蔣 慧,黎國健,翁恩彬,羅旭榮

(深圳市方格生態(tài)環(huán)境有限公司,廣東深圳 518035)

隨著“三分種,七分養(yǎng)”的意識深入人心,園林養(yǎng)護也慢慢得到了重視,特別是雙碳目標的影響下,以燃油機械和人工操作為主的相對粗放的管養(yǎng)方式,也逐步朝著低碳環(huán)保的趨勢轉變。根據(jù)我國園林養(yǎng)護管理現(xiàn)狀,整體的機械化水平、智能化水平、低碳環(huán)保水平較低,燃油機械的靈活性、實用性、輕便性、環(huán)保性等方面還存在較大的提升空間,新能源機械的應用還處在比較滯后的階段。按“十三五”期間園林機械在國內(nèi)外市場的狀況,供應國際市場的產(chǎn)值從現(xiàn)在的20億美元逐漸增加到25億美元,國內(nèi)用于園林綠地建植和養(yǎng)護的設備將由現(xiàn)在的20%左右增加到50%以上[1]。再加上園林綠化養(yǎng)護人員老齡化程度高、后備力量薄弱、人工成本不斷提升等原因,勢必會加快園林機械的推廣應用。新能源技術的不斷革新和對生態(tài)環(huán)境的日益重視,加快了新能源園林養(yǎng)護機械的快速發(fā)展。國際市場新能源機械的發(fā)展更是有目共睹,根據(jù)TraQline統(tǒng)計數(shù)據(jù),在北美地區(qū)的戶外動力設備領域,新能源園林機械市場份額已經(jīng)從2010年的13%增長至2021年的36%。隨著新能源、智能化技術的逐漸成熟,綠色、智能、高效能的園林機械設備代替?zhèn)鹘y(tǒng)、粗放、低效能的園林機械設備必是大勢所趨。

1 園林養(yǎng)護機械的類型

園林養(yǎng)護機械主要是園林養(yǎng)護管理中用于草坪養(yǎng)護、苗木修剪整形、病蟲害防治、灌溉施肥、苗木更新種植以及綠化廢棄物處理清運等工作的機械設備[2]。我國園林綠化機械設備的發(fā)展始于20世紀80年代,20世紀末開始全國園林建設蓬勃開展,進入快速發(fā)展時期。較早普及的機械類型主要是修剪整形、病蟲害防治和灌溉等中小型機械,改革開放以后,挖樹機、高空作業(yè)車等國外大型機械也紛紛進入國內(nèi)[3]。近年來,新能源技術的革新進步使得新能源園林養(yǎng)護機械也得到了一定的發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計,2004—2018年園林行業(yè)有關機械設備類的標準規(guī)范經(jīng)歷了以汽油—電動—鋰離子電池為動力源的升級變化,這也表明了園林機械設備動力源的轉變發(fā)展趨勢。目前我國園林養(yǎng)護機械在新能源動力方面也有了初步的嘗試,主要在小型園林機械和綠化保潔的運用推廣上,比如割灌機、綠籬機、吹風機、無人割草機、智能掃地機、電動清掃車、電動灑水車等。按照動力類型來分,園林養(yǎng)護機械分為燃油動力、交流電動力、直流鋰電動力。按照用途,園林養(yǎng)護機械可以分為草坪養(yǎng)護類、喬灌木修剪類、綠地保潔類、植保施肥類、樹木移植類、其他小型工具管養(yǎng)類。

草坪養(yǎng)護類機械主要包括旋刀剪草機、割灌機、滾刀剪草機、打孔機、草坪施肥機、草坪車等。喬灌木修剪類機械主要包括綠籬機、油鋸、高空作業(yè)平臺、多功能修剪車等。綠化保潔類機械主要包括粉碎機、垃圾清運車、掃地機、抓機、多功能作業(yè)車等。植保施肥類機械主要包括灑水車、滴灌系統(tǒng)、施肥機、打藥機等。樹木移植類主要是指挖樹機、切根機、高空油鋸等。其他小型工具管養(yǎng)主要是高枝剪、平剪等。

