冬棗生產(chǎn)機(jī)械化發(fā)展現(xiàn)狀與對(duì)策研究

鄭廣隸 張大成 於海明 張克林

0 引言

冬棗又名凍棗、蘋(píng)果棗、冰糖棗，是北方晚秋初冬季節(jié)最受歡迎的一類水果[1]，也是目前最優(yōu)質(zhì)的鮮食栽培品種之一。據(jù)《中國(guó)棗樹(shù)志》記載，冬棗的品類有20個(gè)左右，其中成武冬棗、沾化冬棗、魯北冬棗、薛城冬棗等[2]6個(gè)品種品質(zhì)優(yōu)良、果實(shí)飽滿、甜度較高，更受大眾青睞。冬棗的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值極為豐富，不僅有人體所需的天門(mén)冬氨酸、蘇氨酸等19種氨基酸，而且還含有多種維生素，有“活維生素丸”之稱。另外，冬棗還含有鉀、鈉、鐵、銅等多種微量元素，有通暢毛細(xì)血管，預(yù)防血管壁脆度增加、高血壓、動(dòng)脈硬化以及癌癥的功效，有“百果王”之稱[3]。

冬棗果樹(shù)栽培具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。冬棗樹(shù)的適應(yīng)能力強(qiáng)，抗旱耐澇，是荒山優(yōu)質(zhì)樹(shù)種，冬棗被譽(yù)為“木本糧食，鐵桿莊稼”。栽培冬棗果樹(shù)不僅可以提高水肥以及日光能的利用率，改善土壤結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)土壤的滲透性，而且能促進(jìn)土壤脫鹽，減輕鹽堿危害，促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育。

雖然冬棗渾身上下都是寶，但是生產(chǎn)工藝復(fù)雜，從栽培、采摘收獲、分級(jí)檢測(cè)再到包裝保鮮，需要耗費(fèi)大量的勞動(dòng)力。尤其是在采摘收獲和分級(jí)檢測(cè)環(huán)節(jié)，用工量大、成本高，若收獲不及時(shí)或分選不精確，還會(huì)降低售賣價(jià)格，給種植戶帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)損失。實(shí)現(xiàn)冬棗采摘收獲及分級(jí)檢測(cè)機(jī)械化、智能化，對(duì)提高農(nóng)機(jī)化水平，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)增效、農(nóng)民增收有著重大的現(xiàn)實(shí)意義。

1 技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

在冬棗生產(chǎn)過(guò)程中，采摘收獲和分級(jí)檢測(cè)作業(yè)量占總作業(yè)量的60%左右，因此，要實(shí)現(xiàn)冬棗生產(chǎn)全程機(jī)械化，首先要解決采收與分級(jí)技術(shù)難題。

1.1 冬棗采摘收獲技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

冬棗種植受地理環(huán)境影響較大，從全球范圍看，除了我國(guó)之外，只有韓國(guó)有較少的種植區(qū)域。因此，國(guó)外對(duì)冬棗機(jī)械化收獲技術(shù)的研究較少。

國(guó)外研究者從20世紀(jì)40年代就開(kāi)始研究利用振動(dòng)進(jìn)行果實(shí)采收。Adrian和Fridley[4]是最早提出振動(dòng)采收理論的研究者。他們提出設(shè)計(jì)振動(dòng)裝置的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并通過(guò)研究證明：在一定的振幅下，可以用兩種振動(dòng)設(shè)備進(jìn)行果實(shí)收獲。Lenker和Hedden[5]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究曲柄滑塊式激振器作用下柑橘樹(shù)枝的振動(dòng)特性表明：在振動(dòng)收獲時(shí)，果樹(shù)的位移及相位角與振動(dòng)力的大小及頻率是相關(guān)的。此研究結(jié)果為后續(xù)振動(dòng)采收裝置的研發(fā)提供了理論參考。2003年，韓國(guó)忠南國(guó)立大學(xué)S.W.Lee等對(duì)冬棗的物理力學(xué)特性進(jìn)行研究，研制一種基于樹(shù)冠振動(dòng)的全液壓自走式冬棗收獲機(jī)。

