我國蠶桑生產(chǎn)機械化研究進展

摘要：栽桑養(yǎng)蠶是農(nóng)業(yè)體系中重要的組成部分，機械化生產(chǎn)技術及裝備成為目前關注的熱點。介紹蠶桑產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，列舉家蠶飼育和制種環(huán)節(jié)的主要農(nóng)藝及特點?？偨Y(jié)桑園管理、家蠶飼育、蠶繭采收與分選、家蠶制種等方面的機械化研究進展。對蠶桑生產(chǎn)機械化發(fā)展進行分析，指出目前存在產(chǎn)業(yè)鏈長，需要的機械種類多；農(nóng)藝復雜，機械研發(fā)難度大；家蠶生命周期短，樣機試驗受限等問題。給出對應的建議，包括開展多功能桑園管理和特有養(yǎng)殖裝備研究；注重宜機化研究，推動農(nóng)機與農(nóng)藝的深度融合；建立家蠶機械化養(yǎng)殖示范基地，研究蠶桑機械化生產(chǎn)技術等方面。

關鍵詞：蠶桑；桑園管理機械；養(yǎng)蠶機械；工廠化養(yǎng)殖

中圖分類號：S224； S225； S894" " " 文獻標識碼：A" " " 文章編號：2095?5553 （2024） 09?0318?09

Research progress on mechanization of sericulture production in China

Shi Hongkang Chen Yi'an Zhu Shiping Li Linbo Zhang Jianfei

（1. Sericulture Research Institute， Sichuan Academy of Agricultural Sciences， Nanchong， 637000， China；

2. College of Engineering and Technology， Southwest University， Chongqing， 400700， China）

Abstract： Mulberry planting and sericulture is an important part of the agricultural system， mechanized production technology and equipment have become the focus of attention. In this article， the development status of sericulture industry is introduced and main agronomy and characteristics of silkworm rearing and seeds production links are listed. Mechanized research progress in mulberry field management， silkworm rearing， cocoons harvesting and sorting， and silkworm seeds production are summarized in detail. The mechanization development of sericulture production is analyzed， the main problems at present are pointed out， such as long industrial chain resulting in the variety of machines are required， the difficulty of mechanical research and development because of complicated agronomy， and the short growth cycle of silkworm leads to the limited test conditions. Some corresponding suggestions are given， including research on multi?functional mulberry field management and unique silkworm rearing equipment， attaching importance to research on agronomic reform suitable for mechanized production， promoting the in?depth integration of machinery and agronomy， and establishing demonstration bases of mechanized silkworm rearing， researching mechanized sericulture production technology.

Keywords： sericulture； mulberry garden management machinery； sericulture machinery； factory farming

0 引言

近年來，蠶桑成為許多地區(qū)實施脫貧攻堅和鄉(xiāng)村

振興戰(zhàn)略的主導產(chǎn)業(yè)，為農(nóng)業(yè)農(nóng)村發(fā)展作出重要貢獻。但我國蠶桑生產(chǎn)主要依賴于手工操作，存在勞動強度大，生產(chǎn)效率低和工作環(huán)境惡劣等問題，因此機械化生

產(chǎn)成為目前行業(yè)共同關注的焦點[1?3]。

由于我國蠶桑機械研究起步晚，基礎薄弱，導致目前機械化生產(chǎn)程度較低。同時，外界對蠶桑的農(nóng)藝特點了解不足，造成從事蠶桑機械研究的人員和機構(gòu)也相對較少。因此，為有效引導蠶桑機械的研究工作，本文在對蠶桑產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀介紹的基礎上，總結(jié)近10年蠶桑機械研究取得的進展，并分析存在的主要問題，對未來發(fā)展作出展望。

1 蠶桑產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 蠶桑產(chǎn)業(yè)背景

栽桑養(yǎng)蠶在我國具有悠久的歷史，造就了舉世矚目的絲綢之路。自20世紀90年代起，隨著我國市場經(jīng)濟的全面發(fā)展，絲綢的外貿(mào)地位逐步下降。再加之東部地區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整以及蠶桑自身的生產(chǎn)水平落后等因素，造成蠶桑產(chǎn)業(yè)的整體規(guī)模出現(xiàn)嚴重下滑，產(chǎn)業(yè)發(fā)展步入低谷期[4， 5]。直至2008年，國家成立現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術體系，將蠶桑納入首批50個現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)體系中[6]，為產(chǎn)業(yè)發(fā)展注入科技力量。自“十三五”以來，我國大力實施脫貧攻堅戰(zhàn)略，將產(chǎn)業(yè)發(fā)展作為脫貧攻堅中的主要措施。因蠶桑產(chǎn)業(yè)具備投資小、見效快，還有助于生態(tài)治理的優(yōu)點，許多地區(qū)選擇蠶桑為主導產(chǎn)業(yè)大力發(fā)展，推動產(chǎn)業(yè)迎來新的發(fā)展高潮。據(jù)國家繭絲辦發(fā)布的數(shù)據(jù)，截止2020年，我國共有桑園面積764.3 khm2，蠶繭發(fā)種量1 643.3萬張，蠶繭產(chǎn)量715 kt，全國蠶農(nóng)售繭總收入241億元，在產(chǎn)業(yè)規(guī)模上，繼續(xù)保持世界領先地位[7]。

