我國(guó)植物工廠智能化裝備研究現(xiàn)狀與展望 郭 祥雨 薛 新宇 路 軍靈 孫 素華 農(nóng) 業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所 南京市 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所 北 京市 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)信息研究所 北 京市 摘 要 植物工廠是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的重要方式之一 近年來(lái) 智能化裝備的發(fā)展和相關(guān)技術(shù)的突破 促使植物工廠取得重要 進(jìn)展 從種苗生產(chǎn) 作物管理 物流三方面對(duì)我國(guó)植物工廠智能化裝備進(jìn)行梳理總結(jié) 分析植物工廠智能化裝備發(fā)展中面 臨種苗生產(chǎn)配套智能裝備不夠完善 作物管理智能化裝備集成度低 物流智能化裝備通用性差且普及率低等問(wèn)題 并指出 多傳感器融合技術(shù) 作物生長(zhǎng)模型 高性能低成本的零部件 小型智能化裝備 智能化集成系統(tǒng)是未來(lái)發(fā)展趨勢(shì) 關(guān)鍵詞 植物工廠 智能化裝備 智慧農(nóng)業(yè) 溫室 中圖分類號(hào) 文 獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 文 章編號(hào) 郭 祥雨 薛新宇 路軍靈 孫素華 我國(guó)植物工廠智能化裝備研究現(xiàn)狀與展望 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào) 收 稿日期 年 月 日 修 回日期 年 月 日 基 金項(xiàng)目 國(guó)家油菜產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系 第 一作者 郭祥雨 男 年 生 河南商丘人 碩士研究生 研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)械關(guān)鍵裝備技術(shù) 通 訊作者 薛新宇 女 年 生 江蘇蘇州人 博士 研究員 研究方向?yàn)橹脖C(jī)械與施藥工程技術(shù) 引 言 植 物工廠是通過(guò)一定工程技術(shù)手段 為半封閉或 全封閉條件下作物生長(zhǎng)提供最適宜的環(huán)境 以實(shí)現(xiàn)作 物高產(chǎn)量 高品質(zhì)和高效益的農(nóng)業(yè)系統(tǒng) 被公認(rèn)為現(xiàn)代 設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展的最高級(jí)階段 植 物工廠主要由栽 培設(shè)施 環(huán)境感知和決策系統(tǒng) 配套的生產(chǎn)裝備三部分 構(gòu)成 可以大幅度縮短作物生長(zhǎng)周期且全年可生產(chǎn) 提 高單位土地面積農(nóng)作物產(chǎn)量 此外還具有潔凈安全 突 破地域限制 挖掘生物遺傳潛力等優(yōu)勢(shì) 生 產(chǎn)裝備 是植物工廠高效生產(chǎn)的保證 荷蘭采用智能化環(huán)境控 制裝備 使得番茄和黃瓜的產(chǎn)量平均每平米達(dá) 居 世界領(lǐng)先地位 日 本通過(guò)系統(tǒng)集成實(shí)現(xiàn)精 細(xì)管理 使得植物工廠的平均年產(chǎn)量可達(dá) 德 國(guó) 荷 蘭 等 研 制 的 蔬 菜 清 洗 設(shè) 備 清 洗 能 力 可 達(dá) 是 我國(guó)清洗裝備效率的 倍以上 在全 球設(shè)施園藝智能化裝備發(fā)展的大格局下 美國(guó) 以色 列 澳大利亞等為代表的植物工廠國(guó)家已經(jīng)將智能化 作為未來(lái)的發(fā)展方向 我 國(guó)植物工廠起步晚 經(jīng) 過(guò)多年發(fā)展已初具規(guī)模 但是在智能化裝備方面與發(fā) 達(dá)國(guó)家仍存在差距 本文從種苗生產(chǎn)智能化裝備 作 物管理智能化裝備 物流智能化裝備對(duì)我國(guó)植物工廠 智能化裝備進(jìn)行梳理 種苗生產(chǎn)智能化裝備 種 苗生產(chǎn)是指播種前的基質(zhì)消毒 播種 覆土和幼 苗的移栽 定植等過(guò)程 是獲得優(yōu)質(zhì)苗的基礎(chǔ) 種苗生 產(chǎn)裝備是實(shí)現(xiàn)工廠化育苗的前提 按其生產(chǎn)流程可分 為播前準(zhǔn)備 播種階段 種苗移栽 播前準(zhǔn)備 播前準(zhǔn)備階段的目的是將材料 基質(zhì) 穴盤(pán) 中隱 藏的病原體或蟲(chóng)卵殺死 確保后期種苗周年安全生 產(chǎn) 基 質(zhì)消毒裝備多采用物理方法 利用蒸汽 太陽(yáng) 能 微波 紫外線 低溫 電等手段進(jìn)行消毒 綠色環(huán) 保 例 如陳立振等研制的移動(dòng)式蒸汽消毒機(jī) 專用 于基質(zhì)消毒 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 方便靈活 穴盤(pán)清洗設(shè)備主要 是利用高壓水流沖洗穴盤(pán) 并將污水收集過(guò)濾反復(fù)利 用 并且可調(diào)節(jié)清洗水壓和清洗速度 如 型隧道式穴盤(pán)清 洗機(jī)和北京農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研 究中心研制的育苗穴盤(pán)自動(dòng)清洗機(jī) 此外植物工廠已 第 卷 第 期 年 月 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào) 第 期 郭祥雨 等 我國(guó)植物工廠智能化裝備研究現(xiàn)狀與展望 經(jīng) 實(shí)現(xiàn)對(duì)消毒作業(yè)的質(zhì)量監(jiān)測(cè) 如北京農(nóng)業(yè)智能裝備 技術(shù)中心所研制的基于物聯(lián)網(wǎng)消毒在線管理平臺(tái)軟 