温室作业效率低？来向这家中药材产业示范区学习
近年来，中国中药材栽培模式由传统的露地栽培逐渐向设施栽培方向发展。随着劳动力成本的不断上涨以及对产品品质需求的不断提高，人们对生产型温室作业的机械化、自动化的要求越来越高。解决温室内不同区域之间的物料、成品等物流运输问题，成为影响生产效率与劳动生产率的关键因素。山西省是传统中药材的主产区，近年来不断推动高标准药材种苗基地建设，强化科技对中药材产业的支撑能力。2020年，农业农村部规划设计研究院下属成果转化和服务企业北京华农农业工程技术有限公司全面承担了山西晋中国家农业高新技术产业示范区中药材种苗成套装备的设计与实施任务，以此契机，重点解决了中药材设施种苗生产运输效率低、用工量大等技术难题。
中药材穴盘苗生产特殊性
种子质量差异大
穴盘育苗具有标准化管理、轻便可移动，便于实现机械化等特点，在蔬菜、花卉领域应用已经非常成熟。而大多数中药材以根、茎为主要收获对象，种苗繁育需要足够的生根空间，侧根生长和缠绕直接影响药材品质。此外，中药材育种技术较为落后，优质种质资源普遍匮乏，种子质量差异较大，发芽率低、发芽时间长等问题普遍存在，导致种苗生产过程中挑苗、补苗、间苗等作业环节频繁，种苗需要在温室不同区域之间不断周转，耗费大量人工。
需要特制穴盘
穴盘的选择既要考虑穴孔大小对根系生长发育的影响，还需综合评估穴盘与基质消耗成本、以及与自动作业设备的匹配度。针对山西中药材集团太谷基地生产的党参、黄芪、丹参、黄芩、酸枣仁、苍术等6种道地药材种苗生长特性，在不同生长阶段设计定制了不同的育苗容器（图1）。播种发芽阶段，使用较密株距、较少基质容量的200孔穴盘。设计的200孔穴盘规格为：外形尺寸为长540 mm，宽280 mm；单孔上口径30 mm，底径13 mm，高度40 mm，单孔容量12 mL。在根系基本成形后，再移栽到50孔穴盘。设计的50孔穴盘规格为外形尺寸长540 mm，宽280 mm；单孔上口径46 mm，底径16 mm，高度110 mm，单孔容量100 mL。在200孔穴盘与50孔穴盘的穴孔内均设计有纵向棱条，用于减少侧根盘绕，同时可以增强穴盘抗拉强度，有利于机械化作业。
图1 50孔穴穴盘（左）与200孔穴穴盘（右）
01
工艺路径需要优化
生产工艺是设施装备布局的直接依据，工艺路径直接影响生产效率与产品品质。在中药材种苗设施生产项目当中，基于多种品类进行了全面分析，优化筛选出标准化工艺流程（图2）。温室按照功能分为作业区和栽培区，在作业区可以完成穴盘苗的播种、催芽、补苗、移栽、输出等人机作业环节，在栽培区可以完成全程环境调控以及灌溉与植保作业。根据不同作物的生长特性，对过程节点之间以及温室区域之间的往复概率和路径进行研究，以效率优先原则形成高兼容性点位布局，构建出作物移动、作物定点高效柔性流水线路径模型。
图2 标准化工艺流程
立体运输系统
在设施生产中，运输贯穿着整个生产环节，为解决运输路径中作业设备避让与效率兼顾问题，在借鉴欧洲先进技术基础上，承接并吸取国内工业领域生产管理与调度技术，设计开发了立体运输系统，即采用以地面轨道式运输为主，空中天车轨道运输为辅，自动入床机及传送带等辅助设备衔接，实现穴盘苗批量运输的立体解决方案。
地面轨道运输系统主要包含栽培床、气动升降系统、纵向轨道、主驱动系统以及其他支撑结构（图3）。栽培床的框架结构由铝合金边框与铝合金支撑梁组成，承载面是经过高温冲孔、拉伸而得的网片状结构，该设计主要防止因中药材育苗基质较重而导致轨道承载力不够的问题，通过静力学计算与有限元分析软件分别进行受力变形分析，根据不同条件下承载结构的变形情况进行综合分析，明确横撑数量、形成栽培床结构整体设计方案。栽培床设计的极限承载力为500 kg，当栽培床横向输送时，支撑点为支撑滚轮，最大变形量为5.12 mm，当栽培床纵向输送时，支撑点为铝合金围边，最大变形量为3.81 mm(图4)，符合设计要求。气动升降系统是栽培床实现横向输送与纵向输送切换的机构，每个横向运输工位包含2套托杆架与4套升降气缸。本设计改变了国内研究报告中提到的直流电机带动四杆机构的方式，改善了电流弱、传动力差等不足，使得稳定性更强、承载能力更大、实用性更好。纵向轨道是与横向轮式轨道垂直方向的支撑结构，栽培床在这部分上的活动由推拉电机与推动装置完成。主驱动系统核心是主动电机，电机与主动轮构成了栽培床在横向轮式轨道上的驱动系统。栽培床体横向运动范围9~14 m/min，纵向运行速度范围2~3 m/min，栽培床综合平均输送效率可达80张/h，是人工效率的6.9倍。
