目前，中國蔬菜移栽面積 980 萬 hm2，種苗需求量已達(dá) 6833 億株 / 年，而當(dāng)前全國的生產(chǎn)能力 2000 億株 / 年，約占年蔬菜種植總需求量的 30%，其中優(yōu)質(zhì)種苗只占生產(chǎn)種苗量的40%。由此可見，蔬菜種苗存在著巨大缺口，這也是中國集約化育苗發(fā)展的動(dòng)力。為適應(yīng)設(shè)施蔬菜產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，蔬菜育苗逐漸向智能化育苗方式轉(zhuǎn)變。為解決傳統(tǒng)蔬菜育苗效率低、蔬菜種植效益差、食品安全等問題，安信種苗在山東省濟(jì)南市濟(jì)陽區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技示范園率先構(gòu)建了數(shù)字化智能種苗工廠（面積 1 hm2），配備了智能識別精量播種機(jī)、嫁接苗切割機(jī)、巡檢機(jī)器人等設(shè)備，預(yù)計(jì)工廠建成后育苗量可達(dá)360 萬株 / 茬，年育苗能力為 6 茬（圖 1）。
a. 工廠實(shí)地場景圖
b. 工廠中心子系統(tǒng)
圖 1 數(shù)字化智能種苗工廠
圖 2 數(shù)字化智能種苗工廠運(yùn)行思路
數(shù)字化智能種苗工廠（ 圖 1~3） 融合了AI、IoT、5G、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、生物表型組學(xué)等各種技術(shù)，通過建立種苗生長和設(shè)備控制數(shù)據(jù)模型，感知識別各節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，對物聯(lián)網(wǎng)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，控制中心下發(fā)指令，控制各種智能化機(jī)械設(shè)備自動(dòng)運(yùn)作，替代人工完成各項(xiàng)生產(chǎn)任務(wù)。
圖 3 數(shù)字化智能種苗工廠模式圖
經(jīng)過十多年的研發(fā)和實(shí)踐，安信種苗在原來集約化育苗的基礎(chǔ)上逐步探索出數(shù)字化育苗新模式，開發(fā)出一系列適用工廠化穴盤育苗的新設(shè)備，并建立了一套標(biāo)準(zhǔn)化穴盤育苗技術(shù)流程，針對穴盤育苗過程中存在的核心問題，對“25 節(jié)點(diǎn)育苗法”深度解析，轉(zhuǎn)化為可操作的數(shù)字語言，根據(jù)工藝要求建立生產(chǎn)模型，根據(jù)生產(chǎn)模型形成相關(guān)指令，操作智能化設(shè)備進(jìn)行作業(yè)。蔬菜穴盤育苗數(shù)字化應(yīng)用探索包括以下幾個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，分別為種子處理環(huán)節(jié)、播種環(huán)節(jié)、嫁接環(huán)節(jié)、植保環(huán)節(jié)、水肥管理環(huán)節(jié)、質(zhì)量管理環(huán)節(jié)、運(yùn)輸環(huán)節(jié)、環(huán)控環(huán)節(jié)、管理環(huán)節(jié)、培訓(xùn)環(huán)節(jié)、數(shù)字推廣環(huán)節(jié)。
種子處理環(huán)節(jié)
種子消毒是工廠化穴盤育苗生產(chǎn)中預(yù)防病害的關(guān)鍵措施之一，工廠化穴盤育苗由于處理種子量大，溫度不易掌握，溫度太高容易燒傷種子。數(shù)字化智能種苗工廠模式利用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)對種子進(jìn)行自動(dòng)檢驗(yàn)，在對采集的單粒種子圖像進(jìn) 行處理后，提取特征參數(shù)圖像 ，經(jīng)過種子參數(shù)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行分析驗(yàn)算，檢測蔬菜種子的種類、純度、健康度等狀態(tài)，確定種子處理的方式和方法。溫湯浸種和干熱處理可以殺滅種子攜帶的病原，是種子消毒的重要手段之一。安信種苗經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)及多年實(shí)踐，研發(fā)出全自動(dòng)溫湯浸種機(jī)。把種子放入全自動(dòng)浸種機(jī)中，根據(jù)蔬菜種子種類，設(shè)定浸種時(shí)間，全自動(dòng)浸種機(jī)自動(dòng)進(jìn)行浸種，根據(jù)不同蔬菜種子需要設(shè)定恒定溫度浸種，并不停地自動(dòng)攪拌，直至設(shè)定時(shí)間，隨后降低溫度，混入殺菌藥劑，達(dá)到設(shè)定時(shí)間后自動(dòng)沖洗、排出種子，完成溫湯浸種處理。