件 能 夠檢測(cè)消毒設(shè)備的運(yùn)行情況 并記錄消毒面 積 消毒時(shí)間等作業(yè)情況 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可追溯 播種階段 播種階段要實(shí)現(xiàn) 一穴一粒 精量化播種 還要保 證漏播率 重播率 損傷率很低 以達(dá)到高精度 高效率 的播種目標(biāo) 在播種裝備方面 我國(guó)播種設(shè)備主要有 手動(dòng)式 半自動(dòng)式 全自動(dòng)式 手動(dòng)式 半自動(dòng)設(shè)備只 具備播種功能 多用于小面積播種 全自動(dòng)設(shè)備可完成 播種 覆土 噴水等工序 工廠化育苗往往采用這種方 式 按其工作原理分 為 機(jī) 械 式 氣 吸 式 和 磁 吸 式 種 其 中機(jī)械式穴盤(pán)育苗播種機(jī)需對(duì)較小的種子 進(jìn)行丸粒化處理 且容易傷種 而氣吸式播種機(jī)是穴盤(pán) 育苗播種應(yīng)用最為廣泛的一種形式 效率和精度都很 高 但雜質(zhì)易堵塞氣孔 磁吸式播種機(jī)因價(jià)格昂貴 應(yīng) 用較少 在播種質(zhì)量檢測(cè)裝備方面也取得突破 譙睿 等 研 究的基于雙層對(duì)射式激光傳感器的五管集排 式重播漏播檢測(cè)系統(tǒng)單粒漏播率可達(dá) 解 決 了小行株距重播漏的問(wèn)題 此外還有壓電式 光電式 視覺(jué) 電容式等檢測(cè)手段 種 苗移栽 種苗移栽既要在不傷種苗的前提下實(shí)現(xiàn)種苗的快 速移栽 精確定植 還要完成種苗的分級(jí)分選 剔劣補(bǔ) 優(yōu)工作 我國(guó)較早自主研制了 行半自動(dòng)缽苗移栽 機(jī) 行自動(dòng)缽苗移栽機(jī) 能在特定環(huán)境中使用 智能 化程度高的移栽機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)缽苗從高密度到低密度 穴盤(pán)的稀植移栽 并利用種苗視圖 融合立體信息圖像 等機(jī)器視覺(jué)技術(shù)獲取作物幼苗生長(zhǎng)信息 通過(guò)目標(biāo)區(qū) 域像素統(tǒng)計(jì)的方法對(duì)幼苗生長(zhǎng)狀況 真葉數(shù) 苗齡 株 高和長(zhǎng)勢(shì)一致等 進(jìn)行評(píng)價(jià) 對(duì)穴盤(pán)里不健康缽苗剔除 補(bǔ)種的工作 將符合的種苗以一定密度移至栽培區(qū)域 工作效率高 移栽一致性好 分 選移栽部件主要 包括移栽機(jī)械手和移栽定位機(jī) 機(jī)械手是直接與種苗 接觸的工作部件 其設(shè)計(jì)是基于種苗的物理和生理特 性 在保證可以提起與放置種苗的同時(shí) 還要注意其柔 性 避免移栽過(guò)程中種苗莖葉折斷 我國(guó)種苗移栽機(jī) 目前研究多集中在穴盤(pán)苗夾取相關(guān)的力學(xué)特性以及缽 體本身的力學(xué)特性 包括夾取針的形狀尺寸 夾取力的 大小等 張 麗華等 設(shè) 計(jì)了一種基于氣動(dòng)技術(shù)的 新型指針夾緊式移栽爪機(jī)構(gòu) 建立了指針與種苗間的 力學(xué)模型 為穴盤(pán)育苗移栽手爪參數(shù)的優(yōu)化奠定了基 礎(chǔ) 童俊華等 對(duì) 移栽爪部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì) 建立了 力學(xué)傳遞模型獲取指針對(duì)苗坨的夾緊力 為今后指針 式末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)提供了參考 作物管理智能化裝備 作 物管理是指作物生長(zhǎng)過(guò)程中的調(diào)光 控溫 供 水 施肥 修剪 施藥等環(huán)節(jié) 保證作物健康成長(zhǎng) 作物 管理智能化裝備是實(shí)現(xiàn)精細(xì)化生產(chǎn)的基礎(chǔ) 按功能可 分為三類 環(huán)境調(diào)控 作物修剪 植物保護(hù) 環(huán)境控制 環(huán)境控制要實(shí)現(xiàn)環(huán)境因子隨著作物生長(zhǎng)狀況實(shí)時(shí) 調(diào)整 確保作物生長(zhǎng)環(huán)境恒定 環(huán)境控制借助各種傳 感器并傳送到計(jì)算機(jī)內(nèi) 決策系統(tǒng)根據(jù)采集的信息實(shí) 時(shí)調(diào)整 保證作物健康生長(zhǎng)的過(guò)程 很多學(xué)者利用遺 傳算法 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 模糊控制等算法跟蹤預(yù)測(cè)其溫濕 度 光照強(qiáng)度等因子變化 結(jié)合熱泵技術(shù) 補(bǔ) 光技 術(shù) 太陽(yáng)能光伏電網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行精確調(diào)控 在 一定 程度上降低了能耗 營(yíng)養(yǎng)液精量配比系統(tǒng) 二氧化碳 調(diào)控系統(tǒng)通過(guò)機(jī)電一體化技術(shù)集成 實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)控水 肥 如李東星等 研 制的營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)再利用設(shè)備 控 制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)液的循環(huán) 過(guò)濾和消毒 并可精確控 制營(yíng)養(yǎng)液的 和 值 王 君等 提 出了用于植物 工廠溫度控制的風(fēng)機(jī)和空調(diào)協(xié)同降溫的方法 可有效 降低因空調(diào)運(yùn)行所產(chǎn)生的費(fèi)用 此外 植物工廠智能 化環(huán)境控制平臺(tái)使得生產(chǎn)者能夠遠(yuǎn)程控制溫室內(nèi)作物 需求 