蔬菜種苗生產(chǎn)數(shù)字化應用探索

韓吉書 韓吉勝 宋甲斌 楊景慧 李中華

蔬菜產(chǎn)業(yè)是中國農(nóng)業(yè)的重要支柱產(chǎn)業(yè)，也是帶動農(nóng)民增收的主要產(chǎn)業(yè)之一。2014年全國蔬菜播種面積為2133.3萬hm2，總產(chǎn)量7億t，居農(nóng)產(chǎn)品之首。目前，中國蔬菜移栽面積980萬hm2，種苗需求量已達6833億株/年，而當前全國的生產(chǎn)能力2000億株/年，約占年蔬菜種植總需求量的30%，其中優(yōu)質(zhì)種苗只占生產(chǎn)種苗量的40%[1]。由此可見，蔬菜種苗存在著巨大缺口，這也是中國集約化育苗發(fā)展的動力。受供求關系的影響，全國涌現(xiàn)出一大批蔬菜育苗企業(yè)，據(jù)不完全統(tǒng)計，全國蔬菜育苗規(guī)模企業(yè)1500多個，但多數(shù)蔬菜育苗企業(yè)投資規(guī)模較小，育苗設施相對簡單，以簡易工廠育苗為主，主要依靠人工操作，機械化水平低，沒有標準的生產(chǎn)工藝，主要靠經(jīng)驗決策。因此，其培育出的蔬菜種苗普遍存在質(zhì)量不穩(wěn)定、移栽成活率低、成苗質(zhì)量差、病蟲害嚴重等情況，給育苗行業(yè)和種植戶帶來重大損失，嚴重影響蔬菜產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

隨著全球信息技術應用水平的不斷提升，智能化、數(shù)字化成為農(nóng)業(yè)發(fā)展的新趨勢。近年來，國家高度重視“三農(nóng)”工作，在大量政策及扶持資金的刺激下，國內(nèi)數(shù)字農(nóng)業(yè)水平快速提升，為適應設施蔬菜產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，蔬菜育苗逐漸向智能化育苗方式轉(zhuǎn)變。為解決傳統(tǒng)蔬菜育苗效率低、蔬菜種植效益差、食品安全等問題，安信種苗在山東省濟南市濟陽區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技示范園率先構建了數(shù)字化智能種苗工廠（面積1 hm2），

配備了智能識別精量播種機、嫁接苗切割機、巡檢機器人等設備，預計工廠建成后育苗量可達360萬株/茬，年育苗能力為6茬（圖1）。

蔬菜種苗生產(chǎn)智能化系統(tǒng)主要構成

數(shù)字化智能種苗工廠（圖1～3）融合了AI、IoT、5G、云計算、大數(shù)據(jù)、生物表型組學等各種技術，通過建立種苗生長和設備控制數(shù)據(jù)模型，感知識別各節(jié)點狀態(tài)，對物聯(lián)網(wǎng)收集的數(shù)據(jù)進行大數(shù)據(jù)分析，控制中心下發(fā)指令，控制各種智能化機械設備自動運作，替代人工完成各項生產(chǎn)任務。數(shù)字化智能種苗工廠使IoT與種苗生產(chǎn)各個環(huán)節(jié)實現(xiàn)有效融合，實現(xiàn)精準控制、減少人工、提高效益的目的。以IoT技術為核心，集傳感器技術、計算機技術、移動網(wǎng)絡技術于一體，利用5G高速通訊技術高通量、寬連接、低時延的特點[2]，將種苗工廠的種子處理系統(tǒng)、植保系統(tǒng)、噴灌系統(tǒng)、運輸系統(tǒng)等各個子系統(tǒng)有機連接起來，使各子系統(tǒng)之間能夠相互通信，實現(xiàn)信息共享和任務全局統(tǒng)一化的綜合管理，實時監(jiān)測各子系統(tǒng)的運行狀態(tài)，包括設施設備調(diào)度、作業(yè)信息、種苗生長狀況、設備運行狀況等信息，并通過數(shù)字決策系統(tǒng)實現(xiàn)最優(yōu)系統(tǒng)集成以及各子系統(tǒng)間的協(xié)同作業(yè)，為無人化工廠做鋪墊。

