溫室智能裝備系列之一百二十三國內(nèi)外植物工廠蔬菜植株移栽智能裝備研究進展*

張梅 鄒承俊

植物工廠通過人工方式營造一個適合植物生長的最佳環(huán)境，將農(nóng)作物與外界環(huán)境隔離，通過多層立體栽培、智慧管控等方式，避免外界環(huán)境對植物生長產(chǎn)生干擾，達到確保農(nóng)作物周年連續(xù)生產(chǎn)的目的。植物工廠作為高效農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，核心因素包括高精度的LED補光、營養(yǎng)液按需調(diào)控和溫濕度的恒定管理等。由于上述特點，實際生產(chǎn)中為了提高生產(chǎn)效率，植物工廠大多采用功能分區(qū)，每個功能區(qū)通過流水作業(yè)，訂單生產(chǎn)和規(guī)模采收提高生產(chǎn)效率。

蔬菜移栽工作原理

植物工廠中的育苗功能區(qū)是一個重要的組成部分，該功能區(qū)可以規(guī)?；?、集約化、標準化的供應(yīng)植物工廠需要的種苗。面向蔬菜生產(chǎn)的植物工廠育苗區(qū)要解決標準化種苗的問題，育苗過程中蔬菜移栽是重要的環(huán)節(jié)，和傳統(tǒng)的間苗和疏苗有顯著區(qū)別，自動化的蔬菜移栽是作物育苗過程中按照控制軟件設(shè)定的參數(shù)，一次或多次的對種苗位置進行擺放。

蔬菜移栽是指將密集育苗方式的種苗根據(jù)需要取出，放入一個間距更大的育苗盤，或放入漂浮栽培泡沫板的孔中，通過蔬菜移栽工藝流程，使得種苗植株可以獲得更大的生長空間，進一步促進種苗健壯成長，達到種苗長勢均一化的目的，提高種苗的商品合格率。

種苗在播種到移栽之間的時間可以分成兩個時間段，一是種苗的發(fā)芽和生根時間段，二是種苗的加速育壯時間段。這種精細劃分時間段做法有利于種子發(fā)芽、成本降低，適合植物工廠中使用，原因如下：第一個時間段種子發(fā)芽需要精心呵護，環(huán)境參數(shù)的控制要求更高，集約化播種有利于管理難度的下降，同時采用128穴以上的苗盤，能在盡可能少的空間里放置更多的種苗，顯著的節(jié)省空間，達到成本降低的目的。第二個時間段根據(jù)育苗長勢及時調(diào)節(jié)苗的生長位置，給每個苗足夠的生長空間。但這個環(huán)節(jié)屬于勞動密集型作業(yè)，采用人工的傳統(tǒng)方式顯然無法滿足這個環(huán)節(jié)的勞動需求。如何將蔬菜移栽的環(huán)節(jié)標準化、機械化，借助裝備降低勞動強度，是一個必須要解決的問題。

植株移栽智能裝備主要是針對分階段育苗開發(fā)的專用裝備，通過定位、抓苗、分苗、對準、放苗5個步驟實現(xiàn)育苗植株的精準調(diào)節(jié)作業(yè)。定位是指播種用到的苗盤要到達指定的基準位置，無論是以行、以盤或者每次多盤為單位進行作業(yè)，不同規(guī)格的苗盤在基準位置都滿足苗盤沒有偏移量，連續(xù)作業(yè)上千小時后，系統(tǒng)誤差不會累計，定位要在上萬次的苗盤輸送之后依然能非常準確;抓苗是指在定位完成之后，機械手下降要能準確到達種苗的根部，機械手被驅(qū)動抓苗動作，能穩(wěn)定地抓住秧苗從育苗盤中取出。傳統(tǒng)基質(zhì)育苗要確保機械手的沖擊力不會損壞種苗的根和基質(zhì)塊，水培育苗要確保直接抓苗不會損壞苗;分苗是指成組的機械手抓住種苗后，各個機械手相對運動分離，間距增大，并準確達到指定位置，使每一個機械手的位置對準一個新的穴孔，且沒有誤差;放苗是指機械手對準穴孔后下降，并準確地把苗放入新的穴孔中央，避免苗被放歪或者放倒。通過農(nóng)機和農(nóng)藝結(jié)合的方式，能實現(xiàn)植株移栽智能裝備的高效作業(yè)，為移栽工藝提供裝備支撐。

國外植株移栽智能裝備研究現(xiàn)狀

工程機理研究

國外植株移栽智能裝備研究重視裝備的工程機理分析，這對于推動全自動植株移栽智能裝備在設(shè)施園藝發(fā)達的國家得到廣泛應(yīng)用發(fā)揮重要作用。這些基礎(chǔ)研究為溫室移栽裝備持續(xù)發(fā)展提供了理論指導(dǎo)，包括通過測試方法來分析不同取苗爪進行穴盤苗移栽的工作能力和適應(yīng)性等。近年來，國外的溫室植株移栽智能裝備研究圍繞智能化方向發(fā)展，主要是移栽機器人成套技術(shù)。