我國(guó)研究者在振動(dòng)采收技術(shù)研究方面做了積極的探索。李志鵬[6]提出通過(guò)對(duì)藍(lán)莓采摘過(guò)程的建模仿真實(shí)現(xiàn)果實(shí)采摘過(guò)程的可視化，為此類裝置的研制提供了理論基礎(chǔ)。翁凌云和許林云[7]將Y型果樹(shù)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，并建立了振動(dòng)微分方程，對(duì)果實(shí)被迫振動(dòng)和自由振動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析。彭俊等人[8]研究了沙棘果與果柄脫離時(shí)的振動(dòng)收獲理論，并建立了二自由度振動(dòng)模型，采用數(shù)理微分方程求解和有限元分析方法得出果實(shí)果柄系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)輸出解及采摘慣性力。雖然以上研究均不是專門(mén)針對(duì)冬棗機(jī)械化收獲的研究，但是這些機(jī)械振動(dòng)采收理論也為冬棗機(jī)械化采摘的研究提供了參考。例如：彭俊等人通過(guò)有限元的方法建立模擬框架，找出了冬棗樹(shù)在振動(dòng)時(shí)響應(yīng)與激勵(lì)頻率之間的關(guān)系，對(duì)冬棗采收機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。傅隆生等人[9]利用高速攝像機(jī)分析了冬棗采摘時(shí)的振動(dòng)脫落規(guī)律。研究結(jié)果表明：冬棗脫落時(shí)呈旋傾型，振動(dòng)頻率越大，冬棗果實(shí)脫落時(shí)的速度及加速度越大，平均脫落時(shí)間越短。張振亞[10]設(shè)計(jì)了一種冬棗振動(dòng)采摘裝置，利用直流電機(jī)帶動(dòng)兩個(gè)偏心塊做方向相反的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)冬棗樹(shù)振動(dòng)，使冬棗在慣性力的作用下掉落。研究結(jié)果表明：當(dāng)振動(dòng)頻率為7 Hz時(shí)，棗樹(shù)最大振幅可達(dá)10 mm，能夠使采凈率提高。魏萬(wàn)行等人[11]設(shè)計(jì)了一款振搖齒梳復(fù)合式采棗機(jī)。該采棗機(jī)梳果齒的伸出長(zhǎng)度和間距可調(diào)節(jié)，采摘時(shí)，利用撥桿圓盤(pán)將電機(jī)主軸的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為梳果齒的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，由多個(gè)梳果齒梳刷棗枝，完成冬棗的采收過(guò)程。李忠杰[12]針對(duì)冬棗的振動(dòng)采摘機(jī)械參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：冬棗的果柄分離力以及冬棗的硬度會(huì)隨著果實(shí)的成熟不斷下降，可溶性固形物含量呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，且冬棗的果柄分離力會(huì)隨著可溶性固形物含量的上升而下降。

在分析國(guó)內(nèi)外振動(dòng)式林果采收理論和振動(dòng)式林果采收機(jī)械的研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，梳理國(guó)內(nèi)外冬棗振動(dòng)采收的相關(guān)研究可知，目前我國(guó)專門(mén)針對(duì)冬棗機(jī)械化采收的研究較少，從機(jī)械化采收的作業(yè)機(jī)理、機(jī)械裝置的參考參數(shù)到實(shí)用性冬棗采收機(jī)械的研制都缺乏系統(tǒng)性的研究，缺少實(shí)用性強(qiáng)、性價(jià)比高的智能化冬棗采收機(jī)械。因此，針對(duì)冬棗的物理特性研制出實(shí)用的冬棗采收機(jī)械具有重要意義。

