王 琢，張俊峰，肖 進(jìn)，羅友誼，田滿洲，何雨霜，周 朝

（武漢市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，武漢 430345）

中國是水果生產(chǎn)和消費(fèi)大國，種植面積和產(chǎn)量均居世界第一位。2019 年，中國果園種植面積1 227.67 萬hm2，主要集中在丘陵山區(qū)，丘陵果園生產(chǎn)機(jī)械化水平總體小于20%。

1 果園運(yùn)輸裝備研究進(jìn)展

1.1 國外果園運(yùn)輸裝備現(xiàn)狀

歐洲國家、美國、日本等發(fā)達(dá)國家果園機(jī)械化起步較早，19 世紀(jì)開始果園機(jī)械化運(yùn)輸裝備的研發(fā)工作，20 世紀(jì)90 年代進(jìn)入應(yīng)用階段。1966 年，日本Nikkari 公司研發(fā)出世界上第一臺單軌道運(yùn)輸機(jī)，最大爬坡能力45°，最大裝載能力3 000 kg。1994 年，韓國大韓國大鉉株式會社MCK 機(jī)械有限公司研發(fā)出森林單軌運(yùn)輸機(jī)［1，2］。

國外標(biāo)準(zhǔn)化果園擁有完備的運(yùn)輸裝備體系，機(jī)械化的運(yùn)輸方式得到了廣泛應(yīng)用。在德國和意大利，果園主要位于丘陵山地，以小規(guī)模農(nóng)場為主，運(yùn)輸裝備主要采用獨(dú)立的中型輪式運(yùn)輸車和由拖拉機(jī)改造而來的運(yùn)輸機(jī)。在法國和英國，果園主要位于平地，以中等規(guī)模農(nóng)場為主，運(yùn)輸裝備主要采用中型拖拉機(jī)和箱式貨運(yùn)車。在美國和加拿大，果園主要位于平地，以大型農(nóng)場為主，運(yùn)輸裝備主要采用叉車、重型載貨汽車和半掛牽引汽車。在日本，果園主要位于丘陵山地，且坡度較大，地形較為復(fù)雜，以小規(guī)模家庭經(jīng)營為主。日本的果園運(yùn)輸裝備齊全，有多輪（二輪至六輪）農(nóng)用運(yùn)輸機(jī)、履帶式果園運(yùn)輸機(jī)、軌道運(yùn)輸機(jī)和索道運(yùn)輸機(jī)［3-5］。發(fā)達(dá)國家的果園標(biāo)準(zhǔn)化程度高、集約化生產(chǎn)規(guī)模大，果園機(jī)械化運(yùn)輸裝備體系相對健全。

1.2 國內(nèi)果園運(yùn)輸裝備現(xiàn)狀

中國國內(nèi)果園的特點(diǎn)是規(guī)模小、坡地多、種植標(biāo)準(zhǔn)差異大，從而導(dǎo)致機(jī)械化程度低，鮮果和肥料運(yùn)輸困難，果農(nóng)勞動強(qiáng)度大。從經(jīng)營方式上來看，中國果園目前主要以單戶分散經(jīng)營為主，正逐步向家庭農(nóng)場和企業(yè)經(jīng)營型發(fā)展。從運(yùn)輸方式上來看，目前以人工搬運(yùn)為主，正逐步向機(jī)械化運(yùn)輸轉(zhuǎn)變。相對于發(fā)達(dá)國家，中國的果園機(jī)械化裝備研發(fā)和應(yīng)用起步較晚，運(yùn)輸裝備主要有輪式運(yùn)輸車、履帶式運(yùn)輸車、軌道運(yùn)輸機(jī)、索道運(yùn)輸機(jī)等4 種類型。

