大同黃花大田種植一體化技術(shù)架構(gòu)

王晨升，蘇芳，王舒瑋

（山西大同大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山西大同 037003）

引言

黃花是重要的經(jīng)濟(jì)作物，其花苞經(jīng)過蒸、曬和深加工，可制成食品、飲品、菜品和功能產(chǎn)品等四大系列100多種黃花產(chǎn)品，具有健胃、利尿、消腫等功效；根可以用于釀酒，淡雅清香；葉可以用于造紙和編織手工制品；莖可用于制作生物燃料。黃花在大同市云州區(qū)已經(jīng)有610多年的種植歷史，云州區(qū)夏季雨水較為集中，晝夜溫差大，地處火山地帶，土壤中富含微量元素，非常適合黃花生長，因此，大同黃花的品質(zhì)非常高[1]。

大同市政府非常重視黃花產(chǎn)業(yè)發(fā)展。自2011年以來，黃花產(chǎn)業(yè)被云州區(qū)確立為“一縣一業(yè)”的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，推動公司+農(nóng)戶、合作社+農(nóng)戶等多種運(yùn)作模式，通過土地流轉(zhuǎn)、資金扶持、招商引資、技術(shù)服務(wù)等一系列措施，不斷擴(kuò)大種植面積，推動黃花產(chǎn)業(yè)逐漸向規(guī)?；N植、集約化加工、品牌化銷售的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展。2019年，“大同黃花”產(chǎn)業(yè)扶貧經(jīng)驗成功入選為全國第二批產(chǎn)業(yè)扶貧典型范例，是對大同黃花產(chǎn)業(yè)發(fā)展的極大肯定，同時，大同黃花也成功入選中國農(nóng)業(yè)品牌目錄。2020年，習(xí)近平總書記在大同考察，對大同黃花提出殷切希望，指出“黃花也能做成大產(chǎn)業(yè)，有著很好的發(fā)展前景，要保護(hù)好、發(fā)展好這個產(chǎn)業(yè)，讓黃花成為群眾脫貧致富的‘搖錢草’”。同年，大同市增選黃花為市花。2021年大同黃花全產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)值突破18.4 億元[2]。

經(jīng)過近年來的快速發(fā)展，大同黃花在種植規(guī)模、產(chǎn)品開發(fā)和品牌成長等方面都取得了可喜的成績。但是，發(fā)展所面臨的困境也不容忽視，當(dāng)前，隨著種植數(shù)量的急劇增長，使得勞動力不足的問題更加突出，特別是采摘期，仍依賴于傳統(tǒng)的人工采摘，采摘速度低，極大的限制了黃花產(chǎn)量。因此，大同黃花亟需一套一體化的解決方案，突破種植、采摘和加工關(guān)鍵技術(shù)，在工業(yè)4.0的背景下，推動黃花產(chǎn)業(yè)升級，保持良性發(fā)展，提升區(qū)域農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)水平。

智慧農(nóng)業(yè)是中國農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢，是解決當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中存在問題的最終途徑。趙春江[3-4]對智慧農(nóng)業(yè)的概念與內(nèi)涵做了具體闡釋，從戰(zhàn)略構(gòu)想、重點(diǎn)任務(wù)和發(fā)展路徑等方面對智慧農(nóng)業(yè)的未來發(fā)展做了分析。王小兵等[5]對建設(shè)智慧農(nóng)業(yè)的技術(shù)演進(jìn)、現(xiàn)實需求、發(fā)展趨勢進(jìn)行了分析，提出了智慧農(nóng)業(yè)建設(shè)和數(shù)字鄉(xiāng)村發(fā)展的具體路徑。楊印生等[6]對智慧農(nóng)業(yè)的社會經(jīng)濟(jì)特征做了深入剖析，認(rèn)為智慧農(nóng)業(yè)的具體體現(xiàn)在于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全生命周期管理的高度信息化、三產(chǎn)融合和人工智能等先進(jìn)技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的成功應(yīng)用和發(fā)展。智慧農(nóng)業(yè)的目標(biāo)在于，推動農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實現(xiàn)機(jī)械化、自動化、無人化、智慧化，能夠最大化的降低人力投入，提高經(jīng)濟(jì)效益。

