果園作業(yè)平臺(tái)存在的問(wèn)題及發(fā)展對(duì)策

秦家輝，馬志偉，李 玲，羅自瑤，楊淑華，郝建軍

（1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河北 保定 071001；2.河北省智慧農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 保定 071001；3.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)村發(fā)展學(xué)院，河北 保定 071001；4.承德市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站，河北 承德 067000；5.河北省核桃產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，河北 臨城 054330）

我國(guó)水果種植面積及總產(chǎn)量均居世界首位，2019年我國(guó)水果產(chǎn)量達(dá)到1.9×108t，果園種植面積達(dá)1.23×108hm2，其中超62%的果園位于丘陵山區(qū)，果樹種植較為分散且地塊面積較小，果園生產(chǎn)中的修枝剪枝、疏花疏果、套袋采收等高位作業(yè)環(huán)節(jié)多以人工作業(yè)為主，勞動(dòng)強(qiáng)度大、危險(xiǎn)系數(shù)高、作業(yè)效率低[1-2]。近年來(lái)，隨著我國(guó)果園的規(guī)模化發(fā)展，亟需實(shí)用先進(jìn)的果園機(jī)械。但我國(guó)果園機(jī)械化作業(yè)水平較低，已成為制約我國(guó)林果業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的主要因素[3-4]。

近年來(lái)，《農(nóng)機(jī)裝備發(fā)展行動(dòng)方案（2016-2025）》《關(guān)于加快推進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化和農(nóng)機(jī)裝備產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的指導(dǎo)意見》（國(guó)發(fā)〔2018〕42號(hào)）、《關(guān)于加快推進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化轉(zhuǎn)型升級(jí)通知》（農(nóng)機(jī)發(fā)〔2019〕4號(hào)）等文件相繼出臺(tái)，發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)機(jī)裝備被提高到前所未有的戰(zhàn)略高度，惠及果園機(jī)械化發(fā)展的相關(guān)舉措為我國(guó)林果產(chǎn)業(yè)的持續(xù)高質(zhì)量發(fā)展帶來(lái)了生機(jī)。在我國(guó)果園規(guī)模化發(fā)展及農(nóng)業(yè)從業(yè)人員減少、人工成本增加的背景下，果園機(jī)械市場(chǎng)旺盛、需求驟增。果園作業(yè)平臺(tái)作為輔助人工作業(yè)的重要機(jī)械裝備，不僅可以節(jié)約人工投入成本、提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、保障生產(chǎn)安全，而且會(huì)大大降低果實(shí)損傷率，提高果農(nóng)的經(jīng)濟(jì)效益，果園作業(yè)平臺(tái)在現(xiàn)代果園生產(chǎn)中正發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

1 果園作業(yè)平臺(tái)的分類

從結(jié)構(gòu)型式上，果園作業(yè)平臺(tái)可分為懸掛式、牽引式和自走式3種，見圖1[1,5,6]。懸掛式和牽引式果園作業(yè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低、維護(hù)保養(yǎng)方便，但其需要額外配備拖拉機(jī)作為動(dòng)力，轉(zhuǎn)向不靈活。懸掛式果園作業(yè)平臺(tái)適用于作業(yè)工作量較低的小型傳統(tǒng)果園，牽引式果園作業(yè)平臺(tái)適用于機(jī)耕道和行間距規(guī)范的大型現(xiàn)代化果園；自走式果園作業(yè)平臺(tái)自帶動(dòng)力，結(jié)構(gòu)緊湊、功能完備、操作簡(jiǎn)便，具有較好的靈活性、機(jī)動(dòng)性和適應(yīng)性，適合不同規(guī)模和模式的絕大部分果園使用，但制造成本較高。