目前我國的桑園主要集中在西南地區(qū)，其中，廣西的桑園面積為197.2 khm2，四川的桑園面積為150.1 khm2，這兩個省區(qū)桑園面積約占全國總面積的45%。同時，四川和廣西的桑園大多分布于丘陵山區(qū)，該地區(qū)的農(nóng)業(yè)機械化的整體水平偏低。

1.2 蠶桑生產(chǎn)模式

當前我國蠶桑生產(chǎn)模式發(fā)生轉(zhuǎn)變，傳統(tǒng)的家庭零散養(yǎng)蠶逐步被以園區(qū)、龍頭企業(yè)和合作社為主的規(guī)?；B(yǎng)殖取代[7]，但主要生產(chǎn)方式還是手工生產(chǎn)。同時，蠶桑產(chǎn)業(yè)鏈也在不斷增長，桑樹除用于養(yǎng)蠶外，也廣泛用于桑葉茶、桑葉面、桑果酒等綜合開發(fā)[8]；蠶繭除用于紡織品外，也被用于醫(yī)療、生物和工業(yè)材料領域[9]，這對桑園田間管理和養(yǎng)殖技術提出更高的要求。

1.3 蠶桑生產(chǎn)農(nóng)藝

1.3.1 桑園管理

桑園管理與果園管理相似，包含灌溉、施肥、嫁接、除草、病害防治等內(nèi)容。較為特殊的在于桑園每年夏季或冬季需開展1次伐條。伐條時需將全部枝條去除，僅留下樹干。由于桑枝的韌性高，伐條的勞動強度大，伐除的桑枝還需進行粉碎，用于還田或食用菌生產(chǎn)。在養(yǎng)蠶季節(jié)，每天都需要采摘桑葉，目前僅少部分地區(qū)使用機械收割草本桑，用作畜禽養(yǎng)殖的輔助飼料外[10]，桑葉采摘仍舊依賴手工操作，勞動密集且強度較大，是養(yǎng)蠶過程中最主要的人力支出。

1.3.2 家蠶飼養(yǎng)

飼養(yǎng)一般是指家蠶從卵到繭的過程，如表1所示，飼養(yǎng)的農(nóng)藝主要包括桑葉喂食、消毒、除沙、移箔、上蔟、采繭和蠶繭分選等。飼養(yǎng)還涉及一些輔助農(nóng)藝，例如桑葉清洗消毒、瀝干和切碎等。

目前家蠶仍屬于季節(jié)性飼育，我國的飼養(yǎng)季節(jié)集中在每年的4—10月，期間可飼育6～8批次。

1.3.3 家蠶制種

家蠶制種主要在科研機構(gòu)和蠶種企業(yè)開展，目的是蠶種生產(chǎn)、品種雜交選育或資源保存，制種中涉及的主要農(nóng)藝為削繭和蠶蛹的雌雄鑒別。

2 蠶桑機械研究進展

蠶桑的產(chǎn)業(yè)鏈長，包含的機械種類較多，根據(jù)NY/T 1640—2021《農(nóng)業(yè)機械分類》標準[11]，桑園管理機械包括耕種地機械、種植施肥機械和田間管理機械。家蠶飼育機械歸屬的大類為畜禽養(yǎng)殖機械，小類為飼養(yǎng)設備，品目為桑蠶飼育設備。蠶繭采收被單獨歸類，大類歸屬在畜禽產(chǎn)品采集儲運設備，小類歸屬在畜禽產(chǎn)品采集設備，品目為采繭機。

為便于歸類敘述，本文在遵循NY/T 1640—2021《農(nóng)業(yè)機械分類》標準的基礎上，根據(jù)蠶桑生產(chǎn)的農(nóng)藝流程，分別從桑園管理、家蠶飼育、蠶繭采收與分選和家蠶制種方面介紹蠶桑生產(chǎn)機械化的研究進展。

