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        智能裝備與技術(shù)讓蔬菜施藥更精準(zhǔn)

        2021-10-19 14:03:10劉亞佳宋堅利王昌陵曾愛軍王志翀何雄奎
        蔬菜 2021年10期
        關(guān)鍵詞:植保裝備農(nóng)藥

        齊 鵬,劉亞佳,宋堅利,王昌陵,曾愛軍,王志翀,何雄奎*,張 煒

        (1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)無人機(jī)系統(tǒng)研究院,北京 100193;2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院,北京 100193;3.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)藥械與施藥技術(shù)研究中心,北京 100193;4.德國霍恩海姆大學(xué)農(nóng)業(yè)工程研究所,巴登-符騰堡州 斯圖加特 70593;5.安徽中科智能感知產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限責(zé)任公司,安徽 蕪湖 241000)

        我國蔬菜種類繁多,高達(dá)1 600種,蔬菜產(chǎn)業(yè)為農(nóng)業(yè)農(nóng)村發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè),根據(jù)應(yīng)用場景不同,主要分為露地蔬菜和設(shè)施蔬菜。2019年國家統(tǒng)計局?jǐn)?shù)據(jù)顯示,我國蔬菜播種面積達(dá)2 086.274萬hm2,占全部播種農(nóng)作物面積的12.57%,在種植業(yè)中僅次于糧食作物居第2位;蔬菜總產(chǎn)量為72 102.6萬t,居種植業(yè)中第1位[1]。由于設(shè)施栽培產(chǎn)量和平均效益普遍比露地種植高,平均為露地種植產(chǎn)量的1.41倍[2],特別是栽培同種作物,設(shè)施蔬菜是露地蔬菜產(chǎn)量的3.5倍[3],經(jīng)濟(jì)價值十分可觀,設(shè)施栽培成為帶動農(nóng)民就業(yè)和致富的重要渠道,在保供給、促增收、促就業(yè)等方面發(fā)揮著重要的作用。

        由于蔬菜特殊的栽培模式,如高種植密度、連茬種植和周年連續(xù)生產(chǎn)等,為病原物的發(fā)育與繁殖提供了有力條件,蔬菜病蟲害問題日益嚴(yán)重。特別是設(shè)施蔬菜處于封閉寡照、通風(fēng)不良、高濕及土壤養(yǎng)分不平衡的條件下,加之棚室內(nèi)天敵數(shù)少,設(shè)施栽培作物較之露天栽培作物更易發(fā)生病蟲害。目前,我國每年由病蟲害所導(dǎo)致的設(shè)施蔬菜產(chǎn)量損失都在20%~30%,受害嚴(yán)重,甚至絕產(chǎn),威脅著我國蔬菜產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)安全。使用農(nóng)藥是防治病蟲害的主要手段,但菜農(nóng)在具有風(fēng)險感知前提下仍繼續(xù)加大農(nóng)藥使用量,導(dǎo)致蔬菜農(nóng)藥殘留超標(biāo),不僅影響了消費(fèi)者食用安全,而且對我國農(nóng)產(chǎn)品出口貿(mào)易造成嚴(yán)重阻礙。李中華等[4]對全國多個政府部門、種植園區(qū)、裝備企業(yè)3個方面的相關(guān)專家和設(shè)施農(nóng)業(yè)從業(yè)人員進(jìn)行問卷調(diào)研得出,植保設(shè)備是蔬菜全程生產(chǎn)環(huán)節(jié)中影響產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量較顯著的因素,高達(dá)20%,僅次于灌溉施肥設(shè)備(20.11%)。因此,面對蔬菜產(chǎn)業(yè)植保機(jī)械化、信息化程度低,農(nóng)藥使用過程中對靶性差等問題,因地制宜地開發(fā)適合蔬菜病蟲害防治、作物種植結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的高工效智能裝備,優(yōu)化農(nóng)藥使用結(jié)構(gòu),應(yīng)用高通量傳感器、人工智能、智能精準(zhǔn)對靶等技術(shù)手段,實(shí)現(xiàn)智能精準(zhǔn)作業(yè)成為蔬菜產(chǎn)業(yè)急需突破的關(guān)鍵點(diǎn)。通過研發(fā)和開發(fā)新型蔬菜產(chǎn)業(yè)精準(zhǔn)對靶施藥裝備,提高植保機(jī)械精準(zhǔn)化、自動化、智能化,在顯著減少勞動投入的同時,減少農(nóng)藥使用,提高農(nóng)藥利用率和病蟲害防治效果,對提高現(xiàn)代化蔬菜產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)環(huán)境以及食品健康安全具有重大意義。

        國內(nèi)外蔬菜精準(zhǔn)施藥技術(shù)與裝備發(fā)展

        現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展離不開農(nóng)業(yè)機(jī)械化,隨著我國農(nóng)業(yè)機(jī)械快速發(fā)展,對農(nóng)業(yè)機(jī)械的需求不再局限于機(jī)械的供給,而是與當(dāng)前農(nóng)機(jī)社會化服務(wù)以及信息大數(shù)據(jù)時代緊密融合,由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機(jī)械化向智慧、智能農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型升級。植保機(jī)械不僅影響農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化發(fā)展進(jìn)程,而且其噴施農(nóng)藥、化肥對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)影響最為明顯。智能植保機(jī)械是更加復(fù)雜的農(nóng)業(yè)機(jī)械,是集智能感知、決策、控制,大數(shù)據(jù)、云平臺、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)為一體的現(xiàn)代智慧農(nóng)業(yè)裝備,一方面通過各類傳感器等數(shù)字化集成模塊控制農(nóng)業(yè)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn),另一方面通過植保表型等感知信息精準(zhǔn)控制藥肥作業(yè);因此,智能精準(zhǔn)植保裝備成為蔬菜智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要代表。

