陳 杰 吳軍輝 林開顏 司慧萍

（同濟(jì)大學(xué)新農(nóng)村發(fā)展研究院，上海 楊浦 201804）

上海是一個國際化大都市，2022年常住人口近2 500萬，市民的“菜籃子”保障工作是當(dāng)?shù)卣墓ぷ髦攸c之一。通過30年“菜籃子”工程的建設(shè)與實施，上海設(shè)施蔬菜生產(chǎn)面積大幅度增加，生產(chǎn)條件得到了極大改善，蔬菜產(chǎn)品的市場供應(yīng)能力得到了顯著提高，蔬菜質(zhì)量安全性得到了較大改進(jìn)［1，2］。2021年4月7日，中共上海市委、上海市人民政府頒布了《關(guān)于全面推進(jìn)鄉(xiāng)村振興，加快農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化的實施意見》［3］，明確提出了落實“菜籃子”市長負(fù)責(zé)制，推進(jìn)蔬菜保護(hù)區(qū)、保護(hù)鎮(zhèn)建設(shè)，確保地產(chǎn)蔬菜自給率穩(wěn)定在40%以上、綠葉菜自給率穩(wěn)定在80%以上。2022年4月，新冠肺炎疫情大面積爆發(fā)，上海全域?qū)嵤╈o默管理，物流受阻，導(dǎo)致外省市蔬菜難以入滬，使得原本自給率較低的蔬菜供應(yīng)更加捉襟見肘。因此，上海迫切需要提升蔬菜供應(yīng)的自給率，以應(yīng)對突發(fā)情況。

當(dāng)前，我國農(nóng)業(yè)從業(yè)者逐漸老齡化，勞動用工短缺［4］，特別是像上海這樣以工業(yè)和商業(yè)為主要發(fā)展目標(biāo)的大都市，農(nóng)業(yè)勞動力短缺問題尤為突出［5，6］。為了解決上海蔬菜生產(chǎn)“人”的問題，貫徹落實上海市委、市政府頒布的《關(guān)于全面推進(jìn)鄉(xiāng)村振興，加快農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化的實施意見》［3］，2021年5月8日，上海市農(nóng)業(yè)農(nóng)村委員會頒布了《上海市關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)蔬菜生產(chǎn)機(jī)器換人示范基地建設(shè)的通知》［7］，著力推進(jìn)蔬菜生產(chǎn)設(shè)施宜機(jī)化、生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化、作業(yè)機(jī)械化和服務(wù)社會化，實現(xiàn)蔬菜生產(chǎn)“機(jī)器換人”。蔬菜生產(chǎn)“機(jī)器換人”的核心是農(nóng)業(yè)機(jī)械的研發(fā)和推廣應(yīng)用，設(shè)計者應(yīng)與時俱進(jìn)，充分考慮到科技進(jìn)步、設(shè)施生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展以及農(nóng)機(jī)和農(nóng)技的結(jié)合，從系統(tǒng)性、可靠性、實用性和智慧化著手，研制穩(wěn)定性好、適應(yīng)性強(qiáng)、操作輕簡化、作業(yè)智能化的農(nóng)機(jī)，最終實現(xiàn)設(shè)施蔬菜生產(chǎn)全程機(jī)械化作業(yè)。

1 系統(tǒng)性

1.1 全程化

設(shè)施蔬菜生產(chǎn)具有要求高、環(huán)節(jié)多、種類雜等特點。設(shè)施蔬菜生產(chǎn)環(huán)節(jié)包括耕整地、施肥、除草、覆膜、播種、移栽、植保、灌溉、施肥、通風(fēng)換氣、保溫降溫、采收、產(chǎn)后包裝、運(yùn)輸?shù)?，涉及的農(nóng)機(jī)有耕整地機(jī)械、種植機(jī)械、植保機(jī)械、灌溉追肥機(jī)械、環(huán)境調(diào)控機(jī)械等［8］，這些設(shè)備與各生產(chǎn)環(huán)節(jié)組成了設(shè)施蔬菜生產(chǎn)的全鏈條。在這個鏈條上，只要有一個環(huán)節(jié)缺少相應(yīng)的農(nóng)業(yè)機(jī)械，就會造成短板效應(yīng)，阻礙設(shè)施蔬菜生產(chǎn)機(jī)械化的進(jìn)程。因此，科技人員在研發(fā)適宜設(shè)施蔬菜生產(chǎn)的農(nóng)機(jī)時，要認(rèn)真梳理與分析每一個環(huán)節(jié)步驟以及相對應(yīng)的機(jī)械，彌補(bǔ)薄弱環(huán)節(jié)、補(bǔ)齊短板，以期實現(xiàn)蔬菜生產(chǎn)的全鏈條機(jī)械化。