種子干熱消毒處理可有效彌補(bǔ)常規(guī)處理的不足，不僅可以殺死種子表面附著的病菌，還可以殺死潛伏在種子內(nèi)部的病原、鈍化病毒，同時(shí)不會(huì)顯著影響種子的發(fā)芽能力。傳統(tǒng)干熱滅菌采用普通烘箱操作，種子處理量小、溫度不穩(wěn)定，蔬菜工廠化育苗專用的種子干熱處理機(jī)，溫度可穩(wěn)定在病毒鈍化最適宜溫度，每批處理種子量300 kg 以上，有效提高滅菌效率，減少或杜絕種子帶菌引發(fā)的病害傳播。
催芽是育苗的關(guān)鍵所在，蔬菜種子發(fā)芽的好壞決定著蔬菜種苗的數(shù)量和質(zhì)量，同時(shí)還對蔬菜種苗的生長發(fā)育有著一定程度的影響。傳統(tǒng)催芽方式將處理過的蔬菜種子進(jìn)行控水后，用具有良好透氣性的紗布包裹好進(jìn)行催芽。智能種苗催芽室將根據(jù)蔬菜種子種類及發(fā)芽特性自動(dòng)設(shè)置溫、光、水、氣、肥等基本因素，可為種子發(fā)芽提供良好的條件。
播種環(huán)節(jié)
針對人工播種和普通蔬菜穴盤播種機(jī)小粒徑蔬菜種子穴盤育苗播種精度差、效率低等問題，安信種苗研發(fā)智能蔬菜種子精量播種線，通過CCD 視覺識別技術(shù)、人工智能對播種質(zhì)量進(jìn)行檢測，實(shí)現(xiàn)智能補(bǔ)種，降低空穴率、重播率，提高了精準(zhǔn)率，真正實(shí)現(xiàn)蔬菜種子的精量播種，極大程度減少了種子的浪費(fèi)及后期管理程序，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證單粒播種準(zhǔn)確率可達(dá)到 99% 以上。
嫁接環(huán)節(jié)
蔬菜種苗常用的嫁接方法主要有插接法、劈接法等，目前蔬菜種苗嫁接主要依靠人工操作，熟練嫁接工一般每天能嫁接種苗 3500 株左右，隨著農(nóng)村勞動(dòng)力短缺，種苗嫁接用工矛盾日益突出。嫁接苗成活率的高低主要與操作人員的熟練程度有關(guān)，由于人工操作上的差異，往往同一批苗因?yàn)椴煌娜瞬僮?，而嫁接質(zhì)量不同。嫁接質(zhì)量不好的種苗會(huì)長出氣生根、接穗生長勢弱、品質(zhì)差，嚴(yán)重時(shí)造成大量嫁接苗報(bào)廢，造成經(jīng)濟(jì)損失 。如何生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)、健壯的嫁接苗，成為當(dāng)前育苗行業(yè)急需解決的關(guān)鍵問題。
安信種苗投資設(shè)計(jì)研發(fā)的蔬菜嫁接機(jī)，根據(jù)嫁接苗特點(diǎn)設(shè)計(jì)，可以使砧木、接穗接合迅速，自動(dòng)完成嫁接操作，避免切口長時(shí)間氧化和苗內(nèi)液體的流失，大大提高了嫁接成活率和工作效率，嫁接成功率可達(dá) 90% 以上。解決手工嫁接費(fèi)工費(fèi)時(shí)，作業(yè)質(zhì)量與作業(yè)效率相矛盾的問題，促進(jìn)種苗嫁接技術(shù)的推廣應(yīng)用，滿足嫁接苗的市場需求。
植保環(huán)節(jié)
基于視覺檢測系統(tǒng)，采用 YOLO-V3 深度學(xué)習(xí)算法，對植物種類和病害實(shí)時(shí)檢測識別。通過5G 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將識別結(jié)果上傳到云端進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，根據(jù)防控標(biāo)準(zhǔn)，針對苗情、病蟲害種類，自動(dòng)采取不同植保處理措施，包括綠色防控、化學(xué)防治、物理防治等。
水肥管理環(huán)節(jié)
通過苗床、育苗溫室、種苗狀態(tài)等多維度的數(shù)據(jù)采集，然后利用 5G 物聯(lián)網(wǎng)傳輸并進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，通過大數(shù)據(jù)和傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)技術(shù)的融合，對蔬菜種苗當(dāng)前水肥需求進(jìn)行綜合評價(jià)，再通過5G 物聯(lián)網(wǎng)水肥一體智能灌溉系統(tǒng)，針對種苗生長狀態(tài)自動(dòng)進(jìn)行水肥管理（圖 4）。
圖 4 基于移動(dòng)苗床的智能噴灌系統(tǒng)模式圖
質(zhì)量管理環(huán)節(jié)
圖 5 蔬菜種苗智能分級分揀設(shè)備