通過(guò)人機(jī)界面交互對(duì)多個(gè)環(huán)境因素實(shí)現(xiàn)耦合控 制 提高了控制速度和精度 荷 蘭 美國(guó) 日本等國(guó) 家從 世 紀(jì) 年 代開(kāi)始研究作物生長(zhǎng)模型 能夠準(zhǔn) 確模擬作物生長(zhǎng)過(guò)程 根據(jù)作物生長(zhǎng)過(guò)程實(shí)現(xiàn)環(huán)境智 能調(diào)控 已經(jīng)在實(shí)際生產(chǎn)中運(yùn)用 作 物修剪 作物修剪是為了去除多余的枝葉藤蔓 確保作物 在空間內(nèi)得到更充分的光照 提高空間利用率 視覺(jué) 技術(shù) 人工智能 機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展為修剪設(shè)備智能化 屬性提升提供了有力工具 我 國(guó)引進(jìn)荷蘭的修 剪機(jī)器人 可隨著作物高度進(jìn)行調(diào)節(jié) 機(jī)械臂通過(guò)視覺(jué) 定位技術(shù) 對(duì)枝繁葉茂的部位快速精準(zhǔn)修剪 國(guó) 內(nèi) 在這方面的研究較少 在 首屆中國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)綠色生 產(chǎn)論壇所展示的修剪機(jī)器人是我國(guó)自主研制的修剪裝 備 具有打葉 整枝管理的功能 浙江工業(yè)大學(xué)賈挺 猛 利 用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)和骨架提取算法解決了修剪 機(jī)器剪枝點(diǎn)定位難題 浙江工業(yè)大學(xué)的楊慶華等 發(fā) 明了一種葡萄樹(shù)剪枝機(jī)器人系統(tǒng) 分析處理葡萄樹(shù) 枝圖像信息并提取剪枝點(diǎn)坐標(biāo)信息后 規(guī)劃?rùn)C(jī)械臂軌 跡網(wǎng) 尹方 設(shè) 計(jì)了八自由度番茄側(cè)枝修剪機(jī)器人 并對(duì)其進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真研究 植物保護(hù) 植物保護(hù)是植物工廠的重要環(huán)節(jié) 包括病蟲(chóng)害診 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào) 年 斷 和監(jiān)測(cè)及病蟲(chóng)害防控 在病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)方面 病蟲(chóng)害 診斷和預(yù)警系統(tǒng)主要利用多光譜 圖像 技 術(shù)等獲 取作物生長(zhǎng)狀況信息 并將信息傳輸?shù)綄＜蚁到y(tǒng)進(jìn)行 決策 并 且可以生成施藥處方圖 指導(dǎo)施藥機(jī)具 按需施藥 如中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 搭建的設(shè)施園藝病蟲(chóng) 害 遠(yuǎn)程診斷和早期預(yù)警系統(tǒng) 實(shí)現(xiàn)了視頻監(jiān)控 自動(dòng)預(yù) 警和遠(yuǎn)程診斷有機(jī)結(jié)合 隋媛媛 利 用葉綠素?zé)晒夤?譜的方法監(jiān)測(cè)和預(yù)警溫室黃瓜病蟲(chóng)害 在施藥裝備方 面 應(yīng)用的設(shè)備有氣力霧化噴霧機(jī) 對(duì)靶噴霧機(jī) 靜電 霧化噴霧機(jī) 風(fēng)送式噴霧機(jī) 離心霧化噴霧機(jī) 耿 長(zhǎng) 興等 研 制的基于機(jī)器視覺(jué)施藥機(jī)器人 利用顏色和 紋理辨別病害 并根據(jù)病情等級(jí)實(shí)現(xiàn)按需施藥 高彬 等 設(shè) 計(jì)了基于激光傳感器的噴霧機(jī) 通過(guò)探測(cè)靶標(biāo) 植株信息進(jìn)行三維重構(gòu) 實(shí)現(xiàn)隨作物體積變量施藥 廖啟明等利用圖像邊緣檢測(cè)和目標(biāo)識(shí)別果實(shí)和枝葉 解決了光線不佳時(shí)對(duì)靶噴霧問(wèn)題 物流智能化裝備 物 流是在貨物從生產(chǎn)到消費(fèi)整個(gè)過(guò)程中起到運(yùn) 輸 裝卸 包裝 加工 配送 信息處理等功能 是實(shí)現(xiàn)農(nóng) 產(chǎn)品商品化的前提 物流智能化裝備可以按照產(chǎn)中和 產(chǎn)后分為不同的類型 產(chǎn)中物流設(shè)備主要是指生產(chǎn)過(guò) 程中作物的收獲和輸送 產(chǎn)后物流設(shè)備為農(nóng)產(chǎn)品的分 級(jí)分選 自動(dòng)包裝環(huán)節(jié) 作物采摘 作物采摘時(shí)不僅要準(zhǔn)確辨別植物果實(shí)還要能精確 定位 快速抓取 我國(guó)從 世 紀(jì) 年代開(kāi)始研究農(nóng) 業(yè) 采摘機(jī)器人 目前已經(jīng)形成以草莓 黃瓜采摘機(jī)器人 為代表的智能裝備 其核心為目標(biāo)探測(cè)技術(shù) 定位技 術(shù) 抓取技術(shù) 自主導(dǎo)航技術(shù)等 運(yùn) 用視覺(jué) 光譜 電子鼻 熒光等技術(shù)可獲取果實(shí)的顏色 形狀 尺寸 成 熟度 品質(zhì)等信息 結(jié) 合多卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 模糊決 策 遺傳算法消除葉片遮擋和重疊影響 不但能對(duì)單一 靜態(tài)果實(shí)采摘 而且對(duì)復(fù)雜動(dòng)態(tài)環(huán)境中的果實(shí)也能準(zhǔn) 確抓取 提升機(jī)具的精準(zhǔn)性 如邵堃 設(shè) 計(jì)的番茄智 能采摘機(jī)器人 利用雙目視覺(jué)獲取果實(shí)的大小 顏色信 息 采摘成熟的番茄 羅陸鋒等 提出一種改進(jìn)聚類 圖 像分割和點(diǎn)線最小距離約束的采摘點(diǎn)定位新方法 實(shí)現(xiàn)復(fù)雜背景下準(zhǔn)確定位果梗位置 劉小剛等 采 用 改進(jìn)的 