2.1 桑園管理機械

桑園管理與果園管理相似，目前桑園管理機械研究以引進果園管理機械為主[12]。李法德等[13]發(fā)明了一種多功能桑園管理機，使用微耕機為主動力，通過改進優(yōu)化工作部件，單機實現(xiàn)耕地、除草和變量施肥等功能。郭勇剛等[14]改進了一種桑園管理機，通過在微耕機上加裝水泵和噴水頭的方式，單機實現(xiàn)灌溉、松土、噴藥和除草等功能。盧營蓬等[15]設計了一種桑園電動除草機，適用于丘陵山區(qū)桑園的除草作業(yè)。山東農(nóng)業(yè)大學楊碩[16]根據(jù)桑園種植農(nóng)藝要求，設計了一種桑園動力耙，將刀具垂直安裝在圓形刀盤上，采用回轉(zhuǎn)的方式對土壤進行立式切削，可增加耕地深度，并在耙上設計了保護裝置，避免在工作過程中損傷桑樹。高天浩等[17]對桑樹枝條在不同取樣位置、直徑和品種下剪切、壓縮和彎曲等力學性能進行了研究。吳建梅等[18]設計了一種雙杠桿省力桑枝大剪，通過增長動力臂和使用2級杠桿方式實現(xiàn)省力，在生產(chǎn)中推廣良好。張增產(chǎn)[19]設計了一種手持式桑園伐條機，采用倒V型刀片來防止桑枝脫落，適應不同高度桑枝伐條。張相恒[20]在牧草收割機的基礎上，改進了一種草本桑平茬機，主要由圓盤鋸割臺、傳動系統(tǒng)、動力機構(gòu)、絲杠調(diào)節(jié)機構(gòu)等組成，可根據(jù)需要調(diào)節(jié)割茬高度，適用于草本桑的平茬作業(yè)。張晉[21]設計了一種草本桑收割機，主要由行駛機構(gòu)、切割機構(gòu)、輸送機構(gòu)、打捆機構(gòu)傳動系統(tǒng)和測控系統(tǒng)等組成，可完成草本桑的連續(xù)收割和自動打捆作業(yè)，也可用于小麥、水稻和柳條等作物的收割試驗。胡光榮等[22]設計了一種單鋸盤燃油伐條機，利用微耕機為主動力，采用主軸帶動蝸桿與蝸輪嚙合，驅(qū)動撥枝器將行間兩側(cè)的桑枝向中間聚攏，然后割盤高速旋轉(zhuǎn)完成桑枝伐條。張劍飛等[23]研制了一種氣動桑枝剪，使用微型柴油機驅(qū)動氣泵，工作時手持氣動剪刀進行桑枝剪伐，并使用微耕機帶動設備在田間行進，適宜在丘陵山區(qū)的桑園管理。胡迎春等[24， 25]在桑葉采摘方面開展了大量的研究，設計了往復式、搖桿式、螺旋式等多款采摘機，但目前仍處于前期理論研究階段。翁連娟[26]使用ZigBee技術，設計了一套桑園環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)在手機端對環(huán)境溫度、光照強度和土壤濕度的實時監(jiān)測。

綜上所述，桑園管理機械已經(jīng)受到研究人員的廣泛關注，尤其在桑園施肥、除草和桑枝剪伐等環(huán)節(jié)，且現(xiàn)有裝備可滿足地勢平緩地區(qū)的機械化生產(chǎn)要求，但丘陵山區(qū)的桑園由于作業(yè)環(huán)境復雜、土壤粘度高和基礎設施落后等因素，管理裝備的作業(yè)性能和效率還有待提升。另外，采用以微耕機為動力源，研發(fā)不同的作業(yè)機構(gòu)實現(xiàn)“一機多用”是丘陵山區(qū)桑園管理機械研發(fā)的主要思路，但現(xiàn)有微耕機仍存在能耗高、功效低、操作舒適性差等問題，也是丘陵山區(qū)桑園管理機械化迫切需要解決的難題。

2.2 家蠶飼育機械

我國目前盛行“兩段式”養(yǎng)蠶模式，將養(yǎng)蠶分為養(yǎng)小蠶（1～3齡蠶）和養(yǎng)大蠶（4～5齡蠶），其中小蠶采取集中共育模式，即將一個片區(qū)的蠶種集中在一處由技術人員飼育至2齡或3齡眠起，再分發(fā)給蠶農(nóng)飼育。結(jié)合這一現(xiàn)狀，家蠶飼育設備的研究也分為大蠶飼育機和小蠶飼育機研究。

2.2.1 小蠶飼育機

李林波等[27]開發(fā)了一種帶傳送式小蠶飼育機，采用傳輸帶對蠶箔進行傳輸，在機架的固定位置安裝給桑裝置和灑石灰粉裝置，蠶箔傳輸時自動完成桑葉飼喂和灑石灰粉，實現(xiàn)小蠶的自動飼喂。石洪康等[28]設計了一種螺旋升降式小蠶飼育機，采用碼垛、拆垛和下傳送式的原理進行蠶箔的拆解、傳動和堆疊，在傳送時進行灑粉消毒和桑葉飼喂。由于采用下傳輸式的蠶箔傳輸原理，使每個蠶箔的行程固定，傳輸還能改變蠶箔的堆疊次序，實現(xiàn)移箔功能。在此基礎上，湯自強[29]設計了一種自動小蠶飼育機，該設備對蠶箔傳輸機構(gòu)和拆箔與疊箔機構(gòu)進行了改進，將機械結(jié)構(gòu)式的拆箔裝置改為控制電機帶動轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動，使其舉升蠶箔更加穩(wěn)固，并采用CAN總線開發(fā)出控制系統(tǒng)，使用觸摸屏設計出控制界面，增強了設備人機交互能力。韋相立等[30]采用工業(yè)流水線方式，設計了一種小蠶飼育自動化生產(chǎn)線總成，將蠶箔放置在傳送帶上傳輸，在固定位置上給桑的方式實現(xiàn)小蠶的自動化飼育。

機械化小蠶飼育的關鍵技術在于桑葉喂食的均勻性，難點在于需根據(jù)小蠶的個體大小確定桑葉的切碎程度，導致桑葉的物料特性不固定。同時，家蠶在生長過程中，體型每一天都會增長，所以蠶座分布在蠶箔中的位置也會不斷變化，如何根據(jù)小蠶的生長范圍進行精準給桑也是目前面臨的難點。在這一問題上，何玉等[31]使用圖像處理技術進行了蠶座位置與桑葉飼喂均勻性研究。但其方法對均勻性的判斷只局限于飼喂不足時，當過度飼喂時，很難提取到白色像素點。