        國外

        由于蔬菜植保機(jī)械化發(fā)展的實(shí)踐差異,國內(nèi)外在蔬菜植保機(jī)械的研究內(nèi)容和發(fā)展重點(diǎn)上均存在明顯差異,發(fā)達(dá)國家的研究主要集中在智能環(huán)保上,涉及精細(xì)化、自動化、節(jié)約化、智能化等技術(shù),如美國構(gòu)建了發(fā)達(dá)的互聯(lián)網(wǎng)體系,農(nóng)戶能實(shí)時了解土壤、作物、農(nóng)機(jī)等各類信息,且智能農(nóng)業(yè)機(jī)器人已經(jīng)初具規(guī)模,智能農(nóng)機(jī)裝備處于世界前列;德國利用自身技術(shù)優(yōu)勢,突破農(nóng)業(yè)信息化和智能化系列關(guān)鍵技術(shù),蔬菜等專用植保機(jī)械已經(jīng)配備低量施藥、變量施藥、對靶施藥等技術(shù),其中變量施藥技術(shù)已普及到普通農(nóng)場,成為企業(yè)產(chǎn)品出廠標(biāo)配;日韓受地塊局限,需研發(fā)適于精細(xì)化作業(yè)的輕便型智能裝備,特別是雅馬哈公司研發(fā)的植保無人機(jī)成為植保領(lǐng)域重要的發(fā)展方向。20世紀(jì)50年代以來,國際上農(nóng)藥使用技術(shù)不斷改進(jìn)、完善,為減少環(huán)境污染,開發(fā)了低量防飄、減飄噴頭以及循環(huán)噴霧等一系列霧滴控制技術(shù),使發(fā)達(dá)國家蔬菜作物農(nóng)藥利用率普遍在50%以上,比我國高出15~25個百分點(diǎn)。

        國內(nèi)

        中國蔬菜專用植保機(jī)械開發(fā)和施藥技術(shù)的研究相對落后,可追溯到20世紀(jì)30年代,大部分為手動或者半自動產(chǎn)品,農(nóng)藥利用率僅在20%~30%,傳統(tǒng)施藥方式難以實(shí)現(xiàn)人和農(nóng)藥分離、人和農(nóng)機(jī)分離,特別在相對封閉的溫室環(huán)境中,對作業(yè)人員身體健康存在巨大威脅,無法滿足蔬菜精準(zhǔn)高效植保作業(yè)發(fā)展需求。21世紀(jì)初,農(nóng)業(yè)機(jī)械化、智能化水平的提升為蔬菜植保機(jī)械發(fā)展帶來極大的發(fā)展空間,大型高效植保機(jī)械得到推廣應(yīng)用,同時一些無人駕駛噴霧機(jī)器人和植保無人機(jī)相繼出現(xiàn)[5]。隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、精準(zhǔn)化發(fā)展,精準(zhǔn)對靶施藥成為一個重要的發(fā)展方向,目前國內(nèi)精準(zhǔn)對靶施藥發(fā)展處于起步階段,近年來在該領(lǐng)域的研究日漸增多,多集中在定性研究和單一技術(shù)研究方面,精準(zhǔn)智能系統(tǒng)解決方案較少,且大多研究仍處于試制、試驗(yàn)階段,與發(fā)達(dá)的歐美國家相比,在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用推廣上仍存在一定的差距。

        我國露地蔬菜多借鑒大田糧食作物所使用的植保裝備,結(jié)合蔬菜栽培農(nóng)藝特性,大型噴桿噴霧機(jī)以及空中植保無人機(jī)已經(jīng)在露地蔬菜病蟲害防治中應(yīng)用[6-7]。針對設(shè)施內(nèi)專用植保機(jī)械和施藥技術(shù)相對匱乏,大都直接照搬傳統(tǒng)露地防治病蟲害經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行施藥,又因設(shè)施蔬菜特殊生長時空決定,其植保機(jī)械多以電動或發(fā)動機(jī)驅(qū)動人工背負(fù)式機(jī)械為主,施藥技術(shù)粗放、農(nóng)藥浪費(fèi)嚴(yán)重,作業(yè)噴幅窄,勞動強(qiáng)度大、工效低,極容易造成人員中毒事件發(fā)生。目前,我國長江中下游地區(qū)是設(shè)施蔬菜植保機(jī)械化發(fā)展較好的地區(qū),以蔬菜植保機(jī)械化最高的江蘇為代表,全省設(shè)施內(nèi)植?;静捎脵C(jī)械作業(yè),但多為靜電噴霧器、機(jī)動噴霧器,以及殺蟲燈、臭氧發(fā)生器等;而華南地區(qū)和丘陵山區(qū)由于受地形或經(jīng)濟(jì)條件的影響,植保機(jī)械更加落后,特別在丘陵山地植保機(jī)械化水平仍非常低。

        國內(nèi)外蔬菜精準(zhǔn)施藥技術(shù)與裝備種類及特征

        發(fā)達(dá)國家的農(nóng)業(yè)施藥機(jī)械發(fā)展起步較早,其設(shè)施農(nóng)業(yè)具有科技含量高、投入成本高等特點(diǎn),在國外發(fā)展較為迅速,其中以色列、美國、法國、日本、荷蘭、英國、意大利、西班牙、葡萄牙、比利時、墨西哥等在農(nóng)業(yè)設(shè)施裝備技術(shù)發(fā)展方面作出了杰出貢獻(xiàn)。這些國家將先進(jìn)的新興技術(shù)應(yīng)用到植保施藥過程中,以實(shí)現(xiàn)植保機(jī)械化、自動化、精準(zhǔn)化,如傳感器技術(shù)、自動控制技術(shù)、導(dǎo)航控制系統(tǒng)等,并已經(jīng)推廣應(yīng)用,基本實(shí)現(xiàn)了精細(xì)控制的植保機(jī)械產(chǎn)品市場化、系列化、國際化。

