2019年5月18日，在《智慧农业》编辑部举办的“2019智慧农业青年学术研讨会”上，编委高国华教授就《设施农业智能种植装备的产业化应用》做了分享，以下是主要内容。

高国华教授报告现场

一、

研究背景及意义

近年，国家出台了很多政策支持智能农机的发展。2016年9月国务院印发了《“十三五”国家科技创新规划》，提出现代农业智能生产、智能农机装备成为新增亮点。2016年11月在《北京市“十三五”时期都市现代农业发展规划》中提出“瞄准北京‘科技创新’的定位，深化北京国家现代科技城建设，抢占农业科技制高点”。2016年7月在《北京“十三五”城乡一体化发展规划》中提出“全面建成都市型现代农业示范区，加大现代农业向工厂化发展”的要求。

2009年我们团队接收到北京市委的项目，研制自动化的移栽机。至此我们开始把自动化技术引用在农机上，对标的是荷兰等先进国家的公司，之后我们发现了很多的问题。近十年，中国设施农业发展得非常的迅速，但是农业设施装备没有达到预期的发展结果，引进的荷兰先进国家的装备，多数是中低端产品，产业封锁。大部分的农机只是在某个工艺环节采用了自动化设备，无法全链条引进。目前大多是在自动填土、土基质播种、小型移栽机等方面，无法真正意义上实现生产全过程的自动化，也就无法达到真正的“机器换人”、生产效率提升、产品质量提升的目标。国外引进设备往往成本高昂，维修维护成本高，且维修周期长。针对我国的设施种植条件、种植工艺要求的设备很少，如果需要定制，价格更高，也就是水土不服，难以适应国内的种植条件和种植工艺特殊要求。所以我们必须开发具有自主知识产权的设施农业自动化装备。

我们团队把科技研发、产品研制与产业推广进行综合性的应用，主要应用方向包括叶类蔬菜、果蔬、花卉，实现了智能制造与现代农业的结合。

二、

总体技术成果与项目

“植物工厂”将产、研、学、推整合到了一起，坐落在北京通州的农业示范园区。该基地拥有3000平方米的植物工厂，液体种植叶类蔬菜、水果等，同时还有5000平方米的物联网温室，集合了播种、育苗、联合装备等种植的全过程。我们还承担了围绕自动化领域来开展的国家级课题，获得了近百项授权发明专利，获得了2012年北京市科学技术奖与2013年、2017年中国机械工业科技技术奖。

三、

装备研发情况及成果

我们的自动化农机装备的研究领域是叶菜、果蔬、花卉自动化种植装备。

1、叶菜自动化种植装备

有机蔬菜基质栽培六大流程是基质混合配比、穴盘苗播种、连栋温室炼苗、成熟收获、立体种植、移栽到大穴盘。我们主要解决了三大环节的问题，即自动化播种机、移栽机与收获设备。GD253-1全穴盘自动化海绵基质播种线是世界上第一台向海绵基质播种的全穴盘播种生产线。可为200穴、100穴、128穴、75穴、50穴等规格海绵基质进行播种作业。该装备专为无土栽培研发的全穴盘播种生产线，播种效率为每小时300盘。JXPYZ-2智能穴苗移栽生产线从穴盘到定植槽的自动化移栽作业生产线。可实现128穴道73穴、100穴道50穴、穴盘到定植槽等多种穴盘间的移栽作业。土基质穴盘苗到定植槽移栽生产线，每小时1600株移栽效率。

自动化海绵基质播种机、自动化穴盘苗移栽机、自动化穴盘苗嫁接机（从左到右）

2、果蔬自动化种植装备

设施农业中果蔬的种植技术中运用最多的是果蔬立体化种植技术，荷兰的果蔬立体化种植的植株可高达20m，国内最高可达7m，而国内的温室大多为4m左右，所以目前国内普遍的植株高度为4m左右。但是人4m的高度作业对人工也是一项挑战，作业难度与强度较大，急需自动化的种植装备。ZGM-7自动化穴盘苗嫁接机是斜插式穴盘嫁接机采用机器视觉技术，可实现整排穴苗嫁接。作业对象包括黄瓜、西瓜等种苗，每小时嫁接效率1200株。