2 新能源園林養(yǎng)護機械應用現(xiàn)狀

2.1 新能源園林養(yǎng)護機械發(fā)展概況新能源園林養(yǎng)護機械是基于鋰電動力技術,相較于傳統(tǒng)的以燃油動力驅(qū)動的園林機械產(chǎn)品,具有清潔環(huán)保、噪聲小、振動小、操作簡單等特點。目前新能源園林機械設備生產(chǎn)商主要集中在歐美等制造業(yè)發(fā)達的國家和地區(qū),其園林機械設備具有高效節(jié)能、安全可靠、自動化程度高等特點,并通過鋰電池管理系統(tǒng)、智能控制技術的開發(fā)應用,將園林機械設備行業(yè)推向高效率、低排放、智能化發(fā)展方向,趨向于一機多用化、聯(lián)合作業(yè)化以及無人自動化。雖然國內(nèi)的新能源機械發(fā)展相對緩慢,但是國內(nèi)的園林機械設備生產(chǎn)企業(yè)也在不斷地生產(chǎn)不同類型和用途的園林綠化機械設備,部分企業(yè)如格力博(江蘇)股份有限公司、寶時得科技(中國)有限公司等也致力于新能源機械的開發(fā)與應用,推出了一系列綠色機械產(chǎn)品,并在海外市場占據(jù)了重要的地位。

近年來,國家加大了對建立綠色、低碳、循環(huán)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)體系和清潔、安全、高效的現(xiàn)代能源體系的支持。部分走在前列的省市如深圳市在新能源機械推廣中也做了初步的試點,通過選取新能源園林機械示范點,進行新能源機械低碳及性能測試。主要測試的新能源產(chǎn)品有智能掃地機器人、鋰電池割草機、鋰電池割灌機、鋰電池油鋸、鋰電池綠籬機、鋰電池吹風機等。這些新能源機械的運用對試點園區(qū)的低噪、低碳、低維護的環(huán)境起到了重要的作用。雖然我國園林養(yǎng)護機械也在持續(xù)不斷地更新發(fā)展,但是國內(nèi)產(chǎn)品性能和應用推廣的成效與國外相比還存在較大的差距,特別是新能源園林養(yǎng)護機械自主創(chuàng)新產(chǎn)品性能還需要經(jīng)歷市場的長期考驗。根據(jù)國內(nèi)園林養(yǎng)護機械的使用現(xiàn)狀,燃油機械仍然是目前園林養(yǎng)護的主要機械類型,新能源園林養(yǎng)護機械的推廣也存在一定的阻礙。主要問題及原因有以下幾點:

(1)國內(nèi)園林機械化發(fā)展起步較晚,園林養(yǎng)護仍以勞動密集型作業(yè)為主,且傳統(tǒng)燃油園林機械主力軍大部分能滿足日常的園林養(yǎng)護作業(yè)需求。再加上行業(yè)普遍認為燃油機械動力足,持續(xù)作業(yè)時間長,整體工作效率高。對于園林養(yǎng)護企業(yè)而言,存在比較看重園林養(yǎng)護機械的實用性和效能,容易忽視機械使用的污染、安全、便攜、舒適等現(xiàn)象。所以新能源明顯的優(yōu)勢并不能給園林企業(yè)帶來很好的效益。

(2)新能源園林養(yǎng)護機械產(chǎn)品性能穩(wěn)定性還需要經(jīng)歷市場的考驗,在新能源機械產(chǎn)品運用的初期,普遍出現(xiàn)了續(xù)航能力差、性能不穩(wěn)定、后期運行成本不確定等問題,這也極大地影響園林企業(yè)使用新能源園林養(yǎng)護機械產(chǎn)品的積極性。再加上人們對新能源園林養(yǎng)護機械產(chǎn)品的認識不足,還停留在續(xù)航能力差、電池不耐用、動力不足的認知上,在一定程度上限制了新能源機械的推廣運用。

(3)現(xiàn)有常用的園林養(yǎng)護機械存在部分機械超負荷使用,維修管理不到位,新能源機械與傳統(tǒng)燃油機械工作原理不同,需要有一定電動力專業(yè)人才,而相關養(yǎng)護操作人員普遍年齡較大,對新機械的接受程度較低,園林養(yǎng)護工人老齡化同時也導致了勞動力缺口,后備專業(yè)技術人才培養(yǎng)難以保障園林養(yǎng)護的需求。

(4)技術比較成熟的小型新能源園林養(yǎng)護機械產(chǎn)品更加適合海外家庭園藝市場,而大型的新能源機械產(chǎn)品又對場景地形要求較高,使用場景有限。整體的使用效率大打折扣,甚至出現(xiàn)閑置現(xiàn)象。所以新能源園林養(yǎng)護機械產(chǎn)品在應對國內(nèi)市場的需求上還有很大的提升空間。