        國內(nèi)針對蔬菜開發(fā)的植保機(jī)械較少,起步較晚,露地蔬菜普遍借助大田糧食作物植保機(jī)械融合蔬菜種植農(nóng)藝特性基礎(chǔ)進(jìn)行改進(jìn),設(shè)施植保機(jī)械仍以背負(fù)式電動或油動噴霧設(shè)備為主。在現(xiàn)代化玻璃溫室中,采用固定式噴淋裝備,其施藥技術(shù)和裝備與歐美發(fā)達(dá)國家相比還存在著顯著的差距,特別是用于連棟溫室種植環(huán)境下的自動化和智能化程度低、缺少與種植工況相匹配的智能精準(zhǔn)植保機(jī)械。隨勞動力成本增加和對蔬菜產(chǎn)品品質(zhì)和安全的要求提升,眾多現(xiàn)代精準(zhǔn)智能的裝備已經(jīng)逐步在蔬菜產(chǎn)業(yè)中使用。

        空中軌道式施藥技術(shù)及裝備

        軌道式噴霧機(jī)主要分為空中軌道和地面軌道噴霧2種類型,這也是設(shè)施農(nóng)業(yè)最為典型的應(yīng)用之一。空中軌道式施藥裝備有龍門架式等,主要由移動軌道、電機(jī)、升降裝置、塔柱、工作臂及其配套的農(nóng)機(jī)具等部分組成。通常有2種結(jié)構(gòu):搭載施藥配套機(jī)具,通過軌道和施藥機(jī)具在有限半徑范圍內(nèi)移動,植株可在傳送床上移動。該類噴霧機(jī)能在一定程度上提高施藥自動化水平,并由計算機(jī)控制,可有效降低勞動投入、提高工作效率,重要的是能提高施藥控制精細(xì)化程度;具有可實(shí)現(xiàn)人藥分離、避免人員中毒等優(yōu)點(diǎn),搭載靜電施藥、變量施藥,以及運(yùn)用基于視覺和雷達(dá)的變量等施藥技術(shù),達(dá)到精準(zhǔn)對靶噴施的效果,提高了農(nóng)藥利用率;同時,由于園區(qū)上部空間充足,該機(jī)械載重能力強(qiáng),可以進(jìn)行水肥藥管理以及搭載采摘等工作部件。但空中軌道式噴霧系統(tǒng)也存在一定的局限性,對溫室結(jié)構(gòu)荷載要求高、投入成本高、施藥量大,若遇棚室濕度極增,對管路系統(tǒng)耐壓性、噴頭防堵性要求更高(10~15 MPa),故其多用于育苗噴灌,且在玻璃溫室中應(yīng)用較多。

        ◎ 國外

        國外學(xué)者M(jìn)alone等[8]設(shè)計的固定式溫室施藥設(shè)備(圖1-a)可通過傳感器等裝置,實(shí)現(xiàn)施藥系統(tǒng)自動控制,減少人為操作,亦可更好地控制施用農(nóng)藥比例,提高施藥準(zhǔn)確性。Belforte等[9]研發(fā)了一種非自主移動的溫室施藥機(jī)器人(圖1-b),施藥時施藥設(shè)備固定不動,通過機(jī)械臂移動施藥裝置,通過攝像頭獲取臺架作物位置,提高了靶標(biāo)性,實(shí)現(xiàn)了農(nóng)藥精準(zhǔn)對靶噴施。之后,該團(tuán)隊還設(shè)計了一款密閉施藥裝置(圖1-c),該裝置通過旋臂移動施藥作業(yè)平臺,并且采用柔性涂層將農(nóng)藥與外界環(huán)境隔離,能減少農(nóng)藥損失且最大程度地有效隔離人與農(nóng)藥的接觸,促進(jìn)了農(nóng)藥安全精準(zhǔn)應(yīng)用[10]。

        圖1 國外空中軌道式施藥裝備

        ◎ 國內(nèi)

        國內(nèi)學(xué)者陳巧艷[11]利用氣流輔助式噴霧技術(shù)(圖2-a),設(shè)計制造了高壓液力式噴頭,通過孔徑或安裝位置獲得較大霧滴譜,又采用溫濕度控制儀自動控制噴頭開關(guān),實(shí)現(xiàn)農(nóng)藝要求施藥量自動控制。張躍順[12]設(shè)計并研發(fā)了行間噴霧機(jī)(圖2-b),其采用雙軌懸掛式噴霧結(jié)構(gòu)、升降噴桿,實(shí)現(xiàn)行間和行上噴霧2種模式,能顯著提高植株葉片正反兩面的霧滴沉積量,使植株冠層中霧滴分布更加均勻,提高病蟲害防控能力。李雪等[13-14]設(shè)計的固定管道式二相流常溫?zé)熿F機(jī)系統(tǒng)(圖2-c)可提高霧滴沉積分布的均勻度,實(shí)現(xiàn)了整個棚內(nèi)無人施藥,極大地提高了人員作業(yè)安全性。

        圖2 國內(nèi)空中軌道式施藥裝備

        地面軌道式施藥技術(shù)及裝備

        地面軌道式噴霧裝備主要由電機(jī)、控制結(jié)構(gòu)、移動平臺、地面有序軌道及配套設(shè)備等組成,一般利用設(shè)施內(nèi)結(jié)構(gòu)鋪設(shè)軌道,融合智能運(yùn)輸平臺,有限提高設(shè)施施藥機(jī)械化程度,搭載施藥裝備沿行間或垂直行行駛,融合風(fēng)送施藥系統(tǒng)、對靶變量噴頭等部件實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)施藥,可顯著降低人員勞動強(qiáng)度,提高作業(yè)效率,但地面鋪設(shè)軌道占用溫室地面資源,不利于溫室地面作業(yè)。

        ◎ 國外

        國外Sammmons[15]等研制設(shè)施軌道式自動施藥機(jī)器人(圖3-a),施藥機(jī)器人可在軌道上以規(guī)劃的路徑進(jìn)行作業(yè),噴頭排列在直立噴架兩側(cè),對兩側(cè)籬架作物進(jìn)行藥劑噴灑,以提高霧滴在作物冠層沉積分布的均勻度。Singh等[16]開發(fā)了一款可滿足狹窄道路的自動行駛施藥機(jī)車(圖3-b),在車體上安裝了自動施藥裝備,可實(shí)現(xiàn)按需自動施藥。Xia等[17]研發(fā)的機(jī)器人(圖3-c)可以完成害蟲和作物識別,通過攝像頭獲取作物葉片及病蟲害發(fā)生位置,通過機(jī)械臂將超低容量噴頭運(yùn)動至靶標(biāo)處進(jìn)行精準(zhǔn)噴灑。Rafiq等[18]利用溫室的水管道作為噴霧裝備導(dǎo)航線,實(shí)現(xiàn)對車輛位置精準(zhǔn)控制(圖3-d),提高了施藥過程中作業(yè)精準(zhǔn)性,施藥覆蓋率達(dá)92.4%。

