大同黃花大田種植一體化技術架構

王晨升，蘇芳，王舒瑋

（山西大同大學機電工程學院，山西大同 037003）

引言

黃花是重要的經濟作物，其花苞經過蒸、曬和深加工，可制成食品、飲品、菜品和功能產品等四大系列100多種黃花產品，具有健胃、利尿、消腫等功效；根可以用于釀酒，淡雅清香；葉可以用于造紙和編織手工制品；莖可用于制作生物燃料。黃花在大同市云州區已經有610多年的種植歷史，云州區夏季雨水較為集中，晝夜溫差大，地處火山地帶，土壤中富含微量元素，非常適合黃花生長，因此，大同黃花的品質非常高[1]。

大同市政府非常重視黃花產業發展。自2011年以來，黃花產業被云州區確立為“一縣一業”的主導產業，推動公司+農戶、合作社+農戶等多種運作模式，通過土地流轉、資金扶持、招商引資、技術服務等一系列措施，不斷擴大種植面積，推動黃花產業逐漸向規?；N植、集約化加工、品牌化銷售的現代農業發展。2019年，“大同黃花”產業扶貧經驗成功入選為全國第二批產業扶貧典型范例，是對大同黃花產業發展的極大肯定，同時，大同黃花也成功入選中國農業品牌目錄。2020年，習近平總書記在大同考察，對大同黃花提出殷切希望，指出“黃花也能做成大產業，有著很好的發展前景，要保護好、發展好這個產業，讓黃花成為群眾脫貧致富的‘搖錢草’”。同年，大同市增選黃花為市花。2021年大同黃花全產業鏈產值突破18.4 億元[2]。

經過近年來的快速發展，大同黃花在種植規模、產品開發和品牌成長等方面都取得了可喜的成績。但是，發展所面臨的困境也不容忽視，當前，隨著種植數量的急劇增長，使得勞動力不足的問題更加突出，特別是采摘期，仍依賴于傳統的人工采摘，采摘速度低，極大的限制了黃花產量。因此，大同黃花亟需一套一體化的解決方案，突破種植、采摘和加工關鍵技術，在工業4.0的背景下，推動黃花產業升級，保持良性發展，提升區域農業經濟水平。

智慧農業是中國農業的發展趨勢，是解決當前農業生產過程中存在問題的最終途徑。趙春江[3-4]對智慧農業的概念與內涵做了具體闡釋，從戰略構想、重點任務和發展路徑等方面對智慧農業的未來發展做了分析。王小兵等[5]對建設智慧農業的技術演進、現實需求、發展趨勢進行了分析，提出了智慧農業建設和數字鄉村發展的具體路徑。楊印生等[6]對智慧農業的社會經濟特征做了深入剖析，認為智慧農業的具體體現在于農業生產全生命周期管理的高度信息化、三產融合和人工智能等先進技術在農業生產中的成功應用和發展。智慧農業的目標在于，推動農業生產實現機械化、自動化、無人化、智慧化，能夠最大化的降低人力投入，提高經濟效益。

因此，在工業4.0技術背景下，突破種植、采摘及加工等方面的關鍵技術，提供大同黃花產業化發展的一體化技術解決方案，能夠有效地推動大同黃花產業做大做強，增加農民收入，促進區域農業經濟快速發展。本文考慮黃花的生長特征和大同市云州區的地域特色，基于智慧農業生產理念，提出一種從種植、采摘到加工的黃花產品全周期一體化技術解決方案，分析各生產環節的關鍵技術，為大同黃花現代化發展提供模型及路徑參考。