因此，在工業(yè)4.0技術(shù)背景下，突破種植、采摘及加工等方面的關(guān)鍵技術(shù)，提供大同黃花產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的一體化技術(shù)解決方案，能夠有效地推動大同黃花產(chǎn)業(yè)做大做強(qiáng)，增加農(nóng)民收入，促進(jìn)區(qū)域農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展。本文考慮黃花的生長特征和大同市云州區(qū)的地域特色，基于智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)理念，提出一種從種植、采摘到加工的黃花產(chǎn)品全周期一體化技術(shù)解決方案，分析各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)，為大同黃花現(xiàn)代化發(fā)展提供模型及路徑參考。

1 架構(gòu)模型

在工業(yè)4.0背景下，智能制造如火如荼的推動產(chǎn)業(yè)升級，在萬物互聯(lián)互通的條件下，“智慧”廣泛融入到生產(chǎn)、生活中[7]。與此同時，智慧農(nóng)業(yè)也進(jìn)入到快車道，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全生命周期管理高度信息化，融合人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和云計算等先進(jìn)技術(shù)，集感知、分析、決策和執(zhí)行一體的智慧農(nóng)業(yè)新模式逐漸清晰。大同地處黃土高原，山地丘陵較多，農(nóng)業(yè)發(fā)展面臨地面條件、機(jī)械裝備和成本等諸多因素制約，農(nóng)業(yè)發(fā)展產(chǎn)業(yè)化水平、機(jī)械化作業(yè)水平均處于起步階段[8]。與農(nóng)業(yè)不同的是，地處大同地區(qū)以及周邊區(qū)域的工業(yè)已經(jīng)邁入了智能制造的行列，信息技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于生產(chǎn)線的升級改造中，因此，在區(qū)域工業(yè)技術(shù)外溢環(huán)境條件下，大同農(nóng)業(yè)具備產(chǎn)業(yè)化升級的技術(shù)基礎(chǔ)和可行性。

黃花種植行距約70cm，葉呈散落狀，花莖高1m左右，生長4-6個側(cè)枝，花苞呈射線狀在空間生長。幼小花苞呈嫩綠色，成熟后花苞顏色鮮黃，角長肉厚，線條粗壯，花柄脆嫩?；ò烧^程中，需將花柄折斷，并盡量避免碰觸幼小花苞。傳統(tǒng)人工采摘方式中，依靠單手張力盡量減小花莖搖晃，并快速折斷，然后放入容器中。大同黃花花期集中在6月底到7月底[9]，花苞采摘是在開放前完成，因此，在采摘階段對勞動力需求非常大，勞動強(qiáng)度大，成本高。為解決當(dāng)前大同黃花種植中面臨的采摘難問題，本文提出了一種從種植、采摘到加工的一體化技術(shù)解決方案，支撐大同黃花產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。方案總體架構(gòu)模型如圖1所示。首先，在種植階段，為解決采摘難的問題，基于產(chǎn)業(yè)化種植技術(shù)創(chuàng)造容易實現(xiàn)機(jī)械化采摘的生物環(huán)境條件；其次，開發(fā)機(jī)械化、自動化、智能化的智能采摘技術(shù)，并配合連通各環(huán)節(jié)的輸送系統(tǒng)；最后，實現(xiàn)數(shù)字化的集約式加工，完成產(chǎn)品加工。

圖1 大同黃花產(chǎn)業(yè)化發(fā)展架構(gòu)模型

該模型以現(xiàn)場層、控制層和信息層組成的金字塔結(jié)構(gòu)為核心，現(xiàn)場層包括種植、采摘和加工。其中，種植和采摘主要工作區(qū)域在田間，加工則在田邊。在物理世界，各環(huán)節(jié)基于輸送系統(tǒng)連接；在虛擬空間，通過數(shù)據(jù)連接，形成一體化農(nóng)業(yè)系統(tǒng)。產(chǎn)業(yè)化種植既是農(nóng)業(yè)一體化系統(tǒng)的開端，也是基礎(chǔ)，主要涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括：線譜種植技術(shù)、生長監(jiān)測、精準(zhǔn)灌溉和防災(zāi)害等。并且，在種植業(yè)的基礎(chǔ)上可拓展產(chǎn)業(yè)，結(jié)合火山文化，開發(fā)黃花旅游產(chǎn)業(yè)。另外，為合理利用空間，并實現(xiàn)節(jié)能創(chuàng)收、綠色農(nóng)業(yè)的理念，在黃花種植的基礎(chǔ)上拓展太陽能發(fā)電系統(tǒng)，在采摘季為采摘系統(tǒng)提供能源，其余時間則可發(fā)電產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益。智能采摘是黃花產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵，主要涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括：機(jī)器人、采摘機(jī)構(gòu)及控制策略等。以已經(jīng)在工業(yè)領(lǐng)域成功應(yīng)用的機(jī)器人平臺為基礎(chǔ)，開發(fā)采摘機(jī)構(gòu)，結(jié)合視覺識別系統(tǒng)，完成黃花智能采摘。傳統(tǒng)生產(chǎn)模式中，加工階段是黃花生產(chǎn)流程的最終階段，包括了分揀清洗、蒸烘、破碎和深加工等。同時，結(jié)合現(xiàn)代生產(chǎn)理念，拓展生命周期，將跟蹤服務(wù)劃入加工階段，通過后期的銷售及數(shù)據(jù)跟蹤，反饋指導(dǎo)產(chǎn)品加工，形成市場和生產(chǎn)的良性互動和循環(huán)流通。

