紅棗收獲中智能設(shè)備的應(yīng)用探索

許威廣 穆占海 劉黨輝 田勇浩 鄧?yán)?李 鵬 丁 羽,2*

(1.塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300；2.塔里木大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 阿拉爾 843300)

0 引言

紅棗，又名中華大棗，為溫帶作物，它的適應(yīng)性強(qiáng)且種植范圍廣泛，在我國(guó)已經(jīng)有很長(zhǎng)的種植歷史[1-2]。紅棗具有很強(qiáng)的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，在早期就被人們發(fā)現(xiàn)并食用，在我國(guó)最早的詩(shī)歌總集《詩(shī)經(jīng)》中已有“八月剝棗”的記載[3]。紅棗當(dāng)中含有豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，其中主要含有維生素、氨基酸、礦物質(zhì)等。民間有“天天吃紅棗，一生不顯老”之說(shuō)。

然而關(guān)于紅棗的收獲目前我國(guó)存在著人工采摘、機(jī)械收獲、智能化設(shè)備收獲等多種方式并存的局面。針對(duì)這些不同方式的紅棗收獲途徑各自的特點(diǎn)，通過(guò)了解國(guó)內(nèi)外紅棗收獲設(shè)備的研究現(xiàn)狀，有助于更加全面了解紅棗收獲的目前發(fā)展動(dòng)態(tài)，通過(guò)分析各類(lèi)紅棗收獲方式優(yōu)缺點(diǎn)，尋求紅棗智能設(shè)備收獲的未來(lái)發(fā)展方向。

1 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

果林類(lèi)智能化收獲設(shè)備的研究起源于1968年的美國(guó)，隨著現(xiàn)代科技的不斷向前發(fā)展，使得果林類(lèi)智能化收獲設(shè)備的發(fā)展有了長(zhǎng)足的進(jìn)步[4]。目前國(guó)外依靠新型材料、新工藝、機(jī)電控制一體化、3S等一系列新技術(shù)使得紅棗的收獲向著便捷性，高效性方向不斷發(fā)展[5]。

我國(guó)國(guó)內(nèi)由于工業(yè)化起步較晚，紅棗收獲智能設(shè)備的研發(fā)還不是很多[6]。通過(guò)對(duì)國(guó)外技術(shù)的學(xué)習(xí)和不斷研發(fā)，目前由農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所成功研制的4YS-24型紅棗收獲機(jī)填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)紅棗收獲這一空白領(lǐng)域[7]。但是針對(duì)紅棗智能收獲這一技術(shù)并不是太成熟，缺少具有高效性、穩(wěn)定性、自主性的紅棗收獲設(shè)備，現(xiàn)有的紅棗收獲裝置采收效率較低且智能化偏低，并且在紅棗進(jìn)行采收時(shí)機(jī)械設(shè)備對(duì)紅棗的損傷較重，缺少能夠檢測(cè)并智能控制收獲技術(shù)的研究。

2 紅棗的收獲方式

2.1 人工采摘

在一些落后地區(qū)紅棗的收獲仍主要靠人工的采摘來(lái)完成，人工進(jìn)行紅棗采摘作業(yè)不僅效率低，增加了農(nóng)戶的勞動(dòng)力導(dǎo)致采摘的成本很高，而且其對(duì)紅棗采摘作業(yè)的周期也相對(duì)較長(zhǎng)。

2.2 紅棗機(jī)械收獲設(shè)備

目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的紅棗收獲設(shè)備的設(shè)計(jì)類(lèi)型大體上分別為：氣吸式和激震式這兩大類(lèi)，其他型號(hào)的設(shè)計(jì)基本上都是基于這兩大類(lèi)當(dāng)中的某一項(xiàng)的優(yōu)化。

2.2.1 氣吸式紅棗收獲設(shè)備

氣吸式紅棗收獲機(jī)工作時(shí)主要靠氣壓對(duì)落在田地上紅棗進(jìn)行吸拾，并能夠?qū)崟r(shí)地將紅棗與雜質(zhì)依靠氣流清選的工作原理進(jìn)行分離[8]。黨凱鋒等[9]設(shè)計(jì)的氣吸式紅棗撿拾收獲機(jī)不僅能夠用于紅棗的收獲，還可以對(duì)類(lèi)林果類(lèi)作物的收獲進(jìn)行撿拾工作。此類(lèi)設(shè)備的主要優(yōu)點(diǎn)是依靠氣壓差完成吸拾工作，相比傳統(tǒng)的紅棗撿拾設(shè)備，此設(shè)備減少了機(jī)械與紅棗的碰撞型的接觸，對(duì)紅棗的損傷較小，但是由于目前負(fù)壓風(fēng)機(jī)的負(fù)壓不足等原因造成此類(lèi)設(shè)備的紅棗收獲有效作業(yè)范圍較小，工作效率不高等缺點(diǎn)。

