中藥材種苗立體物流運輸系統設計＊——以山西中藥材集團太谷基地項目為例

王 海，金 蕾，朱建華，黃松波，趙亞聰（北京華農農業工程技術有限公司，北京 100125）

近年來，中國中藥材栽培模式由傳統的露地栽培逐漸向設施栽培方向發展。隨著勞動力成本的不斷上漲以及對產品品質需求的不斷提高，人們對生產型溫室作業的機械化、自動化的要求越來越高。解決溫室內不同區域之間的物料、成品等物流運輸問題，成為影響生產效率與勞動生產率的關鍵因素。山西省是傳統中藥材的主產區，近年來不斷推動高標準藥材種苗基地建設，強化科技對中藥材產業的支撐能力。2020 年，農業農村部規劃設計研究院下屬成果轉化和服務企業北京華農農業工程技術有限公司全面承擔了山西晉中國家農業高新技術產業示范區中藥材種苗成套裝備的設計與實施任務，以此契機，重點解決了中藥材設施種苗生產運輸效率低、用工量大等技術難題。

中藥材穴盤苗生產特殊性

種子質量差異大

穴盤育苗具有標準化管理、輕便可移動，便于實現機械化等特點，在蔬菜、花卉領域應用已經非常成熟。而大多數中藥材以根、莖為主要收獲對象，種苗繁育需要足夠的生根空間，側根生長和纏繞直接影響藥材品質。此外，中藥材育種技術較為落后，優質種質資源普遍匱乏，種子質量差異較大，發芽率低、發芽時間長等問題普遍存在，導致種苗生產過程中挑苗、補苗、間苗等作業環節頻繁，種苗需要在溫室不同區域之間不斷周轉，耗費大量人工。

需要特制穴盤

穴盤的選擇既要考慮穴孔大小對根系生長發育的影響，還需綜合評估穴盤與基質消耗成本、以及與自動作業設備的匹配度。針對山西中藥材集團太谷基地生產的黨參、黃芪、丹參、黃芩、酸棗仁、蒼術等6 種道地藥材種苗生長特性，在不同生長階段設計定制了不同的育苗容器（圖1）。播種發芽階段，使用較密株距、較少基質容量的200 孔穴盤。設計的200 孔穴盤規格為：外形尺寸為長540 mm，寬280 mm；單孔上口徑30 mm，底徑13 mm，高度40 mm，單孔容量12 mL。在根系基本成形后，再移栽到50 孔穴盤。設計的50 孔穴盤規格為外形尺寸長540 mm，寬280 mm；單孔上口徑46 mm，底徑16 mm，高度110 mm，單孔容量100 mL。在200 孔穴盤與50 孔穴盤的穴孔內均設計有縱向棱條，用于減少側根盤繞，同時可以增強穴盤抗拉強度，有利于機械化作業。

圖1 50 孔穴穴盤（左）與200 孔穴穴盤（右）

工藝路徑需要優化

生產工藝是設施裝備布局的直接依據，工藝路徑直接影響生產效率與產品品質。在中藥材種苗設施生產項目當中，基于多種品類進行了全面分析，優化篩選出標準化工藝流程（圖2）。溫室按照功能分為作業區和栽培區，在作業區可以完成穴盤苗的播種、催芽、補苗、移栽、輸出等人機作業環節，在栽培區可以完成全程環境調控以及灌溉與植保作業。根據不同作物的生長特性，對過程節點之間以及溫室區域之間的往復概率和路徑進行研究，以效率優先原則形成高兼容性點位布局，構建出作物移動、作物定點高效柔性流水線路徑模型。

圖2 標準化工藝流程

立體運輸系統

在設施生產中，運輸貫穿著整個生產環節，為解決運輸路徑中作業設備避讓與效率兼顧問題，在借鑒歐洲先進技術基礎上，承接并吸取國內工業領域生產管理與調度技術，設計開發了立體運輸系統，即采用以地面軌道式運輸為主，空中天車軌道運輸為輔，自動入床機及傳送帶等輔助設備銜接，實現穴盤苗批量運輸的立體解決方案。

地面軌道運輸系統主要包含栽培床、氣動升降系統、縱向軌道、主驅動系統以及其他支撐結構（圖3）。栽培床的框架結構由鋁合金邊框與鋁合金支撐梁組成，承載面是經過高溫沖孔、拉伸而得的網片狀結構，該設計主要防止因中藥材育苗基質較重而導致軌道承載力不夠的問題，通過靜力學計算與有限元分析軟件分別進行受力變形分析，根據不同條件下承載結構的變形情況進行綜合分析，明確橫撐數量、形成栽培床結構整體設計方案。栽培床設計的極限承載力為500 kg，當栽培床橫向輸送時，支撐點為支撐滾輪，最大變形量為5.12 mm，當栽培床縱向輸送時，支撐點為鋁合金圍邊，最大變形量為3.81 mm(圖4)，符合設計要求。氣動升降系統是栽培床實現橫向輸送與縱向輸送切換的機構，每個橫向運輸工位包含2 套托桿架與4 套升降氣缸。本設計改變了國內研究報告中提到的直流電機帶動四桿機構的方式，改善了電流弱、傳動力差等不足，使得穩定性更強、承載能力更大、實用性更好。縱向軌道是與橫向輪式軌道垂直方向的支撐結構，栽培床在這部分上的活動由推拉電機與推動裝置完成。主驅動系統核心是主動電機，電機與主動輪構成了栽培床在橫向輪式軌道上的驅動系統。栽培床體橫向運動范圍9～14 m/min，縱向運行速度范圍2～3 m/min，栽培床綜合平均輸送效率可達80 張/h，是人工效率的6.9 倍。