識(shí) 別方法 解決了復(fù)雜環(huán)境下連續(xù) 識(shí)別檢測(cè)草莓的難題 智能輸送 智能輸送的目的是為了實(shí)現(xiàn)機(jī)具自動(dòng)識(shí)別和抓取 物體 自動(dòng)規(guī)劃路徑 避障及機(jī)具間協(xié)同作業(yè) 在國(guó)內(nèi) 植物工廠中 皮帶輸送裝置 普通移動(dòng)苗床 懸掛式物 流輸送裝置 自動(dòng)化種植輸送裝置是主要的代表裝 備 皮 帶輸送裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 便于操作 普通移動(dòng) 苗床適合短距離 小面積作業(yè) 懸掛式物流輸送裝置適 合于遠(yuǎn)距離 大面積運(yùn)輸生產(chǎn)資料 自動(dòng)化種植床能夠 實(shí)現(xiàn)三維空間內(nèi)的輸送 陸 強(qiáng)強(qiáng)等 創(chuàng) 新性的 提出了一種苗床輸送雙推桿換向結(jié)構(gòu) 能夠較好地解 決苗床輸送在輸送節(jié)點(diǎn)處換向的問(wèn)題 提高苗床輸送 的穩(wěn)定性 李元強(qiáng)等為了解決苗床輸送中不能連續(xù)輸 送的問(wèn)題 采用一種新的苗床輸送結(jié)構(gòu) 結(jié)合 計(jì) 算 機(jī)控制技術(shù)進(jìn)行苗床運(yùn)輸控制 使得苗床輸送系統(tǒng) 更容易操作 萬(wàn)鵬等 研 制了一套植物盆栽輸送自 動(dòng)化管理系統(tǒng) 采用輸送機(jī)和自動(dòng)引導(dǎo)小車(chē) 完 成 運(yùn)輸 并通過(guò)盆栽信息管理系統(tǒng)記錄盆栽位置 入 出場(chǎng)等信息 方嘯等 采 用自適應(yīng)動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法解 決了智能運(yùn)輸車(chē)自主尋路 避障的問(wèn)題 分級(jí)分選 分級(jí)分選是在保證不損傷農(nóng)產(chǎn)品的前提下快速 精準(zhǔn)地將農(nóng)產(chǎn)品按設(shè)定目標(biāo)進(jìn)行分類選優(yōu) 傳統(tǒng)的分 級(jí)多為人工分級(jí) 存在分級(jí)不準(zhǔn) 效率低且容易造成產(chǎn) 品損壞 所以植物自動(dòng)分級(jí)分選裝置的設(shè)計(jì)在植物工 廠的自動(dòng)化進(jìn)程中顯得尤為重要 法國(guó) 西班牙等國(guó) 很早就開(kāi)始利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行果蔬無(wú)損檢測(cè) 分級(jí)分選 已經(jīng)系列化 商業(yè)化 目 前 在植物分級(jí)分選裝置方 面 相對(duì)而言 水果分級(jí)分選裝置的研究相對(duì)較多 目 前應(yīng)用較多的有按照大小 重量進(jìn)行分級(jí)的裝置 如帶 式分級(jí)裝置 擋板式分級(jí)裝置及利用杠桿及彈簧原理 的分級(jí)裝置 隨 著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展 基于計(jì)算機(jī) 技術(shù)的自動(dòng)分級(jí)系統(tǒng)也逐漸被應(yīng)用 黃永林等 設(shè) 計(jì) 的基于機(jī)器視覺(jué)和圖像處理技術(shù)的水果自動(dòng)分級(jí)裝 置 通過(guò)對(duì)水果采集圖片信息并傳輸給機(jī)器人 實(shí)現(xiàn)自 定義分級(jí) 陳林琳等針對(duì)火龍果研制了一臺(tái)基于機(jī)器 視覺(jué)的自動(dòng)分級(jí)系統(tǒng) 通過(guò) 攝 像機(jī)和 處 理 器進(jìn)行缺點(diǎn)檢測(cè)及大小和色度的分級(jí) 周竹等 為 了 實(shí)現(xiàn)馬鈴薯的自動(dòng)分級(jí)技術(shù) 利用最小外接柱體體 積法計(jì)算馬鈴薯的大小 提出相應(yīng)的判別算法 同時(shí)提 出馬鈴薯缺損計(jì)算方法 把馬鈴薯分為三類 該技術(shù) 分級(jí)準(zhǔn)確率能夠達(dá)到 以 上 較好地實(shí)現(xiàn)了馬鈴薯 的自動(dòng)化分選 自動(dòng)包裝 自動(dòng)包裝實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品外觀的一致性 并對(duì)農(nóng)產(chǎn)品 整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的信息進(jìn)行自動(dòng)標(biāo)記 實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的跟蹤 和溯源 目前我國(guó)果蔬包裝機(jī)械設(shè)備使用的不是太 多 主要是對(duì)個(gè)頭小的水果進(jìn)行包裝 對(duì)體積大的水果 蔬菜進(jìn)行自動(dòng)包裝的應(yīng)用較少 張 曉光等 以 水 培生菜為例提出一種具有篩選 包裝 收集 稱量綜合 第 期 郭祥雨 等 我國(guó)植物工廠智能化裝備研究現(xiàn)狀與展望 功 能的一體化水果包裝裝置 包括導(dǎo)向裝盒機(jī) 切膜 封膜機(jī)構(gòu)等裝置 馬義東等 設(shè) 計(jì)出集卸菜 生菜縱 向裝盒 切膜 封膜等功能一體化的水培生菜自動(dòng)包裝 設(shè)備 目前自動(dòng)包裝裝置大都是集綜合功能為一體的 設(shè)備 同時(shí)具有控制裝置 自動(dòng)包裝裝置 輸送裝置 轉(zhuǎn) 向裝置 分流裝置 合流裝置等等 信息技術(shù) 數(shù)據(jù)庫(kù) 技術(shù) 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和二維碼技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了農(nóng)產(chǎn)品質(zhì) 量追溯體系的建立 實(shí)時(shí)跟蹤農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)情況 