圖1 果園作業(yè)平臺(tái)的分類Fig.1 Classification of orchard operation platform

2 我國(guó)果園作業(yè)平臺(tái)研究現(xiàn)狀

與歐美地區(qū)相比，我國(guó)的果園作業(yè)平臺(tái)的研究起步相對(duì)較晚，且最初發(fā)展緩慢[7]。20世紀(jì)90年代，在市場(chǎng)需求帶動(dòng)下，果樹種植熱情高漲[8]，輔助升降作業(yè)平臺(tái)開始進(jìn)入市場(chǎng)。1992年浙江金華農(nóng)機(jī)所開發(fā)出了專門用于采摘水果的升降機(jī)，2007年新疆機(jī)械研究所成功研制國(guó)內(nèi)第1臺(tái)自走（手扶）履帶式多功能果園作業(yè)平臺(tái)（LG-1型，如圖2），其主要由行走底盤和升降機(jī)構(gòu)兩大組成，搭載空壓機(jī)、發(fā)電機(jī)及噴霧系統(tǒng)，可完成修剪、噴藥、采摘、運(yùn)輸?shù)裙δ躘9-10]，該機(jī)的成功研制開創(chuàng)了我國(guó)果園機(jī)械的多功能作業(yè)時(shí)代。隨著傳統(tǒng)果園升級(jí)改造及矮砧密植寬行標(biāo)準(zhǔn)化果園的發(fā)展，國(guó)內(nèi)掀起了果園多功能作業(yè)平臺(tái)相關(guān)技術(shù)及裝備研究高潮[11]。2011年北京市農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)鑒定推廣站研制出小型多功能遙控動(dòng)力平臺(tái)，該平臺(tái)的行進(jìn)、轉(zhuǎn)向和停車均可以遠(yuǎn)程遙控，遙控范圍可達(dá)60 m[7,12]；針對(duì)于丘陵山區(qū)特殊地形環(huán)境，2011年中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)研制出一種適用于丘陵山地作業(yè)的全地形農(nóng)業(yè)用行走底盤（如圖3），該底盤在崎嶇地形行駛時(shí)，可根據(jù)實(shí)際需求實(shí)時(shí)靈活調(diào)整懸架角度以保持車輪與路面始終緊密結(jié)合，從而使車輛具有較好的越障性能與平穩(wěn)性[12-13]；2015年河北農(nóng)業(yè)大學(xué)、森海機(jī)械公司、河北中農(nóng)博遠(yuǎn)農(nóng)業(yè)裝備有限公司、新疆農(nóng)科院農(nóng)機(jī)化研究所等單位研制了可左右伸展的果園作業(yè)平臺(tái)，使作業(yè)平臺(tái)的作業(yè)效率得到提高[14]。

圖2 LG-1型多功能果園作業(yè)平臺(tái)Fig.2 LG-1 multifunctional orchard operation platform

圖3 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的全地形農(nóng)用車Fig.3 All terrain agricultural vehicledeveloped by China Agricultural University

3 果園作業(yè)平臺(tái)存在的問(wèn)題

作為現(xiàn)代果園生產(chǎn)中不可缺失的重要的農(nóng)機(jī)裝備，果園作業(yè)平臺(tái)正在發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。近年來(lái)，科研工作者對(duì)果園作業(yè)平臺(tái)，尤其是自走式果園作業(yè)平臺(tái)開展了大量卓有成效的工作，但仍存在諸多不足，主要表現(xiàn)在以下幾方面：一是我國(guó)果園作業(yè)平臺(tái)大多以傳統(tǒng)農(nóng)用運(yùn)輸機(jī)具底盤為平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)，而針對(duì)果園環(huán)境下特殊作業(yè)工況下的專用底盤缺乏，不能很好滿足果園生產(chǎn)對(duì)作業(yè)平臺(tái)通過(guò)性、穩(wěn)定性需求。二是高端果園作業(yè)平臺(tái)上使用的液壓泵、控制閥、傳感器等零部件產(chǎn)品精度和質(zhì)量尚不能很好滿足可調(diào)平式果園作業(yè)平臺(tái)的調(diào)平精度和響應(yīng)時(shí)間需求。三是果園作業(yè)平臺(tái)的機(jī)電液一體化集成度不夠，氣、電、液動(dòng)力輸出接口不能很好滿足果園耕整（起壟、鋤草、松土、打穴、旋耕）、果樹管理（修剪、疏花、套袋）、果實(shí)收獲（采摘、集果）等作業(yè)機(jī)具及多工位作業(yè)需求。四是果園作業(yè)平臺(tái)的信息化、數(shù)字化、智能化水平較低，自動(dòng)導(dǎo)航、遠(yuǎn)程遙控、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、機(jī)器視覺、5G等新技術(shù)融入度不高。