蔬菜種苗一個(gè)育苗周期內(nèi)一般要經(jīng)過 2~3次分揀合盤工作，目前人工挑選需要大量的時(shí)間，且分級標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一。蔬菜種苗智能分級分揀設(shè)備（圖 5）集成機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)器視覺、可編程邏輯控制（PLC）技術(shù)，通過機(jī)器視覺采集穴盤種苗圖像，經(jīng)上位機(jī)（計(jì)算機(jī)）程序處理，運(yùn)用目標(biāo)區(qū)域像素統(tǒng)計(jì)的方法，對幼苗生長狀況（真葉數(shù)、苗齡、株高和長勢一致性等）進(jìn)行評價(jià)。種苗培育期，對穴盤里種苗健康度分級，對缺苗、弱苗和病苗剔除補(bǔ)種；發(fā)貨時(shí)對種苗檢查驗(yàn)收，將符合標(biāo)準(zhǔn)的種苗移至發(fā)貨區(qū)域，提高產(chǎn)品一致性，保證移栽質(zhì)量。
運(yùn)輸環(huán)節(jié)
目前蔬菜工廠化育苗運(yùn)輸作業(yè)還是以人工搬運(yùn)為主，非常耗費(fèi)人力。安信種苗數(shù)字化智能種苗工廠研發(fā)棚內(nèi)、棚間多種運(yùn)輸設(shè)備，包括智能尋址運(yùn)輸車，通過 UWB、二維碼尋址定位等多種技術(shù)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸車智能規(guī)劃路線、自動(dòng)尋址行進(jìn)，減少運(yùn)輸環(huán)節(jié)對人工的依賴，并且更加高效；苗床多功能運(yùn)輸車，通過多個(gè)伺服電機(jī)配合視覺和 UWB 導(dǎo)航定位系統(tǒng)，能夠靈活地穿梭于苗床之間，行走平穩(wěn)，承重能力強(qiáng)，并且預(yù)留多種接口可以搭載各種智能設(shè)備協(xié)同作業(yè)；吊軌運(yùn)輸設(shè)備能有效減小地面運(yùn)輸壓力，實(shí)現(xiàn)育苗工廠內(nèi)物料的空中運(yùn)輸；智能物流苗床通過 PLC 控制實(shí)現(xiàn)苗床智能調(diào)度。通過 5G+IoT 通信，地上地下運(yùn)輸系統(tǒng)智能協(xié)同作業(yè)，實(shí)現(xiàn)種苗、物料等的智能運(yùn)輸。
環(huán)境控制環(huán)節(jié)
環(huán)境控制能力不足是影響工廠化育苗的重要原因，目前傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)大部分只有視頻監(jiān)控和環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測功能，無法將相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行聯(lián)動(dòng)。基于網(wǎng)絡(luò)通訊傳輸、遠(yuǎn)程監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析，實(shí)時(shí)獲取溫室環(huán)境和植物生長狀態(tài)，通過種苗生長環(huán)境模型分析，自動(dòng)控制設(shè)備運(yùn)行，精準(zhǔn)調(diào)控溫室光、熱、水、氣等環(huán)境參數(shù)。例如，根據(jù)傳感器和氣象采集的天氣、溫度、光照、風(fēng)力等數(shù)據(jù)，通過Zigbee 無線通訊到物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，再傳送到本地服務(wù)器分析。控制中心智能控制外遮陽、內(nèi)遮陽、內(nèi)保溫、頂開窗、風(fēng)機(jī)濕簾、補(bǔ)光系統(tǒng)，從而調(diào)控溫室內(nèi)光照、溫度。
5G 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)把智能音箱與溫室設(shè)施設(shè)備連接，實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的直接通訊，語音實(shí)現(xiàn)對設(shè)施設(shè)備的快速遠(yuǎn)程控制，已有溫室可通過智能改造，實(shí)現(xiàn)語音控制燈光、噴水、卷膜等設(shè)備運(yùn)行。
管理環(huán)節(jié)
種苗工廠 ERP 管理系統(tǒng)，將公司管理各個(gè)環(huán)節(jié)有機(jī)串聯(lián)起來，實(shí)現(xiàn)流程化、數(shù)據(jù)化、標(biāo)準(zhǔn)化管理?；谠破脚_的管理系統(tǒng)，打破時(shí)間、空間限制，隨時(shí)隨地查看相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)人與人、人與設(shè)備、設(shè)備與設(shè)備互通。銷售管理、生產(chǎn)管理、財(cái)務(wù)管理、服務(wù)平臺各系統(tǒng)有機(jī)配合，能夠保證質(zhì)量管理各步驟的實(shí)施監(jiān)控，農(nóng)戶服務(wù)平臺實(shí)現(xiàn)在線為農(nóng)戶提供技術(shù)支持，通過現(xiàn)代化手段更好地服務(wù)農(nóng)戶，提高生產(chǎn)效率，降低管理成本。