2.2 主要的新能源園林養(yǎng)護機械發(fā)展和應用作為一家在電動園林工具行業(yè)全球銷量第一的研發(fā)制造型公司,格力博是新能源園林機械設備的行業(yè)領跑者,擁有園林工具自主品牌Greenworks(圖1),其產(chǎn)品為全系列環(huán)保節(jié)能產(chǎn)品,覆蓋了20、40、60、80 V 等多個電壓平臺,產(chǎn)品包括割草機、打草機、吹風機、鏈鋸等,可以滿足家用DIY及專業(yè)園林的多種使用場景需求。產(chǎn)品按用途可分為割草機、打草機、清洗機、吹風機、修枝機、鏈鋸、智能割草機器人、智能坐騎式割草車等。

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2.2.1常用小型新能源機械。

2.2.1.1鋰電池割灌機。一般割灌機分為小型、大型2種。小型割灌機在市政園林、城市公園道路綠化以及庭院養(yǎng)護中應用比較普遍,常見的有側掛式割灌機和背負式割灌機2種,集割灌除草為一體的多功能機械。大型割灌機動力強勁,適合荒草灌木叢清除以及農(nóng)林大場景作業(yè),如裝拆式輕型割灌機、自走式沙柳割灌機、自走式灌木平茬機[4]。近年來發(fā)展比較成熟的鋰電池割灌機主要適用于小型的應用場景,相較于傳統(tǒng)燃油動力割灌機,采用一鍵啟動、自鎖開關,無復雜的調(diào)試和前置準備工作,不再需拉繩,不需要手動泵油,不再需要控制阻風門的發(fā)動機啟動,安全可靠,操作簡單。格力博在鋰電池割灌機的系列產(chǎn)品中,根據(jù)不同場景需求開發(fā)了48V家用經(jīng)濟款、40V專業(yè)款、40V專業(yè)續(xù)航款、82V大馬力款、82V二代專業(yè)款5款類型,形成了相對齊全的產(chǎn)品體系。82V牛角把手割灌機(圖2),電機轉速6 000 r/min,功率1 000 W,裸機重量5 kg,可充放電大于1 000 次,采用無刷電機智能數(shù)字化控制,保障強動力輸出,內(nèi)置數(shù)字芯片實時控制電機功率和性能。鋰電池的循環(huán)使用,穩(wěn)定快速充電,備用電池可有效延遲持續(xù)作業(yè)。Greenworks 82V系列產(chǎn)品兼具強勁動力和卓越性能,適用于全天候重型專業(yè)用途,兼顧零排放、低噪聲、高效能于一身。

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2.2.1.2鋰電池綠籬機。綠籬機又稱綠籬剪,傳統(tǒng)動力依靠汽油機帶動刀片切割轉動。綠籬機主要分為小型便攜式綠籬機和大型車載式綠籬機。按切割刀的形式可分為單刃綠籬機和雙刃綠籬機[5]。作為園林綠化修剪作業(yè)中修剪樹籬、灌木叢和綠墻不可或缺的機械,它操作簡便、通過刀片的運轉方式對植物的高度、厚度以及弧度進行修剪。同時燃油動力綠籬機也存在噪音大、振動強、廢氣污染以及操作者工作時不舒適等缺陷。目前使用最多的綠籬機為日本小松綠籬機與德國斯蒂爾綠籬機,相對國產(chǎn)綠籬機它們擁有更好的機械性能與穩(wěn)定性[6]。鋰電池綠籬機主要是在綠籬機使用的便捷性、安全性、舒適性、環(huán)保性來進行提升改進。格力博PTF414綠籬機40V鋰電全銅無刷短桿無線修枝機綠化寬帶修剪機(圖3),刀片速度4000SPM,裸機重量:3.9 kg,噪聲83 dB(A)。針對傳統(tǒng)燃油綠籬機的痛點,具有重量輕,噪音小,激光切割刀片鋒利、切割速度快的特點。這款Greenworks 40V綠籬機符合國家鋰電綠籬機的噪音限制標準:A加權聲壓級應小于 88 dB,A 加權聲功率級應小于108 dB。83 dB(A)相當于公共汽車上的噪音級別[7]。