2.2.2 大蠶飼育機

四川省農(nóng)業(yè)科學院與南充某公司聯(lián)合研制了一種雙螺旋式大蠶飼育機。采用軌道傳輸?shù)脑韺πQ箔進行傳輸，在一根軌道安裝了一根鏈條，將所有蠶箔一側(cè)串聯(lián)，另一根軌道上設計了滾動摩擦結(jié)構(gòu)，使鏈條能夠帶動蠶箔行進并順利通過彎道，再將傳統(tǒng)的固定層蠶架改進為螺旋升降式結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)蠶箔可從蠶架的底層旋轉(zhuǎn)移動至最頂層，也可從最頂層移動到底層。同樣在固定位置進行桑葉喂食和灑石灰粉。

胡光榮等[32]設計了一種多層循環(huán)式大蠶飼育機，采用將所有蠶箔掛在鏈條上，鏈條轉(zhuǎn)動帶動蠶箔在多層蠶臺上依次循環(huán)移動，在固定位置進行桑葉喂食和撒粉消毒。郭曦等[33]設計了一種垂直旋轉(zhuǎn)式大蠶飼育機，采用將多個蠶臺上下往復式旋轉(zhuǎn)，在固定位置進行桑葉飼喂和撒粉消毒的方式，實現(xiàn)家蠶的機械化飼育。

針對將蠶箔進行傳輸?shù)脑硌邪l(fā)出的大蠶飼育機容易因局部故障導致整機停運的問題，西南大學和四川省農(nóng)業(yè)科學院聯(lián)合研發(fā)了一種自動化大蠶飼育機[34]，采用在多層固定蠶臺上安裝軌道，給桑和撒粉裝置沿軌道行進，并使用升降機將給桑和撒粉裝置送往不同層的蠶臺，實現(xiàn)大蠶的自動化飼育。

針對部分地區(qū)在地面飼養(yǎng)家蠶的模式，廣西某公司研發(fā)了一種喂蠶平臺，在地面安裝軌道，并架設操作平臺沿著軌道行進，飼喂者站在軌道上手工鋪灑桑葉，解決了蠶房內(nèi)桑葉的搬運問題，可減輕部分勞動強度。

鋪灑桑葉的均勻度也是大蠶飼育機研發(fā)的關鍵點，在手工飼喂大蠶時將桑葉直接飼喂，而桑葉物料特性十分復雜。因此，采取將桑葉切碎后再進行飼喂可降低大蠶飼育機的研發(fā)難度。

綜上，現(xiàn)有家蠶飼育機械根據(jù)其工作原理可分為兩種，一種是蠶臺（蠶箔）循環(huán)轉(zhuǎn)動，給料裝置在固定位置投喂桑葉和撒粉消毒，另一種是蠶臺（蠶箔）位置固定，給料裝置移動作業(yè)。從實際反饋來看，前者的優(yōu)點是節(jié)約蠶房空間，上料便捷，缺點是效率較低，且蠶臺（蠶箔）相互傳輸會造成一定的磨損；后者在穩(wěn)定性，可靠性和工作效率上優(yōu)勢明顯，不足之處是蠶房空間利用率較低。進一步與目前采取的兩段式飼養(yǎng)模式結(jié)合，前者適宜小蠶飼育機械，后者適宜大蠶飼育機械。

2.3 蠶繭采收與分選設備

2.3.1 采繭機

蠶繭采收是從營繭工具中取出蠶繭。我國目前主要使用的營繭工具包括紙板方格蔟、塑料折蔟和木板方格蔟。

在采繭機研究方面，趙明巖等[35]設計了一種用于紙板方格蔟的蠶繭分選與自動采摘機，采用將方格蔟沿軌道進行傳輸，使用攝像頭采集方格蔟的圖像并進行處理，依據(jù)輪廓特征對上繭、雙宮繭和下腳繭等進行判別，然后生成對應的位置信息，電磁手根據(jù)獲取的位置信息依次對雙宮繭、下繭和上繭進行采摘。

針對紙板方格蔟在多次使用后會發(fā)生形變，造成營繭孔位置不規(guī)律的問題，山東農(nóng)業(yè)大學劉莫塵等[36]提出了一種基于顏色和面積特征的方格蔟蠶繭分割定位算法，可對蠶繭圖像進行分割、中心點定位和位置坐標的測量。在此基礎上，閆銀發(fā)等[37]設計了一種直角坐標式自動采繭機，使用劉莫塵等[36]提供的方法生成每個蠶繭的位置坐標，然后步進電機和電磁采摘器根據(jù)位置坐標進行蠶繭的精確采摘。

江蘇科技大學王孝祥等[38]設計了一種紙板方格蔟采繭機，采用頂桿面板自上向下將蠶繭從方格蔟中頂出的方式進行蠶繭采收。針對紙板方格蔟的變形問題，頂桿面板4個角設置有較長的頂桿，采收時會先行進入方格蔟4個角的孔進行定位和矯正。并用鋼絲排梳將蠶繭的浮絲拉斷，確保較高的采凈率。李法德等[39]設計了一種連續(xù)式方格蔟自動采繭機，采用圓柱齒輪式的壓繭裝置和方格蔟孔嚙合的方式將蠶繭頂出，由于每次僅是對方格蔟的單排進行采摘，可相對減少對方格蔟的損傷，采摘效率與電機轉(zhuǎn)速有關。馬勇等[40]設計了一種毛刷式采繭機，與李法德等[39]設計采繭機結(jié)構(gòu)相似，區(qū)別在于將圓柱齒輪式的壓繭裝置改為圓柱式柔性毛刷，通過毛刷旋轉(zhuǎn)將蠶繭從方格蔟中刷出的方式進行采收，對變形后的方格蔟也能達到較好采收效果，但也會對方格蔟造成新的損傷。閆銀發(fā)等[41]設計了一種塑料折蔟采繭機，采取拉取塑料折蔟穿過兩個輥筒間隙方式，將蠶繭與塑料折蔟分離，實現(xiàn)機械化塑料折蔟的采收。