1 架構模型

在工業4.0背景下，智能制造如火如荼的推動產業升級，在萬物互聯互通的條件下，“智慧”廣泛融入到生產、生活中[7]。與此同時，智慧農業也進入到快車道，農業生產全生命周期管理高度信息化，融合人工智能、大數據、物聯網和云計算等先進技術，集感知、分析、決策和執行一體的智慧農業新模式逐漸清晰。大同地處黃土高原，山地丘陵較多，農業發展面臨地面條件、機械裝備和成本等諸多因素制約，農業發展產業化水平、機械化作業水平均處于起步階段[8]。與農業不同的是，地處大同地區以及周邊區域的工業已經邁入了智能制造的行列，信息技術已經應用于生產線的升級改造中，因此，在區域工業技術外溢環境條件下，大同農業具備產業化升級的技術基礎和可行性。

黃花種植行距約70cm，葉呈散落狀，花莖高1m左右，生長4-6個側枝，花苞呈射線狀在空間生長。幼小花苞呈嫩綠色，成熟后花苞顏色鮮黃，角長肉厚，線條粗壯，花柄脆嫩?；ò烧^程中，需將花柄折斷，并盡量避免碰觸幼小花苞。傳統人工采摘方式中，依靠單手張力盡量減小花莖搖晃，并快速折斷，然后放入容器中。大同黃花花期集中在6月底到7月底[9]，花苞采摘是在開放前完成，因此，在采摘階段對勞動力需求非常大，勞動強度大，成本高。為解決當前大同黃花種植中面臨的采摘難問題，本文提出了一種從種植、采摘到加工的一體化技術解決方案，支撐大同黃花產業化發展。方案總體架構模型如圖1所示。首先，在種植階段，為解決采摘難的問題，基于產業化種植技術創造容易實現機械化采摘的生物環境條件；其次，開發機械化、自動化、智能化的智能采摘技術，并配合連通各環節的輸送系統；最后，實現數字化的集約式加工，完成產品加工。

圖1 大同黃花產業化發展架構模型

該模型以現場層、控制層和信息層組成的金字塔結構為核心，現場層包括種植、采摘和加工。其中，種植和采摘主要工作區域在田間，加工則在田邊。在物理世界，各環節基于輸送系統連接；在虛擬空間，通過數據連接，形成一體化農業系統。產業化種植既是農業一體化系統的開端，也是基礎，主要涉及的關鍵技術包括：線譜種植技術、生長監測、精準灌溉和防災害等。并且，在種植業的基礎上可拓展產業，結合火山文化，開發黃花旅游產業。另外，為合理利用空間，并實現節能創收、綠色農業的理念，在黃花種植的基礎上拓展太陽能發電系統，在采摘季為采摘系統提供能源，其余時間則可發電產生經濟效益。智能采摘是黃花產業的關鍵，主要涉及的關鍵技術包括：機器人、采摘機構及控制策略等。以已經在工業領域成功應用的機器人平臺為基礎，開發采摘機構，結合視覺識別系統，完成黃花智能采摘。傳統生產模式中，加工階段是黃花生產流程的最終階段，包括了分揀清洗、蒸烘、破碎和深加工等。同時，結合現代生產理念，拓展生命周期，將跟蹤服務劃入加工階段，通過后期的銷售及數據跟蹤，反饋指導產品加工，形成市場和生產的良性互動和循環流通。

2 產業化種植技術

2021年大同市云州區黃花產業種植面積已經突破17萬畝，全大同市黃花種植面積達到26萬畝[10]，而且已經形成了萬畝級的連片區域，最大種植片區達到兩萬畝，為產業化作業奠定了基礎。在大同市黃花產業化發展一體化技術解決方案架構內，產業化種植技術當前需要重點突破的關鍵技術包括精準灌溉、產業化種植技術和生產數據采集及管理。

2.1 輔助種植技術

盡管黃花在田間呈行種植，但是花莖并非規則的呈一條線，而且花莖容易晃動，給采摘帶來困難。因此，應該通過輔助種植技術，實現花莖相對保持穩定的目標，為機械化采摘創造條件。另外，需要注意的是，地面空間有限，現有的在地面行走的采摘機器人[11-13]均未取得很好的應用效果，且容易使地面硬化，刮傷黃花葉片，影響黃花生長。因此，應該拓展思路，從種植技術和采摘技術雙向突破，解決采摘慢的難題。

