果园管理机存在的问题与对策研究_郭利明.pdf

702023 年 4 月下Agricultural Machinery and Agronomy农机与农艺果园管理机存在的问题与对策研究郭利明，王冬（河南工业大学设计艺术学院，河南 郑州 450001）摘要：果园管理机作为辅助果农日常管理的多功能机械，在解决我国当前果园机械化率严重偏低的问题上具有突出优势。但由于缺乏技术和研发投入，果园管理机的发展较为缓慢，在车辆通过能力、作业功能、智能化和协同作业方面还有很大的发展空间。研究小组通过对果园管理机的发展趋势与现存问题进行分析，并就优化果园管理机的相关性能提出了提升山地通行能力、完善功能模块、提高智能化水平、增强产品协同性等对策建议，以期促进果园管理机更好地发展与普及，推动果园管理现代化，让广大果农从科技发展中享受到农业现代化带来的红利。结果表明，我国未来将出现标准化果园和传统果园共存的局面，果园管理机在我国的发展前景光明。关键词：果园管理；智能化；智慧农业中图分类号：F326.13 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1672-3872.2023.08.0210 引言自乡村振兴战略提出和实施以来，农业现代化成为我国当前扶持的重点。农机装备的普及能够大幅提高农业生产率，促进农业现代化的发展。在水果种植领域，我国作为世界水果产量第一大国，果园机械化水平却严重滞后。首先，受“大国小农”的基本国情影响，我国农业生产机械化水平普遍偏低1，多数果农的购买力难以承受果园机械化和智慧化的高额成本，先进的果园机械普及难度较大。其次，山区散碎分布的地块制约了果园机械化的发展2。我国的丘陵山区面积占比超过2/3，而果园产区多分布于丘陵山区，恶劣的地形和散碎分布的地块给果园机械化的发展带来了诸多不便。目前，我国果园机械的发展还处于起步阶段，在产品创新上明显不足，果园机械的设计研发水平较低3。因此，在乡村振兴的背景下，应加大对农机装备的科研投入力度，促进农业现代化的全面发展。果园管理机是面向果园管理流程的多功能、模块化的机械装备，它以牵引机械为核心，搭配各种机具帮助果农完成大部分的果园管理任务。2006年新疆机械研究院推出的 G-1 型多功能果园作业机，是我国制造的第一台果园多功能作业机械，采用履带底盘，自带的空压机可以配合气动修剪和作业平台的升降，可以辅助果农完成果树修剪、喷药、采摘、运输等日常管理任务4。它摆脱了传统农业以驾乘拖拉机为核心的机械作业模式，集成化程度高，功能全面且成本相对较低，更加适合我国丘陵山区传统果园的机械化作业，为果园机械化、智慧化发展提供了新的方向。1 果园管理机的发展趋势1.1 电动智能化电动智能化是未来汽车行业发展的总趋势，果园农机也不例外。从产业政策上来看，国家对农机制造和智慧农业的支持与引导将推动农机装备的高质量发展。随着新能源技术的发展，电动化成为动力机械升级换代的新方向，新能源技术与5G技术、物联网技术和人工智能技术等前沿科技共同推动着新的智能化革命5。果园管理机是地形适应性较强的多功能果园农机，从作业场景上来看，果园作业对输出动力的要求不高，但对动力机械的操控灵活性和准确性要求较高。与其他农业领域相比，果园作业的电动智能化有较大的发展优势，电动智能果园管理机也必然会在农业现代化的浪潮中乘势而起。1.2 网络信息化网络信息化是物联网技术赖以实现的重要基础6，也是打造智慧农业的前提。果园管理机作为智慧果园常态化作业的执行终端之一，与果园的日常管理息息相关，它的网络信息化不仅能够实现人对果园的远程管理，还能方便大数据平台对果园的信息进行采集、监测与反馈。目前，5G时代的到来必将推动智慧农业的崛起，实现网络信息化，让果园管理机变成智慧果园管理中的新利器。作者简介：郭利明（1993），男，河南洛阳人，硕士研究生，研究方向为粮油食品机械工业设计。通信作者：王冬（1977），男，河南郑州人，硕士研究生，教授，研究方向为工业设计。