紅棗收獲中智能設備的應用探索

許威廣 穆占海 劉黨輝 田勇浩 鄧利祥 李 鵬 丁 羽,2*

(1.塔里木大學機械電氣化工程學院，新疆 阿拉爾 843300；2.塔里木大學現代農業工程重點實驗室，新疆 阿拉爾 843300)

0 引言

紅棗，又名中華大棗，為溫帶作物，它的適應性強且種植范圍廣泛，在我國已經有很長的種植歷史[1-2]。紅棗具有很強的營養價值，在早期就被人們發現并食用，在我國最早的詩歌總集《詩經》中已有“八月剝棗”的記載[3]。紅棗當中含有豐富的營養物質，其中主要含有維生素、氨基酸、礦物質等。民間有“天天吃紅棗，一生不顯老”之說。

然而關于紅棗的收獲目前我國存在著人工采摘、機械收獲、智能化設備收獲等多種方式并存的局面。針對這些不同方式的紅棗收獲途徑各自的特點，通過了解國內外紅棗收獲設備的研究現狀，有助于更加全面了解紅棗收獲的目前發展動態，通過分析各類紅棗收獲方式優缺點，尋求紅棗智能設備收獲的未來發展方向。

1 國內外發展現狀

果林類智能化收獲設備的研究起源于1968年的美國，隨著現代科技的不斷向前發展，使得果林類智能化收獲設備的發展有了長足的進步[4]。目前國外依靠新型材料、新工藝、機電控制一體化、3S等一系列新技術使得紅棗的收獲向著便捷性，高效性方向不斷發展[5]。

我國國內由于工業化起步較晚，紅棗收獲智能設備的研發還不是很多[6]。通過對國外技術的學習和不斷研發，目前由農墾科學院機械裝備研究所成功研制的4YS-24型紅棗收獲機填補了國內紅棗收獲這一空白領域[7]。但是針對紅棗智能收獲這一技術并不是太成熟，缺少具有高效性、穩定性、自主性的紅棗收獲設備，現有的紅棗收獲裝置采收效率較低且智能化偏低，并且在紅棗進行采收時機械設備對紅棗的損傷較重，缺少能夠檢測并智能控制收獲技術的研究。

2 紅棗的收獲方式

2.1 人工采摘

在一些落后地區紅棗的收獲仍主要靠人工的采摘來完成，人工進行紅棗采摘作業不僅效率低，增加了農戶的勞動力導致采摘的成本很高，而且其對紅棗采摘作業的周期也相對較長。

2.2 紅棗機械收獲設備

目前市場上常見的紅棗收獲設備的設計類型大體上分別為：氣吸式和激震式這兩大類，其他型號的設計基本上都是基于這兩大類當中的某一項的優化。

2.2.1 氣吸式紅棗收獲設備

氣吸式紅棗收獲機工作時主要靠氣壓對落在田地上紅棗進行吸拾，并能夠實時地將紅棗與雜質依靠氣流清選的工作原理進行分離[8]。黨凱鋒等[9]設計的氣吸式紅棗撿拾收獲機不僅能夠用于紅棗的收獲，還可以對類林果類作物的收獲進行撿拾工作。此類設備的主要優點是依靠氣壓差完成吸拾工作，相比傳統的紅棗撿拾設備，此設備減少了機械與紅棗的碰撞型的接觸，對紅棗的損傷較小，但是由于目前負壓風機的負壓不足等原因造成此類設備的紅棗收獲有效作業范圍較小，工作效率不高等缺點。

2.2.2 激振式紅棗收獲設備

激震式紅棗收獲機工作時主要是通過振動機構將一定振幅和頻率的激振力作用在成熟期的棗樹干或樹枝上，從而激振力能夠傳遞到生長在棗樹上的紅棗迫使其發生振動并獲得慣性力，當紅棗的慣性力大于與棗樹之間的連接力時紅棗就會被振落，同時設備會對落下的紅棗進行收集，從而完成整個收獲作業工作[10]。付威[11]等設計的基于振動采收原理的紅棗收獲機實現了對紅棗的有效采摘。這類設備設計的優點是具有作業效率高、性能穩定、適用于大面積規模化棗樹收獲等特點。但是由于紅棗在整個的成熟階段果實與棗樹的果柄處結合力較小，該種類型的紅棗收獲在進行機械作業時產生的振動容易造成在其有效作業范圍之外但是臨近該作業范圍內且尚未進行采摘工作的棗樹上的紅棗發生掉落在地的現象，另外在紅棗成熟期如遇到刮風等自然條件的發生也易引起紅棗的掉落，而此類型的紅棗收獲機械對落在地上紅棗無法實現機械采收，從而造成了采摘不徹底現象的發生。