由于木板方格蔟與紙板方格蔟的結(jié)構(gòu)相同，且剛性好，所以大部分用于紙板方格蔟采收的機器也都能用于木板方格蔟的采收。

現(xiàn)有的采繭機可完成機械化采繭工作，但生產(chǎn)實際的推廣應用較少，原因一方面在于現(xiàn)有采繭機會對蠶繭和營繭工具造成一定損傷，造成生產(chǎn)耗損較高；另一方面是無法預先去除部分死籠繭和黃斑繭等，使用機械一次性采收時造成其他蠶繭污染，導致采繭品質(zhì)下降。因此，如何進一步優(yōu)化作業(yè)裝置，研究死籠繭和黃斑繭自動剔除裝置，避免造成蠶繭損傷或品質(zhì)下降，是采繭機研發(fā)和應用面臨的難題。

2.3.2 蠶繭分選技術

由于家蠶個體差異、病害和繭格中存在雜物等原因，導致營繭的品質(zhì)會有所不同，常見的蠶繭種類有上繭、柴印繭、黃斑繭和雙宮繭等。為確保生絲的質(zhì)量，在繅絲之前需對蠶繭進行分選。

中國計量大學蔣洪敏等[42]設計了一種氣懸式蠶繭品質(zhì)分選裝置，使用氣流裝置將蠶繭懸空并發(fā)生旋轉(zhuǎn)，再使用攝像頭采集不同姿態(tài)下的圖像，將圖像上傳至數(shù)據(jù)庫進行比對，根據(jù)結(jié)果控制承接機構(gòu)左右移動，實現(xiàn)對優(yōu)質(zhì)繭和下品繭的分選。劉莫塵等[43]提出了一種基于模糊C均值聚類（FCM）及HSV模型的方格蔟黃斑繭檢測算法，根據(jù)HSV空間積累顏色直方圖的黃斑顏色H分量的比例來判定是否為黃斑繭，并使用方格蔟自動采繭機對黃斑繭進行檢測剔除試驗，平均檢測率達到81.2%。鄭仲云等[44]設計了一種用于蠶繭加工用的分選機，原理是根據(jù)同一品種不同類別蠶繭重量不同的特點進行分選。孫衛(wèi)紅等[45]采用基于顏色特征和支持向量機（SVM）的蠶繭分類方法，對5種蠶繭進行了檢測試驗，準確率達到91%。梁軍圣[46]使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡進行了異色異性繭的分類識別研究，對3類蠶繭的最好識別準確率為96.8%、96.3%和94.4%。王超[47]開展了基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡的蠶繭分類研究，使用SE-GoogLeNet模型對上繭、雙宮繭和斑點繭的識別準確率達到98.27%。

將蠶繭分選技術與采繭機研發(fā)相結(jié)合，是提升現(xiàn)有采繭機工作性能的重要方法，且隨著深度學習與視覺技術的發(fā)展，基于深度學習的蠶繭分選技術具有十分廣泛的應用前景，必然會受到越來越多的關注，但目前存在的主要問題在于，現(xiàn)有技術方法僅從一個角度開展識別，部分次繭，如柴印、黃斑等顯著特征會被遮擋，導致識別可靠性較低。同時，現(xiàn)有技術未考慮蠶繭的多樣性，例如一顆蠶繭既具備柴印繭特征，又具備黃斑繭的特征，需要使用多標簽分類方法開展分選研究。

2.4 家蠶制種機械與技術

家蠶制種主要涉及的農(nóng)藝為削繭和蠶蛹的雌雄鑒別，目的是將雌蛹和雄蛹準確識別，確保蠶種雜交率。

2.4.1 蠶繭切削設備

削繭要求在刀具切削和將蠶蛹從繭殼中倒出過程中不能損傷蠶蛹。人工削繭時，通常是從蠶繭一端傾斜將蠶繭切開，然后輕輕倒出蠶蛹。

李法德等[48]設計了一種氣吸式削繭機，在轉(zhuǎn)盤外周上設置多個蠶繭孔用于夾持蠶繭，并使用風機氣流與蠶繭孔產(chǎn)生壓差將單個蠶繭吸在蠶繭孔上，便于刀具切削。削繭時，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動依次吸取蠶繭，在固定位置設置刀具進行切削，切削后轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動至倒出蠶蛹，當蠶繭孔轉(zhuǎn)到直接與大氣相通的非氣力區(qū)時，繭殼在重力的作用下掉落后完成削繭。西南大學宋杰等[49]設計了一種用于蠶繭切削的智能夾具，使用傳感器和電機檢測并調(diào)整蠶繭位置，能夠?qū)⒁匀我夥绞竭M入夾具的單個蠶繭調(diào)整為豎直狀態(tài)，并將其固定，從而有利于機械化切削。梁培生等[50]設計了一種自動蠶繭削口機，先使用撥繭盤將蠶繭逐個分離排列，并逐個傳輸至輸繭帶上，輸繭帶將蠶繭逐個夾緊并傳送，在固定位置使用電機帶動刀片對蠶繭傾斜切削，切削后，傳送帶轉(zhuǎn)動時蠶繭削口朝下，先倒出蠶蛹后，再將繭殼與輸繭帶分離。胡祚忠等[51]設計了一種鏈條式斜位削繭分離機，主要采用鏈傳動和夾具夾持采繭并傳輸，在固定位置傾斜安裝刀具，能夠使切口成傾斜，較好地完成切削和便于倒出蠶蛹。