輪式運(yùn)輸車結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行靈活，20 世紀(jì)80 年代，中國出現(xiàn)了不同型號的三輪和四輪農(nóng)用運(yùn)輸車。其中，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)研發(fā)了適用于坡地的輕簡化輪式運(yùn)輸車，最大爬坡能力為12°，最大裝載能力為250 kg（平地）、200 kg（坡地）［4］。

相較于輪式運(yùn)輸車，履帶式運(yùn)輸車具有爬坡能力強(qiáng)、通過性好的優(yōu)點(diǎn)。2011 年，國內(nèi)出現(xiàn)了一種遙控式履帶運(yùn)輸車，主要特點(diǎn)是載貨平臺可以自動調(diào)平，防止爬坡時貨物從載貨平臺上掉落［6］。2013年，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)研發(fā)了一款單履帶動力運(yùn)輸車，以單人手扶式操作［7］。2016 年華南農(nóng)業(yè)大學(xué)研發(fā)了一款手扶式微型履帶運(yùn)輸車，采用雙電機(jī)驅(qū)動，48 V鋰電池供電［3］。

履帶式運(yùn)輸車的爬坡能力通常不大于20°，而中國南方果園的坡度通常都大于20°，國內(nèi)學(xué)者為解決該問題，研發(fā)了軌道式運(yùn)輸機(jī)。國內(nèi)的山地果園運(yùn)輸機(jī)軌道類型主要有單軌型、雙軌型、無軌型，運(yùn)行方式主要有自走式、牽引式、無動力式，驅(qū)動力主要有柴油機(jī)、汽油機(jī)、電動機(jī)。2008 年，湖北省宜昌市夷陵區(qū)在坡度60°的柑橘果園安裝了雙軌軟索運(yùn)輸機(jī)，以100 m 的間隔距離安裝一條軌道，每組3~4 個拖車，可以裝載800~1 000 kg 物料［8］。從2008 年開始，柑橘現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系機(jī)械研究室華中農(nóng)業(yè)大學(xué)團(tuán)隊研發(fā)了牽引式單軌、自走式單軌、自走式雙軌等多款型號的山地果園運(yùn)輸機(jī)［9-18］，并在湖北、重慶、廣西等?。ㄊ校┻M(jìn)行了推廣，如圖1 所示。華南農(nóng)業(yè)大學(xué)團(tuán)隊也研發(fā)了一系列的山地果園運(yùn)輸機(jī)，包括雙軌牽引式、電動單軌自走式運(yùn)輸機(jī)，在傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、避障系統(tǒng)等方面展開了研究［19-23］。

圖1 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)研發(fā)的山地果園軌道運(yùn)輸機(jī)

索道運(yùn)輸機(jī)是另一種山地果園運(yùn)輸裝備，與軌道運(yùn)輸機(jī)相比，索道運(yùn)輸裝備不需要在地面修建軌道，安裝施工難度和成本較低［24］。2011 年，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)研發(fā)了一種鏈?zhǔn)窖h(huán)貨運(yùn)索道運(yùn)輸裝備，實(shí)現(xiàn)了上下坡、轉(zhuǎn)彎和直線的循環(huán)運(yùn)行，以及啟動、停止的遙控控制，最高生產(chǎn)率可達(dá)6.8 t/h［25-28］。

綜上分析，中國果園地形坡度大，生產(chǎn)規(guī)模大小不一，南北種植模式差異大，導(dǎo)致早些年機(jī)械化運(yùn)輸裝備研發(fā)與應(yīng)用進(jìn)展緩慢。近年來，由于國家政策的引導(dǎo)，土地流轉(zhuǎn)加速，企業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，上下游產(chǎn)業(yè)鏈形成，配套研發(fā)投入擴(kuò)大，越來越多的科研院所和企業(yè)投入到果園機(jī)械化運(yùn)輸裝備的研發(fā)中，在中國南方地區(qū)，基本形成較為完備的機(jī)械化運(yùn)輸裝備體系。