1.2 冬棗分級(jí)檢測(cè)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

目前，我國(guó)對(duì)于冬棗品質(zhì)的分級(jí)有兩種方法：一是機(jī)械選果，二是人工分級(jí)。機(jī)械選果工作效率高，但僅可以實(shí)現(xiàn)果實(shí)的大小分級(jí)，不能分選出果實(shí)的好壞及成熟度，具有一定的局限性。人工分級(jí)多是按照冬棗的大小及成熟度進(jìn)行分級(jí)，工作效率低，分級(jí)精度不能保證，且勞動(dòng)強(qiáng)度大。

冬棗的分級(jí)主要參考以下幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 22345-2008《鮮棗質(zhì)量等級(jí)》、GB/T 32714-2016《冬棗》和NY/T 2860-2015《冬棗等級(jí)規(guī)格》?？扇苄怨绦挝铮ㄌ嵌龋喂亓浚ù笮。┦桥卸ǘ瑮椘焚|(zhì)的重要指標(biāo)。

我國(guó)在冬棗產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期曾研制基礎(chǔ)分選裝置。例如：新疆希望果業(yè)開(kāi)發(fā)有限公司曾研發(fā)出一款全自動(dòng)冬棗分級(jí)篩選設(shè)備。該設(shè)備根據(jù)冬棗果實(shí)單果重量（大小）的不同將冬棗進(jìn)行初步分離，并清選出混入的雜質(zhì)，提高了分級(jí)效率。濱州市沾化區(qū)冬棗研究所研發(fā)的冬棗分選槽分級(jí)裝置可以按照冬棗的大小進(jìn)行分級(jí)篩選，提高了分選精度，降低了分選對(duì)冬棗的機(jī)械損傷率，減少了存儲(chǔ)和運(yùn)輸過(guò)程中損傷腐爛損失。此類選果機(jī)器具有高低兩端，兩端之間有4個(gè)出口，在進(jìn)行分級(jí)時(shí)，將冬棗倒入機(jī)器入口并攤平，隨著皮帶的轉(zhuǎn)動(dòng)，人工將壞棗、爛棗分出。挑出病傷棗果后，打開(kāi)機(jī)器電源使皮管轉(zhuǎn)動(dòng)，不同大小的冬棗在向前傳送的過(guò)程中落入不同位置的貯藏盒內(nèi)，以此實(shí)現(xiàn)冬棗分級(jí)。這一時(shí)期研制的冬棗分選裝置多為純機(jī)械裝置，分級(jí)精度不高，容易造成機(jī)械損傷，且分級(jí)效率有待提高。所以研制智能化分級(jí)裝置，實(shí)現(xiàn)冬棗的快速無(wú)損檢測(cè)具有十分重要的意義。

