果園運輸裝備與數字果園的研究進展及展望

王 琢，張俊峰，肖 進，羅友誼，田滿洲，何雨霜，周 朝

（武漢市農業科學院，武漢 430345）

中國是水果生產和消費大國，種植面積和產量均居世界第一位。2019 年，中國果園種植面積1 227.67 萬hm2，主要集中在丘陵山區，丘陵果園生產機械化水平總體小于20%。

1 果園運輸裝備研究進展

1.1 國外果園運輸裝備現狀

歐洲國家、美國、日本等發達國家果園機械化起步較早，19 世紀開始果園機械化運輸裝備的研發工作，20 世紀90 年代進入應用階段。1966 年，日本Nikkari 公司研發出世界上第一臺單軌道運輸機，最大爬坡能力45°，最大裝載能力3 000 kg。1994 年，韓國大韓國大鉉株式會社MCK 機械有限公司研發出森林單軌運輸機［1，2］。

國外標準化果園擁有完備的運輸裝備體系，機械化的運輸方式得到了廣泛應用。在德國和意大利，果園主要位于丘陵山地，以小規模農場為主，運輸裝備主要采用獨立的中型輪式運輸車和由拖拉機改造而來的運輸機。在法國和英國，果園主要位于平地，以中等規模農場為主，運輸裝備主要采用中型拖拉機和箱式貨運車。在美國和加拿大，果園主要位于平地，以大型農場為主，運輸裝備主要采用叉車、重型載貨汽車和半掛牽引汽車。在日本，果園主要位于丘陵山地，且坡度較大，地形較為復雜，以小規模家庭經營為主。日本的果園運輸裝備齊全，有多輪（二輪至六輪）農用運輸機、履帶式果園運輸機、軌道運輸機和索道運輸機［3-5］。發達國家的果園標準化程度高、集約化生產規模大，果園機械化運輸裝備體系相對健全。

1.2 國內果園運輸裝備現狀

中國國內果園的特點是規模小、坡地多、種植標準差異大，從而導致機械化程度低，鮮果和肥料運輸困難，果農勞動強度大。從經營方式上來看，中國果園目前主要以單戶分散經營為主，正逐步向家庭農場和企業經營型發展。從運輸方式上來看，目前以人工搬運為主，正逐步向機械化運輸轉變。相對于發達國家，中國的果園機械化裝備研發和應用起步較晚，運輸裝備主要有輪式運輸車、履帶式運輸車、軌道運輸機、索道運輸機等4 種類型。

輪式運輸車結構簡單、運行靈活，20 世紀80 年代，中國出現了不同型號的三輪和四輪農用運輸車。其中，華南農業大學研發了適用于坡地的輕簡化輪式運輸車，最大爬坡能力為12°，最大裝載能力為250 kg（平地）、200 kg（坡地）［4］。

相較于輪式運輸車，履帶式運輸車具有爬坡能力強、通過性好的優點。2011 年，國內出現了一種遙控式履帶運輸車，主要特點是載貨平臺可以自動調平，防止爬坡時貨物從載貨平臺上掉落［6］。2013年，華中農業大學研發了一款單履帶動力運輸車，以單人手扶式操作［7］。2016 年華南農業大學研發了一款手扶式微型履帶運輸車，采用雙電機驅動，48 V鋰電池供電［3］。

履帶式運輸車的爬坡能力通常不大于20°，而中國南方果園的坡度通常都大于20°，國內學者為解決該問題，研發了軌道式運輸機。國內的山地果園運輸機軌道類型主要有單軌型、雙軌型、無軌型，運行方式主要有自走式、牽引式、無動力式，驅動力主要有柴油機、汽油機、電動機。2008 年，湖北省宜昌市夷陵區在坡度60°的柑橘果園安裝了雙軌軟索運輸機，以100 m 的間隔距離安裝一條軌道，每組3~4 個拖車，可以裝載800~1 000 kg 物料［8］。從2008 年開始，柑橘現代產業技術體系機械研究室華中農業大學團隊研發了牽引式單軌、自走式單軌、自走式雙軌等多款型號的山地果園運輸機［9-18］，并在湖北、重慶、廣西等省（市）進行了推廣，如圖1 所示。華南農業大學團隊也研發了一系列的山地果園運輸機，包括雙軌牽引式、電動單軌自走式運輸機，在傳動系統、控制系統、避障系統等方面展開了研究［19-23］。

圖1 華中農業大學研發的山地果園軌道運輸機

索道運輸機是另一種山地果園運輸裝備，與軌道運輸機相比，索道運輸裝備不需要在地面修建軌道，安裝施工難度和成本較低［24］。2011 年，華南農業大學研發了一種鏈式循環貨運索道運輸裝備，實現了上下坡、轉彎和直線的循環運行，以及啟動、停止的遙控控制，最高生產率可達6.8 t/h［25-28］。

綜上分析，中國果園地形坡度大，生產規模大小不一，南北種植模式差異大，導致早些年機械化運輸裝備研發與應用進展緩慢。近年來，由于國家政策的引導，土地流轉加速，企業規模不斷擴大，上下游產業鏈形成，配套研發投入擴大，越來越多的科研院所和企業投入到果園機械化運輸裝備的研發中，在中國南方地區，基本形成較為完備的機械化運輸裝備體系。