采用果蔬作业升降车、自动转运AGV车使用于立体化种植，可以达到每平方米45kg的西红柿产量。果蔬采摘机器人采用全柔性机械结构，不伤果实。采摘效率每分钟6-7个，目前日本和美国的采摘机器人每分钟2-3个。

采摘升降车、自动转运AGV车、全柔性采摘机器人(从左到右）

3、花卉自动化种植设备

盆花移栽是花卉种植的关键环节，人工移栽效率低，每人每天完成800盆左右。我们所做的花卉自动化装备相对容对标荷兰的装备，但是我们研发的设备的性能与价格是否对荷兰的设备有优势？通过这几年的研究发现我们国家的花卉种植工艺有自己特点，例如中国的红掌会有组苗的作业需求，有穴盘苗组合移栽与花苗盆间移栽。HMCZ-3-1全自动穴盘苗成组移栽作业线，能完成三株花苗机械组合进入一个花盆中，组苗作业效率为每小时1500盆，是人工作业效率的25倍。APFT-11-17全自动盆花移栽作业线是通过自动落盆、一次覆土、二次筑模、自动移栽等机械作业，实现每小时1200盆从11cm小盆到17cm大盆的移栽，是人工作业效率的20倍。

15爪组苗生产线、全自动盆花移栽作业线、5爪盆花移栽（从左到右）

四、

科学问题的凝练与研究

我们发现制约农机推广应用的关键性问题有目标对象非结构化，适应性差，可靠性低；作业效率低，抵不上人工成本，作业效果差且损伤率高。基于以上两个问题我们想要把工程问题提升到科学问题的凝练与研究，针对柔性连续机构的结构设计与力学分析，我们研究了以两个以上全柔性构件通过活动连接形成的全柔性连续体机构，突破传统机构学与力学学科领域，向多学科交叉融合放行发展，扩展为高度复杂的空间机械系统，已达到结构的稳定性、对象的适应性的目的。

针对多因素耦合问题，开展结构离散单元分析及工程应用，研究了基于离散单元分析的执行机构与作用对象关系研究，通过建立土基质（混合物等）的固体颗粒体系参数化模型，解决土壤颗粒、结构、环境及其耦合等综合问题，达到系统过程分析、结构优化设计的目标。最后，我们考虑建立一个平台，即把工业设计中的一些思想结合到农业之中。针对设施农业种植装备的作业对象多样、环境差异大、运行条件差等特点，在综合性能指标体系下，基于传统机构学和创新方法相结合的典型农业机械智能设计平台。根据用户需求量化分析，将创新方法引入到量化设计目标定位及关键机构的模块化设计过程中，建立集成研发平台。

五、

感悟与体会

从事农机装备研究以来，我有一些自己的感悟和体会。

第一，农业智能装备的研究不单纯是机械结构性的设计问题，应该从工程实际应用问题为出发点，凝练科学问题，理论性研究工作才能走的深入和长远。

第二，农业智能装备的研究是农机与农艺结合的问题，是涉及到“人、机、料、法、环”的多因素问题。关键问题的落脚点是“机与料”“机与果”等的界面性问题。

第三，农业智能装备的推广应用很大程度上是基于“农艺”的变革，脱离“农艺”谈“农机”无意义。

但也需要创新精神，从“农机”应用角度上谈“农艺”，会产生更具有价值的研究成果。农机与农艺的紧密结合是出路

本文为录音整理节选稿，经报告人确认发表

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编委简介

高国华，1977年4月生，男，博士，北京工业大学机械工程与应用电子技术学院机械设计及理论学科部，教授，北京市长城学者，《智慧农业》编委。现为国家精品课程《机械设计》、创新课程《TRIZ理论及应用》主讲教师，国家级教学团队成员，教育部创新方法教学指导分委会秘书长。主要从事机器人机构学、农业机械及自动化装备、创新方法（TRIZ）理论及工程设计应用等方面的研究。承担“国家重点研发计划”“国家自然科学基金”“科技部创新方法专项”等课题三十余项，发表学术论文50余篇，获得授权发明专利100余项，获得北京市科技奖三等奖一项，中国机械工业科学技术奖二等奖一项。

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