王 攀

(沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110000)

0 引言

甘肅省西和縣位于甘肅省東南部、隴南市北端，地處長(zhǎng)江流域西漢水上游，平均海拔1 692 m，年平均氣溫8.4 ℃，無(wú)霜期183 d，降水量533 mm。由于其得天獨(dú)厚的自然條件，自古以來(lái)種植有多種類(lèi)型的中藥材。據(jù)《西和縣志(1996—2013)》記載，西和縣境內(nèi)出產(chǎn)野生中藥材358種489味。其中半夏、淫羊藿、貝母及款冬在全國(guó)享有盛名[1]。半夏具有和胃止嘔、燥濕化痰、解毒止咳等功效，是中醫(yī)常用藥材之一。西和縣具有富鉀的優(yōu)質(zhì)土壤，為西和半夏的種植提供了得天獨(dú)厚的基質(zhì)條件。西和半夏粒足性?xún)?yōu)，色質(zhì)優(yōu)良，無(wú)污染，被稱(chēng)為半夏中的優(yōu)質(zhì)品，為著名的道地性藥材[2]。作為一種重要的經(jīng)濟(jì)作物，其廣泛種植為西和當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展、農(nóng)民增收提供了重要保障。但是，在長(zhǎng)期的種植過(guò)程中，以傳統(tǒng)的人工種植為主的種植方式已不能滿(mǎn)足市場(chǎng)需要，半機(jī)械化種植方式的介入為當(dāng)?shù)胤N植戶(hù)提供了較好的便利條件。農(nóng)業(yè)機(jī)械化是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要方式，主要是指在農(nóng)業(yè)、林業(yè)及畜牧業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域使用機(jī)械代替人工工作，起到提升生產(chǎn)效率降低勞動(dòng)強(qiáng)度的作用。半夏種植后期的加工過(guò)程亟需機(jī)械化創(chuàng)新。

1 推廣半夏生產(chǎn)機(jī)械自動(dòng)化的意義

目前，市面上主要有河北省安國(guó)市生產(chǎn)的BX-150滾筒式半夏收獲機(jī)和甘肅省隴南市生產(chǎn)的平板篩式半夏收獲機(jī)開(kāi)展半夏采收工作[3]。另外，國(guó)內(nèi)有多家科研機(jī)構(gòu)按照市場(chǎng)實(shí)際需求開(kāi)展了半夏收獲機(jī)的研發(fā)工作，各具特色。武漢科技大學(xué)江志剛等[4]設(shè)計(jì)出了一種新型節(jié)能半夏收獲機(jī)，為三重分篩式半夏收獲機(jī)；山西農(nóng)業(yè)大學(xué)鄭德聰?shù)萚5]設(shè)計(jì)了 4SB-800 型半夏收獲機(jī)，該機(jī)可與 TN-55(或TN-654) 拖拉機(jī)配套，組成半懸掛式機(jī)組；山西農(nóng)業(yè)大學(xué)趙美香等[6]對(duì) 4SB-800 型半夏收獲機(jī)的行走轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)做了進(jìn)一步設(shè)計(jì)與分析計(jì)算，就收獲機(jī)在田間作業(yè)轉(zhuǎn)彎時(shí)不能沿著拖拉機(jī)軌跡行走而產(chǎn)生嚴(yán)重偏離這一情況，對(duì)半懸掛式機(jī)組轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算并對(duì)其進(jìn)行了理論分析；甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)李海等[7]設(shè)計(jì)了一款新型半夏收獲機(jī)；甘肅交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院李海等[8]對(duì)半夏收獲機(jī)非離心式滾筒篩分離裝置進(jìn)行研究，采用 SolidWorks軟件繪制半夏收獲機(jī)三維實(shí)體模型，并利用 ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真軟件對(duì)其做了運(yùn)動(dòng)仿真，分析轉(zhuǎn)速和傾斜角度對(duì)滾筒篩分離裝置篩選效果的影響；甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)王鋒等[9]針對(duì)現(xiàn)有收獲機(jī)械直接應(yīng)用于半夏時(shí)存在的采收不徹底、分離效果不佳、需要二次除雜且工作量大等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種雙層平篩式半夏收獲機(jī)。