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2.2.1.3鋰電池吹風機。吹風機又稱為鼓風機,主要用于落葉、碎草的吹掃和收集,是近年來園林機械較常用的新寵。對于灌木叢等難以用人工清掃的地方,使用一鍵吹出,方便快捷。對于季節(jié)性大面積的落葉清掃,極大地提高了清掃效率。以動力十足、清掃高效著稱的傳統(tǒng)燃油吹風機,被廣泛使用,但同時也存在噪音巨大、嚴重擾民的問題。目前格力博鋰電吹風機不僅覆蓋了40、82 V 2種電壓平臺,滿足不同功率場合,而且也開發(fā)出了吹吸一體多功能化的吹吸二用機,能夠靈活地適用于不同的場景,面對不同作業(yè)面作出相應的調(diào)整,從而提高了機械的整理效率。格力博BVF442 40V鋰電吹吸二用機(圖4)采用無刷電機,轉速吹15 335 r/min/吸14 945 r/min,功率吹789 W/吸870 W,噪聲94 dB,無線操作,具有靈活輕便、動力強、更長續(xù)航、低能耗、低噪聲的特征。

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2.2.2智能化機械。智能割草機器人的概念是在1997年的OPEI年會上被正式提出[8]。目前割草機的智能化發(fā)展已經(jīng)從最初的人工遙控到依照特定路徑進行自主作業(yè)、再到路徑自我規(guī)劃與決策的高智能作業(yè)發(fā)展階段。以色列Friendly Machines 公司設計的Friendly Robomow是世界上第一批走向市場的割草機器人,德國博世研發(fā)的智能割草機器人通過折返式行走,真正實現(xiàn)了路徑規(guī)劃[9]。2019年2月,富世華機器人割草機——Automower 435X AWD正式發(fā)布,該機器人具有全輪驅(qū)動系統(tǒng),能夠在坡度高達70%的斜坡上行駛作業(yè)[10]。2021年賽格威智能割草機器人Navimow發(fā)布,提出家用無邊界割草機器人(圖5)的創(chuàng)新產(chǎn)品概念。這款割草機器人突破了安裝邊界特定路線的煩瑣,只需要通過手機App建立虛擬邊界,操作更便捷。采用“弓”字形規(guī)劃式切割路徑,以及斷點續(xù)割功能,有效避免了重復切割,極大地提升了割草效率。2011年,寶時得科技(中國)有限公司成功研發(fā)出國內(nèi)首臺機器人割草機并投入市場。

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集定位、環(huán)境感知、路徑規(guī)劃、決策控制等功能于一身的割草機器人相較于傳統(tǒng)燃油割草機具有很明顯的優(yōu)勢,可全自動獨立自主地工作,省時省力、低碳、環(huán)保、低噪。具備避障爬坡的能力,相對于乘騎式割草機更安全可靠,且具備省心的自動安全充電的返回功能。盡管割草機器人技術已經(jīng)比較成熟,但是目前推向市場的割草機器人仍以特定路線的割草機器人為主,機器人在導線所圍的特定區(qū)域內(nèi)作業(yè)。這種割草機器人最大的缺點是需要在養(yǎng)護現(xiàn)場預先鋪設路線,工作效率較低,覆蓋作業(yè)面有限。而突破線路限制的多傳感器系統(tǒng)割草機器人,又以昂貴的定位和視覺處理設備的代價,因成本問題導致無法推廣試用。當然割草機器人也存在很大的發(fā)展限制,目前割草機器人整體的割草效率并沒有傳統(tǒng)割草機高,即使能保證完全覆蓋除障礙以外的其他所有區(qū)域,也不能完全脫離人工修整。再加上割草機器人高昂的價格,因而現(xiàn)今園林養(yǎng)護中仍以人機協(xié)作的割草機為主。而隨著新能源技術的發(fā)展,如格力博鋰電池草坪車(圖6)采用全銅無刷電機直驅(qū)系統(tǒng),性能動力和燃油機相當,使用也更便捷、安全、靈活。

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3 新能源園林養(yǎng)護機械的發(fā)展趨勢

隨著我國新能源汽車的快速發(fā)展,蓄電池技術也得到快速提升,為新能源園林養(yǎng)護機械帶來了技術創(chuàng)新的啟發(fā)和機會。新能源園林養(yǎng)護機械雖然目前仍處于發(fā)展起步階段,但是園林機械行業(yè)正經(jīng)歷從燃油動力到新能源動力的革命性轉變,市場空間巨大、前景非常廣闊。特別是在領航企業(yè)的不斷積累和技術創(chuàng)新下,國產(chǎn)機械的品類也越來越完善,新能源系列產(chǎn)品的體系也更加豐富多元?；谀壳耙匀加蛣恿橹鞯膫鹘y(tǒng)機械的缺陷以及低碳環(huán)保、“雙碳”任務的要求,現(xiàn)代園林精細化管養(yǎng)的內(nèi)在發(fā)展也對園林養(yǎng)護機械提出了很高的要求。新能源園林養(yǎng)護機械發(fā)展趨勢如下。