在蔬菜集約化育苗過程中，安信種苗創(chuàng)立“25節(jié)點育苗法”，采用工廠化流水線作業(yè)，通過對育苗前期準備、催芽與播種、播種后管理、出苗后管理以及秧苗定植前管理等5個過程共“25個關鍵點”的精準控制，來減少人為或天氣因素對種苗培育質(zhì)量的影響，實現(xiàn)激發(fā)種子潛能、提高種苗抗性、提高作物產(chǎn)量的效果，同時，育苗過程程序化、規(guī)范化、數(shù)據(jù)化、可追溯化，可顯著提高工作效率，降低育苗成本，保證種苗質(zhì)量穩(wěn)定可靠，減少質(zhì)量糾紛。

經(jīng)過十多年的研發(fā)和實踐，安信種苗在原來集約化育苗的基礎上逐步探索出數(shù)字化育苗新模式，開發(fā)出一系列適用工廠化穴盤育苗的新設備，并建立了一套標準化穴盤育苗技術流程，針對穴盤育苗過程中存在的核心問題，對“25節(jié)點育苗法”深度解析，轉(zhuǎn)化為可操作的數(shù)字語言，根據(jù)工藝要求建立生產(chǎn)模型，根據(jù)生產(chǎn)模型形成相關指令，操作智能化設備進行作業(yè)。蔬菜穴盤育苗數(shù)字化應用探索包括以下幾個關鍵環(huán)節(jié)，分別為種子處理環(huán)節(jié)、播種環(huán)節(jié)、嫁接環(huán)節(jié)、植保環(huán)節(jié)、水肥管理環(huán)節(jié)、質(zhì)量管理環(huán)節(jié)、運輸環(huán)節(jié)、環(huán)控環(huán)節(jié)、管理環(huán)節(jié)、培訓環(huán)節(jié)、數(shù)字推廣環(huán)節(jié)。

種子處理環(huán)節(jié)

種子消毒是工廠化穴盤育苗生產(chǎn)中預防病害的關鍵措施之一，工廠化穴盤育苗由于處理種子量大，溫度不易掌握，溫度太高容易燒傷種子。數(shù)字化智能種苗工廠模式利用計算機視覺技術對種子進行自動檢驗，在對采集的單粒種子圖像進行處理后，提取特征參數(shù)圖像[3]，經(jīng)過種子參數(shù)數(shù)據(jù)庫進行分析驗算，檢測蔬菜種子的種類、純度、健康度等狀態(tài)，確定種子處理的方式和方法。

溫湯浸種和干熱處理可以殺滅種子攜帶的病原，是種子消毒的重要手段之一。安信種苗經(jīng)過反復試驗及多年實踐，研發(fā)出全自動溫湯浸種機。把種子放入全自動浸種機中，根據(jù)蔬菜種子種類，設定浸種時間，全自動浸種機自動進行浸種，根據(jù)不同蔬菜種子需要設定恒定溫度浸種，并不停地自動攪拌，直至設定時間，隨后降低溫度，混入殺菌藥劑，達到設定時間后自動沖洗、排出種子，完成溫湯浸種處理。

種子干熱消毒處理可有效彌補常規(guī)處理的不足，不僅可以殺死種子表面附著的病菌，還可以殺死潛伏在種子內(nèi)部的病原、鈍化病毒，同時不會顯著影響種子的發(fā)芽能力[4]。傳統(tǒng)干熱滅菌采用普通烘箱操作，種子處理量小、溫度不穩(wěn)定，蔬菜工廠化育苗專用的種子干熱處理機，溫度可穩(wěn)定在病毒鈍化最適宜溫度，每批處理種子量300 kg以上，有效提高滅菌效率，減少或杜絕種子帶菌引發(fā)的病害傳播。