近年來(lái)，隨著光譜技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器視覺(jué)以及光譜成像技術(shù)廣泛應(yīng)用于水果分級(jí)檢測(cè)領(lǐng)域。機(jī)器視覺(jué)綜合了計(jì)算機(jī)、光學(xué)、自動(dòng)控制、模式識(shí)別等技術(shù)（包括圖像獲取、處理、分析、輸出或顯示等），以其無(wú)損、快速的特點(diǎn)，適合水果外觀大小、形狀、顏色等檢測(cè)。該技術(shù)能減輕人工勞動(dòng)強(qiáng)度，檢測(cè)誤差小、速度快、精度高。光譜及光譜成像技術(shù)檢測(cè)是基于入射光與果實(shí)組織相互作用時(shí)發(fā)生光散射和吸收進(jìn)行的，光散射受組織組成和細(xì)胞結(jié)構(gòu)的影響，而吸收與水果的化學(xué)組成密切相關(guān)，可見(jiàn)光和近紅外區(qū)域的高光譜可以較好地實(shí)現(xiàn)水果成熟度指標(biāo)的檢測(cè)。例如：孫中國(guó)[13]基于機(jī)器視覺(jué)研制了冬棗生熟檢測(cè)系統(tǒng)，利用冬棗果實(shí)的表面顏色對(duì)冬棗進(jìn)行生熟判別，打破原來(lái)以冬棗果實(shí)大小進(jìn)行分級(jí)的狀況，實(shí)現(xiàn)了對(duì)冬棗更高品質(zhì)更精確的自動(dòng)化分揀。劉聰[14]運(yùn)用近紅外光譜檢測(cè)技術(shù)分析了冬棗的可溶性固形物、水分、維生素C等物質(zhì)的含量及指標(biāo)模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)冬棗的無(wú)損檢測(cè)。魏新華等人[15]基于高光譜成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)冬棗微小機(jī)械損傷的識(shí)別，利用光譜分量圖像進(jìn)行主成分分析，對(duì)100個(gè)樣本進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明，其正確識(shí)別率在98%以上。劉玉樂(lè)等人[16]研發(fā)了一款基于智能視覺(jué)識(shí)別及瞬間重量采集技術(shù)的冬棗分選檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)和瞬間重量采集技術(shù)能夠完成對(duì)冬棗的損傷度及單果重量的雙重精確分選。侯鵬帥等人[17]利用Openmv視覺(jué)處理技術(shù)設(shè)計(jì)了一款可以實(shí)現(xiàn)對(duì)冬棗的快速色選以及大小分選的檢測(cè)系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，分選準(zhǔn)確率在96%以上。若將該項(xiàng)技術(shù)優(yōu)化推廣，可大幅節(jié)省用工成本，提高工作效率。陳沖等人[18]利用近紅外光譜技術(shù)建立冬棗水分及糖分的主成分回歸和最小二乘法模型，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)得到冬棗水分的相關(guān)系數(shù)為0.997 45，糖分的相關(guān)系數(shù)為0.960 78。試驗(yàn)結(jié)果表明，利用近紅外光譜技術(shù)對(duì)冬棗的水分及糖分進(jìn)行預(yù)測(cè)是切實(shí)可行的。

通過(guò)梳理上述關(guān)于冬棗分級(jí)檢測(cè)技術(shù)的相關(guān)文獻(xiàn)可知，機(jī)器視覺(jué)、光譜以及光譜成像技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)冬棗的快速、準(zhǔn)確、無(wú)損檢測(cè)，未來(lái)可以深化此類技術(shù)研究。

2 冬棗生產(chǎn)機(jī)械化現(xiàn)存問(wèn)題

2.1 缺乏對(duì)冬棗力學(xué)特性及機(jī)械收獲參數(shù)的研究

由于冬棗屬于脆硬性果實(shí)，很容易受到機(jī)械損傷，受到損傷的冬棗品質(zhì)下降，不僅會(huì)影響其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，還會(huì)影響冬棗種植經(jīng)濟(jì)效益。冬棗的機(jī)械損傷主要發(fā)生在收獲、分級(jí)、包裝及運(yùn)輸環(huán)節(jié)，因此明確冬棗的力學(xué)特性具有十分重要的意義。我國(guó)冬棗收獲機(jī)械的工作原理主要是振動(dòng)收獲，而在設(shè)計(jì)振動(dòng)收獲機(jī)械時(shí)，需要明確冬棗機(jī)械收獲參數(shù)，包括不同成熟期冬棗果柄的分離力、冬棗的應(yīng)力及破裂力等。因此，對(duì)冬棗機(jī)械收獲參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)研究很有必要。

2.2 缺少實(shí)用性強(qiáng)、性價(jià)比高的智能化冬棗采收機(jī)械

目前，還沒(méi)有研發(fā)出專門(mén)用于冬棗采收的實(shí)用性強(qiáng)、性價(jià)比高的智能化機(jī)械，且現(xiàn)有的冬棗種植模式也不符合機(jī)械化作業(yè)要求，農(nóng)機(jī)農(nóng)藝不配套，提高了農(nóng)機(jī)化投入成本，降低了冬棗種植經(jīng)濟(jì)效益。