        圖3 國外地面軌道式施藥裝備

        ◎ 國內(nèi)

        國內(nèi)靳偉[19]設(shè)計了軌道式多行作業(yè)噴霧機(jī),研究分析了3種速度、有無軌道和不平整激勵條件下噴桿自由擺動幅度和吊軌偏轉(zhuǎn)角,并選擇適宜頂噴數(shù)量,以滿足不同高度作物的施藥需求。袁雪等[20]基于CFD模擬技術(shù)建立了溫室風(fēng)送式彌霧機(jī)氣流速度場分布模型和霧滴沉積模型,根據(jù)不同風(fēng)送氣流速度和不同噴頭體傾角,得到彌霧機(jī)氣流速度場分布特性和霧滴沉積規(guī)律;根據(jù)相應(yīng)面分析搖擺式變量彌霧機(jī)并進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化,建立霧滴變異系統(tǒng)與噴霧流量、距離、行走速度和搖擺速度回歸模型,得到最佳作業(yè)參數(shù)[21]。梅銀成等[22]設(shè)計自走式彌霧機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng),采用GSM和單片機(jī),實(shí)現(xiàn)手機(jī)對彌霧機(jī)速度和流量的控制,尋找最佳作業(yè)參數(shù),霧滴分布變異系數(shù)控制在3%~5%,實(shí)現(xiàn)對噴霧流量的精確控制。李進(jìn)海等[23]設(shè)計了適于溫室的自動噴霧裝置(圖4-a),其風(fēng)機(jī)和噴頭成30°夾角,以促進(jìn)噴出藥液在出風(fēng)口二次霧化,且有利于氣流將葉片上下翻動,提高藥液的附著率和利用率。喻晨[24]以黃瓜霜霉病為研究對象(圖4-b),通過計算機(jī)視覺獲取黃瓜病害信息,診斷系統(tǒng)分析發(fā)病情況,根據(jù)病情調(diào)控施藥量以及噴霧時間,達(dá)到精準(zhǔn)對靶施藥作業(yè)效果。關(guān)旭生[25]研制了一種日光溫室行間自動噴藥機(jī)(圖4-c),該機(jī)器沿日光溫室靠北墻側(cè)運(yùn)行,底盤裝有傳感器,在其檢測到物體時,其壟間伸縮裝置會移動噴藥設(shè)備,實(shí)現(xiàn)自動噴藥。

        張俊雄等[26]、耿長興等[27]、曹崢勇等[28]以溫室黃瓜霜霉病為噴霧防治對象,結(jié)合溫室環(huán)境和黃瓜種植模式,設(shè)計研發(fā)了溫室移動對靶噴霧系統(tǒng)(圖4-d),利用計算機(jī)視覺獲取以1.2 m×1.2 m區(qū)域內(nèi)葉片病害的顏色和紋理特征進(jìn)行判別,機(jī)械臂帶動噴頭移動,以0.2 m×0.2 m為靶標(biāo)單元確定作物病害的感染程度和分布,并進(jìn)行精準(zhǔn)對靶施藥,通過PLC驅(qū)使三自由度的機(jī)械臂移動噴頭,以達(dá)到精準(zhǔn)噴施效果。徐瑞峰等[29]設(shè)計了溫室果蔬高效風(fēng)助施藥系統(tǒng)(圖4-e),在移動平臺搭載噴霧裝備,沿軌道作業(yè),噴頭能在作物高度方向均勻噴施,可在換行時停止工作并移動至下一行進(jìn)行作業(yè),提高了噴灑的均勻性。吳亞壘等[30]基于STM32F101、4G、超聲波靶標(biāo)檢測算法,設(shè)計了一款遠(yuǎn)程智能噴霧控制系統(tǒng)(圖4-f),其可對靶標(biāo)進(jìn)行間歇性藥液管控,并以風(fēng)送距離參數(shù)建立冠層體積模型,實(shí)現(xiàn)了人機(jī)分離和精準(zhǔn)噴施。

        白如月[31]設(shè)計了基于機(jī)器視覺的溫室自走式施藥機(jī)器人(圖4-g),其選用模糊PID控制算法,以壓力傳感器為校準(zhǔn)輸入量,以PWM不同占空比調(diào)整液泵壓力,并作為最終輸出量,實(shí)現(xiàn)了恒壓變量施藥。李明[32]、陳寶林[33]研制了自主行走的溫室彌霧機(jī)(圖4-h),提出“自主行走式物流車+姿態(tài)可調(diào)風(fēng)送噴霧”的模塊化集成方案,可以根據(jù)蔬菜種植模式優(yōu)化噴霧姿態(tài),利用風(fēng)送將高壓靜電霧滴輸送至作物冠層,提高霧滴沉積,并實(shí)現(xiàn)人藥分離的全自動施藥。

        圖4 國內(nèi)地面軌道式施藥裝備

        無軌移動式施藥技術(shù)及裝備

        無軌移動式主要在園區(qū)地面自由移動,有履帶式、輪式、退式、復(fù)合式等形式,主要由電機(jī)或油機(jī)驅(qū)動、控制結(jié)構(gòu)、傳動機(jī)構(gòu)、導(dǎo)航裝置、通信裝置、復(fù)合底盤等組成,履帶式、輪式等主要區(qū)別在于和地面的接觸面積不同,導(dǎo)致跨越能力不同,自動行動能力強(qiáng),搭載自動導(dǎo)航系統(tǒng)和高通量傳感器實(shí)現(xiàn)自主路徑規(guī)劃,但其因無軌道限制,控制系統(tǒng)較復(fù)雜,移動速度較慢,機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜,對地面平整度有一定要求,適合園區(qū)較好環(huán)境地塊作業(yè)。