1.2 完整性

設(shè)施蔬菜生產(chǎn)的每個環(huán)節(jié)都包含不同的步驟，這些步驟相互銜接，如果其中一個步驟出現(xiàn)問題，會影響整個機(jī)械裝置的工作效率和推廣應(yīng)用。如綠葉蔬菜收割機(jī)，包括收割裝置、輸送裝置、儲存籃框、行走裝置、動力系統(tǒng)等，在工藝流程上有刀割、傳送、入框等。研發(fā)蔬菜收割機(jī)時，研發(fā)人員往往重視收割裝置的設(shè)計，而忽視了其它裝置的配套設(shè)計。如放菜的儲存籃框太小，與收割機(jī)的收割效率不匹配，收割時需要專門人員頻繁更換儲存籃框，既費(fèi)力，也影響收割機(jī)的工作效率。采后的蔬菜包裝機(jī)械包括上料輸送帶、供膜成型機(jī)構(gòu)、中封牽引機(jī)構(gòu)、端封與切斷機(jī)構(gòu)、稱量機(jī)構(gòu)以及標(biāo)簽打印粘貼機(jī)，配套的工藝流程有整理、輸送、包裝、切斷、稱重、貼標(biāo)等。目前市場上銷售的一些包裝機(jī)，在整理、貼標(biāo)等流程還需人工輔助，影響了包裝效率。自動化灌溉設(shè)備包括抽水泵、輸水管道、電磁閥、滴灌管或微噴頭等，對應(yīng)抽水、輸送和灌溉等步驟。一些園藝場或蔬菜生產(chǎn)龍頭企業(yè)雖然配備了自動化灌溉設(shè)施，但常常因為泵站的抽水泵功率太小、輸送管道管徑過細(xì)，導(dǎo)致整個園區(qū)或基地的自動化灌溉水壓達(dá)不到要求等，只能依靠人工控制分片區(qū)灌溉。這就是因為研發(fā)人員沒有考慮到自動化灌溉的整體性而造成的弊端。可見，設(shè)施蔬菜生產(chǎn)機(jī)械的研發(fā)如果考慮不到各環(huán)節(jié)的所有步驟，會降低機(jī)械的實際使用效率并影響其推廣應(yīng)用。

2 可靠性

可靠性是衡量產(chǎn)品質(zhì)量、實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計功能以及保證產(chǎn)品推廣應(yīng)用的重要指標(biāo)。設(shè)施蔬菜生產(chǎn)機(jī)械的可靠性也是農(nóng)機(jī)研發(fā)和推廣過程中不可忽視的一個環(huán)節(jié)。

2.1 容錯性

近年來，隨著我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平的快速提升，機(jī)械制造技術(shù)以及智能技術(shù)的普及，無人駕駛、自動導(dǎo)航和自主作業(yè)的智能化技術(shù)廣泛應(yīng)用于各類農(nóng)機(jī)上，“電腦替代人腦”越來越普及，農(nóng)業(yè)機(jī)械逐漸走向智能化［9］。但是，電腦終究不是人腦，硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)不可避免地存在缺陷，而且還會受高溫高濕等不利環(huán)境條件地干擾出現(xiàn)操作失誤。雖然智能化、無人化是設(shè)施農(nóng)機(jī)研發(fā)和應(yīng)用的一個主流方向，但是農(nóng)機(jī)一定要保留手動操作功能，且在設(shè)置操作優(yōu)先權(quán)限上，人工手動操作的權(quán)限一定要高于自動化控制，保證在控制系統(tǒng)或其它部件突發(fā)故障時可以手動操作，以免影響蔬菜生產(chǎn)。