圖3 地面軌道運輸系統

圖4 栽培床ANSYS 載重變形量分析/mm

空中運輸系統主要采用可實現上下抓取并進行空中輸送的天車系統（圖5）。天車作為栽培床搬運和堆垛的主要設備，根據載重量不同、功能不同分為輕載天車與重載天車，最大載重量可達800 kg。此外，空中運行還需考慮安全問題，由此設計了旋轉保護機構，通過設置主動機構調控從動機構，使旋轉電機通過主動旋轉座、連桿及從動旋轉座調整旋轉固定組件，使設置該天車旋轉保護結構的天車在運送貨物時能夠通過旋轉固定組件進行限位，大幅提升了天車運行時的安全性和穩定性，避免了栽培床掉落的風險。

圖5 空中運輸系統

自動入床設備是立體運輸系統的起始端，將穴盤推送過渡板與栽培床置后搭接，穴盤入床機推送機構將穴盤沿皮帶輸送機構的長度方向的一端輸送至皮帶輸送機構的另一端，當該皮帶輸送機構上布滿整排的穴盤后，通過翻轉機構驅動皮帶輸送機構翻轉至與穴盤推送機構位于同一斜面內時，穴盤推送機構動作，將整排穴盤向栽培床上推送，同時機器上的驅動輪以相應速度將栽培床向前輸送，直至穴盤被完全推送至栽培床上。（圖6）

圖6 自動入床設備

基于射頻識別技術的調度管理

調度管理軟件（圖7）應用于種苗生產的全過程，主要包括兩部分，一是各設備之間的協調運行，是生產工藝實現的手段，主要由智能種苗工廠駕駛艙、空中與地面運輸PLC 系統、其他園藝設備鏈接，采用多線程技術與立體PLC 同步。二是對生產產品的信息采集、顯示、追溯管理。在自動入床設備所處路線位置末端放置射頻識別設備（圖8），將射頻卡（每張卡信息獨立）固定在栽培床側面位置，栽培床通過時，自動讀取栽培床信息并存儲在地面軌道運輸系統服務器中，栽培床信息存儲位置隨栽培床輸送時位置改變而變化，并實時反饋給調度系統。調度管理軟件通過任務的建立，將工藝信息、種苗信息和栽培床信息進行關聯，再加以統計、處理，在生產調度系統界面通過栽培床信息搜索或現場識別栽培床射頻標簽，即可獲得當前栽培床作物信息、工藝信息等。

圖7 調度管理軟件

圖8 射頻識別系統

為便于設備之間的調度管理，在布線方式上，設計采用總線形式布線，解決調度距離遠、傳感器分布散等問題，區別于傳統的PLC 直連布線形式，應用開放式網絡，將傳動模塊內傳感器按一定區域劃分接入從站，再以總線形式將各從站接入主站內。這樣設計可以實現快速多點通信，實現所有從站的數據實時通信。設計布線方式采用并聯布線結構，可增減節點布線，單獨增減從站，擴展功能模塊，不影響其他從站正常工作和使用。

應用效果與推廣潛力

山西中藥材集團太谷基地項目基于工廠化作業模式的路徑優化，以立體運輸方式搭建種苗作業流水線，形成在生產調度系統集中控制下的PLC 末端執行控制體系，運用通信技術、數字技術進行種苗生產管理，從而形成適宜中藥材種苗工廠化生產的新模式。經運行測試，各項指標均符合設計要求，其中栽培床平均載重量363 kg，平均變形量1.1 mm，最大變形量1.5 mm；栽培床橫向運行速度13 m/min，縱向運輸速度3 m/min，平均輸送效率80 張/h；天車運行效率1 m/s。利用該系統，運輸效率可以達到人工效率的6 倍，節約80% 的勞動力，而且可平均縮短育苗周期30%，育苗成活率提高25%。

隨著國內對土地產出率、農業勞動生產率、資源利用率的迫切發展需求，傳統的固定式栽培模式制約著生產效率的提升，越來越多的設施種植企業把工業領域流水作業的方式應用到農業生產當中，以提升企業自身競爭力。立體物流運輸系統是一種以栽培床為運輸單元的流水線作業模式，不僅適用于中藥材種苗生產，還可以推廣應用于花卉、蔬菜、水稻、林木、漿果等更多領域，全面提升設施農業綜合生產能力、實現設施農業可盈利、可持續發展。