加強(qiáng)對(duì)農(nóng)產(chǎn)品各環(huán)節(jié)的監(jiān)督和管理 又可以在農(nóng)產(chǎn)品 發(fā)生質(zhì)量安全問(wèn)題時(shí) 精準(zhǔn)定位農(nóng)產(chǎn)品出現(xiàn)問(wèn)題的環(huán) 節(jié) 實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的跟蹤和溯源 如董玉德等 設(shè) 計(jì) 的農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈質(zhì)量安全追溯系統(tǒng)及楊信廷等 設(shè) 計(jì) 的蔬菜生產(chǎn)管理和質(zhì)量追溯系統(tǒng)均已經(jīng)在實(shí)際生產(chǎn) 中應(yīng)用 存 在問(wèn)題 我 國(guó)在種苗生產(chǎn) 作物管理 物流方面已經(jīng)開(kāi)始智 能化裝備的研究和應(yīng)用 同時(shí)也積極探索符合我國(guó)國(guó) 情的發(fā)展模式 針對(duì)上述內(nèi)容 歸納了植物工廠存在 的問(wèn)題 種苗生產(chǎn)智能配套裝備不夠完善 種苗生產(chǎn) 從基質(zhì)消毒到移栽整個(gè)過(guò)程環(huán)節(jié)間缺乏智能化連接設(shè) 備 仍需要人工進(jìn)行輔助作業(yè) 例如基質(zhì)消毒后需要 人工裝載到播種一體機(jī)中才能實(shí)現(xiàn)穴盤(pán)覆土 淋水 播 種完成后需人工將穴盤(pán)運(yùn)輸?shù)街付ㄎ恢貌拍苓M(jìn)入育苗 室 國(guó)內(nèi)播種機(jī)多為固定距離的播種 一般只能播種 特定種子 無(wú)法在線調(diào)整穴距和行距 植物工廠種苗移 栽機(jī)多為自動(dòng)或半自動(dòng)式 移栽機(jī)器人的研發(fā)和使用 比例少 特定形狀和品種的移栽機(jī)尚且缺乏 一些機(jī)具 為大田機(jī)械簡(jiǎn)單改造 與農(nóng)藝的適應(yīng)性很差 作物管理智能化裝備集成度低 作物管理占 據(jù)到作物生長(zhǎng)的 國(guó) 內(nèi)植物工廠的管理設(shè)備主要 以半自動(dòng)化和自動(dòng)化的機(jī)械為主 智能化機(jī)械占比不 足 智 能裝備在多傳感器測(cè)量信息集成方面 缺乏探索 國(guó)內(nèi)環(huán)境控制系統(tǒng)多采用經(jīng)驗(yàn)值設(shè)定 不能 夠依據(jù)作物生長(zhǎng)狀況實(shí)時(shí)調(diào)整 而國(guó)外以作物群落最 大生產(chǎn)量為目標(biāo)函數(shù) 構(gòu)建環(huán)境與營(yíng)養(yǎng)需求模型 實(shí)現(xiàn) 溫度 濕度 光照 二氧化碳等因子的綜合調(diào)控 我 國(guó) 作物管理中機(jī)器人使用比例較低 且功能單一 而日 本 美國(guó)等國(guó)家研發(fā)的機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)施藥 剪枝 打 葉等多項(xiàng)功能并進(jìn)行自主作業(yè) 此外也正在積極探索 完全由機(jī)器人管理作物的途徑 物 流智能化裝備通用性差且普及率低 現(xiàn)有 的自動(dòng)包裝 分級(jí)分選裝置大多是針對(duì)單種品種進(jìn)行 設(shè)計(jì)研究 針對(duì)性比較強(qiáng) 不能在不同品種之間使用 作物采摘機(jī)器人也是針對(duì)特定果實(shí)研制的 只能采摘 固定農(nóng)產(chǎn)品 另一方面 物流環(huán)節(jié)相對(duì)于植物工廠其 他環(huán)節(jié)的核心技術(shù)來(lái)說(shuō) 重視程度低 所以造成物流環(huán) 節(jié)智能化設(shè)備普及率低 例如包裝設(shè)備普及率不足 多為半自動(dòng)化機(jī)械 很 多地方仍采用人工 進(jìn)行分級(jí)分選或運(yùn)輸 展 望 多 傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù) 植物工廠智能化裝 備的基礎(chǔ)是信息獲取 傳統(tǒng)的信息獲取手段是利用單 個(gè)或單種傳感器進(jìn)行獲取信息 無(wú)法消除傳感器可能 存在的冗余和矛盾的數(shù)據(jù)互補(bǔ) 采用多傳感器融合技 術(shù) 則是基于獨(dú)立的傳感器的觀測(cè)結(jié)果 對(duì)多傳感器或 多源的信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理 通過(guò)融合導(dǎo)出更豐 富有效的信息 提高了傳感器系統(tǒng)的有效性和魯棒性 避免單一傳感器的局限性 作物生長(zhǎng)模型 生長(zhǎng)模型是定量分析和動(dòng)態(tài) 模擬植物生長(zhǎng) 發(fā)育 產(chǎn)量形成過(guò)程及對(duì)環(huán)境的反映 可為優(yōu)化決策管理提供依據(jù) 國(guó)內(nèi)生長(zhǎng)模型研究起步 較晚 多為單一模型的研究 尚未在不同的條件下 進(jìn) 行驗(yàn)證和應(yīng)用 未來(lái)應(yīng)該加大研究力度并將多個(gè)生 長(zhǎng)模型進(jìn)行整合集成 實(shí)現(xiàn)不同模型的相互補(bǔ)充 有望 能進(jìn)一步提高作物生長(zhǎng)模型在不確定性條件下的預(yù)測(cè) 模擬精度 高性能低成本的零部件 植物工廠所使用的 一些設(shè)備零部件精度和穩(wěn)定性都比較高 但是價(jià)格昂 貴 不能大面積推廣 例如采摘機(jī)器人的機(jī)械手 為了 實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用 對(duì)制約我國(guó)智能化裝備發(fā)展的關(guān)鍵零 部件進(jìn)行科技攻關(guān) 不斷優(yōu)化關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu) 