2023 年 4 月下71Agricultural Machinery and Agronomy农机与农艺1.3 无人驾驶人机分离是果园管理机有别于传统农机的主要特点，未来的果园管理机将逐步从遥控转为无人驾驶。为便于果树管理作业，需要将果农的双手从车辆操控中解放出来，解决果农在进行果树作业的同时还要进行车辆操控之间的冲突。果树管理的复杂性决定了一些作业环节在短期之内难以实现机器完全代替人工，仍以人工为主，机械为辅。但在果园机械的无人驾驶控制方面，目前的商用无人驾驶技术已经完全可以胜任，这为果园管理机更加便捷地辅助果农工作提供了新的可能。因此，实现无人驾驶，使果园管理机更好地辅助人工，从而使果农更加专注于果树管理任务，既减少了作业人数，也提高了工作效率。1.4 高度模块化随着电动智能化的发展，果园管理机将向高度模块化转变。果园管理机主要分为核心的动力机械和可替换的功能机具两大模块类型，如果将现有模块作为一级层级，那么随着传感器技术、机器人技术的发展，会在原层级上拓展出二级及以上层级。这些新的模块以上级模块为依附平台，通过模块组合实现不同场景的适应和作业需求。高度模块化既可以通过模块叠加提升功能机具的智能作业水平，也能通过模块重组和变形适应不同的作业环境。基于原有平台，新增模块还会在果园土壤状况、水果和果树状态监测等方面与基础模块协同作业，完成过去人工无法完成的工作。高度模块化将推动果园管理机逐步向果园管理机器人的方向过渡。2 果园管理机的现存问题2.1 地形适应性、果园通过性有待提升目前，国内传统农机企业缺乏对我国果园作业环境的设计与思考，其思想多停留在等用户的果园改造来适应机械化发展的被动层面。我国果园的分布主要集中在广大丘陵山区，要想大范围推广果园管理机，首先必须提升机具的地形适应性和果园通过性。尤其是南方果园，其地形环境往往更加恶劣，这对果园管理机的山地通行能力提出了更高的要求。为了适应狭窄崎岖的道路和大坡度爬行，必须提高车辆的地形适应能力。另外，果园机械的果园通过能力的高低也直接影响到了果园作业能否正常开展。果园管理机由于本身灵巧的身姿在传统果园作业中有很大的优势，但在搭配较大功能模块后的通过性能还有待验证。此外，在追求果园管理机高通过性能的同时也应兼顾与作业效率的平衡，能够匹配果园的日常管理需求。2.2 功能模块有待优化拓展作为模块化理念下的机械装备，果园管理机的功能发挥需要依赖配套的各种机具模块。果园管理环节较多，主要涉及果树修剪、枝条粉碎、疏花疏果、施肥喷药、割草、果实套袋、果实采摘、土地耕整以及日常运输作业等管理内容7。虽然功能多样，但多集中在土壤管理方面，对果树管理的支持方面还有待提升，如修剪、喷药、套袋、采摘、升降作业等。单从作业环节出发的模块设计不仅会增加功能模块的数量，增加用户的配套成本，增加产品的养护难度，还会导致部分机具闲置率较高。所以，有必要对果园管理机的功能模块进行优化设计，在降低整体购机成本的同时更加方便用户使用和养护机具。2.3 产品智能化程度低果园管理机自诞生以来几乎没有发生较大的设计突破，尤其在产品智能化、智慧化发展突飞猛进的当下，果园管理机的发展显得较为缓慢。从工作场景来看，果园管理是以精细化作业为主的农业管理活动，对作业机械的灵活性要求较高，除土壤管理作业相对粗犷之外，果树管理如修剪、套袋和采摘等作业的复杂度较高，目前以机械辅助人工的模式为主。可见，果园作业场景有着很大的智能化应用潜力8。目前，对果农日常管理行为与过程进行研究、分析以及智能化设计的投入较少，也缺乏针对性的机械装备。2.4 产品协同性差果园管理机的协同性涉及不同机械间的协同和人机协同两个方面。前者旨在建立和加强不同果园机械之间的配合，如植保无人机、单轨运输系统、水肥一体化系统等，它们在果园管理中有着果园管理机无法替代的功能优势，做好它们之间的优势互补有着很大的应用前景。目前由于行业差别较大，不同农机装备间还没有在共同的利益节点下实现产品对接，协同性较差。至于人机协同性，它的好坏直接影响到了果园管理的工作效率和用户的使用体验。