2 產(chǎn)業(yè)化種植技術(shù)

2021年大同市云州區(qū)黃花產(chǎn)業(yè)種植面積已經(jīng)突破17萬畝，全大同市黃花種植面積達(dá)到26萬畝[10]，而且已經(jīng)形成了萬畝級的連片區(qū)域，最大種植片區(qū)達(dá)到兩萬畝，為產(chǎn)業(yè)化作業(yè)奠定了基礎(chǔ)。在大同市黃花產(chǎn)業(yè)化發(fā)展一體化技術(shù)解決方案架構(gòu)內(nèi)，產(chǎn)業(yè)化種植技術(shù)當(dāng)前需要重點(diǎn)突破的關(guān)鍵技術(shù)包括精準(zhǔn)灌溉、產(chǎn)業(yè)化種植技術(shù)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集及管理。

2.1 輔助種植技術(shù)

盡管黃花在田間呈行種植，但是花莖并非規(guī)則的呈一條線，而且花莖容易晃動，給采摘帶來困難。因此，應(yīng)該通過輔助種植技術(shù)，實現(xiàn)花莖相對保持穩(wěn)定的目標(biāo)，為機(jī)械化采摘創(chuàng)造條件。另外，需要注意的是，地面空間有限，現(xiàn)有的在地面行走的采摘機(jī)器人[11-13]均未取得很好的應(yīng)用效果，且容易使地面硬化，刮傷黃花葉片，影響黃花生長。因此，應(yīng)該拓展思路，從種植技術(shù)和采摘技術(shù)雙向突破，解決采摘慢的難題。

專利[14]提出一種產(chǎn)業(yè)化種植黃花菜的五線譜種植架及其實施方法，該方法通過線譜約束黃花花莖，使其彎曲生長，實現(xiàn)空間輔助定位，并通過地面小車實現(xiàn)采摘下來的黃花輸送。該方法在一定程度上提高了勞動人員的作業(yè)速度，也為機(jī)械化采摘奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，但是，該方法對地面空間占有率高。因此，在該專利的基礎(chǔ)上，提出一種新的黃花線譜種植方法，如圖2所示，通過固定在種植架上的三條線譜輔助定位花莖的空間位置，保持花莖垂直生長，該方法將種植架的地面占有率降到最低，同時，通過限制花莖位置，為機(jī)械化采摘提供花苞理想的生長條件。

圖2 黃花產(chǎn)業(yè)化種植技術(shù)示意圖

2.2 精準(zhǔn)灌溉

大同市地處山西省北部，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季特征鮮明。春季少雨，夏季雨水較為集中，不能滿足黃花生長期需求，水資源貧乏，依賴于引黃工程和地下水，而傳統(tǒng)的灌溉模式，水量損失嚴(yán)重，因此，為提高水資源利用率，精準(zhǔn)灌溉尤為重要。首先，基于無線通信技術(shù)和土壤濕度傳感技術(shù)，構(gòu)建農(nóng)田濕度網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。然后，基于數(shù)據(jù)分析與采集建立黃花生長與不同土壤層濕度函數(shù)關(guān)系模型。最終，以特定土壤層濕度控制為目標(biāo)，開發(fā)精確決策及控制系統(tǒng)，實現(xiàn)黃花種植過程的自動檢測、自動灌溉。