研制一 批適合大面積推廣且價(jià)格低廉的零部件 對(duì)推進(jìn)我國(guó) 植物工廠發(fā)展具有重要意義 小型智能化裝備 植物工廠為密集型產(chǎn)業(yè) 空 間相對(duì)狹窄 大型的智能化裝備不能在其中靈活作業(yè) 加之我國(guó)植物工廠類型雜 規(guī)模不一 層次多 因此要 開(kāi)發(fā)一批符合我國(guó)國(guó)情的小型專用智能化設(shè)備 特別 是電動(dòng)智能化裝備 實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用 并結(jié)合農(nóng)學(xué) 農(nóng)藝 等學(xué)科的知識(shí) 達(dá)到農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合 更加充分發(fā)揮機(jī)械 潛能 智能化系統(tǒng)集成 智能化系統(tǒng)集成就是以物 聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心 集傳感器技術(shù) 計(jì)算機(jī)技術(shù) 移動(dòng)網(wǎng) 絡(luò)技術(shù)于一體 將植物工廠各個(gè)子系統(tǒng)有機(jī)連接起來(lái) 使各子系統(tǒng)之間能夠相互通信 實(shí)現(xiàn)資源共享和任務(wù) 全局統(tǒng)一化的綜合管理 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各子系統(tǒng)的運(yùn)行狀 態(tài) 包括機(jī)具調(diào)度 作業(yè)信息 作物生長(zhǎng)狀況 設(shè)備運(yùn)行 狀況等等信息 并通過(guò)專家系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)決策 實(shí)現(xiàn)協(xié) 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào) 年 同 作業(yè) 為無(wú)人化工廠做鋪墊 結(jié) 論 我 國(guó)植物工廠裝備的機(jī)械化和自動(dòng)化程度正在不 斷提高 在種苗生產(chǎn) 作物管理 物流等環(huán)節(jié)已經(jīng)開(kāi)始 研究和應(yīng)用智能化裝備 并積極探索符合我國(guó)國(guó)情的 智能化發(fā)展道路 總體而言 我國(guó)植物工廠智能化裝 備的水平亟待提高 與國(guó)際先進(jìn)水平相比仍存在差距 具體表現(xiàn)為種苗生產(chǎn)智能配套設(shè)備不夠完善 作物管 理智能化裝備集成度低 物流智能化裝備通用性差且 普及率低 裝備匹配的農(nóng)藝參數(shù)缺乏長(zhǎng)期積累等問(wèn)題 在立足國(guó)情的前提下 借鑒國(guó)外先進(jìn)成果 在多傳感器 數(shù)據(jù)融合技術(shù) 作物生長(zhǎng)模型 高性能低成本的零部 件 小型智能化裝備 智能化系統(tǒng)集成方面加強(qiáng)研究 并在主要環(huán)節(jié) 重點(diǎn)裝備上優(yōu)先研發(fā) 率先突破 研制 一批適合我國(guó)植物工廠需求的智能化裝備 植物工廠 智能化裝備的發(fā)展 有利于提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率 提高農(nóng) 業(yè)管理水平和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量 對(duì)助力我國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā) 展具有重要意義 參 考 文 獻(xiàn) 郝 金魁 張西群 新齊 等 工廠化育苗技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展對(duì) 策 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 孫 士尉 劉暐 劉海波 等 基于 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) 的植物工廠環(huán)境調(diào)控 系統(tǒng) 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào) 趙 有生 蔬菜工廠化育苗的智能管理與綜合評(píng)價(jià)研究 長(zhǎng)春 吉林大學(xué) 李 新旭 從番茄現(xiàn)代化生產(chǎn)解析荷蘭溫室優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的原 因 中國(guó)園藝學(xué)會(huì) 張 軼婷 劉厚誠(chéng) 日本植物工廠的關(guān)鍵技術(shù)及生產(chǎn)實(shí)例 農(nóng)業(yè)工程技術(shù) 齊 飛 周新群 張躍峰 等 世界現(xiàn)代化溫室裝備技術(shù)發(fā)展 及對(duì) 中 國(guó) 的 啟 示 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報(bào) 齊 飛 魏曉明 張躍峰 中國(guó)設(shè)施園藝裝備技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 與未來(lái)研究方向 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 王 紀(jì)章 彭玉禮 基于 的工廠化穴盤(pán) 育環(huán)境調(diào)控系 統(tǒng) 中國(guó)農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì) 年 學(xué)術(shù)年會(huì) 郭 小平 蔬菜工廠化穴盤(pán)基質(zhì)育苗技術(shù) 西北園藝 蔬 菜 余 文娟 田雪梅 夏文通 等 農(nóng)業(yè)廢棄物作為番茄穴盤(pán) 育苗基質(zhì)配方的篩選 