目前的果园管理中涉及较多的人机配合情况，如人机配合的果树管理，主要依靠人的操控来实现机械辅助作业，人机交互性差，还有很大的发展空间。3 果园管理机的设计优化策略3.1 提升山地通行能力果园管理机的通过能力主要表现在山地通行能722023 年 4 月下Agricultural Machinery and Agronomy农机与农艺力和果园通过能力。一直以来，以拖拉机为核心的传统农业机械体系对农机研发思维的影响根深蒂固，果园环境的特殊性和复杂性要求果园管理机的设计研发必须突破思维藩篱，进行大胆改进和设计创新。如在提高山地通行能力方面，要敢于吸收和借鉴越野车、山地车的结构设计优势，通过底盘和重心的设计优化来提高车辆的爬坡能力和平衡能力。而进入果园，应根据果园通行状况设计果园管理机的尺寸，在保证通过能力的基础上追求作业效率最大化。面对山路和果园两种不同的作业工况，可以通过设置灵活的尺寸变形调节机构来适应不同的场景，充分发挥产品的作业优势。3.2 完善和优化功能模块果园管理机目前的功能模块可分为土壤管理类、果树管理类和运输类三大类9。土壤管理类主要有旋耕机、割草机、枝条粉碎机、开沟施肥回填一体机四类，基本覆盖了土壤管理的所有工作内容。果树管理类有风送弥雾机、修剪连接接口、升降作业平台三类，除喷药作业外，修剪、套袋、采收等均以机械辅助人工为主。最后是果园运输类，在地形允许条件下，农业机械可通过搭配运输平台承担果园的运输功能。果园管理任务繁杂，机具功能多样，可根据作业位置、使用频率、功能结构相似性以及作业干扰性进行综合考虑，弥补功能劣势，优化冗余模块。3.3 提高智能化水平果园作业的复杂性意味着农机的智能化是一个渐进提升的过程，提高果园管理机的智能化水平，并不意味着一蹴而就，而是要综合考虑技术现状、作业效率和成本，逐步减轻果农的果园管理负担，改善果农的工作体验。智能化应优先解决体力消耗大、作业频率高的作业场景，然后根据技术难度考虑智能辅助设计还是智能替代设计。最后，提高智能化水平还应从细处着手，从作业细节中挖掘智能化需求来辅助果园生产，减轻用户的脑力负担。3.4 增强产品协同性首先，应提高果园管理机与其他作业装备的协同性。作为地面作业机械，果园管理机的通行能力依赖车辆与地面的良好接触，它的视野和通信能力会受到地面植被的遮挡和限制。所以，提高产品协同性就需要通过与无人机、果园单轨运输机的设计协同，更好地弥补果园管理机的短板，从而与其他优势果园机械形成协同优势，共同促进果园管理的高效作业。其次，提高人机协同性。人机协同性的提高源于对果农作业细节的把握，以提高人机工作效率为目的，通过智能化设计手段来实现。应当重点关注果园管理机对人工作业的辅助和支持环节，将人机配合做到自然、便捷、有序、高效。即人机协同在设计上应当从实际需求出发，使其符合人的操作习惯和思维习惯；在具体功能实现上做到结构精简、功能方便；在程序衔接设计上做到合理有序；在协同效果上做到简洁高效。4 结语我国在向果园管理现代化迈进的过程中，标准化果园替代传统果园必然要经历一段长达几十年的过渡期10。这意味着未来将出现标准化果园和传统果园共存的局面，同时广大山区果园的机械化也需要小型果园机械的参与，所以果园管理机在我国必然有着光明的前景。通过对果园管理机发展趋势、存在的问题及应对策略的分析，为其不断完善发展提供了参考，推动果园管理机向着主动适应传统果园环境和智慧果园体系的道路快速发展，让广大果农都能从科技发展中享受到农业现代化带来的红利。参考文献：1 中国信息通信研究院政策与经济研究所，中国人民大学智慧农业与数字乡村发展研究中心.中国智慧农业发展研究报告：新一代信息技术助力乡村振兴R/OL.中国信通院，（2021-12-31）.http:/ 邱信钦.关于山区微耕机推广的思考J.湖南农机，2013，40(9)：15+17.3 王攀.丘陵山区果园立式单轴开沟施肥机的研究D.重庆：西南大学，2017.4 陆丹丹，柳国光，楼婷婷，等.南方丘陵地带果园管理机械发展思路