(wú)法大面積推廣示范，主要是表現(xiàn)在采摘過程中識(shí)別度不高、無(wú)法精確定位果實(shí)位置，截止目前仍未有高效的智能識(shí)別傳感器能夠自動(dòng)識(shí)別水果位置，因此，在采摘機(jī)器人融入計(jì)算機(jī)圖像處理系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)等技術(shù)迫在眉睫。

3.2 水果機(jī)械分級(jí)所面臨困境

機(jī)器視覺技術(shù)在水果分級(jí)的廣泛應(yīng)用，促進(jìn)了果業(yè)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，雖在水果指標(biāo)檢測(cè)方面取得了階段性成果，但仍然面臨諸多局限性，在未來(lái)果業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略中仍是研究的重點(diǎn)，尤其是如何高效地解決分級(jí)過程中損傷問題是研究的重中之重，下文主要是對(duì)水果機(jī)械化分級(jí)所存在問題進(jìn)行分析，對(duì)機(jī)械自動(dòng)化識(shí)別技術(shù)不再詳細(xì)闡述。水果機(jī)械分級(jí)是國(guó)內(nèi)普遍采取的分級(jí)方法，這種方法需人工進(jìn)行輔助，操控人員需實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的進(jìn)行機(jī)械操作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)水果分級(jí)的目的。水果機(jī)械分級(jí)主要依據(jù)果實(shí)直徑大小和重量進(jìn)行分級(jí)，市場(chǎng)流通的分級(jí)機(jī)械結(jié)構(gòu)原理基本類似，依托物理結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)機(jī)械分級(jí)的目的，但在具體操作過程中，機(jī)械化分級(jí)很容易造成水果表面出現(xiàn)碰傷、擦傷等現(xiàn)象，且分級(jí)精度不高，大小果實(shí)很容易產(chǎn)業(yè)“串級(jí)”現(xiàn)象，因此，現(xiàn)階段分級(jí)機(jī)械主要應(yīng)用在表層較為堅(jiān)硬的水果，比如柑桔、石榴等，而對(duì)于梨、柿子、蘋果、火龍果等表層較軟的水果應(yīng)用效果不是很理想。

4 我國(guó)果園機(jī)械采摘與分級(jí)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

4.1 低成本、通用化、高效率

采摘機(jī)械和分級(jí)機(jī)械的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)必須和農(nóng)戶的成本控制有機(jī)統(tǒng)一，在國(guó)家政策宏觀調(diào)控下，在農(nóng)戶采購(gòu)機(jī)械方面給予資金補(bǔ)貼，極大地實(shí)現(xiàn)機(jī)械的普及推廣。同時(shí)，由于水果采摘和分級(jí)具有很強(qiáng)的實(shí)效性（季節(jié)性），因此，實(shí)現(xiàn)機(jī)械通用化提高機(jī)械化生產(chǎn)效率是當(dāng)前研究重點(diǎn)，其能夠適應(yīng)不同水果品種及地域差異。其次，在果園種植的修剪、施肥、植保等關(guān)鍵生產(chǎn)環(huán)節(jié)，只需更換核心機(jī)械裝置就能完成不同類型的農(nóng)業(yè)工作，同時(shí)將機(jī)械采摘與分級(jí)環(huán)節(jié)高效聯(lián)合，使得果業(yè)經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)一步提升。

4.2 自動(dòng)化、智能化、信息化

切實(shí)加快采摘機(jī)械和分級(jí)機(jī)械的研發(fā)，使其向自動(dòng)化程度高、智能化識(shí)別、信息化處理等方面發(fā)展，進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率，最大程度上將人們從高強(qiáng)度勞作方式中解放出來(lái)。對(duì)于水果采摘而言，智能機(jī)器人必將成為水果采摘的發(fā)展方向，結(jié)合自動(dòng)化控制系統(tǒng)、視覺識(shí)別系統(tǒng)及信息化處理系統(tǒng)，真正實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化采摘。對(duì)于水果分級(jí)來(lái)說(shuō)，人工分級(jí)和機(jī)械分級(jí)模式必將被時(shí)代的快速發(fā)展而淘汰，計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)、采集圖像技術(shù)、無(wú)損傷檢測(cè)技術(shù)以及自動(dòng)化控制技術(shù)的快速突起為果業(yè)分級(jí)提高了巨大的發(fā)展空間，由此可見，自動(dòng)化、智能化及信息化的現(xiàn)代化技術(shù)應(yīng)用，將為果業(yè)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供強(qiáng)勁動(dòng)力。