削繭與繭選分蠶研究面臨的一個共同難點在于蠶繭表面覆蓋有一層繭衣，造成蠶繭相互粘連成團，導致難以逐個排序，且削繭需在2～3天內(nèi)完成，對設備的工作效率提出了更高的要求，逐個進行夾持切削機械的工作效率低于手工操作。同時，人工削繭時取出蠶蛹后會進一步完成蠶蛹的雌雄鑒別，但目前機械化研究是將削繭和雌雄鑒別分段開展。

2.4.2 蠶蛹雌雄分選技術

人工鑒別蠶蛹雌雄的方法是，同一家蠶品種，個體偏大的為雌蠶蛹，偏小的為雄蠶蛹，對大部分無法通過個體大小區(qū)分的蠶蛹，需觀察其尾部的紋理特征，紋理呈為“X”狀的為雌蛹，紋理呈點狀則為雄蛹。

西南大學陶丹[52]在蠶蛹識別領域開展了大量研究，使用了包括圖像處理、可見高光譜、近紅外線和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡等方法，對特定品種的蠶蛹圖像的識別準確率均在95%以上。代芬等[53]使用近紅外光譜分析儀，對3個品種共491粒蠶蛹在特定波段內(nèi)進行光譜采集，并對光譜數(shù)據(jù)進行均值中心和一階求導預處理，使用最小二乘判別法進行分析，識別準確率在92%以上。顏輝等[54]同樣使用近紅外光譜和偏最小二乘判別分析模型，對6個品種394粒蠶蛹進行光譜采集和分析，測試的準確率達到96.2%。Zhang等[55]利用基因編輯技術，選育出了雌性特異紅色熒光蛋白標記品系。該品種的家蠶在卵、幼蟲、蛹、蛾期，使用綠光的照射時，都能夠顯示出明顯的橙色熒光，能夠被人眼識別。在此基礎上，趙明巖等[56]設計了一種高速雌雄蠶蛹分選機，采用特定波長的綠光照射蠶蛹，當呈現(xiàn)橙色熒光則表明是雌蛹，否則為雄蛹，通過輸送帶分選叉的左右移動將蠶蛹放置在對應的盒子里，試驗表明，該設備對雌性特異紅色蛋白標記品系的識別準確率可達到100%。于業(yè)達等[57]使用深度學習對12個家蠶品種共700余粒蠶蛹進行了識別試驗，以普通相機拍攝的蠶蛹圖像為識別對象，設計了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡提取圖像深度特征，并與HOG特征進行融合，再進行分類識別，準確率在95%左右。

為了確保制種過程中家蠶品種的純凈度，石洪康等[58]使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡進行了家蠶幼蟲品種的識別研究，在實際養(yǎng)蠶環(huán)境下采集了10個家蠶品種在4齡第3天和5齡第3天共5 000張生長圖像，使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡進行了識別試驗，測試準確率分別達到了98.9%和96%，表明了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡可準確識別家蠶品種。

雖然關于制種機械與技術研究取得一定進展，但目前生產(chǎn)中削繭和蠶蛹雌雄鑒別主要依賴于人工操作，原因在于現(xiàn)有機械成熟度不夠，削繭機需人工逐個放置蠶繭，導致其工作效率較低，且在分離蠶蛹和繭殼時會對蠶蛹造成損傷。在蠶蛹雌雄鑒別方面主要以識別方法研究為主，缺乏進一步將鑒別方法與裝備研究相結(jié)合。此外，研究研究大多基于特定的家蠶品種開展，而對不同品種之間蠶繭存在的個體差異，以及不同品種蠶蛹的雌雄特征差異缺乏深入研究，導致技術的應用范圍受到限制。

3 我國蠶桑生產(chǎn)機械化發(fā)展分析

3.1 蠶桑生產(chǎn)機械化面臨的主要問題

雖然蠶桑機械研究已經(jīng)廣泛開展，但目前整體水平仍大幅落后于其他農(nóng)作物或畜禽養(yǎng)殖領域，分析原因主要在于蠶桑的產(chǎn)業(yè)鏈長，需要的機械種類多；農(nóng)藝復雜，設備研發(fā)難度大；季節(jié)性較強，樣機試驗條件有限等方面。

3.1.1 產(chǎn)業(yè)鏈長，需要的機械種類多，從事研發(fā)的機構(gòu)相對較少

蠶桑生產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)鏈長，農(nóng)藝操作多，需要的設備類別也較多。在桑園管理上，雖然可引進部分果園管理機械，但我國桑園大多處在丘陵山區(qū)，受自然環(huán)境限制，適宜這些地區(qū)的農(nóng)業(yè)機械類別本身較少，研發(fā)難度也非常大。在養(yǎng)殖環(huán)節(jié)，可以直接引進的設備非常少。同時，國內(nèi)目前從事蠶桑機械研究的機構(gòu)和從事蠶桑機械生產(chǎn)的企業(yè)數(shù)量都非常少，現(xiàn)有的企業(yè)規(guī)模小，其產(chǎn)品主要以方格蔟、蠶網(wǎng)、消毒裝置等蠶具為主，缺乏核心知識產(chǎn)權(quán)，易于復制，難以滿足機械化發(fā)展需求。