催芽是育苗的關鍵所在，蔬菜種子發(fā)芽的好壞決定著蔬菜種苗的數(shù)量和質(zhì)量，同時還對蔬菜種苗的生長發(fā)育有著一定程度的影響。傳統(tǒng)催芽方式將處理過的蔬菜種子進行控水后，用具有良好透氣性的紗布包裹好進行催芽。智能種苗催芽室將根據(jù)蔬菜種子種類及發(fā)芽特性自動設置溫、光、水、氣、肥等基本因素，可為種子發(fā)芽提供良好的條件。

播種環(huán)節(jié)

針對人工播種和普通蔬菜穴盤播種機小粒徑蔬菜種子穴盤育苗播種精度差、效率低等問題，安信種苗研發(fā)智能蔬菜種子精量播種線，通過CCD視覺識別技術、人工智能對播種質(zhì)量進行檢測，實現(xiàn)智能補種，降低空穴率、重播率，提高了精準率，真正實現(xiàn)蔬菜種子的精量播種，極大程度減少了種子的浪費及后期管理程序，經(jīng)試驗驗證單粒播種準確率可達到99%以上。

嫁接環(huán)節(jié)

蔬菜種苗常用的嫁接方法主要有插接法、劈接法等，目前蔬菜種苗嫁接主要依靠人工操作，熟練嫁接工一般每天能嫁接種苗3500株左右，隨著農(nóng)村勞動力短缺，種苗嫁接用工矛盾日益突出。嫁接苗成活率的高低主要與操作人員的熟練程度有關，由于人工操作上的差異，往往同一批苗因為不同的人操作，而嫁接質(zhì)量不同。嫁接質(zhì)量不好的種苗會長出氣生根、接穗生長勢弱、品質(zhì)差，嚴重時造成大量嫁接苗報廢，造成經(jīng)濟損失[5]。如何生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)、健壯的嫁接苗，成為當前育苗行業(yè)急需解決的關鍵問題。

安信種苗投資設計研發(fā)的蔬菜嫁接機，根據(jù)嫁接苗特點設計，可以使砧木、接穗接合迅速，自動完成嫁接操作，避免切口長時間氧化和苗內(nèi)液體的流失，大大提高了嫁接成活率和工作效率，嫁接成功率可達90%以上。解決手工嫁接費工費時，作業(yè)質(zhì)量與作業(yè)效率相矛盾的問題，促進種苗嫁接技術的推廣應用，滿足嫁接苗的市場需求。

植保環(huán)節(jié)

基于視覺檢測系統(tǒng)，采用YOLO-V3深度學習算法，對植物種類和病害實時檢測識別。通過5G物聯(lián)網(wǎng)技術將識別結果上傳到云端進行大數(shù)據(jù)分析，根據(jù)防控標準，針對苗情、病蟲害種類，自動采取不同植保處理措施，包括綠色防控、化學防治、物理防治等。

水肥管理環(huán)節(jié)

通過苗床、育苗溫室、種苗狀態(tài)等多維度的數(shù)據(jù)采集，然后利用5G物聯(lián)網(wǎng)傳輸并進行大數(shù)據(jù)分析，通過大數(shù)據(jù)和傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)技術的融合，對蔬菜種苗當前水肥需求進行綜合評價，再通過5G物聯(lián)網(wǎng)水肥一體智能灌溉系統(tǒng)，針對種苗生長狀態(tài)自動進行水肥管理（圖4）。

基于移動苗床的智能灌溉系統(tǒng)對運輸過程中的種苗進行檢測識別，自動精量控制，極大降低人力成本，提高種苗質(zhì)量。

質(zhì)量管理環(huán)節(jié)

蔬菜種苗一個育苗周期內(nèi)一般要經(jīng)過2～3次分揀合盤工作，目前人工挑選需要大量的時間，且分級標準不統(tǒng)一。蔬菜種苗智能分級分揀設備（圖5）集成機構學、機器視覺、可編程邏輯控制（PLC）技術，通過機器視覺采集穴盤種苗圖像，經(jīng)上位機（計算機）程序處理，運用目標區(qū)域像素統(tǒng)計的方法，對幼苗生長狀況（真葉數(shù)、苗齡、株高和長勢一致性等）進行評價。種苗培育期，對穴盤里種苗健康度分級，對缺苗、弱苗和病苗剔除補種;發(fā)貨時對種苗檢查驗收，將符合標準的種苗移至發(fā)貨區(qū)域，提高產(chǎn)品一致性，保證移栽質(zhì)量。