2 數(shù)字果園研究進(jìn)展

2.1 數(shù)字果園的概念

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)強(qiáng)調(diào)傳統(tǒng)農(nóng)藝種植技術(shù)與數(shù)字技術(shù)深度融合，數(shù)字農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展趨勢。數(shù)字果園是信息技術(shù)領(lǐng)域與果樹栽培、果園管理領(lǐng)域交叉形成的新的研究領(lǐng)域，對果園生產(chǎn)、管理、經(jīng)營、流通、服務(wù)等環(huán)節(jié)中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)資源進(jìn)行利用，使果園按照消費(fèi)者需求的目標(biāo)和方向發(fā)展［29，30］。在數(shù)字果園中，數(shù)據(jù)是關(guān)鍵的生產(chǎn)要素，也是影響效益的重要因素。信息與數(shù)據(jù)貫穿果園的整個產(chǎn)業(yè)過程，通過傳感器、采集器、物聯(lián)網(wǎng)平臺等電子信息設(shè)備收集、存儲和分析數(shù)據(jù)，再依據(jù)數(shù)據(jù)做出決策。相比傳統(tǒng)的勞動密集型果園，數(shù)字果園可以降低勞動強(qiáng)度，提高生產(chǎn)管理水平，提升水果品質(zhì)，做到水果種類和數(shù)量的按需供給。

2.2 數(shù)字果園研究現(xiàn)狀

國內(nèi)學(xué)者對數(shù)字果園的研究主要集中在物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)領(lǐng)域。主要包括3 個方面，一是果園環(huán)境與果樹生長信息的數(shù)字化表示，二是果園檔案與生產(chǎn)過程數(shù)字化監(jiān)測，三是水果經(jīng)營與流通數(shù)字化管理［30］。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所以“數(shù)據(jù)—知識—決策”為主線，從果園智能感知、快速診斷、精準(zhǔn)作業(yè)3 個方面，利用航天遙感、航空遙感、地面物聯(lián)網(wǎng)，構(gòu)建了天空地一體的果園生產(chǎn)精準(zhǔn)管理體系［31］。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)信息研究所針對果園環(huán)境采集數(shù)據(jù)的交換與共享規(guī)范缺乏的問題，提出了一種基于XML 的果園環(huán)境采集數(shù)據(jù)表示格式［32］。太原理工大學(xué)與太原師范學(xué)院等單位設(shè)計和實(shí)現(xiàn)了一套果園GPS 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，能對果園面積和產(chǎn)量進(jìn)行估算［33］。河北農(nóng)業(yè)大學(xué)設(shè)計了一套基于移動終端的數(shù)字果園管理系統(tǒng)，系統(tǒng)以單株果樹為管理單元，可以方便地記錄和查詢果園和果樹屬性等信息［34］。以上研究著重從理論方面對數(shù)字果園的相關(guān)底層技術(shù)、管理體系、運(yùn)行模式等方面進(jìn)行了探索，而在實(shí)際的數(shù)字果園建設(shè)中還會面臨更復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)問題。

3 主要問題與展望

經(jīng)過近年來的迅速發(fā)展，不少機(jī)械化裝備和信息化系統(tǒng)在市場上得到了應(yīng)用，解決了果農(nóng)面臨的一部分實(shí)際問題。然而，在果園機(jī)械化運(yùn)輸裝備和數(shù)字果園方面還存在一系列亟待解決的問題。

1）機(jī)械化運(yùn)輸裝備自動化程度低。許多運(yùn)輸裝備仍然需要人工直接對機(jī)械進(jìn)行操控，裝備自身缺乏感知設(shè)備，沒有實(shí)現(xiàn)自動化運(yùn)行。電動化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化是機(jī)械裝備發(fā)展的趨勢，有必要對機(jī)械運(yùn)輸裝備的整體和局部進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，進(jìn)一步降低勞動強(qiáng)度，解放勞動力。隨著土地的流轉(zhuǎn)和農(nóng)村人口的下降，果園經(jīng)營模式朝著“地大人少”的方向改變，未來的果園可能存在多種機(jī)械化運(yùn)輸方式并存的生產(chǎn)運(yùn)輸模式，同一個果園的不同區(qū)域因坡度不同采用不同的運(yùn)輸裝備，各種運(yùn)輸裝備同時協(xié)同分工運(yùn)行。果農(nóng)利用一套系統(tǒng)可以掌握果園全局作業(yè)情況，各個運(yùn)輸裝備自主作業(yè)。