3.1.2 農(nóng)藝特殊，機械研發(fā)難度大

長久以來，養(yǎng)蠶都是依靠手工操作，長期形成的農(nóng)藝操作較為復雜，難以直接用機械結(jié)構(gòu)進行替代。例如上述提到的機械化采繭時，存在膿液污染其他蠶繭的問題。在傳統(tǒng)的養(yǎng)蠶過程中，會大量使用生石灰粉和次氯酸鈉溶液消毒，而這會對機械設備造成腐蝕，導致設備的可靠性降低，影響了應用推廣。此外，部分農(nóng)藝還需要借助家蠶自身習性來完成，例如除沙和上蔟時需利用家蠶向上爬行的習性，但家蠶屬于密集養(yǎng)殖，活動能力差，無明顯的規(guī)律，不可控因素較多，增加了機械研發(fā)難度，導致目前這兩個環(huán)節(jié)仍面臨無機可用。

3.1.3 生長周期短，季節(jié)性強，樣機試驗受限

養(yǎng)蠶屬于季節(jié)性生產(chǎn)，飼育時間在每年的4—10月，單次飼育時間約為42天，其中，催青及孵化時間約為10天，幼蟲期約在25天，營繭期約為7天，所以蠶桑生產(chǎn)的勞動非常密集，造成樣機生產(chǎn)試驗的時間和條件有限。而且在同一生命形態(tài)下，家蠶個體每一天都會生長，形態(tài)、紋理等均會發(fā)生變化，也造成了蠶桑機械的研發(fā)難，尤其表現(xiàn)在蠶蛹的雌雄鑒別上。品種多樣性也會增加制種機械研發(fā)難度，不同品種的家蠶在蠶蛹的大小、紋理、體色等特征上均有差異，導致現(xiàn)有方法技術難以具備普遍性，影響了設備的研發(fā)。

3.2 蠶桑機械研究建議

針對目前蠶桑生產(chǎn)機械化面臨的問題，建議開展多功能桑園管理和家蠶特有養(yǎng)殖裝備研究；注重宜機化研究，推動農(nóng)機與農(nóng)藝的深度融合；開展家蠶全齡機械化養(yǎng)殖示范，研究機械化養(yǎng)蠶技術；以及選育草本桑品種，實現(xiàn)桑葉條的機械化收割，從而助推蠶桑生產(chǎn)的機械化發(fā)展。

3.2.1 開展多功能桑園管理和家蠶特有養(yǎng)殖裝備研究

針對蠶桑生產(chǎn)機械化研究面臨產(chǎn)業(yè)鏈長，需要的設備種類多，從事研發(fā)的機構(gòu)相對較少的問題。一是建議繼續(xù)加大從林果、茶葉和蔬菜領域引進管理設備，再根據(jù)桑園管理特點對部分關鍵零部件進行改進，使其滿足桑園管理要求。二是建議研發(fā)多功能的桑園管理機械，例如以微耕機為動力，設計出具有除草、灌溉、噴霧等通用功能外，還能滿足桑枝伐條的管理機械，并且盡可能實現(xiàn)設備輕量化和部件易更換的功能，重點放在使用電動微耕機為動力。三是建議在養(yǎng)殖機械研究上，重點圍繞喂食、上蔟、除沙等養(yǎng)蠶特有環(huán)節(jié)開展裝備研究，其他環(huán)節(jié)注重從家禽、畜禽和其他昆蟲養(yǎng)殖領域引進給料、環(huán)境控制和清洗等常規(guī)通用設備。并根據(jù)蠶房布局，研發(fā)高效環(huán)保的自動消毒系統(tǒng)，優(yōu)化消毒方法，避免消毒劑與設備直接接觸，破解傳統(tǒng)消毒方法對設備造成損傷的問題。四是建議管理部門和從業(yè)人員積極做好對外宣傳，吸引更多的研究力量投身到蠶桑機械的研究中，共同推動產(chǎn)業(yè)的機械化發(fā)展。

3.2.2 注重宜機化研究，推動農(nóng)機與農(nóng)藝的深度融合

宜機化是實現(xiàn)機械化生產(chǎn)的重要途徑，有效助推了農(nóng)業(yè)機械化的全面發(fā)展。但在蠶桑領域，宜機化未能夠得到足夠的重視，相關研究處于空白狀態(tài)。蠶桑生產(chǎn)的農(nóng)藝較為復雜，尤其是在養(yǎng)殖環(huán)節(jié)，更需要重視宜機化研究，推動農(nóng)機農(nóng)藝的深度融合。在桑園管理環(huán)節(jié)，宜機化包括桑樹栽培的標準化，桑園布局和田間道路改造，桑枝的宜機化嫁接和伐條等。在養(yǎng)蠶環(huán)節(jié)包括對蠶房和配套設施進行科學規(guī)劃，選育強健性好、抗病能力強的家蠶品種，以及定量的農(nóng)藝規(guī)程，精簡和標準化部分農(nóng)藝操作。