        ◎ 國外

        國外Wand kar等[34]設(shè)計了一種用于溫室花卉空氣輔助噴灑施藥機(jī)(圖5-a),其能提高霧滴穿透性和覆蓋均勻性。Sonck[35]開發(fā)了一種垂直噴霧系統(tǒng)(圖5-b),其中包括自動霧滴生成器和循環(huán)風(fēng)送系統(tǒng),安裝到自主行駛的車輛上,通過控制施藥裝置和風(fēng)送裝置實(shí)現(xiàn)對靶噴霧。Bakker等[36]開發(fā)了基于視覺檢測的自動駕駛車輛(圖5-c),提出智能拼圖法,可顯著提高圖像處理能力,為后期精準(zhǔn)施藥提供研究基礎(chǔ)。Francisco等[37]在輪式設(shè)備中安裝2個垂直噴桿(圖5-d),并利用低成本超聲檢測控制施藥系統(tǒng),可確定系統(tǒng)激活最小距離,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制施藥作業(yè)。

        圖5 國外無軌移動式施藥裝備

        ◎ 國內(nèi)

        國內(nèi)徐勇[38]設(shè)計開發(fā)了一種履帶式智能施藥車(圖6-a),其可通過視覺識別判定提供決策模型,智能施藥自動導(dǎo)航進(jìn)行噴施作業(yè),實(shí)現(xiàn)籬架型黃瓜精準(zhǔn)對靶施藥作業(yè)。李良等[39-40]有針對性地設(shè)計開發(fā)了溫室軌道風(fēng)送施藥機(jī)器人系統(tǒng)(圖6-b)。系統(tǒng)采用三菱PLC作為控制核心,通過驅(qū)動模塊操控移動平臺和風(fēng)送施藥系統(tǒng),改變PWM噴頭的占空比來精準(zhǔn)調(diào)控施藥流量,并與流量傳感器采集反饋校準(zhǔn),達(dá)到自動精準(zhǔn)變量施藥的目的。Wang等[41]設(shè)計一款四輪差分控制的移動機(jī)器人(圖6-c),通過2組電磁閥控制噴頭,調(diào)節(jié)噴桿方向,達(dá)到對靶施藥。

        賈衛(wèi)東等[42]設(shè)計了一種遙控式溫室自適應(yīng)噴霧機(jī)(圖6-d),配有無線遙控和自適應(yīng)系統(tǒng),通過超聲傳感器檢測車體位置,可自動適應(yīng)調(diào)節(jié)距離靶標(biāo)位置,施藥過程中可始終與作物保持近似平行,防止出現(xiàn)重噴和漏噴現(xiàn)象,提高了農(nóng)藥噴施的準(zhǔn)確性。王江山[43]設(shè)計開發(fā)了溫室高架環(huán)境下草莓的側(cè)傾微風(fēng)送施藥機(jī)(圖6-e),提出特殊的兩側(cè)四行居中傾微風(fēng)施藥方案,提高了作物冠層內(nèi)以及葉片正反面的沉積均勻性;并建立施藥高度、角度、噴幅霧滴沉積模型,為智能自適應(yīng)施藥控制算法提供了依據(jù)。顏杰[44]將自動控制技術(shù)與對靶施藥技術(shù)結(jié)合,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控作業(yè)(圖6-f),并能根據(jù)靶標(biāo)的有無進(jìn)行自動對靶施藥,可減少農(nóng)藥43.24%~47.06%,大大節(jié)省了農(nóng)藥施藥量。

        王作娟[45]根據(jù)自走式施藥機(jī)械結(jié)構(gòu)和溫室大棚結(jié)構(gòu)類型,設(shè)計了一種以PLC為控制器、可適應(yīng)不同施藥場景的施藥架,其可智能調(diào)節(jié)施藥角度(圖6-g),同時應(yīng)用壓力、流量等各類傳感器監(jiān)測反饋機(jī)制,實(shí)現(xiàn)對農(nóng)藥精準(zhǔn)控制。靳文停等[46]設(shè)計了一款智能施藥機(jī)器人(圖6-h),其通過自主導(dǎo)航攝像頭和傳感器控制車輛自主行駛,到達(dá)作物位置后由滾珠絲杠和直線電動推桿調(diào)整施藥位置,獲取最佳施藥距離并進(jìn)行作業(yè)。徐浩成等[47]設(shè)計了智能施藥車,可在溫室植株行間自主施藥(圖6-i),通過PID算法調(diào)整航線運(yùn)動控制,并采用超聲傳感器等安全報警模塊,保障施藥過程中能自動停止施藥,實(shí)現(xiàn)了對農(nóng)藥量的精準(zhǔn)控制。

        圖6 國內(nèi)無軌移動式施藥裝備

        小結(jié)

        蔬菜生產(chǎn)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的一個重要部分,國外對蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)的研究是一個系統(tǒng)工程,以美國、意大利等國家生產(chǎn)的機(jī)械裝備為代表,其融合了計算機(jī)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)等信息技術(shù),使大型蔬菜作業(yè)機(jī)械的智能化、自動化程度得到大幅度提高。整合自動導(dǎo)航技術(shù)、精密控制技術(shù)、農(nóng)田信息采集、專家決策系統(tǒng)等,充分應(yīng)用了地理信息系統(tǒng)(GIS)、全球定位系統(tǒng)(GPS)、農(nóng)田遙感監(jiān)測系統(tǒng)(RS)等精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的核心技術(shù),根據(jù)電腦處方、施藥量精準(zhǔn)在線檢測,實(shí)施精細(xì)化田間作業(yè)。為適宜大型機(jī)械化全程作業(yè),歐美很多農(nóng)場只生產(chǎn)單一品種蔬菜,生產(chǎn)過程分工精細(xì),要求蔬菜田間作業(yè)機(jī)具具有大型化、智能化、自動化、通用性、一體化等組合功能[48-49]。設(shè)施蔬菜作業(yè)空間相對狹窄,機(jī)動性能好的智能移動平臺搭載噴霧裝備進(jìn)行施藥(圖7),有利于精準(zhǔn)對靶施藥技術(shù)實(shí)施,能進(jìn)一步提高設(shè)施植保作業(yè)機(jī)械化、智能化、自動化水平。國內(nèi)外開展了大量研究,如基于圖像識別的龍門架式移動平臺[50-52],融合視覺導(dǎo)航和RFID定位技術(shù)的軌道式自主移動平臺[53-55],自主規(guī)劃路線的輪式移動平臺[56],以及人體仿生機(jī)器人[57-58]等,這些為智能精準(zhǔn)對靶施藥提供了必要的作業(yè)平臺。