图3 地面轨道运输系统
图4 栽培床ANSYS载重变形量分析/mm
空中运输系统主要采用可实现上下抓取并进行空中输送的天车系统（图5）。天车作为栽培床搬运和堆垛的主要设备，根据载重量不同、功能不同分为轻载天车与重载天车，最大载重量可达800 kg。此外，空中运行还需考虑安全问题，由此设计了旋转保护机构，通过设置主动机构调控从动机构，使旋转电机通过主动旋转座、连杆及从动旋转座调整旋转固定组件，使设置该天车旋转保护结构的天车在运送货物时能够通过旋转固定组件进行限位，大幅提升了天车运行时的安全性和稳定性，避免了栽培床掉落的风险。
图5 空中运输系统
自动入床设备是立体运输系统的起始端，将穴盘推送过渡板与栽培床置后搭接，穴盘入床机推送机构将穴盘沿皮带输送机构的长度方向的一端输送至皮带输送机构的另一端，当该皮带输送机构上布满整排的穴盘后，通过翻转机构驱动皮带输送机构翻转至与穴盘推送机构位于同一斜面内时，穴盘推送机构动作，将整排穴盘向栽培床上推送，同时机器上的驱动轮以相应速度将栽培床向前输送，直至穴盘被完全推送至栽培床上。（图6）
基于射频识别技术的调度管理
调度管理软件（图7）应用于种苗生产的全过程，主要包括两部分，一是各设备之间的协调运行，是生产工艺实现的手段，主要由智能种苗工厂驾驶舱、空中与地面运输PLC系统、其他园艺设备链接，采用多线程技术与立体PLC同步。二是对生产产品的信息采集、显示、追溯管理。在自动入床设备所处路线位置末端放置射频识别设备（图8），将射频卡（每张卡信息独立）固定在栽培床侧面位置，栽培床通过时，自动读取栽培床信息并存储在地面轨道运输系统服务器中，栽培床信息存储位置随栽培床输送时位置改变而变化，并实时反馈给调度系统。调度管理软件通过任务的建立，将工艺信息、种苗信息和栽培床信息进行关联，再加以统计、处理，在生产调度系统界面通过栽培床信息搜索或现场识别栽培床射频标签，即可获得当前栽培床作物信息、工艺信息等。为便于设备之间的调度管理，在布线方式上，设计采用总线形式布线，解决调度距离远、传感器分布散等问题，区别于传统的PLC直连布线形式，应用开放式网络，将传动模块内传感器按一定区域划分接入从站，再以总线形式将各从站接入主站内。这样设计可以实现快速多点通信，实现所有从站的数据实时通信。设计布线方式采用并联布线结构，可增减节点布线，单独增减从站，扩展功能模块，不影响其他从站正常工作和使用。
图7 调度管理软件
图8 射频识别系统
应用效果与推广潜力
山西中药材集团太谷基地项目基于工厂化作业模式的路径优化，以立体运输方式搭建种苗作业流水线，形成在生产调度系统集中控制下的PLC末端执行控制体系，运用通信技术、数字技术进行种苗生产管理，从而形成适宜中药材种苗工厂化生产的新模式。经运行测试，各项指标均符合设计要求，其中栽培床平均载重量363 kg，平均变形量1.1 mm，最大变形量1.5 mm；栽培床横向运行速度13 m/min，纵向运输速度3 m/min，平均输送效率80张/h；天车运行效率1 m/s。利用该系统，运输效率可以达到人工效率的6倍，节约80%的劳动力，而且可平均缩短育苗周期30%，育苗成活率提高25%。随着国内对土地产出率、农业劳动生产率、资源利用率的迫切发展需求，传统的固定式栽培模式制约着生产效率的提升，越来越多的设施种植企业把工业领域流水作业的方式应用到农业生产当中，以提升企业自身竞争力。立体物流运输系统是一种以栽培床为运输单元的流水线作业模式，不仅适用于中药材种苗生产，还可以推广应用于花卉、蔬菜、水稻、林木、浆果等更多领域，全面提升设施农业综合生产能力、实现设施农业可盈利、可持续发展。