運輸環(huán)節(jié)

目前蔬菜工廠化育苗運輸作業(yè)還是以人工搬運為主，非常耗費人力。安信種苗數(shù)字化智能種苗工廠研發(fā)棚內(nèi)、棚間多種運輸設備，包括智能尋址運輸車，通過UWB、二維碼尋址定位等多種技術，實現(xiàn)運輸車智能規(guī)劃路線、自動尋址行進，減少運輸環(huán)節(jié)對人工的依賴，并且更加高效;苗床多功能運輸車，通過多個伺服電機配合視覺和UWB導航定位系統(tǒng)，能夠靈活地穿梭于苗床之間，行走平穩(wěn)，承重能力強，并且預留多種接口可以搭載各種智能設備協(xié)同作業(yè);吊軌運輸設備能有效減小地面運輸壓力，實現(xiàn)育苗工廠內(nèi)物料的空中運輸;智能物流苗床通過PLC控制實現(xiàn)苗床智能調(diào)度。通過5G+IoT通信，地上地下運輸系統(tǒng)智能協(xié)同作業(yè)，實現(xiàn)種苗、物料等的智能運輸。

環(huán)境控制環(huán)節(jié)

環(huán)境控制能力不足是影響工廠化育苗的重要原因，目前傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)大部分只有視頻監(jiān)控和環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測功能，無法將相應設備進行聯(lián)動?；诰W(wǎng)絡通訊傳輸、遠程監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析，實時獲取溫室環(huán)境和植物生長狀態(tài)，通過種苗生長環(huán)境模型分析，自動控制設備運行，精準調(diào)控溫室光、熱、水、氣等環(huán)境參數(shù)。例如，根據(jù)傳感器和氣象采集的天氣、溫度、光照、風力等數(shù)據(jù)，通過Zigbee無線通訊到物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關，再傳送到本地服務器分析[6]?？刂浦行闹悄芸刂仆庹陉?、內(nèi)遮陽、內(nèi)保溫、頂開窗、風機濕簾、補光系統(tǒng)，從而調(diào)控溫室內(nèi)光照、溫度。

5G物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)把智能音箱與溫室設施設備連接，實現(xiàn)設備間的直接通訊，語音實現(xiàn)對設施設備的快速遠程控制，已有溫室可通過智能改造，實現(xiàn)語音控制燈光、噴水、卷膜等設備運行。

管理環(huán)節(jié)

種苗工廠ERP管理系統(tǒng)，將公司管理各個環(huán)節(jié)有機串聯(lián)起來，實現(xiàn)流程化、數(shù)據(jù)化、標準化管理?；谠破脚_的管理系統(tǒng)，打破時間、空間限制，隨時隨地查看相關信息，實現(xiàn)人與人、人與設備、設備與設備互通。銷售管理、生產(chǎn)管理、財務管理、服務平臺各系統(tǒng)有機配合，能夠保證質(zhì)量管理各步驟的實施監(jiān)控，農(nóng)戶服務平臺實現(xiàn)在線為農(nóng)戶提供技術支持，通過現(xiàn)代化手段更好地服務農(nóng)戶，提高生產(chǎn)效率，降低管理成本。

智能巡檢機器人能夠不間斷地在智能種苗工廠內(nèi)進行巡回檢查，主要解決人員管理不及時、用人多、信息不準確的問題。運用雷達構建地圖模型以及模型匹配自動巡航，利用超聲波自動避障;搭載高清攝像頭，對種苗的狀況進行實時采集分析，對苗情和人員進行管理。智能巡檢機器人結合數(shù)字ERP系統(tǒng)對種苗生產(chǎn)各環(huán)節(jié)實現(xiàn)智慧管理。

培訓環(huán)節(jié)