        圖7 智能移動平臺搭載噴霧裝備進(jìn)行施藥

        蔬菜智能化裝備主要將通信技術(shù)、智能控制技術(shù)等相結(jié)合,形成具有感知、思考、學(xué)習(xí)的自主施藥的機(jī)器人,隨著世界新的經(jīng)濟(jì)時代的來臨,各個國家均加快了向智能化升級的步伐,并提出一系列政策和研究專項(xiàng),如歐洲提出“工業(yè)4.0”,中國也將智能化列為“十四五”重點(diǎn)發(fā)展目標(biāo),針對園藝設(shè)施列出“智能農(nóng)機(jī)專項(xiàng)”“溫室智能化精細(xì)生產(chǎn)技術(shù)與裝備研發(fā)”等項(xiàng)目。縱觀農(nóng)機(jī)發(fā)展歷程,國內(nèi)外均要經(jīng)歷機(jī)械化、自動化、信息化、智能化、標(biāo)準(zhǔn)化等階段,但是絕大多數(shù)的國家沒有全部實(shí)現(xiàn)智能化的轉(zhuǎn)變,均是在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進(jìn)行機(jī)械化、信息化、智能化改造,距離真正意義的智能化仍較遠(yuǎn)。國外機(jī)械化開展較早,蔬菜產(chǎn)業(yè)應(yīng)用智能化水平較高,中國蔬菜機(jī)械化水平不足40%,遠(yuǎn)低于主要糧食作物,目前在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的植保機(jī)械仍以手動或電動背負(fù)式噴霧器為主,作業(yè)效率低,勞動強(qiáng)度大,傳統(tǒng)的大容量噴霧技術(shù)進(jìn)一步增加了溫室的濕度,更容易誘發(fā)病蟲害的發(fā)生。常規(guī)的施藥機(jī)具和方法已不能滿足無公害和綠色蔬菜的生產(chǎn)要求。為改變目前溫室施藥機(jī)具落后、施藥困難的問題,國內(nèi)出現(xiàn)了一些新型的溫室植保機(jī)具,如電動背負(fù)式風(fēng)送噴霧器、旋轉(zhuǎn)噴槍、熱煙霧機(jī)、常溫?zé)熿F機(jī)、溫室軌道式彌霧機(jī)、背負(fù)式靜電噴霧器等。同時研發(fā)并改進(jìn)了許多先進(jìn)的植保機(jī)械,例如,噴桿式噴霧機(jī),風(fēng)送式噴霧機(jī),基于RTK導(dǎo)航、超聲波和機(jī)器視覺的自動對靶噴霧機(jī)等[59-62],但由于機(jī)具成本和溫室內(nèi)作物行間及地頭窄小的作業(yè)環(huán)境限制,這些先進(jìn)的施藥機(jī)具并沒有得到大面積的推廣應(yīng)用。為了開啟國內(nèi)蔬菜產(chǎn)業(yè)智能化道路,國內(nèi)需提高機(jī)械化和自動化水平,突破智能化實(shí)施過程中所需的關(guān)鍵技術(shù),開拓全程多學(xué)科融合發(fā)展之路。

        蔬菜產(chǎn)業(yè)智能植保農(nóng)機(jī)裝備技術(shù)發(fā)展中的困境與難點(diǎn)

        隨著農(nóng)藥污染問題的重視和環(huán)保意識的增強(qiáng),針對蔬菜產(chǎn)業(yè)施藥問題,越來越多的學(xué)者和企業(yè)開始重視農(nóng)藥的精準(zhǔn)使用,開始了提高蔬菜植保機(jī)械智能化、精準(zhǔn)化水平的研究。風(fēng)送對靶施藥、基于傳感器的精準(zhǔn)施藥等技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到蔬菜產(chǎn)業(yè)中。雖然我國蔬菜機(jī)械化、智能化、精準(zhǔn)化已經(jīng)取得十分顯著的進(jìn)展,但面對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展需求,其蔬菜產(chǎn)業(yè)智能植保農(nóng)機(jī)發(fā)展仍有許多困境。

        規(guī)劃引導(dǎo)及推廣效力不足

        蔬菜生產(chǎn)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要內(nèi)容,是農(nóng)民發(fā)家致富的重要途徑,蔬菜生產(chǎn)病蟲害管理是實(shí)現(xiàn)蔬菜產(chǎn)業(yè)節(jié)本增效的重要著力點(diǎn),信息化、智能化雖投入成本高,但面對勞動力短缺、蔬菜農(nóng)藥殘留等問題,精準(zhǔn)植保已經(jīng)成為當(dāng)今發(fā)展的重要方向。有關(guān)主管部門在搞好頂層設(shè)計、明確總方向、統(tǒng)籌設(shè)施和露地蔬菜重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域全局、制定蔬菜智能植保機(jī)械化戰(zhàn)略規(guī)劃上仍存在不足;在蔬菜智能植保機(jī)械化實(shí)際推廣過程中仍存在管轄部門多,辦事部門少;演示機(jī)械多、干活機(jī)械少;機(jī)械種類多,實(shí)際作用?。谎a(bǔ)貼目錄多,支持力度少等不良現(xiàn)象。