2.2 穩(wěn)定性

農(nóng)業(yè)機(jī)械經(jīng)常在高溫高濕的設(shè)施大棚內(nèi)運(yùn)行，保持正常的工作狀態(tài)和性能對其是一種巨大的考驗，因此，穩(wěn)定性也是農(nóng)業(yè)機(jī)械研發(fā)人員必須重點考慮的一個因素。農(nóng)機(jī)由各種零部件組成，零部件的種類多、數(shù)量大、企業(yè)雜、品控難，目前零部件質(zhì)量已成為制約我國農(nóng)機(jī)發(fā)展和應(yīng)用的十分突出問題［10］。研發(fā)人員應(yīng)嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，盡量選用大品牌、信譽(yù)度高、質(zhì)量好的零部件，以保證機(jī)械運(yùn)行的穩(wěn)定性以及維修保養(yǎng)的便捷性。

3 實用性

機(jī)械替代人工是農(nóng)機(jī)研發(fā)的重要目標(biāo)，便捷化、易操作、用途廣是保證農(nóng)機(jī)推廣應(yīng)用的重要推動力。因此，農(nóng)機(jī)研發(fā)人員要從輕簡化、適用性等方面著手，提高農(nóng)機(jī)的實用性。

3.1 輕簡化

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，輕簡化、小型化已成為設(shè)施農(nóng)業(yè)機(jī)械主要發(fā)展方向。要實現(xiàn)農(nóng)機(jī)的便捷化，用鋰電池替代傳統(tǒng)的化石能源作為農(nóng)機(jī)動力系統(tǒng)的能量來源是目前農(nóng)機(jī)研發(fā)中普遍采用的方法［11］。采用鋰電池替代傳統(tǒng)的化石燃料，不僅可以減輕農(nóng)機(jī)的質(zhì)量，還有利于蔬菜生產(chǎn)的清潔化、低碳化。鋰電池農(nóng)機(jī)的研發(fā)與普及雖然遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于新能源汽車和各類電動工具，但不可否認(rèn)的是，鋰電池農(nóng)機(jī)必將是今后農(nóng)機(jī)發(fā)展的一個重要方向。和當(dāng)前的電動車行業(yè)一樣，用鋰電池替代化石燃料的農(nóng)機(jī)也存在續(xù)航焦慮、質(zhì)量大以及功率匹配的難點。電池的續(xù)航時間太短，使用過程中需要不斷更換電池或進(jìn)行充電，會給使用者帶來極大的不便；增加電池組的數(shù)量，雖然可以提高續(xù)航能力，但影響農(nóng)機(jī)的輕簡化和使用的便捷化。設(shè)施蔬菜生產(chǎn)對農(nóng)機(jī)有不同的作業(yè)需求，需要對應(yīng)不同的電池功率和能耗，因此在設(shè)施蔬菜農(nóng)機(jī)的研發(fā)上，應(yīng)順應(yīng)技術(shù)發(fā)展潮流，盡量選用鋰電池作為農(nóng)機(jī)動力系統(tǒng)的能量來源。在鋰電池的選擇上，研發(fā)人員應(yīng)針對功能需求，將續(xù)航時間、質(zhì)量尺寸和功率能耗三者結(jié)合起來綜合考慮，以最大限度發(fā)揮鋰電池的優(yōu)勢。

3.2 適用性

設(shè)施類型多樣、蔬菜種類和品種豐富、生產(chǎn)環(huán)節(jié)復(fù)雜、栽培環(huán)境多變，要求用于設(shè)施蔬菜生產(chǎn)的農(nóng)機(jī)要具備一定的兼容性，以適應(yīng)不同的作業(yè)對象和作業(yè)環(huán)境［12］。例如綠葉菜收割機(jī)，在研發(fā)設(shè)計上要考慮到作物的株高和采收高度，收割刀具的收割高度能夠靈活調(diào)整；作物栽培的壟或畦高度不一，就要設(shè)計高度可調(diào)的作業(yè)機(jī)構(gòu)，使其根據(jù)實際的壟畦高度調(diào)整作業(yè)高度；同樣，作物栽培的壟或畦寬度也不一樣，農(nóng)機(jī)作業(yè)的幅寬也要根據(jù)實際的情況留有調(diào)整的空間；研發(fā)人員應(yīng)根據(jù)土壤質(zhì)地（如沙土、壤土、黏土）設(shè)計仿形機(jī)構(gòu)，使農(nóng)機(jī)隨著地面起伏變化而運(yùn)動，從而保持作業(yè)深度不變。提高農(nóng)業(yè)機(jī)械的適應(yīng)性是推動農(nóng)機(jī)推廣應(yīng)用的重要舉措。