4 果園作業(yè)平臺(tái)發(fā)展對(duì)策

在我國(guó)現(xiàn)代化果園面積逐年擴(kuò)大、用工成本劇增的背景下，果園作業(yè)平臺(tái)作為有效提高果園生產(chǎn)效率的重要手段和工具，其發(fā)展具有重要意義。自走式的功能果園作業(yè)平臺(tái)是未來(lái)發(fā)展的主要方向，針對(duì)我國(guó)果園作業(yè)平臺(tái)存在的問(wèn)題，認(rèn)為應(yīng)在以下幾方面開展相關(guān)工作。一是加強(qiáng)果園作業(yè)平臺(tái)專用底盤技術(shù)和產(chǎn)品研發(fā)，拓寬使用場(chǎng)景。開發(fā)輪距/軌距可調(diào)式系列化、多樣化底盤結(jié)構(gòu)，提高果園作業(yè)平臺(tái)的通用性，拓展其應(yīng)用場(chǎng)景。二是開發(fā)機(jī)電液一體化高度集成的氣、電、液動(dòng)力輸出接口，方便掛接起壟、鋤草、松土、旋耕、施藥、施肥、修剪、疏花、套袋、采摘等果園作業(yè)機(jī)械，拓展作業(yè)平臺(tái)功能，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。三是選用高精度傳感器及控制更精準(zhǔn)的液壓調(diào)節(jié)閥等液壓元器件，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、PID等控制算法，不斷優(yōu)化作業(yè)平臺(tái)的主動(dòng)調(diào)平能力，提高作業(yè)平臺(tái)的安全性和操控性。四是加強(qiáng)果園作業(yè)平臺(tái)電動(dòng)底盤的能源系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)及作業(yè)平臺(tái)電動(dòng)升降、電動(dòng)調(diào)平等技術(shù)研究與開發(fā)，使作業(yè)平臺(tái)具有更好的經(jīng)濟(jì)性和操控性。五是加強(qiáng)機(jī)器視覺、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、5G等新技術(shù)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)作業(yè)平臺(tái)自主導(dǎo)航、自動(dòng)路徑規(guī)劃、智能避障，提高作業(yè)平臺(tái)的信息化、數(shù)字化、智能化水平。六是完善配套政策，進(jìn)一步發(fā)揮財(cái)政補(bǔ)貼資金作用，加大傳統(tǒng)果園升級(jí)改造、丘陵山地果園宜機(jī)化改造、標(biāo)準(zhǔn)化建園及果園作業(yè)平臺(tái)購(gòu)機(jī)補(bǔ)貼力度，資助作業(yè)平臺(tái)整機(jī)及其關(guān)鍵零部件自主研發(fā)，加大相關(guān)先進(jìn)技術(shù)及裝備的引進(jìn)力度，加強(qiáng)科技成果轉(zhuǎn)化及從業(yè)人員技能培訓(xùn)，扶持發(fā)展規(guī)模經(jīng)營(yíng)。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)傳統(tǒng)果園升級(jí)改造及新建標(biāo)準(zhǔn)化果園的快速發(fā)展，果園作業(yè)平臺(tái)，尤其是具有起壟、鋤草、松土、旋耕、施藥、施肥、修剪、疏花、套袋、采摘等功能的果園作業(yè)平臺(tái)在現(xiàn)代果園生產(chǎn)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。針對(duì)我國(guó)果園作業(yè)平臺(tái)存在的不足，加強(qiáng)薄弱環(huán)節(jié)果園多功能作業(yè)平臺(tái)技術(shù)創(chuàng)新研究和裝備的研發(fā)、推廣與應(yīng)用，解決目前果園作業(yè)平臺(tái)大多存在的功能單一、可操控性差、自動(dòng)化水平低等“卡脖子”問(wèn)題，為現(xiàn)代果園的規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化及可持續(xù)發(fā)展提供有力的技術(shù)支撐，對(duì)推進(jìn)我國(guó)林果業(yè)高質(zhì)高質(zhì)量發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。