2）軌道運(yùn)輸機(jī)功能單一，與之配套的裝備、系統(tǒng)不健全。軌道式運(yùn)輸機(jī)實(shí)現(xiàn)了水果山間運(yùn)輸環(huán)節(jié)的機(jī)械化作業(yè)，但是仍然需要人力將水果從坡地上搬運(yùn)到運(yùn)輸機(jī)上，當(dāng)運(yùn)輸機(jī)下行到山腳后同樣需要人力將水果從運(yùn)輸機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)到貨車上。有必要研發(fā)配套的自動搬運(yùn)和轉(zhuǎn)運(yùn)裝備，實(shí)現(xiàn)整個運(yùn)輸環(huán)節(jié)的無人化作業(yè)。同時，軌道式運(yùn)輸機(jī)可以搭載更多的傳感檢測設(shè)備，通過機(jī)器學(xué)習(xí)和智能分析，在山間穿行的同時，對實(shí)時氣候、果園產(chǎn)量、病蟲害信息進(jìn)行采集和預(yù)測。

3）數(shù)字果園沒有全面實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。數(shù)字果園不是數(shù)字技術(shù)在某個環(huán)節(jié)的簡單應(yīng)用，而是全面系統(tǒng)地應(yīng)用到果園生產(chǎn)、管理以及消費(fèi)市場的各個環(huán)節(jié)。目前的研究多集中在果園環(huán)境數(shù)據(jù)和果樹生長數(shù)據(jù)的采集，沒有將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為知識系統(tǒng)，數(shù)據(jù)作為生產(chǎn)要素沒有得到充分利用。未來，應(yīng)該將果園生產(chǎn)數(shù)據(jù)、經(jīng)營數(shù)據(jù)、消費(fèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行全面整合，水果的品質(zhì)、果樹的長勢、土壤的營養(yǎng)狀況、氣候的變化、運(yùn)輸?shù)谋ｕr情況、消費(fèi)者的評價等都應(yīng)該有相應(yīng)的數(shù)字化表示，并且可以分析得出各個參數(shù)之間的影響機(jī)理，形成一整套從生產(chǎn)端到消費(fèi)端的數(shù)字化系統(tǒng)。

4 結(jié)論

近年來，中國已經(jīng)研發(fā)出多款果園機(jī)械化運(yùn)輸裝備，包括輪式運(yùn)輸車、履帶式運(yùn)輸車、軌道運(yùn)輸機(jī)、索道運(yùn)輸機(jī)等，不少廠家開發(fā)生產(chǎn)的運(yùn)輸裝備已經(jīng)納入農(nóng)機(jī)補(bǔ)貼目錄，也在中國南方地區(qū)進(jìn)行了推廣。從技術(shù)研發(fā)上來看，裝備的穩(wěn)定性、適應(yīng)性、便利性還有提升空間；從產(chǎn)品推廣來看，軌道式運(yùn)輸機(jī)已經(jīng)逐步在南方地區(qū)的部分果園投入使用。數(shù)字果園的研究也在許多環(huán)節(jié)取得了進(jìn)展，但由于種植模式、經(jīng)營模式的限制，離全面應(yīng)用還有很大的距離。當(dāng)農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝、信息化與機(jī)械化深入融合后，未來的果園將會更加快速地朝著全程機(jī)械化、全面數(shù)字化的方向發(fā)展。