4 智慧化

截至2019年底，我國已成為世界第一農(nóng)機(jī)生產(chǎn)大國和使用大國，但是我國農(nóng)機(jī)的整體水平與世界發(fā)達(dá)國家還存在著較大的差距。當(dāng)今，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)突飛猛進(jìn)，大數(shù)據(jù)、智慧的先進(jìn)算法、云技術(shù)的進(jìn)步，為推動我國農(nóng)機(jī)智能化的發(fā)展打下了基礎(chǔ)［13］。在今后農(nóng)機(jī)的研發(fā)上，智能化是必須重視的一個重要環(huán)節(jié)。

4.1 云系統(tǒng)的應(yīng)用

云系統(tǒng)是指所有的電子產(chǎn)品以及帶有通訊接口的各種終端設(shè)備能夠通過互聯(lián)網(wǎng)相互連接，使得云系統(tǒng)中的所有設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)信息共享、遠(yuǎn)程操控、云端服務(wù)等智能化作業(yè)。2020年起，我國大力推進(jìn)新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)［14］，特別是以5G、物聯(lián)網(wǎng)為代表的通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，以人工智能、云計算為代表的新技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施，以及以數(shù)據(jù)中心、智能計算中心為代表的算力基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，為新型農(nóng)機(jī)云系統(tǒng)的應(yīng)用提供了條件。云系統(tǒng)的應(yīng)用可實現(xiàn)追溯監(jiān)管、大數(shù)據(jù)利用、遠(yuǎn)程操控以及精細(xì)化管理。利用云平臺，農(nóng)機(jī)的作業(yè)信息（如播種、移植、植保、采收、包裝等）可一鍵上云，既能夠作為農(nóng)產(chǎn)品安全追溯的主要數(shù)據(jù)來源，也便于相關(guān)職能部門的監(jiān)管。利用云系統(tǒng)可以遠(yuǎn)程操控農(nóng)機(jī)，完成一系列的農(nóng)事作業(yè)，既節(jié)省勞力，又能充分利用云端的專家系統(tǒng)提升農(nóng)事操作管理的精準(zhǔn)性和科學(xué)性。數(shù)據(jù)是實現(xiàn)智能農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵所在，數(shù)據(jù)獲取需要通過不同的方法和手段：一方面，安裝在栽培現(xiàn)場的固定傳感器會獲得許多有價值的數(shù)據(jù)；另一方面，農(nóng)機(jī)的運(yùn)行和操作數(shù)據(jù)也是農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)的重要組成部分，農(nóng)機(jī)運(yùn)行和作業(yè)的信息一鍵上云，結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場固定傳感器的數(shù)據(jù)，利用云平臺進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，能夠為設(shè)施蔬菜智能化生產(chǎn)提供更多有效的數(shù)據(jù)支持。云系統(tǒng)還可為設(shè)施蔬菜生產(chǎn)實行精細(xì)化管理提供幫助。例如，采收和包裝的數(shù)據(jù)一鍵上云，可以根據(jù)產(chǎn)量數(shù)據(jù)合理安排銷售，提升企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

4.2 無人化作業(yè)

機(jī)器換人的核心是省力化，省力化的最高境界是無人化。在無人機(jī)、無人駕駛技術(shù)飛速發(fā)展與應(yīng)用的大背景下，農(nóng)機(jī)的無人化進(jìn)程也在進(jìn)一步加快。特別是在北斗衛(wèi)星、GPS系統(tǒng)以及圖像識別技術(shù)的支撐下，農(nóng)機(jī)作業(yè)讓“四自”（自動導(dǎo)航、自主行走、自動識別和自主作業(yè)）成為可能。在設(shè)施生產(chǎn)農(nóng)機(jī)的開發(fā)上，如何利用現(xiàn)代化的智能技術(shù)，實現(xiàn)農(nóng)機(jī)工作的“四自”是當(dāng)前農(nóng)機(jī)研發(fā)工作的一個新趨勢和發(fā)展方向。