2.2.3 其他型號的紅棗收獲設備

針對目前這兩大類型的紅棗收獲機的不足之處，很多科研人員在這兩大類型的基礎上進行了優化，比如最常見的滾輪式和自走式。李傳峰等[12]設計的滾輪式紅棗收獲機不僅具有撿拾功能還能有效清除雜物實現一機多用化，極大地提高了紅棗收獲的勞動效率。王洪昌等[13]設計的自走式紅棗收獲機不僅能夠有效降低紅棗撿拾過程中對于紅棗的損傷，而且還創造性地對設備增添了自動功能，促進了勞動效率的提升。

2.3 智能化收獲設備

智能收獲設備在目前的農業生產領域已經有所運用，劉繼展等[14]設計的番茄采摘機器人除了應用于番茄的采摘收獲以外，對形狀大小相近的其他果蔬類作物的收獲也有效果。但是當前在紅棗收獲方面主要的還是以機械化收獲為主，機械化的普及在一定程度上提高了紅棗收獲的生產效率，但是目前的機械收獲設備普遍存在生產模式單一、智能化偏低的特點[15]。因此紅棗收獲機仍需進一步的智能化，提高設備上的科學技術含量，實現智能化生產功能。

比如：在紅棗收獲機上添加北斗導航等功能，使得收獲機成為能夠自主規劃行進路線，自動識別紅棗作物并自動進行采摘收獲作業的智能化紅棗收獲設備。該設備以北斗導航系統為主，同時加入機器視覺輔助系統，北斗導航系統的添加使設備能夠根據當地地形地貌以及作業要求等規劃出最合理的工作作業路徑并進入無人駕駛自動導航的工作模式，視覺輔助系統實現能夠將紅棗與周圍環境分別加以區分并正確引導設備進入無人操控自主采摘收獲的工作狀態。

再如：在紅棗收獲機上加入人工智能識別技術及自動卸貨功能，使得紅棗收獲機成為能夠自動辨別收獲紅棗成熟度，以及滿倉自動報警并自動按照指定卸貨區域實現自動卸貨的功能的智能化收獲設備。該設備在紅棗收獲的過程中，能夠將當前待收獲的紅棗狀態與數據庫當中紅棗成熟度的數據進行對比，從而能夠準確識別當前收獲紅棗的成熟度，然后通過調控設備的采摘工作機器頻率，最大限度地減少采摘過程中對紅棗的傷害。在收獲倉滿后能夠自動感知并實現按照規定區域自動卸倉的功能，極大地減小了采摘過程對人工的需求提高了生產效率。

3 制約智能化收獲的因素與建議

如今我國的紅棗種植面積在世界范圍內都占有很大的比重種植面積巨大[16]，需要更大程度地解放生產力，讓普通農戶享受到科技帶來的便利，為此紅棗智能收獲設備的研發具有很廣闊的應用前景。但是目前紅棗智能收獲設備的發展很緩慢，存在的原因主要如下。

3.1 市場價格過高

由于紅棗智能設備是機械、電氣、控制等相關學科綜合的產物，其前期的研發成本很高，這就導致了在出售時的價格也高，出現了普通農戶買不起現象的發生，阻礙了智能收獲設備的推廣與普及。

3.2 相關政策不完善

由于智能收獲設備的發展還處于一個相對不成熟階段，很多配套的相關政策還未完善，政府對產業的扶持力度不夠，使得產業發展進度緩慢。

3.3 設備售后服務不健全

目前很多生產廠家在設備售出之后后期的維護服務意識不高。不能夠積極主動征求用戶的實際使用意見，了解設備的不足之處，并加以改進，不斷優化完善設備使得設備的實用性更強。

3.4 相關宣傳力度不夠

很多生產廠家不太重視種植示范點的作用，宣傳力度不夠，不能讓農戶直接感受到智能收獲設備帶來的便捷性與高效性，也不能提高農戶使用設備的積極性。

3.5 提高智能化收獲發展建議

政府要不斷完善相關政策，加大對產業和相關企業的扶持力度，針對企業前期研發成本過高的問題，政府在補貼力度和稅收政策上應有所照顧，以便降低設備的市場價格，使得更多的農戶能夠買得起，享受到科技的便利。同時企業在研發出新的設備后應積極對設備進行推廣宣傳，要重視種植示范點的重要性，通過示范點的示范效應帶動周圍農戶的積極性，在后期的設備售后服務中企業要積極承擔責任，積極主動地向使用設備的用戶了解設備在生產實踐中的實際效果，針對設備的不足之處，及時地加以改進，不斷提高設備的可靠性能。

4 結語

在紅棗收獲的生產活動中由于機械設備的使用提高了紅棗收獲的勞動生產率，降低了農民的勞動強度，但是目前的紅棗收獲設備仍有許多需要優化和改進的地方。紅棗智能收獲設備目前的高效性、便捷性仍是一個難題，值得深入的研究，紅棗智能收獲設備要想更加節省能源、更加降低收獲成本、更加高效便捷，還需要與多學科不斷融合、不斷創新、改革和完善。如何研發出具有自主識別紅棗作物，自主進行紅棗收獲作業同時兼有高效性、穩定性、安全性、高收獲率和對紅棗低損害率特性的一體化紅棗收獲智能設備將是未來研究的發展趨勢。