2.2.2 激振式紅棗收獲設(shè)備

激震式紅棗收獲機(jī)工作時(shí)主要是通過(guò)振動(dòng)機(jī)構(gòu)將一定振幅和頻率的激振力作用在成熟期的棗樹(shù)干或樹(shù)枝上，從而激振力能夠傳遞到生長(zhǎng)在棗樹(shù)上的紅棗迫使其發(fā)生振動(dòng)并獲得慣性力，當(dāng)紅棗的慣性力大于與棗樹(shù)之間的連接力時(shí)紅棗就會(huì)被振落，同時(shí)設(shè)備會(huì)對(duì)落下的紅棗進(jìn)行收集，從而完成整個(gè)收獲作業(yè)工作[10]。付威[11]等設(shè)計(jì)的基于振動(dòng)采收原理的紅棗收獲機(jī)實(shí)現(xiàn)了對(duì)紅棗的有效采摘。這類(lèi)設(shè)備設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是具有作業(yè)效率高、性能穩(wěn)定、適用于大面積規(guī)?；瘲棙?shù)收獲等特點(diǎn)。但是由于紅棗在整個(gè)的成熟階段果實(shí)與棗樹(shù)的果柄處結(jié)合力較小，該種類(lèi)型的紅棗收獲在進(jìn)行機(jī)械作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)容易造成在其有效作業(yè)范圍之外但是臨近該作業(yè)范圍內(nèi)且尚未進(jìn)行采摘工作的棗樹(shù)上的紅棗發(fā)生掉落在地的現(xiàn)象，另外在紅棗成熟期如遇到刮風(fēng)等自然條件的發(fā)生也易引起紅棗的掉落，而此類(lèi)型的紅棗收獲機(jī)械對(duì)落在地上紅棗無(wú)法實(shí)現(xiàn)機(jī)械采收，從而造成了采摘不徹底現(xiàn)象的發(fā)生。

2.2.3 其他型號(hào)的紅棗收獲設(shè)備

針對(duì)目前這兩大類(lèi)型的紅棗收獲機(jī)的不足之處，很多科研人員在這兩大類(lèi)型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化，比如最常見(jiàn)的滾輪式和自走式。李傳峰等[12]設(shè)計(jì)的滾輪式紅棗收獲機(jī)不僅具有撿拾功能還能有效清除雜物實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用化，極大地提高了紅棗收獲的勞動(dòng)效率。王洪昌等[13]設(shè)計(jì)的自走式紅棗收獲機(jī)不僅能夠有效降低紅棗撿拾過(guò)程中對(duì)于紅棗的損傷，而且還創(chuàng)造性地對(duì)設(shè)備增添了自動(dòng)功能，促進(jìn)了勞動(dòng)效率的提升。

2.3 智能化收獲設(shè)備

智能收獲設(shè)備在目前的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域已經(jīng)有所運(yùn)用，劉繼展等[14]設(shè)計(jì)的番茄采摘機(jī)器人除了應(yīng)用于番茄的采摘收獲以外，對(duì)形狀大小相近的其他果蔬類(lèi)作物的收獲也有效果。但是當(dāng)前在紅棗收獲方面主要的還是以機(jī)械化收獲為主，機(jī)械化的普及在一定程度上提高了紅棗收獲的生產(chǎn)效率，但是目前的機(jī)械收獲設(shè)備普遍存在生產(chǎn)模式單一、智能化偏低的特點(diǎn)[15]。因此紅棗收獲機(jī)仍需進(jìn)一步的智能化，提高設(shè)備上的科學(xué)技術(shù)含量，實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)功能。

比如：在紅棗收獲機(jī)上添加北斗導(dǎo)航等功能，使得收獲機(jī)成為能夠自主規(guī)劃行進(jìn)路線，自動(dòng)識(shí)別紅棗作物并自動(dòng)進(jìn)行采摘收獲作業(yè)的智能化紅棗收獲設(shè)備。該設(shè)備以北斗導(dǎo)航系統(tǒng)為主，同時(shí)加入機(jī)器視覺(jué)輔助系統(tǒng)，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的添加使設(shè)備能夠根據(jù)當(dāng)?shù)氐匦蔚孛惨约白鳂I(yè)要求等規(guī)劃出最合理的工作作業(yè)路徑并進(jìn)入無(wú)人駕駛自動(dòng)導(dǎo)航的工作模式，視覺(jué)輔助系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)能夠?qū)⒓t棗與周?chē)h(huán)境分別加以區(qū)分并正確引導(dǎo)設(shè)備進(jìn)入無(wú)人操控自主采摘收獲的工作狀態(tài)。