精準(zhǔn)灌溉依賴于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，當(dāng)前大同市云州區(qū)田邊封閉灌溉設(shè)施已經(jīng)完成改造，實施精準(zhǔn)灌溉只需完善田間配套管路即可，實施成本較低。在產(chǎn)業(yè)化種植技術(shù)中，實施精準(zhǔn)灌溉方法，如圖2所示，沿著黃花種植行鋪設(shè)管路，并定距開設(shè)滲水口，根據(jù)黃花生長過程監(jiān)測數(shù)據(jù)判斷其對水分需求，從而實現(xiàn)精準(zhǔn)、及時地灌溉。同時，可利用水分控制黃花及花苞長勢，在采摘前可通過控制水分提高有效花苞韌性，降低采摘過程損失率。

2.3 數(shù)據(jù)采集與管理

黃花生長過程中的數(shù)據(jù)獲取，有利于精確掌握、預(yù)測黃花生長情況及花期，支持農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動決策。黃花種植數(shù)據(jù)的采集從黃花苗的摘種，一直到花苞的采摘全流程跟蹤，包括品種、長勢、水量記錄、葉片色澤、高度、土壤水分、花莖和花苞數(shù)目、花期時間、施肥和除害等?；诘乩硇畔⑾到y(tǒng)、多傳感器融合技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能技術(shù)等實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效管理與運(yùn)用?；诒O(jiān)測數(shù)據(jù)，利用數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建黃花產(chǎn)業(yè)化種植虛擬模型，在虛擬空間中實現(xiàn)黃花種植的全模擬。利用遙感信息技術(shù)結(jié)合黃花生長模型，構(gòu)建同化模型，在獲得大量數(shù)據(jù)的條件下，基于數(shù)據(jù)分析和處理，可有效的獲得逆向診斷、預(yù)判，為黃花種植決策提供依據(jù)。

對于萬畝級的黃花產(chǎn)區(qū)，首先，需對土地進(jìn)行分片分區(qū)，按片區(qū)編號，按編號采用分層式通信方案，通過節(jié)點(diǎn)優(yōu)化，實現(xiàn)分區(qū)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)建。然后，依靠田間網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，從黃花苗摘種，到黃花花苞采摘全過程實現(xiàn)數(shù)據(jù)檢測記錄，為產(chǎn)品溯源奠定基礎(chǔ)。黃花種植數(shù)據(jù)采集依賴于網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，因此，對于黃花農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)采集依賴于網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)計的構(gòu)建，對于作業(yè)期較為集中的應(yīng)用特征，可構(gòu)建便攜式的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

3 智能采摘技術(shù)

大同黃花花期集中，約40天左右。為解決采摘難的問題，在一體化技術(shù)解決方案架構(gòu)下，基于產(chǎn)業(yè)化種植技術(shù)，在并聯(lián)機(jī)器人detal平臺基礎(chǔ)上，開發(fā)黃花采摘機(jī)構(gòu)和智能采摘技術(shù)，實現(xiàn)黃花機(jī)械化、自動化采摘。智能采摘技術(shù)涉及主要設(shè)備及設(shè)施包括：并聯(lián)機(jī)器人、采摘機(jī)構(gòu)、空間導(dǎo)軌、太陽能供電系統(tǒng)以及輸送系統(tǒng)。

3.1 智能采摘技術(shù)

黃花采摘流程如圖3所示，首先，采摘機(jī)構(gòu)通過視覺識別系統(tǒng)，定位采摘目標(biāo)；其次，并聯(lián)機(jī)器人和輸送系統(tǒng)根據(jù)采摘目標(biāo)位置規(guī)劃路徑，并在頂軌上運(yùn)動，到達(dá)目標(biāo)位置，采摘機(jī)構(gòu)調(diào)整角度，執(zhí)行動作完成采摘；最后，采摘下來的黃花花苞被置入輸送箱內(nèi)，待輸送箱采摘滿后，可運(yùn)送到田邊，進(jìn)而，輸送到加工車間。智能采摘技術(shù)工作場景如圖4所示。

圖3 采摘過程

圖4 采摘系統(tǒng)示意圖

同時，黃花采摘按種植片區(qū)進(jìn)行，在片區(qū)內(nèi)，實現(xiàn)多目標(biāo)掃描和路徑優(yōu)化。采摘后黃花按片區(qū)分類登記，數(shù)據(jù)上傳控制中心，并生成數(shù)據(jù)標(biāo)簽，以便于產(chǎn)品溯源。

3.2 采摘機(jī)構(gòu)

人工采摘方式中，需要單手抓住花苞，沿著花柄處折斷，完成采摘。該采摘方式除采摘速度受限外，還容易誤傷幼小花苞，且需要人工數(shù)量多，人體重復(fù)作業(yè)勞動強(qiáng)度大。花苞采摘下來后，保留有一部分花柄，花柄質(zhì)地較硬，口感較差，不適合加工產(chǎn)品。鑒于以上考慮，智能采摘技術(shù)中的采摘機(jī)構(gòu)需要滿足以下要求：