半夏前期種植過(guò)程中，需要搶抓有利農(nóng)時(shí)。但是隨著西和半夏種植面積的不斷拓展，以人工為主的半夏種植及后期加工技術(shù)已不能適應(yīng)高速生產(chǎn)的需要。因此，亟待開(kāi)發(fā)及引進(jìn)相關(guān)種植、采挖及后期生產(chǎn)的現(xiàn)代化加工機(jī)械設(shè)備。目前，半夏采挖成本較高，機(jī)械采挖半夏每 667 m2需 1 500～2 000元，與人工作業(yè)相比，機(jī)械作業(yè)可節(jié)約成本1 500元·(667 m2)-1[3]。因此，機(jī)械化采收及加工設(shè)備的應(yīng)用可極大地提升生產(chǎn)效率，對(duì)于西和縣半夏種植業(yè)由傳統(tǒng)的種植結(jié)構(gòu)向現(xiàn)代化的種植結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化、縮短勞動(dòng)時(shí)間、提升勞動(dòng)效率、降低勞動(dòng)成本具有重要的意義，對(duì)于半夏產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 半夏生產(chǎn)機(jī)械自動(dòng)化發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 與部分種植區(qū)的生產(chǎn)需求及經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平不符

西和縣不同種植區(qū)的海拔及土壤條件差異較大。目前，國(guó)內(nèi)外半夏收獲機(jī)器的研發(fā)主要是借鑒馬鈴薯、花生、大蒜等收獲機(jī)的原理，在此基礎(chǔ)上通過(guò)簡(jiǎn)單改造后進(jìn)行的設(shè)計(jì)。主要缺點(diǎn)是體積較大、不利于運(yùn)輸?shù)?。由于西和縣海拔較高，山陡路險(xiǎn)，體積較大設(shè)備的運(yùn)輸是一筆不小的開(kāi)支。通常情況下還需要一些農(nóng)用車(chē)輛進(jìn)行運(yùn)輸，成本高且危險(xiǎn)系數(shù)較大。且這些機(jī)器收獲精度不高，漏收現(xiàn)象較為嚴(yán)重。另外由于挖掘深度與半夏種植深度不相符合，導(dǎo)致采收效率降低，浪費(fèi)情況增加的現(xiàn)象較為突出。

2.2 機(jī)械化生產(chǎn)與管理水平較低

2021年中央一號(hào)文件指出，要不斷提高農(nóng)機(jī)裝備自主研制能力，支持高端智能、丘陵山區(qū)農(nóng)機(jī)裝備研發(fā)制造，加大購(gòu)置補(bǔ)貼力度，開(kāi)展農(nóng)機(jī)作業(yè)補(bǔ)貼[10]。在2022年中央一號(hào)文件中強(qiáng)調(diào)，要加快農(nóng)機(jī)裝備工程化協(xié)同攻關(guān)，對(duì)于特殊用途農(nóng)業(yè)機(jī)械的研究如丘陵山區(qū)和設(shè)施園藝小型機(jī)械、高端智能機(jī)械研發(fā)制造納入國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，開(kāi)展農(nóng)機(jī)研發(fā)制造推廣應(yīng)用一體化試點(diǎn)[11]。隨著西和縣半夏種植面積的不斷擴(kuò)大，亟待開(kāi)發(fā)與當(dāng)?shù)刈匀粭l件相適應(yīng)的便于運(yùn)輸及操作的收獲機(jī)械。目前，由于該設(shè)備所占市場(chǎng)份額較小，農(nóng)機(jī)開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)對(duì)其研發(fā)熱情不高。只能通過(guò)從其他區(qū)引進(jìn)或在此基礎(chǔ)上的微小改進(jìn)后使用，并未開(kāi)展大規(guī)模的開(kāi)發(fā)利用。在使用過(guò)程中由于地域限制及使用人員基礎(chǔ)能力不足，不利于科學(xué)利用。管理方面要加強(qiáng)對(duì)相關(guān)機(jī)械的研發(fā)及改進(jìn)，在此基礎(chǔ)上積極培訓(xùn)相關(guān)技術(shù)人才，不斷提升管理水平。