移栽和嫁接一體化研究

移栽和嫁接同時進行，實現(xiàn)一體化的復(fù)合作業(yè)，這是該領(lǐng)域裝備發(fā)展的另一個新的發(fā)展趨勢。嫁接技術(shù)的工藝流程可以和移栽工藝合并。嫁接是移栽配套的一項重要技術(shù)，高速和精準的嫁接流水線系統(tǒng)是研究的熱點，目前歐洲有多家企業(yè)生產(chǎn)嫁接作業(yè)生產(chǎn)線產(chǎn)品，如意大利Techmek公司和Mosa公司等。荷蘭Visser公司生產(chǎn)出了自動化裝備較完善的蔬菜巖棉塊種苗生產(chǎn)線產(chǎn)品，并在蔬菜育苗企業(yè)生產(chǎn)中大規(guī)模應(yīng)用。這些蔬菜巖棉塊種苗生產(chǎn)線屬于大型集成裝備，部分工位作業(yè)高度超過2 m，生產(chǎn)線寬度在1.5 m以上，長度可達30 m。

移栽配套技術(shù)裝備研究

移栽配套裝備還包括專用搬運車等。移栽用苗和完成移栽的種苗均采用搬運車運輸。丹麥 Container Centralen 公司專門生產(chǎn)穴盤搬運車。

國內(nèi)植株移栽智能裝備研究現(xiàn)狀

國外溫室全自動移栽裝備存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格昂貴，使用維護困難等缺陷，而且與中國的育苗技術(shù)及其他移栽輔助作業(yè)不配套，從而降低了種苗成功率和效率。因此，針對中國的國情開發(fā)植株移栽智能裝備非常必要。

移栽系統(tǒng)研究

近年來，國內(nèi)學(xué)者積極開展移栽技術(shù)裝備研究，在關(guān)鍵技術(shù)上有一些突破，報道了一些新成果。綜合有關(guān)報道，目前存在的問題是所研制的移栽機工作效率偏低，作業(yè)效率的范圍為500～800株/h，主要問題是移栽成功率低，關(guān)鍵指標苗缽崩壞率達到10%左右。因此需要進一步開展溫室穴盤苗移栽針對性研究，推動穴盤育苗產(chǎn)業(yè)快速高效和可持續(xù)發(fā)展，提高設(shè)施園藝機械化水平。

移栽機器人研究

國內(nèi)開發(fā)了一種結(jié)合自動化輸送裝置的并聯(lián)移栽機器人，具有剛度大、精度高且累積誤差小的特點。將128孔穴盤黃瓜苗移栽至72孔穴盤中且移栽加速度高于20 mm/s時，仍能保證較好的移栽精度。江蘇大學(xué)孫夢濤研制出了一款新型的空間三自由度并聯(lián)移栽機器人，移栽效率為1865株/h，移栽成功率在95.3%。江蘇大學(xué)還設(shè)計了一種輕簡型自動移栽機，利用成熟的直線模組和無桿氣缸組合設(shè)計出自動移栽機械臂，移栽效率分別達到1221株/h和1025株/h，多種穴盤苗移栽成功率平均達到90.70%，苗缽夾取破碎率低于5%，自動取苗移栽效果較好。

移栽和選苗一體化研究

移栽的工藝流程和選苗的工藝結(jié)合起來，實現(xiàn)一體化復(fù)合作業(yè)。移栽作業(yè)過程中，同時完成穴盤苗篩選。首先對苗的質(zhì)量在線進行識別后，自動化地完成種苗的剔補，在經(jīng)過上述2個環(huán)節(jié)后，直接進行移栽，3個環(huán)節(jié)由一套裝備一次性完成。國內(nèi)研發(fā)的一種集圖像在線識別和處理、穴盤運輸、穴盤苗剔補移栽于一體的多功能全自動移栽機，該機配備的圖像識別系統(tǒng)可識別穴盤幼苗優(yōu)劣并進行剔補移栽，平均苗株生產(chǎn)效率可達到1098.2株/h，平均苗盤生產(chǎn)效率可達89.2盤/h。溫室多葉缽苗健康識別與移栽路徑優(yōu)化方面，浙江理工大學(xué)開發(fā)了一種能實現(xiàn)傾斜穴盤校正和幼苗健康評估的算法及移栽路徑優(yōu)化方法，研究905個稀疏穴盤和密集穴盤的樣本，可縮短移栽路徑16.5%以上。