3.2.3 建立家蠶機械化養(yǎng)殖示范基地，研究蠶桑機械化生產(chǎn)技術

針對家蠶生長周期短、樣機試驗受限等問題，建議有條件的研發(fā)機構(gòu)，集中力量開展家蠶全齡的機械化飼育試驗，實現(xiàn)從蠶卵到蠶蛾的全程機械化養(yǎng)殖，并全面對比全齡機械化生產(chǎn)與手工養(yǎng)蠶在人工支出、飼喂效率、蠶繭質(zhì)量、成本耗費等方面的數(shù)據(jù)，以此制定出蠶桑機械化生產(chǎn)的農(nóng)藝規(guī)程，為產(chǎn)業(yè)的標準化發(fā)展和設備研究提供技術支持和數(shù)據(jù)參考。同時，在設備研發(fā)過程中，注重原始數(shù)據(jù)的積累，為研究蠶蛹雌雄鑒別、蠶繭品質(zhì)分選機械和病害防治機械等不斷積累原始數(shù)據(jù)，增加設備對多個品種的適用能力。此外，還應當積極鼓勵蠶桑生產(chǎn)企業(yè)、合作社等為蠶桑機械應用創(chuàng)造條件。

3.2.4 選育草本桑品種，積極需求桑葉替代品

針對桑葉采摘是養(yǎng)蠶過程中勞動強度最大、用工量最多的農(nóng)藝，且目前還依賴人工采摘的問題，建議以實現(xiàn)桑樹的草本化為目標，加大對草本桑品種的選育研究，并積極探索使用草本桑進行家蠶飼喂，然后通過改進牧草和糧食收割機的方式，開展草本桑的收割機的研制，以突破桑葉采摘完全依靠人工操作的問題。

同時，需求桑葉替代品也是一種可行的方法，近年來，家蠶人工飼料研發(fā)也是廣受關注的一個熱點，目前實現(xiàn)了小蠶人工飼料養(yǎng)殖。但小蠶食量小，采桑葉所需的勞動強度也小，而大蠶的人工飼料養(yǎng)殖才是決定未來發(fā)展的關鍵所在。同時，人工飼料也需要使用桑葉作為部分原材料，因此有必要開展草本桑的品種選育和機械化收割裝備研究。

3.3 蠶桑生產(chǎn)發(fā)展趨勢

隨著科技的不斷發(fā)展，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式發(fā)生了巨大變化，除使用農(nóng)機裝備代替人工進行田間勞作外，前沿技術不斷被應用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，例如使用農(nóng)業(yè)機器人進行田間管理；使用深度學習進行病蟲害檢測預警和畜禽個體生長發(fā)育監(jiān)測；使用物聯(lián)網(wǎng)技術開展信息化管理，使用大數(shù)據(jù)分析進行發(fā)展決策和產(chǎn)品溯源等，極大推動了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的信息化和智能化，也為蠶桑產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了大量參考。

因此，蠶桑生產(chǎn)不僅要突破長期依賴手工操作的問題，還應當融入一批前沿核心技術在蠶桑機械上的應用，面向工廠化養(yǎng)殖、管理信息化和多元化發(fā)展的方向前行，才能確保產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級和可持續(xù)發(fā)展。

3.3.1 工廠化養(yǎng)殖

家蠶的工廠化養(yǎng)殖可以突破季節(jié)性局限，提升蠶繭產(chǎn)量，增加產(chǎn)業(yè)的綜合價值，確保長期發(fā)展。工廠化養(yǎng)殖下，飼喂設備根據(jù)家蠶生長狀態(tài)自動進行精準飼喂，并對生長狀態(tài)進行智能識別與預警。通過環(huán)境感知與精準調(diào)控系統(tǒng)對蠶房環(huán)境進行精準控制，結(jié)合新的病害防治方法，最大程度確保養(yǎng)殖安全。

3.3.2 信息化管理

信息化管理是智能蠶桑發(fā)展的一個重要方向，隨著家蠶飼育模式發(fā)生轉(zhuǎn)變，平均養(yǎng)蠶規(guī)模將顯著提升，用工量也將大幅度減少，信息化管理成為必然的趨勢。在信息化管理中，使用傳感器、現(xiàn)代通訊和大數(shù)據(jù)等技術對蠶桑生產(chǎn)原始數(shù)據(jù)采集、傳輸和處理，建立起專家系統(tǒng)，用于在線指導一線生產(chǎn)、大規(guī)模病害監(jiān)測預警、產(chǎn)品溯源等和提供產(chǎn)業(yè)發(fā)展決策分析，不僅能提升管理效率與可靠性，還能夠確保安全科學生產(chǎn)。

3.3.3 多元化發(fā)展

栽桑養(yǎng)蠶不僅是一項農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，還蘊含著豐富的文化背景。未來，蠶桑也將繼續(xù)憑借著其生態(tài)價值、經(jīng)濟價值和文化價值進一步服務“鄉(xiāng)村振興”、“一帶一路”等國家戰(zhàn)略。因此，蠶桑生產(chǎn)機械化在解決生產(chǎn)問題的同時，還應當有助于促進蠶桑文化的傳播與發(fā)展，滿足不同用戶的需求，更好地促進產(chǎn)業(yè)的多元可持續(xù)發(fā)展。

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