3.1 高效化園林機械的高效化是機械化作業(yè)最根本的優(yōu)勢。綜合園林養(yǎng)護機械的運用現(xiàn)狀,機械的性能、可靠性、使用便捷、安全依然是用戶考慮的重點。針對新能源園林養(yǎng)護機械,必須從用戶需求和痛點如續(xù)航能力、動力問題、性能穩(wěn)定性、使用效率等出發(fā),通過成熟的先進技術保證機械功能的高效化。除了鋰電池機械續(xù)航、動力等普遍問題,還需要從機械技術改進的方向,突破應用難點,完善機械功能。由于電動力需要相對干燥、良好的外部環(huán)境,園林綠化清晨作業(yè)露水較多,對蓄電池的絕緣和防護也會有更高的要求。針對影響綠籬機工作效率的因素割刀的特性、植物粗細纖維的物理屬性、切割方式方向、切割的速度、刀具與枝條的相對位置等[5],綠籬機的調(diào)變速裝置、升降裝置、收集裝置和多元化修剪等技術升級顯得尤為重要?；趫@林機械化低水平的現(xiàn)狀和未來新能源機械技術的快速發(fā)展,提高園林機械的高效化和園林管養(yǎng)工作的效率才能從根本上推動園林機械化的進程。

3.2 多元化園林機械設備的作業(yè)對象是具有生命力的植物,且作業(yè)環(huán)境較復雜,園林機械的使用效率很大程度上受場景場地的限制。雖然輕型、智能的新能源機械比笨重的燃油機和交流機更能適應不同的場景,但是在養(yǎng)護管理中也存在場景多元化與機械單一化的矛盾。即使是公園養(yǎng)護也有郊野公園和城市公園、社區(qū)公園和綜合公園的區(qū)別,同時也存在道路綠化養(yǎng)護和公園養(yǎng)護的差異,不同的養(yǎng)護場景涉及的作業(yè)面對機械設備的需求也有差異。對于一些精細化程度比較高的園林綠化養(yǎng)護項目,目前機械的工作效能以及對場地的要求,難以更好地滿足多元化的實際工作需求。所以越來越多的機械產(chǎn)品朝著多樣化、品系化的方向發(fā)展,根據(jù)不同場景來選用適宜的機械才能發(fā)揮機械的最大使用效率。根據(jù)實際使用情況,園林養(yǎng)護機械存在實用且常用、不常用但實用、不常用且使用場景要求高、不實用且不常用4種現(xiàn)象。為了提高機械的使用效率,在機械產(chǎn)品多功能的研發(fā)上,需要更多地從不同的應用場景和作業(yè)對象出發(fā),多元化發(fā)展。

3.3 智能化新能源機械走向智能化是人工智能發(fā)展的必然趨勢。在自動化、智能化、平臺化的深度孵化下,人工智能、電機控制及系統(tǒng)控制技術、電池包及電源管理技術、充電器技術等新技術的革新,為新能源園林機械的智能化運用提供了關鍵性技術支撐。目前割草機器人是新能源機械智能化的代表產(chǎn)品。隨著人工智能領域技術的不斷革新,園林養(yǎng)護機械也會在技術創(chuàng)新的牽引下,不斷地開拓新的智能產(chǎn)品。最終通過數(shù)字園林、智慧園林的方式來實現(xiàn)園林管養(yǎng)的智能信息化管理平臺,極大地提高現(xiàn)代園林管養(yǎng)技術水平。目前通過一些智能化平臺如物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)、精細化管理平臺來實現(xiàn)園林養(yǎng)護的信息化管理已經(jīng)初現(xiàn)端倪。

新能源園林養(yǎng)護機械的推廣應用除了機械性能的革新提升,還需要相關部門的引導與規(guī)范,營造良好的新能源機械發(fā)展市場,鼓勵新能源機械生產(chǎn)商以及園林企業(yè)使用低碳環(huán)保的新型機械產(chǎn)品,提高管養(yǎng)企業(yè)對新能源機械產(chǎn)品的認知。在提高園林管養(yǎng)技術含量的同時,吸引更多的專業(yè)人才加入到園林管養(yǎng)中來,促進現(xiàn)代園林科學的可持續(xù)發(fā)展。