專利[14]提出一種產業化種植黃花菜的五線譜種植架及其實施方法，該方法通過線譜約束黃花花莖，使其彎曲生長，實現空間輔助定位，并通過地面小車實現采摘下來的黃花輸送。該方法在一定程度上提高了勞動人員的作業速度，也為機械化采摘奠定了技術基礎，但是，該方法對地面空間占有率高。因此，在該專利的基礎上，提出一種新的黃花線譜種植方法，如圖2所示，通過固定在種植架上的三條線譜輔助定位花莖的空間位置，保持花莖垂直生長，該方法將種植架的地面占有率降到最低，同時，通過限制花莖位置，為機械化采摘提供花苞理想的生長條件。

圖2 黃花產業化種植技術示意圖

2.2 精準灌溉

大同市地處山西省北部，屬溫帶大陸性季風氣候，四季特征鮮明。春季少雨，夏季雨水較為集中，不能滿足黃花生長期需求，水資源貧乏，依賴于引黃工程和地下水，而傳統的灌溉模式，水量損失嚴重，因此，為提高水資源利用率，精準灌溉尤為重要。首先，基于無線通信技術和土壤濕度傳感技術，構建農田濕度網絡系統。然后，基于數據分析與采集建立黃花生長與不同土壤層濕度函數關系模型。最終，以特定土壤層濕度控制為目標，開發精確決策及控制系統，實現黃花種植過程的自動檢測、自動灌溉。

精準灌溉依賴于基礎設施建設，當前大同市云州區田邊封閉灌溉設施已經完成改造，實施精準灌溉只需完善田間配套管路即可，實施成本較低。在產業化種植技術中，實施精準灌溉方法，如圖2所示，沿著黃花種植行鋪設管路，并定距開設滲水口，根據黃花生長過程監測數據判斷其對水分需求，從而實現精準、及時地灌溉。同時，可利用水分控制黃花及花苞長勢，在采摘前可通過控制水分提高有效花苞韌性，降低采摘過程損失率。

2.3 數據采集與管理

黃花生長過程中的數據獲取，有利于精確掌握、預測黃花生長情況及花期，支持農業生產活動決策。黃花種植數據的采集從黃花苗的摘種，一直到花苞的采摘全流程跟蹤，包括品種、長勢、水量記錄、葉片色澤、高度、土壤水分、花莖和花苞數目、花期時間、施肥和除害等?；诘乩硇畔⑾到y、多傳感器融合技術、大數據技術、人工智能技術等實現監測數據的有效管理與運用?；诒O測數據，利用數字孿生技術構建黃花產業化種植虛擬模型，在虛擬空間中實現黃花種植的全模擬。利用遙感信息技術結合黃花生長模型，構建同化模型，在獲得大量數據的條件下，基于數據分析和處理，可有效的獲得逆向診斷、預判，為黃花種植決策提供依據。

對于萬畝級的黃花產區，首先，需對土地進行分片分區，按片區編號，按編號采用分層式通信方案，通過節點優化，實現分區網絡系統構建。然后，依靠田間網絡系統，從黃花苗摘種，到黃花花苞采摘全過程實現數據檢測記錄，為產品溯源奠定基礎。黃花種植數據采集依賴于網絡建設，因此，對于黃花農業生產過程的數據采集依賴于網絡基礎設計的構建，對于作業期較為集中的應用特征，可構建便攜式的數據采集系統。

3 智能采摘技術

大同黃花花期集中，約40天左右。為解決采摘難的問題，在一體化技術解決方案架構下，基于產業化種植技術，在并聯機器人detal平臺基礎上，開發黃花采摘機構和智能采摘技術，實現黃花機械化、自動化采摘。智能采摘技術涉及主要設備及設施包括：并聯機器人、采摘機構、空間導軌、太陽能供電系統以及輸送系統。