傳統(tǒng)育苗教學周期長、不可重復，虛擬仿真系統(tǒng)（圖6）可對蔬菜生產(chǎn)全生命周期進行模擬，用以培養(yǎng)新時代專業(yè)高端人才。用于蔬菜育苗技術教學的同時，可進行種植戶蔬菜栽培管理培訓，培養(yǎng)高素質(zhì)農(nóng)民?；贏R技術的虛擬仿真還可以增加更多交互模式，增加用戶與農(nóng)業(yè)的互動體驗，推動農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展。

數(shù)字推廣環(huán)節(jié)

信息技術高速發(fā)展的潮流下，線上推廣已成為當下的主流形式，抖音、快手等多媒體平臺已經(jīng)廣泛應用于產(chǎn)品推介，而利用3D、4D、AR、VR等現(xiàn)代數(shù)字技術能夠?qū)崿F(xiàn)更加逼真、生動的展示，增強了交互沉浸感，顯著增強系統(tǒng)吸引力[7]，可廣泛用于廣告宣傳、產(chǎn)品展示、公司文化宣傳等。

總結與展望

數(shù)字化智能種苗工廠的優(yōu)勢及問題

數(shù)字化智能種苗工廠的優(yōu)勢主要有三點，一是精準化，提高工廠化育苗效率和質(zhì)量，減少失誤;二是機器替代人工，人工成本大幅度降低;三是工作環(huán)境改善，吸引人才，可持續(xù)發(fā)展。

目前數(shù)字化智能種苗工廠發(fā)展主要有三個問題，一是急需構建數(shù)字種苗產(chǎn)業(yè)發(fā)展的生態(tài)圈;二是投入大，要持續(xù)研發(fā)數(shù)字化智能種苗工廠投入是傳統(tǒng)種苗工廠的3倍以上;三是缺乏復合型人才，數(shù)字化智能種苗工廠橫跨農(nóng)業(yè)技術、機械自動化、信息技術等多個領域，既包括傳統(tǒng)行業(yè)也涵蓋了新型高科技，對于多棲跨界人才非常缺乏。

數(shù)字化智能種苗工廠效益分析

通過農(nóng)機農(nóng)藝融合，形成智能化模式，改變傳統(tǒng)工廠化育苗模式。經(jīng)過近幾年數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和初步測算，傳統(tǒng)育苗工廠若實現(xiàn)10億株/年的育苗量，大約需要4000名工人，數(shù)字化智能種苗工廠可以提高機械化使用率，節(jié)省用工成本80%;若將員工待遇提高50%，則節(jié)省人工成本約70%。對傳統(tǒng)育種工廠的數(shù)字化改造雖然增加了投入，但是可以節(jié)省大量人工成本。數(shù)字化智能種苗工廠模式可以通過軟硬件整體輸出（交鑰匙模式）、EPC模式（設計、建設、運營）、合資、合作等模式快速復制，廣泛推廣應用。

數(shù)字化智能種苗工廠新模式生產(chǎn)要素可控、成本可控、精準可靠，成本低、效益高，突破了制約蔬菜工廠化育苗發(fā)展的“瓶頸”，通過智能設備代替人工，提高了生產(chǎn)效率、減輕了勞動強度、節(jié)省了勞動用工，解決了投入大的問題，推動農(nóng)機技術、農(nóng)藝技術的融合及示范推廣。同時改善工作環(huán)境，提高待遇，吸引人才，具有良好的經(jīng)濟效益、社會效益和環(huán)境效益，促進行業(yè)高效可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻

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*項目支持：2018年農(nóng)業(yè)應用技術創(chuàng)新計劃“智能蔬菜育苗人工氣候箱研發(fā)”（201801）。

作者簡介：韓吉書（1970-），男，山東濟南人，高級農(nóng)藝師，研究方向為蔬菜工廠化育苗。

[引用信息]韓吉書，韓吉勝，宋甲斌，等.蔬菜種苗生產(chǎn)數(shù)字化應用探索[J].農(nóng)業(yè)工程技術，2021，41（07）：16-20.