山東農(nóng)學(xué) 陳 振德 何金明 黃俊杰 等 蔬菜穴盤(pán)育苗基質(zhì)的選配 及其 理 化 特 性 研 究 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報(bào) 翟 春峰 楊秋生 孫守如 等 有機(jī)栽培基質(zhì)在矮牽牛育 苗及栽培中的應(yīng)用研究 河南農(nóng)業(yè)科學(xué) 馬 偉 宋健 范鵬飛 溫室智能裝備系列之一百一十八溫 室土壤太陽(yáng)能環(huán)保節(jié)能消毒在線管理平臺(tái)軟件開(kāi)發(fā) 農(nóng)業(yè)工程技術(shù) 王 吉亮 曹肆林 何義川 等 滾筒式穴盤(pán)育苗精量播種 機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào) 譙 睿 楊文彩 韓文霆 等 三七精密播種機(jī)漏播重播檢 測(cè)系統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 與 試 驗(yàn) 傳 感 技 術(shù) 學(xué) 報(bào) 夏 紅梅 李志偉 汪劉一 氣力板式蔬菜排種器吸排種動(dòng) 力學(xué)模 型 研 究 華 南 農(nóng) 業(yè) 大 學(xué) 學(xué) 報(bào) 第 期 郭祥雨 等 我國(guó)植物工廠智能化裝備研究現(xiàn)狀與展望 陳 建國(guó) 李彥明 覃程錦 等 小麥播種量電容法檢測(cè)系 統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn) 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 趙 鄭斌 劉昱程 劉忠軍 等 基于機(jī)器視覺(jué)的穴盤(pán)精密 播種性能檢測(cè)系統(tǒng) 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào) 韓 綠化 毛罕平 胡建平 等 穴盤(pán)苗自動(dòng)移栽缽體力學(xué) 特性試驗(yàn) 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 盧 華 納斯哈提 葉德軍 等 面向自動(dòng)化移栽的新型番 茄育苗移栽機(jī)械設(shè)計(jì) 機(jī)械制造與自動(dòng)化 石 惠嫻 孟祥真 游煌成 等 植物工廠地源熱泵系統(tǒng)熱 負(fù)荷即神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)及驗(yàn)證 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 張 麗華 邱立春 田素博 等 指針夾緊式穴盤(pán)苗移栽爪 設(shè)計(jì) 沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) 童 俊華 蔣煥煜 蔣卓華 等 缽苗自動(dòng)移栽機(jī)器人抓取 指針夾持苗坨參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn) 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 陰 國(guó)富 朱創(chuàng)錄 植物工廠生產(chǎn)方式下智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)控平臺(tái) 的研 究 與 設(shè) 計(jì) 江 蘇 農(nóng) 業(yè) 科 學(xué) 劉 慶鑫 方慧 李宗耕 等 自然光植物工廠多層立體栽 培補(bǔ)光對(duì)生菜產(chǎn)量和品質(zhì)的影響 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) 李 東星 周真 王浚峰 等 植物工廠營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)再利用 裝備的研究應(yīng)用 農(nóng)業(yè)工程 王 君 楊其長(zhǎng) 魏靈玲 等 人工光植物工廠風(fēng)機(jī)和空調(diào) 協(xié)同降 溫 節(jié) 能 效 果 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報(bào) 艾 海波 魏晉宏 邱權(quán) 等 微型植物工廠智能控制系 統(tǒng) 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào) 林 忠輝 莫興國(guó) 項(xiàng)月琴 作物生長(zhǎng)模型研究綜述 作 物學(xué)報(bào) 劉 霓紅 蔣先平 程俊峰 等 國(guó)外有機(jī)設(shè)施園藝現(xiàn)狀及 對(duì)中國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的啟示 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 宋 菊蘭 中外設(shè)施農(nóng)業(yè)機(jī)械及作業(yè)裝備的比較研究 農(nóng) 業(yè)與技術(shù) 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào) 年 陳 玉梅 中允德 張成浩 黃瓜自動(dòng)化栽培系統(tǒng)研究進(jìn) 展 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 賈 挺猛 葡萄樹(shù)冬剪機(jī)器人剪枝點(diǎn)定位方法研究 杭 州 浙江工業(yè)大學(xué) 楊 慶華 賈挺猛 荀一 等 葡萄樹(shù)剪枝機(jī)器人系統(tǒng) 尹 方 番茄側(cè)枝修剪機(jī)器人的設(shè)計(jì)與仿真研究 溫州 溫州大學(xué) 張 志勇 溫室害蟲(chóng)防治研究進(jìn)展與展望 應(yīng)用昆蟲(chóng)學(xué) 報(bào) 柴 洋 王向東 基于圖像處理的溫室大棚中番茄的病害識(shí) 