2.3 缺乏科技人才培訓(xùn)及政策推廣

隨著鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的實(shí)施，國(guó)家對(duì)于一些特殊使用的農(nóng)業(yè)機(jī)械的研發(fā)日益重視。但是我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化及自動(dòng)化學(xué)科起步較晚，在長(zhǎng)期的發(fā)展過(guò)程中對(duì)于技術(shù)、人才的發(fā)展需求不足，極大地限制了該領(lǐng)域的快速發(fā)展[12]。對(duì)于半夏產(chǎn)業(yè)而言，機(jī)械化種植及采收具有重要意義，尤其是隨著市場(chǎng)的需求增加、種植面積的逐漸擴(kuò)大及對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)要求的提升，長(zhǎng)期以人工生產(chǎn)與加工模式逐漸被打破。國(guó)家對(duì)于農(nóng)業(yè)等種植業(yè)的發(fā)展也極為重視，在2022年中央一號(hào)文件中，明確提出要啟動(dòng)“神龍英才”計(jì)劃，加快農(nóng)業(yè)及種植業(yè)等領(lǐng)域領(lǐng)軍人才及青年科技人才的培養(yǎng)。通過(guò)積極推行科技特派員制度、“三區(qū)科技人才”計(jì)劃、高素質(zhì)農(nóng)民培養(yǎng)計(jì)劃及鄉(xiāng)村振興帶頭人“頭雁”項(xiàng)目等，逐步加強(qiáng)農(nóng)村科技人才的培養(yǎng)。通過(guò)政策支持和有目的的科技開(kāi)發(fā)，逐步引導(dǎo)科研機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)具有地域特色的機(jī)械設(shè)備，推動(dòng)半夏等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的機(jī)械化發(fā)展。

3 促進(jìn)半夏生產(chǎn)機(jī)械自動(dòng)化發(fā)展的對(duì)策

3.1 加大研發(fā)力度，根據(jù)產(chǎn)業(yè)需求研發(fā)高效益產(chǎn)品

隨著鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的實(shí)施，國(guó)家對(duì)于農(nóng)業(yè)機(jī)械化的發(fā)展更加重視。半夏作為西和縣一種重要的道地性中藥材，成為了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展的重要組成部分。但由于具有信息化水平的高端采收及加工配套設(shè)備的匱乏，及大地限制了產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。目前，我國(guó)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)已由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)向著智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展。智慧農(nóng)業(yè)以信息技術(shù)為基礎(chǔ)，云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)深度嵌入融合。通過(guò)對(duì)海量數(shù)據(jù)的擷取、分析、管理、處理和應(yīng)用，推動(dòng)機(jī)械設(shè)備的革新?lián)Q代及農(nóng)業(yè)管理模式的飛躍發(fā)展[13]。對(duì)半夏產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)，除了研發(fā)具有便攜、高效節(jié)能的小型采收及加工設(shè)備外，在種植模式上也要打破傳統(tǒng)的以消耗人工成本的種植模式，在大數(shù)據(jù)的支持下，逐漸以智慧農(nóng)業(yè)模式開(kāi)發(fā)高集成化、自動(dòng)化及高效益的栽培模式，將栽培過(guò)程中半夏的節(jié)水灌溉、生長(zhǎng)情況指標(biāo)參數(shù)等逐漸整合，開(kāi)展智能化種植，降低種植成本。

3.2 加強(qiáng)相關(guān)機(jī)械配套基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)

農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)對(duì)農(nóng)業(yè)發(fā)展至關(guān)重要。不同農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)農(nóng)業(yè)發(fā)展具有一定差異影響，其影響程度依次為農(nóng)業(yè)水利基礎(chǔ)設(shè)施、交通基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施和電力基礎(chǔ)設(shè)施[14]。對(duì)于半夏產(chǎn)業(yè)發(fā)展而言，上述基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)同等重要。因此，對(duì)于半夏機(jī)械化種植及采收環(huán)節(jié)，需要的機(jī)械設(shè)備越來(lái)越多。隨著智慧農(nóng)業(yè)的不斷實(shí)施，涉及到的儀器設(shè)備種類(lèi)也日益增加。且智能化程度越來(lái)越高。在傳統(tǒng)機(jī)械采收環(huán)節(jié)，機(jī)械設(shè)備的維護(hù)也至關(guān)重要，對(duì)于非專(zhuān)業(yè)人員修理難度較大，部分設(shè)備及零件的購(gòu)買(mǎi)也是提升維修難度、增加維修成本的主要影響因素，對(duì)于智能型設(shè)備更需要專(zhuān)業(yè)人員的維護(hù)。因此，要從各個(gè)層面加強(qiáng)機(jī)械設(shè)備配套設(shè)施的建設(shè)，逐漸建立集科技人員、設(shè)備維護(hù)人員及維修人員為一體的綜合服務(wù)平臺(tái)，做到及時(shí)維護(hù)維修，提升維修效率，防止耽誤農(nóng)時(shí)、影響產(chǎn)量及質(zhì)量。

3.3 根據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展實(shí)際合理研發(fā)相關(guān)機(jī)械設(shè)備