（1）能夠根據(jù)花苞生長方向?qū)崿F(xiàn)角度調(diào)整；

（2）能夠根據(jù)花苞大小實現(xiàn)長度調(diào)整，采摘不留花柄；

（3）結(jié)構(gòu)簡單、動作靈活，穩(wěn)定性好。

并聯(lián)機(jī)器人detal具備三個自由度，無法應(yīng)對空間散射生長的黃花花苞采摘任務(wù)，因此需在末端搭載2自由度采摘機(jī)構(gòu)，才能實現(xiàn)任意空間角度的調(diào)整。同時，為保證采摘機(jī)構(gòu)順利完成黃花花苞抓、摘的動作，利用產(chǎn)業(yè)化種植技術(shù)中的輔助線提高花莖在空間的穩(wěn)定性。因此，綜合考慮以上因素，開發(fā)與并聯(lián)機(jī)器人detal匹配度高的靈巧性采摘機(jī)構(gòu)，是實現(xiàn)黃花機(jī)械化、自動化、智能化采摘的關(guān)鍵。

3.3 控制策略

智能采摘技術(shù)的實現(xiàn)是一項龐大的系統(tǒng)工程，是信息技術(shù)在黃花種植領(lǐng)域的融合和充分應(yīng)用，而系統(tǒng)控制技術(shù)尤為重要。黃花花苞的識別及空間定位依賴于視覺系統(tǒng)。為了提高采摘效率，同時降低漏采率，首先，基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過圖像采集、數(shù)據(jù)處理，根據(jù)顏色識別黃花成熟度，掃描適宜采摘的花苞，建立目標(biāo)群。然后，根據(jù)目標(biāo)空間位姿調(diào)整采摘機(jī)構(gòu)位置和角度。

同時，需要按照種植片區(qū)，對掃描空間和花苞目標(biāo)采摘順序均做出優(yōu)化，以期在最短的時間內(nèi)，保質(zhì)保量地完成采摘。因此，控制系統(tǒng)獲得目標(biāo)數(shù)據(jù)后，經(jīng)過分析、處理，做出決策，實現(xiàn)精準(zhǔn)采摘。另外，在采摘箱滿后需規(guī)劃路徑輸送到田邊，進(jìn)而進(jìn)入加工環(huán)節(jié)。因此，智能采摘技術(shù)依賴于合理的控制策略，以保障系統(tǒng)安全運(yùn)行。

4 集約式加工

為縮短黃花輸送鏈，盡可能地保持水分和新鮮度，減少黃花磨損和碰撞，同時，考慮大同市云州區(qū)村落散錯特征，在田邊建立黃花產(chǎn)業(yè)化加工集群。集約式加工產(chǎn)業(yè)布局如圖5所示，采摘下來的黃花通過田間輸送系統(tǒng)直達(dá)分揀、清洗車間，按大小分揀，并在清洗完成后，按類分送各加工車間，完成加工。在輸送、分揀、存儲、加工過程中全程記錄數(shù)據(jù)，并上傳控制中心，最終生成產(chǎn)品碼，便于產(chǎn)品標(biāo)識和溯源。

圖5 集約式加工

同時，利用現(xiàn)代信息技術(shù)，通過物聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)點(diǎn)，將各加工環(huán)節(jié)、設(shè)備柔性接入構(gòu)建的物聯(lián)網(wǎng)體系，可聯(lián)通各加工環(huán)節(jié)、工廠，實現(xiàn)信息共享和交互。亦可通過虛擬端實現(xiàn)物理空間全流程的跟蹤、監(jiān)測和控制。

5 總結(jié)

針對大同黃花大規(guī)模發(fā)展過程中面臨的采摘難問題，提出了大同黃花產(chǎn)業(yè)化發(fā)展一體化技術(shù)解決方案，構(gòu)建了大同黃花產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的架構(gòu)模型，并對架構(gòu)內(nèi)關(guān)鍵環(huán)節(jié)：種植、采摘和加工中的關(guān)鍵技術(shù)做了分析。在后續(xù)研究中，重點(diǎn)突破采摘機(jī)構(gòu)、精確識別、智慧控制等關(guān)鍵技術(shù)，推動農(nóng)業(yè)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。