再如：在紅棗收獲機(jī)上加入人工智能識(shí)別技術(shù)及自動(dòng)卸貨功能，使得紅棗收獲機(jī)成為能夠自動(dòng)辨別收獲紅棗成熟度，以及滿倉(cāng)自動(dòng)報(bào)警并自動(dòng)按照指定卸貨區(qū)域?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)卸貨的功能的智能化收獲設(shè)備。該設(shè)備在紅棗收獲的過(guò)程中，能夠?qū)?dāng)前待收獲的紅棗狀態(tài)與數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中紅棗成熟度的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，從而能夠準(zhǔn)確識(shí)別當(dāng)前收獲紅棗的成熟度，然后通過(guò)調(diào)控設(shè)備的采摘工作機(jī)器頻率，最大限度地減少采摘過(guò)程中對(duì)紅棗的傷害。在收獲倉(cāng)滿后能夠自動(dòng)感知并實(shí)現(xiàn)按照規(guī)定區(qū)域自動(dòng)卸倉(cāng)的功能，極大地減小了采摘過(guò)程對(duì)人工的需求提高了生產(chǎn)效率。

3 制約智能化收獲的因素與建議

如今我國(guó)的紅棗種植面積在世界范圍內(nèi)都占有很大的比重種植面積巨大[16]，需要更大程度地解放生產(chǎn)力，讓普通農(nóng)戶享受到科技帶來(lái)的便利，為此紅棗智能收獲設(shè)備的研發(fā)具有很廣闊的應(yīng)用前景。但是目前紅棗智能收獲設(shè)備的發(fā)展很緩慢，存在的原因主要如下。

3.1 市場(chǎng)價(jià)格過(guò)高

由于紅棗智能設(shè)備是機(jī)械、電氣、控制等相關(guān)學(xué)科綜合的產(chǎn)物，其前期的研發(fā)成本很高，這就導(dǎo)致了在出售時(shí)的價(jià)格也高，出現(xiàn)了普通農(nóng)戶買(mǎi)不起現(xiàn)象的發(fā)生，阻礙了智能收獲設(shè)備的推廣與普及。

3.2 相關(guān)政策不完善

由于智能收獲設(shè)備的發(fā)展還處于一個(gè)相對(duì)不成熟階段，很多配套的相關(guān)政策還未完善，政府對(duì)產(chǎn)業(yè)的扶持力度不夠，使得產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)度緩慢。

3.3 設(shè)備售后服務(wù)不健全

目前很多生產(chǎn)廠家在設(shè)備售出之后后期的維護(hù)服務(wù)意識(shí)不高。不能夠積極主動(dòng)征求用戶的實(shí)際使用意見(jiàn)，了解設(shè)備的不足之處，并加以改進(jìn)，不斷優(yōu)化完善設(shè)備使得設(shè)備的實(shí)用性更強(qiáng)。

3.4 相關(guān)宣傳力度不夠

很多生產(chǎn)廠家不太重視種植示范點(diǎn)的作用，宣傳力度不夠，不能讓農(nóng)戶直接感受到智能收獲設(shè)備帶來(lái)的便捷性與高效性，也不能提高農(nóng)戶使用設(shè)備的積極性。

3.5 提高智能化收獲發(fā)展建議

政府要不斷完善相關(guān)政策，加大對(duì)產(chǎn)業(yè)和相關(guān)企業(yè)的扶持力度，針對(duì)企業(yè)前期研發(fā)成本過(guò)高的問(wèn)題，政府在補(bǔ)貼力度和稅收政策上應(yīng)有所照顧，以便降低設(shè)備的市場(chǎng)價(jià)格，使得更多的農(nóng)戶能夠買(mǎi)得起，享受到科技的便利。同時(shí)企業(yè)在研發(fā)出新的設(shè)備后應(yīng)積極對(duì)設(shè)備進(jìn)行推廣宣傳，要重視種植示范點(diǎn)的重要性，通過(guò)示范點(diǎn)的示范效應(yīng)帶動(dòng)周?chē)r(nóng)戶的積極性，在后期的設(shè)備售后服務(wù)中企業(yè)要積極承擔(dān)責(zé)任，積極主動(dòng)地向使用設(shè)備的用戶了解設(shè)備在生產(chǎn)實(shí)踐中的實(shí)際效果，針對(duì)設(shè)備的不足之處，及時(shí)地加以改進(jìn)，不斷提高設(shè)備的可靠性能。

4 結(jié)語(yǔ)

在紅棗收獲的生產(chǎn)活動(dòng)中由于機(jī)械設(shè)備的使用提高了紅棗收獲的勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低了農(nóng)民的勞動(dòng)強(qiáng)度，但是目前的紅棗收獲設(shè)備仍有許多需要優(yōu)化和改進(jìn)的地方。紅棗智能收獲設(shè)備目前的高效性、便捷性仍是一個(gè)難題，值得深入的研究，紅棗智能收獲設(shè)備要想更加節(jié)省能源、更加降低收獲成本、更加高效便捷，還需要與多學(xué)科不斷融合、不斷創(chuàng)新、改革和完善。如何研發(fā)出具有自主識(shí)別紅棗作物，自主進(jìn)行紅棗收獲作業(yè)同時(shí)兼有高效性、穩(wěn)定性、安全性、高收獲率和對(duì)紅棗低損害率特性的一體化紅棗收獲智能設(shè)備將是未來(lái)研究的發(fā)展趨勢(shì)。