        蔬菜產(chǎn)業(yè)推廣應(yīng)用進(jìn)展遲緩

        智能植保機(jī)械雖可減少勞動力成本、提高施藥效率,但其成本高、應(yīng)用局限性大,仍多集中于投入較高、市場效益較好的園區(qū)企業(yè)、試驗(yàn)站,針對相對偏遠(yuǎn)地區(qū)應(yīng)用極少,絕大多數(shù)的地區(qū)基本使用智能化程度較低的小型植保裝備;并且多數(shù)智能植保裝備為樣機(jī)階段,并未在行業(yè)中進(jìn)行推廣,其適用性低、維護(hù)成本高,且研發(fā)單位多為科研性質(zhì),推廣規(guī)模小、經(jīng)驗(yàn)不足,導(dǎo)致植保機(jī)具應(yīng)用商業(yè)化水平低。

        學(xué)科間協(xié)同創(chuàng)新機(jī)制欠缺

        蔬菜植保智能化是一項(xiàng)系統(tǒng)性工程,需要農(nóng)藝技術(shù)、農(nóng)機(jī)制造、設(shè)施技術(shù)、智能控制等多學(xué)科和部門協(xié)同攻關(guān),特別是智能化植保機(jī)械,不只是需要機(jī)械水平和農(nóng)藥應(yīng)用技術(shù),更需要將電子信息化、農(nóng)藝與農(nóng)機(jī)相融合,但目前缺乏多學(xué)科之間合作,往往在本領(lǐng)域進(jìn)行單項(xiàng)技術(shù)研究,造成綜合集成技術(shù)少,農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝不匹配、產(chǎn)學(xué)研推用脫節(jié),嚴(yán)重影響智能化植保機(jī)械的推廣,造成單項(xiàng)技術(shù)難以適應(yīng)規(guī)?;滦褪卟松a(chǎn)經(jīng)營主體的局面。

        蔬菜智能植保機(jī)械應(yīng)用基礎(chǔ)差

        蔬菜生產(chǎn)機(jī)械化是機(jī)械智能化的基礎(chǔ),而機(jī)械化離不開設(shè)施的標(biāo)準(zhǔn)化和農(nóng)藝的規(guī)范化。設(shè)施結(jié)構(gòu)不規(guī)范、蔬菜農(nóng)藝多樣,導(dǎo)致產(chǎn)業(yè)規(guī)?;睢⑸a(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)隨意,注重農(nóng)藝措施,輕視機(jī)械措施,且在蔬菜園區(qū)建設(shè)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中忽視機(jī)械作業(yè)的可操作性,導(dǎo)致農(nóng)機(jī)制造企業(yè)開發(fā)機(jī)械設(shè)備難度提高,農(nóng)機(jī)批量化生產(chǎn)制造成本高,難以大規(guī)模推廣應(yīng)用;農(nóng)藝農(nóng)機(jī)脫節(jié),農(nóng)機(jī)配套難;這些都嚴(yán)重制約著智能植保機(jī)械的應(yīng)用與發(fā)展。

        蔬菜智能植保機(jī)械關(guān)鍵技術(shù)被卡脖子

        近年來,我國智能農(nóng)機(jī)保有量有所增加,高端研究示范型、低端應(yīng)用型農(nóng)機(jī)居多。高端產(chǎn)品的傳感器等關(guān)鍵部件主要依靠進(jìn)口,導(dǎo)致生產(chǎn)成本高,關(guān)鍵性技術(shù)難以突破;而低端產(chǎn)品出現(xiàn)模仿、低效競爭,開發(fā)企業(yè)利益因得不到法律保障而難以維持。智能農(nóng)機(jī)在我國尚未形成大規(guī)模應(yīng)用,缺乏成套化、標(biāo)準(zhǔn)化;因此,企業(yè)維護(hù)成本高,同時沒有針對智能設(shè)備的額外補(bǔ)貼,企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營難以維持,缺乏技術(shù)和資金研發(fā)適合蔬菜智能植保機(jī)械的關(guān)鍵零部件。

        農(nóng)機(jī)經(jīng)營主體對蔬菜智能植保機(jī)械態(tài)度消極

        蔬菜智能植保機(jī)械在市場推廣中受國家補(bǔ)貼政策影響較大,因智能農(nóng)機(jī)設(shè)備屬非通用型裝備,針對智能農(nóng)機(jī)沒有特殊補(bǔ)貼,導(dǎo)致經(jīng)銷商興趣不高;且智能農(nóng)機(jī)較傳統(tǒng)機(jī)械維修保養(yǎng)難度大,用戶沒有相應(yīng)的技術(shù)儲備,產(chǎn)品使用體驗(yàn)感差而不能有效推廣使用。

        小結(jié)

        農(nóng)機(jī)智能化是農(nóng)業(yè)智能化的關(guān)鍵,我國農(nóng)機(jī)尤其是植保農(nóng)機(jī)正在走向數(shù)字化、精準(zhǔn)化、高效化和科學(xué)化軌道,路途上面臨著規(guī)劃引導(dǎo)及推廣力不足、蔬菜植保機(jī)械應(yīng)用率低、農(nóng)機(jī)農(nóng)藝缺乏融合等挑戰(zhàn),但搭載信息感知技術(shù)、傳感器、互聯(lián)網(wǎng)和智能控制技術(shù)的植保農(nóng)機(jī)裝備潛力較大。

        蔬菜施藥農(nóng)機(jī)裝備發(fā)展趨勢

        隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、5G、人工智能、無人駕駛等技術(shù)的興起,信息產(chǎn)業(yè)革命使新技術(shù)、新裝備與農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的融合不斷加深,未來蔬菜產(chǎn)業(yè)被賦予了豐富的內(nèi)涵,同時也將迎來深刻的發(fā)展變革。由于蔬菜產(chǎn)業(yè)特別是設(shè)施蔬菜工作場景處于非結(jié)構(gòu)化,作業(yè)對象顏色、形態(tài)、背景復(fù)雜性高,作業(yè)空間和機(jī)械運(yùn)動軌跡規(guī)劃多變,給精準(zhǔn)對靶施藥機(jī)器人作業(yè)帶來很大困難,但國內(nèi)外針對蔬菜智能精準(zhǔn)對靶農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究從未停止,從智能感知、控制、決策、作業(yè)、管控技術(shù)應(yīng)用到政府引導(dǎo)推廣、企業(yè)產(chǎn)品開發(fā)升級等方面繼續(xù)深入推進(jìn),呈現(xiàn)如下趨勢。