半夏作為一種以塊莖為主要利用價(jià)值的中藥材。塊莖的采收一方面要將各種直徑的塊莖全部采收，在此基礎(chǔ)上利用設(shè)備將其篩選后按照直徑分類(lèi)，然后將其脫皮、烘干，可有效提高產(chǎn)量增加收益。另一方面要盡量減少在采收過(guò)程中對(duì)塊莖的損傷，降低產(chǎn)品的質(zhì)量。由此，在不同的使用環(huán)節(jié)，要根據(jù)當(dāng)?shù)匕胂纳a(chǎn)的實(shí)際積極研發(fā)篩選設(shè)備。對(duì)于引進(jìn)的設(shè)備也需要將其優(yōu)化改進(jìn)后用于本土半夏的采收。目前該類(lèi)設(shè)備的研發(fā)均考慮到了上述要求。武漢科技大學(xué)江志剛等研究開(kāi)發(fā)了一種半夏收獲機(jī)及收獲方法。該半夏收獲機(jī)包括機(jī)架、動(dòng)力裝置、傳動(dòng)裝置、輸送裝置、篩選裝置、集料箱、挖掘鏟和旋耕耙軸，半夏依次通過(guò)挖掘鏟、輸送裝置和篩選裝置，實(shí)現(xiàn)了半夏的三重篩選。提高了收獲的精度及效率。在此基礎(chǔ)上部分科研單位增加了其他智能化設(shè)備，如傳感器、智能攝像頭等，顯著增加了智能化水平，但是，該設(shè)備目前還停留在研究開(kāi)發(fā)及專(zhuān)利申報(bào)的科研環(huán)節(jié)，真正走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入大田實(shí)踐的設(shè)備仍是一些簡(jiǎn)單的機(jī)械化設(shè)備。

3.4 將現(xiàn)代智能技術(shù)融入半夏生產(chǎn)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，半夏的采收及分級(jí)技術(shù)也融入了智能技術(shù)。武漢科技大學(xué)丁周陽(yáng)等[15]發(fā)明了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的半夏品質(zhì)分級(jí)方法，通過(guò)機(jī)器視覺(jué)獲得半夏的各類(lèi)參數(shù)后利用智能技術(shù)可精確地確定半夏品質(zhì)，實(shí)現(xiàn)半夏產(chǎn)品信息可溯源。除了智能收獲技術(shù)外，在半夏種植方面未來(lái)可采取精準(zhǔn)播種技術(shù)，該技術(shù)通過(guò)智能化手段設(shè)置好種子播種的間距，盡最大可能提高土地利用率，增加作物產(chǎn)量。通過(guò)開(kāi)發(fā)播種質(zhì)量監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)半夏播種的智能化跟蹤，也可采集精準(zhǔn)可靠的土壤環(huán)境信息，然后結(jié)合信息進(jìn)行計(jì)算，合理控制播種密度，滿(mǎn)足自動(dòng)播種的需求。另外，農(nóng)業(yè)機(jī)械智能技術(shù)的應(yīng)用還可以實(shí)現(xiàn)智能除草、智能施肥、智能灌溉、智能?chē)娝幍纫幌盗谢顒?dòng)。通過(guò)無(wú)人機(jī)的使用還可有效減輕工作強(qiáng)度，提升工作效率。在生長(zhǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面還可利用遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)，對(duì)于半夏生長(zhǎng)情況如水肥、光照等因素的影響可通過(guò)智能化管理系統(tǒng)實(shí)施實(shí)時(shí)監(jiān)控，并對(duì)相關(guān)區(qū)域進(jìn)行定位將實(shí)際情況及時(shí)反饋給管理人員，可實(shí)現(xiàn)全面、細(xì)致的管理[16]。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究通過(guò)對(duì)半夏種植及生產(chǎn)過(guò)程中機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)的使用，系統(tǒng)闡述了推廣實(shí)施半夏機(jī)械化發(fā)展的進(jìn)展及瓶頸問(wèn)題。在未來(lái)的半夏等特色經(jīng)濟(jì)作物的種植過(guò)程中，要積極依托地域優(yōu)勢(shì)開(kāi)發(fā)具有地域特色的一些智能化機(jī)械設(shè)備。通過(guò)智能型設(shè)備的應(yīng)用，可逐漸提升半夏等作物的產(chǎn)量及質(zhì)量。在半夏產(chǎn)業(yè)發(fā)展過(guò)程中，要緊緊把握國(guó)家對(duì)特色農(nóng)業(yè)的發(fā)展政策，在技術(shù)革新、設(shè)備改造及科技人才培養(yǎng)及從業(yè)人員技能培訓(xùn)等方面加大提升力度。