3.1 智能采摘技術

黃花采摘流程如圖3所示，首先，采摘機構通過視覺識別系統，定位采摘目標；其次，并聯機器人和輸送系統根據采摘目標位置規劃路徑，并在頂軌上運動，到達目標位置，采摘機構調整角度，執行動作完成采摘；最后，采摘下來的黃花花苞被置入輸送箱內，待輸送箱采摘滿后，可運送到田邊，進而，輸送到加工車間。智能采摘技術工作場景如圖4所示。

圖3 采摘過程

圖4 采摘系統示意圖

同時，黃花采摘按種植片區進行，在片區內，實現多目標掃描和路徑優化。采摘后黃花按片區分類登記，數據上傳控制中心，并生成數據標簽，以便于產品溯源。

3.2 采摘機構

人工采摘方式中，需要單手抓住花苞，沿著花柄處折斷，完成采摘。該采摘方式除采摘速度受限外，還容易誤傷幼小花苞，且需要人工數量多，人體重復作業勞動強度大?；ò烧聛砗?，保留有一部分花柄，花柄質地較硬，口感較差，不適合加工產品。鑒于以上考慮，智能采摘技術中的采摘機構需要滿足以下要求：

（1）能夠根據花苞生長方向實現角度調整；

（2）能夠根據花苞大小實現長度調整，采摘不留花柄；

（3）結構簡單、動作靈活，穩定性好。

并聯機器人detal具備三個自由度，無法應對空間散射生長的黃花花苞采摘任務，因此需在末端搭載2自由度采摘機構，才能實現任意空間角度的調整。同時，為保證采摘機構順利完成黃花花苞抓、摘的動作，利用產業化種植技術中的輔助線提高花莖在空間的穩定性。因此，綜合考慮以上因素，開發與并聯機器人detal匹配度高的靈巧性采摘機構，是實現黃花機械化、自動化、智能化采摘的關鍵。

3.3 控制策略

智能采摘技術的實現是一項龐大的系統工程，是信息技術在黃花種植領域的融合和充分應用，而系統控制技術尤為重要。黃花花苞的識別及空間定位依賴于視覺系統。為了提高采摘效率，同時降低漏采率，首先，基于卷積神經網絡技術，通過圖像采集、數據處理，根據顏色識別黃花成熟度，掃描適宜采摘的花苞，建立目標群。然后，根據目標空間位姿調整采摘機構位置和角度。

同時，需要按照種植片區，對掃描空間和花苞目標采摘順序均做出優化，以期在最短的時間內，保質保量地完成采摘。因此，控制系統獲得目標數據后，經過分析、處理，做出決策，實現精準采摘。另外，在采摘箱滿后需規劃路徑輸送到田邊，進而進入加工環節。因此，智能采摘技術依賴于合理的控制策略，以保障系統安全運行。

4 集約式加工

為縮短黃花輸送鏈，盡可能地保持水分和新鮮度，減少黃花磨損和碰撞，同時，考慮大同市云州區村落散錯特征，在田邊建立黃花產業化加工集群。集約式加工產業布局如圖5所示，采摘下來的黃花通過田間輸送系統直達分揀、清洗車間，按大小分揀，并在清洗完成后，按類分送各加工車間，完成加工。在輸送、分揀、存儲、加工過程中全程記錄數據，并上傳控制中心，最終生成產品碼，便于產品標識和溯源。

圖5 集約式加工

同時，利用現代信息技術，通過物聯網終端節點，將各加工環節、設備柔性接入構建的物聯網體系，可聯通各加工環節、工廠，實現信息共享和交互。亦可通過虛擬端實現物理空間全流程的跟蹤、監測和控制。

5 總結

針對大同黃花大規模發展過程中面臨的采摘難問題，提出了大同黃花產業化發展一體化技術解決方案，構建了大同黃花產業化發展的架構模型，并對架構內關鍵環節：種植、采摘和加工中的關鍵技術做了分析。在后續研究中，重點突破采摘機構、精確識別、智慧控制等關鍵技術，推動農業技術和經濟發展。