        智能化裝備將加快推廣應(yīng)用

        蔬菜是日常生活必不可少的食物,隨著人口紅利逐步消退,人口數(shù)量持續(xù)減少,勞動成本增加,間接地促進(jìn)了省時、省力的智能化蔬菜植保裝備的大力發(fā)展。當(dāng)今時代,互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)在全球產(chǎn)業(yè)化布局下發(fā)展加快,智能手機(jī)、無線傳輸設(shè)備等終端設(shè)備被廣泛應(yīng)用,4G、5G網(wǎng)絡(luò)不斷成熟,基于以上先進(jìn)技術(shù)的智能化植保設(shè)備將實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展,亦可為菜農(nóng)帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益,展現(xiàn)出巨大潛力,這將極大地激發(fā)蔬菜種植者對病蟲害智能管理的熱情,進(jìn)一步加快智慧農(nóng)業(yè)、人工智能等技術(shù)融合,促進(jìn)蔬菜施藥精準(zhǔn)化、智能化,為打造蔬菜智能植保提供重要的技術(shù)支撐。

        人工智能等新技術(shù)革命加快應(yīng)用

        人工智能以及各類傳感器技術(shù)、高通量植物表型測量技術(shù)快速發(fā)展,并利用基因?qū)W、分子生物學(xué)、農(nóng)藥遙感、建模分析等技術(shù),對作物基因—表型—環(huán)境進(jìn)行有機(jī)調(diào)控,一系列具有人工智能的裝備和產(chǎn)品逐步應(yīng)用到現(xiàn)代蔬菜產(chǎn)業(yè)中,可通過智能監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程傳輸、智能分析和自動化控制實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程全程監(jiān)控與管理,構(gòu)建蔬菜全產(chǎn)業(yè)鏈自動化應(yīng)用體系,實(shí)現(xiàn)全程智能管理,可極大提高蔬菜生產(chǎn)效率和產(chǎn)品品質(zhì)。

        注重蔬菜產(chǎn)品安全,推動農(nóng)藥精準(zhǔn)使用

        蔬菜藥肥用量大、周期長,極易因過量施藥造成農(nóng)藥殘留,而流失到土壤的農(nóng)藥對下茬作物健康生產(chǎn)造成影響,嚴(yán)重影響人類賴以生存的環(huán)境。隨著人們對食品安全的不斷關(guān)注,低殘留、綠色、健康的蔬菜成為人們選購的焦點(diǎn),迫使菜農(nóng)提高施藥的精量化,而單靠經(jīng)驗(yàn)難以實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥精準(zhǔn)控制;因此,智能精準(zhǔn)的蔬菜施藥裝備成為蔬菜綠色發(fā)展的重要趨勢,推動智能低量施藥、對靶施藥技術(shù)在新型蔬菜植保機(jī)械中的應(yīng)用。

        蔬菜植保配套機(jī)具專業(yè)化、智能化、成套化

        受“重糧食,輕蔬菜;重農(nóng)藝,輕裝備;重設(shè)施,輕機(jī)具”等種植思想的影響,蔬菜生產(chǎn)專用平臺、精準(zhǔn)施藥等關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)投入少,在病蟲害管理等環(huán)節(jié)機(jī)械不配套、效率低、施藥質(zhì)量差等問題突出。隨著農(nóng)藝措施標(biāo)準(zhǔn)化的推進(jìn),將加快蔬菜園區(qū)的宜機(jī)化改造,開發(fā)適合蔬菜生產(chǎn)的專用多功能平臺,以適應(yīng)蔬菜智能施藥裝備作業(yè),促進(jìn)農(nóng)機(jī)、農(nóng)藝融合;同時,推進(jìn)系統(tǒng)集成智能化設(shè)備并用于生產(chǎn),即將施藥、采摘、施肥等集成到通用平臺,實(shí)現(xiàn)配套機(jī)具的成套化、專業(yè)化、智能化。

        精準(zhǔn)對靶施藥技術(shù)加快應(yīng)用

        設(shè)施中作物冠層高大密集,葉片相互遮蔽,霧滴很難穿透冠層而沉積到行間,蔬菜種植模式和冠層特征導(dǎo)致病蟲害發(fā)病重、繁殖快、“打不透、殺不掉”的現(xiàn)象普遍存在;因此,針對不同蔬菜冠層特征,利用變量風(fēng)送技術(shù)、靜電噴霧技術(shù)、基于傳感器的對靶施藥技術(shù)成為未來蔬菜產(chǎn)業(yè)病蟲害防治標(biāo)準(zhǔn)配置,對減少農(nóng)藥使用量、農(nóng)藥殘留,保證食品安全具有重要意義。

        蔬菜智能精準(zhǔn)植保機(jī)器人創(chuàng)新

        隨著中國城市化進(jìn)程的加快,勞動力短缺加劇,施藥過程人員安全更加受到重視,造成在蔬菜病蟲害防治高峰期,難以找到作業(yè)工人,促使種植者使用代替人類工作的智能施藥裝備。需求促進(jìn)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)升級,刺激企業(yè)加大對蔬菜智能植保機(jī)械研究;同時,企業(yè)在尋找新的市場機(jī)遇,加快蔬菜自主智能植保機(jī)器人開發(fā),以實(shí)現(xiàn)植保作業(yè)人機(jī)分離、人藥分離為目標(biāo),利用各類傳感器實(shí)現(xiàn)蔬菜施藥機(jī)器人自主規(guī)劃路徑,根據(jù)作物冠層特點(diǎn)和病蟲害發(fā)生特征,有針對性地研發(fā)智能精準(zhǔn)對靶施藥裝備,最終實(shí)現(xiàn)蔬菜施藥無人化、精準(zhǔn)化作業(yè)。

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