2.3 作業(yè)環(huán)節(jié)多、效率低

現(xiàn)階段，冬棗生產(chǎn)流程是采收后再進(jìn)行分級(jí)檢測(cè)，作業(yè)環(huán)節(jié)多，不僅浪費(fèi)時(shí)間，而且需要耗費(fèi)大量的人力。研制出加裝分級(jí)檢測(cè)裝置的冬棗采收機(jī)械，將很大程度上提高工作效率，提升經(jīng)濟(jì)效益。

2.4 技術(shù)研發(fā)基礎(chǔ)較差

我國(guó)冬棗生產(chǎn)機(jī)械化發(fā)展基礎(chǔ)較差、起步較晚，科研能力不強(qiáng)，缺乏相應(yīng)的技術(shù)人才。相關(guān)部門(mén)對(duì)冬棗機(jī)械化生產(chǎn)研發(fā)的重視程度不夠，資金投入不足，扶持力度不大，冬棗生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化程度不高。

3 對(duì)策與建議

3.1 系統(tǒng)研究冬棗的力學(xué)特性及機(jī)械收獲參數(shù)

在進(jìn)行冬棗采收機(jī)械研制前，需要系統(tǒng)了解冬棗的力學(xué)特性及機(jī)械收獲參數(shù)。應(yīng)加強(qiáng)冬棗果柄分離力與成熟度的關(guān)系、振動(dòng)頻率對(duì)冬棗的機(jī)械損傷程度以及冬棗樹(shù)的動(dòng)力學(xué)仿真等實(shí)驗(yàn)分析，進(jìn)而確定冬棗的最優(yōu)振動(dòng)采收參數(shù)，為設(shè)計(jì)冬棗機(jī)械采收裝置奠定理論基礎(chǔ)。

3.2 強(qiáng)化冬棗生產(chǎn)農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝融合

一方面，冬棗的種植模式應(yīng)滿足機(jī)械化作業(yè)要求；另一方面，冬棗生產(chǎn)機(jī)械裝置的研發(fā)也應(yīng)符合農(nóng)藝技術(shù)要求。農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合發(fā)展才能推進(jìn)冬棗生產(chǎn)的機(jī)械化、智能化。應(yīng)研發(fā)滿足不同品種冬棗以及不同種植模式棗園作業(yè)要求的生產(chǎn)機(jī)械，提高冬棗生產(chǎn)機(jī)械化水平，降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度，提高冬棗生產(chǎn)效率。

3.3 研發(fā)冬棗采收、分級(jí)一體化裝置

將冬棗分級(jí)檢測(cè)裝置加裝在采收機(jī)械上，可以實(shí)現(xiàn)采收分級(jí)一體化，減少中間作業(yè)環(huán)節(jié)，降低生產(chǎn)成本。分級(jí)檢測(cè)裝置可以采用機(jī)器視覺(jué)或光譜技術(shù)，實(shí)現(xiàn)快速無(wú)損、低成本檢測(cè)。此類裝置不僅可以用于冬棗果實(shí)大小、果型的分級(jí)，還可以用于冬棗甜度、脆熟度的分級(jí)，作業(yè)效率高。

3.4 加大冬棗生產(chǎn)機(jī)械化技術(shù)研發(fā)投入力度

應(yīng)出臺(tái)扶持政策，推進(jìn)冬棗生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化。在此基礎(chǔ)上，增加資金投入，鼓勵(lì)高校及企業(yè)研發(fā)冬棗生產(chǎn)機(jī)械化裝置。同時(shí)，要加大冬棗生產(chǎn)機(jī)械購(gòu)置補(bǔ)貼力度，調(diào)動(dòng)農(nóng)民購(gòu)買(mǎi)冬棗生產(chǎn)機(jī)械的積極性。