別 自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用 隋 媛媛 基于葉綠素?zé)晒夤庾V分析的溫室黃瓜病蟲(chóng)害預(yù)警 方法 長(zhǎng)春 吉林大學(xué) 徐 瑞峰 溫室果蔬高效風(fēng)助施藥系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn) 楊 凌 西北農(nóng)林科技大學(xué) 耿 長(zhǎng)興 張俊雄 曹崢勇 等 溫室黃瓜病害對(duì)靶施藥機(jī) 器人設(shè)計(jì) 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào) 高 彬 基于激光傳感器的溫室變量噴霧機(jī)器人系統(tǒng)設(shè) 計(jì) 鎮(zhèn)江 江蘇大學(xué) 邵 堃 五自由度機(jī)械臂的番茄智能采摘機(jī)器人 江蘇農(nóng) 業(yè)科學(xué) 辜 松 楊艷麗 張躍峰 等 荷蘭蔬菜種苗生產(chǎn)裝備系統(tǒng) 發(fā)展現(xiàn)狀及對(duì)中國(guó)的啟示 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 蔣 超 崔有正 宋灝 等 基于傳感器的自動(dòng)識(shí)別水果采 摘機(jī)的設(shè)計(jì) 高師理科學(xué)刊 羅 陸鋒 鄒湘軍 熊俊濤 等 自然環(huán)境下葡萄采摘機(jī)器 人采摘點(diǎn)的自動(dòng)定位 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 劉 小剛 范誠(chéng) 李加念 等 基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的草莓識(shí) 別方法 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào) 李 葦 李惠玲 劉霓紅 等 溫室內(nèi)常用物流輸送裝置 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備 王 鐵 王偉 申晉憲 等 農(nóng)業(yè)物流專用運(yùn)輸半掛車(chē)車(chē)身 結(jié)構(gòu)的 優(yōu) 化 設(shè) 計(jì) 中 國(guó) 農(nóng) 機(jī) 化 學(xué) 報(bào) 陸 強(qiáng)強(qiáng) 溫室苗床自動(dòng)化輸送換向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研 究 哈爾濱 東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 萬(wàn) 鵬 溫室植物盆栽輸送自動(dòng)化管理系統(tǒng)設(shè)計(jì) 中國(guó) 農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì) 中國(guó)農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì) 年 學(xué)術(shù) 年會(huì)論文集 中國(guó)農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì) 中 國(guó)農(nóng)業(yè)工 程學(xué)會(huì) 方 嘯 鄭德忠 基于自適應(yīng)動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法的小車(chē)自主導(dǎo)航 第 期 郭祥雨 等 我國(guó)植物工廠智能化裝備研究現(xiàn)狀與展望 控 制策略設(shè)計(jì) 燕山大學(xué)學(xué)報(bào) 紀(jì) 娜 基于 和 的 獼猴桃果實(shí)稱重分級(jí)控制器 設(shè)計(jì) 自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用 黃 永林 應(yīng)義斌 用于水果實(shí)時(shí)分級(jí)系統(tǒng)的同步跟蹤自動(dòng) 控制裝置 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 周 竹 黃懿 李小昱 等 基于機(jī)器視覺(jué)的馬鈴薯自動(dòng)分 級(jí)方法 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 劉 霓紅 蔣先平 程俊峰 等 國(guó)外有機(jī)設(shè)施園藝現(xiàn)狀及 對(duì)中國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的啟示 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 張 曉光 周天 張永慶 基于 的 水果包裝一體化裝 置的設(shè)計(jì) 包裝工程 馬 義東 王明輝 崔永杰 等 水培生菜自動(dòng)縱向包裝裝置 設(shè)計(jì)與試驗(yàn) 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào) 董 玉德 丁保勇 張國(guó)偉 等 基于農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈的質(zhì)量 安全 可 追 溯 系 統(tǒng) 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報(bào) 楊 信廷 錢(qián)建平 孫傳恒 蔬菜安全生產(chǎn)管理及質(zhì)量追溯 系統(tǒng)設(shè) 計(jì) 與 實(shí) 現(xiàn) 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報(bào) 黃 健熙 黃海 馬鴻元 等 遙感與作物生長(zhǎng)模型數(shù)據(jù)同 化應(yīng)用綜述 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)