智能巡檢機(jī)器人能夠不間斷地在智能種苗工廠內(nèi)進(jìn)行巡回檢查，主要解決人員管理不及時(shí)、用人多、信息不準(zhǔn)確的問題。運(yùn)用雷達(dá)構(gòu) 建地圖模型以及模型匹配自動(dòng)巡航，利用超聲波自動(dòng)避障；搭載高清攝像頭，對種苗的狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)采集分析，對苗情和人員進(jìn)行管理。智能巡檢機(jī)器人結(jié)合數(shù)字 ERP 系統(tǒng)對種苗生產(chǎn)各環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)智慧管理。
培訓(xùn)環(huán)節(jié)
圖 6 蔬菜育苗虛擬仿真系統(tǒng)水肥管理界面
傳統(tǒng)育苗教學(xué)周期長、不可重復(fù)，虛擬仿真系統(tǒng)（圖 6）可對蔬菜生產(chǎn)全生命周期進(jìn)行模擬，用以培養(yǎng)新時(shí)代專業(yè)高端人才。用于蔬菜育苗技術(shù)教學(xué)的同時(shí)，可進(jìn)行種植戶蔬菜栽培管理培訓(xùn)，培養(yǎng)高素質(zhì)農(nóng)民?；?AR 技術(shù)的虛擬仿真還可以增加更多交互模式，增加用戶與農(nóng)業(yè)的互動(dòng)體驗(yàn)，推動(dòng)農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展。
數(shù)字推廣環(huán)節(jié)
信息技術(shù)高速發(fā)展的潮流下，線上推廣已成為當(dāng)下的主流形式，抖音、快手等多媒體平臺已經(jīng)廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品推介，而利用 3D、4D、AR、VR 等現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)更加逼真、生動(dòng)的展示，增強(qiáng)了交互沉浸感，顯著增強(qiáng)系統(tǒng)吸引力，可廣泛用于廣告宣傳、產(chǎn)品展示、公司文化宣傳等。
數(shù)字化智能種苗工廠的優(yōu)勢及問題
數(shù)字化智能種苗工廠的優(yōu)勢主要有三點(diǎn)，一是精準(zhǔn)化，提高工廠化育苗效率和質(zhì)量，減少失誤；二是機(jī)器替代人工，人工成本大幅度降低；三是工作環(huán)境改善，吸引人才，可持續(xù)發(fā)展。
目前數(shù)字化智能種苗工廠發(fā)展主要有三個(gè)問題，一是急需構(gòu)建數(shù)字種苗產(chǎn)業(yè)發(fā)展的生態(tài)圈；二是投入大，要持續(xù)研發(fā)數(shù)字化智能種苗工廠投入是傳統(tǒng)種苗工廠的 3 倍以上；三是缺乏復(fù)合型人才，數(shù)字化智能種苗工廠橫跨農(nóng)業(yè)技術(shù)、機(jī)械自動(dòng)化、信息技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域，既包括傳統(tǒng)行業(yè)也涵蓋了新型高科技，對于多棲跨界人才非常缺乏。
數(shù)字化智能種苗工廠效益分析
通過農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合，形成智能化模式，改變傳統(tǒng)工廠化育苗模式。經(jīng)過近幾年數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和初步測算，傳統(tǒng)育苗工廠若實(shí)現(xiàn) 10 億株 / 年的育苗量，大約需要 4000 名工人，數(shù)字化智能種苗工廠可以提高機(jī)械化使用率，節(jié)省用工成本 80%；若將員工待遇提高 50%，則節(jié)省人工成本約 70%。對傳統(tǒng)育種工廠的數(shù)字化改造雖然增加了投入，但是可以節(jié)省大量人工成本。數(shù)字化智能種苗工廠模式可以通過軟硬件整體輸出（交鑰匙模式）、EPC 模式（設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)營）、合資、合作等模式快速復(fù)制，廣泛推廣應(yīng)用。
文章節(jié)選自—《蔬菜種苗生產(chǎn)數(shù)字化應(yīng)用探索》，登錄www.wenshiyuanyi.com ，可下載PDF原文
引用信息
韓吉書 , 韓吉?jiǎng)?, 宋甲斌 , 等 . 蔬菜種苗生產(chǎn)數(shù)字化應(yīng)用探索 [J]. 農(nóng)業(yè)工程技術(shù) ,2021,41(07):16-20.
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