植物工廠移栽智能裝備的思考

植物工廠的移栽技術(shù)裝備在近二十年中得到了迅猛的發(fā)展，國內(nèi)在該領(lǐng)域的某些關(guān)鍵技術(shù)居于領(lǐng)先地位。但是，該領(lǐng)域在中國從植物工廠開始應(yīng)用，也就是三十年的時間，相比傳統(tǒng)的大田作業(yè)機械，還屬于新興的裝備技術(shù)，存在諸多發(fā)展問題：

裝備的工程機理研究還不深入。移栽技術(shù)裝備需要和穴盤精確地對準，誤差的累計、系統(tǒng)的震動、穴盤的傾斜、種苗的倒伏等問題都會引發(fā)機器毀苗的問題，由于高速運動和大規(guī)模作業(yè)，裝備發(fā)生一次故障就會引發(fā)大批的種苗被毀壞，同時還導(dǎo)致整個流水線停工，耽誤育苗作業(yè)整體進度。這些問題都需要植株移栽智能裝備工程機理的深入探究，提高裝備的適應(yīng)性、達到標準化、普適化和規(guī)?；募夹g(shù)要求。

整排高速嫁接和移栽一體化研究有待完善。高速嫁接的技術(shù)難點是種苗長勢差異和高速切接種苗之間的矛盾。這一問題的解決可以通過農(nóng)藝和結(jié)構(gòu)兩個路子分別解決，農(nóng)藝方面通過加強水肥等田間管理實現(xiàn)種苗長勢的整齊均一，減少由于種苗生長因素導(dǎo)致的種苗損失;結(jié)構(gòu)方面可以通過增設(shè)扶苗的裝置，將種苗限定在一個相對固定的區(qū)域，滿足高速整排調(diào)節(jié)同時嫁接的復(fù)合操作的生產(chǎn)需求。

移栽智能機器人的規(guī)?；瘧?yīng)用條件還不成熟。株調(diào)節(jié)智能機器人的規(guī)?；瘧?yīng)用需要具備的一些條件還很欠缺：針對植物工廠的機器人的視覺及光譜等關(guān)鍵傳感器研究不深入，穩(wěn)定性有待提高;機器人的成本還偏高，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中存在用不起的問題，亟待降低機器人系統(tǒng)的成本，使之與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)匹配;機器人操控人才還很欠缺，具備一定知識結(jié)構(gòu)，熱愛植物工廠的年輕人需要進行培養(yǎng)，形成完整的人才梯隊;移栽智能機器人售后維護成本還偏高，生產(chǎn)中不能及時解決出現(xiàn)的故障和問題，影響后續(xù)的生產(chǎn)。

植物工廠發(fā)展建議

植物工廠是個快速發(fā)展的新興領(lǐng)域，該領(lǐng)域的植株移栽智能裝備的研究和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)發(fā)揮“產(chǎn)學(xué)研”一體化模式的優(yōu)勢，調(diào)動更多資源構(gòu)建產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈，促進該領(lǐng)域裝備技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展。

引入更多的企業(yè)參與到技術(shù)創(chuàng)新。企業(yè)在技術(shù)消化和市場推廣上應(yīng)成為主體，通過大規(guī)模的技術(shù)應(yīng)用促進該領(lǐng)域的相關(guān)裝備產(chǎn)品的加速熟化;企業(yè)在利用技術(shù)優(yōu)勢開拓市場，獲取利潤后，有動力、有資金繼續(xù)開展的相關(guān)的技術(shù)創(chuàng)新，推進產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈條的構(gòu)建。

在國家層面推進都市農(nóng)業(yè)研究。技術(shù)的原始創(chuàng)新應(yīng)依托學(xué)科的發(fā)展，通過學(xué)科帶動研究的深入，通過研究的創(chuàng)新帶動產(chǎn)品的迭代，通過產(chǎn)品的完善促成整個產(chǎn)業(yè)的完整?？萍加媱潙?yīng)重點布局都市農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的重點任務(wù)，推進該領(lǐng)域系統(tǒng)化、深入化和產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，最終形成合力，共同構(gòu)建植物工廠全程機械化體系的完善。

總的來說，植物工廠相關(guān)裝備的研究建立在栽培模式科學(xué)化、設(shè)施結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)化、創(chuàng)新人才團隊化的前提下，在信息大發(fā)展的時代浪潮中，植物工廠全程機械化是一個必然的趨勢，這一領(lǐng)域的發(fā)展將會對中國的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)生深遠的影響，必將使得中國成為該領(lǐng)域全球的領(lǐng)先者和引導(dǎo)者。

*項目支持：成都地方財政專項資金項目NASC2020KR05。

[引用信息]張梅，鄒承俊.溫室智能裝備系列之一百二十三國內(nèi)外植物工廠蔬菜植株移栽智能裝備研究進展[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)，2020，40（25）：47-49.