2 數字果園研究進展

2.1 數字果園的概念

現代農業強調傳統農藝種植技術與數字技術深度融合，數字農業是農業現代化的發展趨勢。數字果園是信息技術領域與果樹栽培、果園管理領域交叉形成的新的研究領域，對果園生產、管理、經營、流通、服務等環節中產生的數據資源進行利用，使果園按照消費者需求的目標和方向發展［29，30］。在數字果園中，數據是關鍵的生產要素，也是影響效益的重要因素。信息與數據貫穿果園的整個產業過程，通過傳感器、采集器、物聯網平臺等電子信息設備收集、存儲和分析數據，再依據數據做出決策。相比傳統的勞動密集型果園，數字果園可以降低勞動強度，提高生產管理水平，提升水果品質，做到水果種類和數量的按需供給。

2.2 數字果園研究現狀

國內學者對數字果園的研究主要集中在物聯網、云計算、大數據、人工智能等技術領域。主要包括3 個方面，一是果園環境與果樹生長信息的數字化表示，二是果園檔案與生產過程數字化監測，三是水果經營與流通數字化管理［30］。中國農業科學院資源與農業區劃研究所以“數據—知識—決策”為主線，從果園智能感知、快速診斷、精準作業3 個方面，利用航天遙感、航空遙感、地面物聯網，構建了天空地一體的果園生產精準管理體系［31］。中國農業科學院農業信息研究所針對果園環境采集數據的交換與共享規范缺乏的問題，提出了一種基于XML 的果園環境采集數據表示格式［32］。太原理工大學與太原師范學院等單位設計和實現了一套果園GPS 數據采集系統，能對果園面積和產量進行估算［33］。河北農業大學設計了一套基于移動終端的數字果園管理系統，系統以單株果樹為管理單元，可以方便地記錄和查詢果園和果樹屬性等信息［34］。以上研究著重從理論方面對數字果園的相關底層技術、管理體系、運行模式等方面進行了探索，而在實際的數字果園建設中還會面臨更復雜的現實問題。

3 主要問題與展望

經過近年來的迅速發展，不少機械化裝備和信息化系統在市場上得到了應用，解決了果農面臨的一部分實際問題。然而，在果園機械化運輸裝備和數字果園方面還存在一系列亟待解決的問題。

1）機械化運輸裝備自動化程度低。許多運輸裝備仍然需要人工直接對機械進行操控，裝備自身缺乏感知設備，沒有實現自動化運行。電動化、信息化、網絡化是機械裝備發展的趨勢，有必要對機械運輸裝備的整體和局部進行優化設計，進一步降低勞動強度，解放勞動力。隨著土地的流轉和農村人口的下降，果園經營模式朝著“地大人少”的方向改變，未來的果園可能存在多種機械化運輸方式并存的生產運輸模式，同一個果園的不同區域因坡度不同采用不同的運輸裝備，各種運輸裝備同時協同分工運行。果農利用一套系統可以掌握果園全局作業情況，各個運輸裝備自主作業。

2）軌道運輸機功能單一，與之配套的裝備、系統不健全。軌道式運輸機實現了水果山間運輸環節的機械化作業，但是仍然需要人力將水果從坡地上搬運到運輸機上，當運輸機下行到山腳后同樣需要人力將水果從運輸機轉運到貨車上。有必要研發配套的自動搬運和轉運裝備，實現整個運輸環節的無人化作業。同時，軌道式運輸機可以搭載更多的傳感檢測設備，通過機器學習和智能分析，在山間穿行的同時，對實時氣候、果園產量、病蟲害信息進行采集和預測。

3）數字果園沒有全面實現數字化。數字果園不是數字技術在某個環節的簡單應用，而是全面系統地應用到果園生產、管理以及消費市場的各個環節。目前的研究多集中在果園環境數據和果樹生長數據的采集，沒有將數據轉換為知識系統，數據作為生產要素沒有得到充分利用。未來，應該將果園生產數據、經營數據、消費數據進行全面整合，水果的品質、果樹的長勢、土壤的營養狀況、氣候的變化、運輸的保鮮情況、消費者的評價等都應該有相應的數字化表示，并且可以分析得出各個參數之間的影響機理，形成一整套從生產端到消費端的數字化系統。

4 結論

近年來，中國已經研發出多款果園機械化運輸裝備，包括輪式運輸車、履帶式運輸車、軌道運輸機、索道運輸機等，不少廠家開發生產的運輸裝備已經納入農機補貼目錄，也在中國南方地區進行了推廣。從技術研發上來看，裝備的穩定性、適應性、便利性還有提升空間；從產品推廣來看，軌道式運輸機已經逐步在南方地區的部分果園投入使用。數字果園的研究也在許多環節取得了進展，但由于種植模式、經營模式的限制，離全面應用還有很大的距離。當農機與農藝、信息化與機械化深入融合后，未來的果園將會更加快速地朝著全程機械化、全面數字化的方向發展。