果園運輸裝備與數(shù)字果園的研究進展及展望

王 琢，張俊峰，肖 進，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)機械化水平總體小于20%。

1 果園運輸裝備研究進展

1.1 國外果園運輸裝備現(xiàn)狀

歐洲國家、美國、日本等發(fā)達國家果園機械化起步較早，19 世紀(jì)開始果園機械化運輸裝備的研發(fā)工作，20 世紀(jì)90 年代進入應(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輸機，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 機械有限公司研發(fā)出森林單軌運輸機［1，2］。

國外標(biāo)準(zhǔn)化果園擁有完備的運輸裝備體系，機械化的運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，運輸裝備主要采用獨立的中型輪式運輸車和由拖拉機改造而來的運輸機。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，運輸裝備主要采用中型拖拉機和箱式貨運車。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。日本的果園運輸裝備齊全，有多輪（二輪至六輪）農(nóng)用運輸機、履帶式果園運輸機、軌道運輸機和索道運輸機［3-5］。發(fā)達國家的果園標(biāo)準(zhǔn)化程度高、集約化生產(chǎn)規(guī)模大，果園機械化運輸裝備體系相對健全。

1.2 國內(nèi)果園運輸裝備現(xiàn)狀

中國國內(nèi)果園的特點是規(guī)模小、坡地多、種植標(biāo)準(zhǔn)差異大，從而導(dǎo)致機械化程度低，鮮果和肥料運輸困難，果農(nóng)勞動強度大。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。從運輸方式上來看，目前以人工搬運為主，正逐步向機械化運輸轉(zhuǎn)變。相對于發(fā)達國家，中國的果園機械化裝備研發(fā)和應(yīng)用起步較晚，運輸裝備主要有輪式運輸車、履帶式運輸車、軌道運輸機、索道運輸機等4 種類型。

輪式運輸車結(jié)構(gòu)簡單、運行靈活，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］。

相較于輪式運輸車，履帶式運輸車具有爬坡能力強、通過性好的優(yōu)點。2011 年，國內(nèi)出現(xiàn)了一種遙控式履帶運輸車，主要特點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輸車，采用雙電機驅(qū)動，48 V鋰電池供電［3］。

履帶式運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)了軌道式運輸機。國內(nèi)的山地果園運輸機軌道類型主要有單軌型、雙軌型、無軌型，運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、汽油機、電動機。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輸機，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)體系機械研究室華中農(nóng)業(yè)大學(xué)團隊研發(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輸機［9-18］，并在湖北、重慶、廣西等?。ㄊ校┻M行了推廣，如圖1 所示。華南農(nóng)業(yè)大學(xué)團隊也研發(fā)了一系列的山地果園運輸機，包括雙軌牽引式、電動單軌自走式運輸機，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)的山地果園軌道運輸機

索道運輸機是另一種山地果園運輸裝備，與軌道運輸機相比，索道運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)貨運索道運輸裝備，實現(xiàn)了上下坡、轉(zhuǎn)彎和直線的循環(huán)運行，以及啟動、停止的遙控控制，最高生產(chǎn)率可達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)致早些年機械化運輸裝備研發(fā)與應(yīng)用進展緩慢。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)模不斷擴大，上下游產(chǎn)業(yè)鏈形成，配套研發(fā)投入擴大，越來越多的科研院所和企業(yè)投入到果園機械化運輸裝備的研發(fā)中，在中國南方地區(qū)，基本形成較為完備的機械化運輸裝備體系。

2 數(shù)字果園研究進展

2.1 數(shù)字果園的概念

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)強調(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)資源進行利用，使果園按照消費者需求的目標(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、運行模式等方面進行了探索，而在實際的數(shù)字果園建設(shè)中還會面臨更復(fù)雜的現(xiàn)實問題。

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)面臨的一部分實際問題。然而，在果園機械化運輸裝備和數(shù)字果園方面還存在一系列亟待解決的問題。

1）機械化運輸裝備自動化程度低。許多運輸裝備仍然需要人工直接對機械進行操控，裝備自身缺乏感知設(shè)備，沒有實現(xiàn)自動化運行。電動化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化是機械裝備發(fā)展的趨勢，有必要對機械運輸裝備的整體和局部進行優(yōu)化設(shè)計，進一步降低勞動強度，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械化運輸方式并存的生產(chǎn)運輸模式，同一個果園的不同區(qū)域因坡度不同采用不同的運輸裝備，各種運輸裝備同時協(xié)同分工運行。果農(nóng)利用一套系統(tǒng)可以掌握果園全局作業(yè)情況，各個運輸裝備自主作業(yè)。

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

3）數(shù)字果園沒有全面實現(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)、消費數(shù)據(jù)進行全面整合，水果的品質(zhì)、果樹的長勢、土壤的營養(yǎng)狀況、氣候的變化、運輸?shù)谋ｕr情況、消費者的評價等都應(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)之間的影響機理，形成一整套從生產(chǎn)端到消費端的數(shù)字化系統(tǒng)。

4 結(jié)論

近年來，中國已經(jīng)研發(fā)出多款果園機械化運輸裝備，包括輪式運輸車、履帶式運輸車、軌道運輸機、索道運輸機等，不少廠家開發(fā)生產(chǎn)的運輸裝備已經(jīng)納入農(nóng)機補貼目錄，也在中國南方地區(qū)進行了推廣。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，軌道式運輸機已經(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)機與農(nóng)藝、信息化與機械化深入融合后，未來的果園將會更加快速地朝著全程機械化、全面數(shù)字化的方向發(fā)展。