摘要：現(xiàn)階段，智能化加工裝備與技術代表著生產(chǎn)力，是提高生產(chǎn)效率、轉變發(fā)展方式的物質(zhì)基礎，智能化裝備技術在畜禽加工過程中的應用在保證穩(wěn)定、可靠的生產(chǎn)過程的同時，有著顯著的經(jīng)濟效益。總結了智能化裝備在畜禽屠宰、分割和分級等加工過程中的應用，歸納了國內(nèi)外學者在機器視覺、光譜檢測、多種技術融合、X射線CT成像和超聲波成像等智能化技術在畜禽加工領域的諸多研究成果，分析了當前畜禽加工中存在的智能裝備不系統(tǒng)、智能化技術不成熟的問題現(xiàn)狀，展望了未來智能裝備技術在畜禽加工中設備類型標準、多樣化，提高設備集成化水平，促進技術融合等發(fā)展趨勢，為畜禽加工智能化裝備技術研究與行業(yè)智能化發(fā)展提供相關信息和參考。

　　關鍵詞：智能化裝備；智能化技術；畜禽屠宰；肉類分割；肉類分級

　　引言

　　目前我國是世界上肉類生產(chǎn)與消費的第一大國，肉類工業(yè)在國民經(jīng)濟中占據(jù)了十分重要的地位。據(jù)國家統(tǒng)計局顯示，2017年我國肉類總產(chǎn)量達8654.43萬t，約占全世界1/4。“十三五”時期，我國肉類消費需求繼續(xù)擴大，居民消費結構加快升級，城鎮(zhèn)化率不斷提高，為肉類工業(yè)發(fā)展提供了良好機遇。

　　但目前我國畜禽肉類生產(chǎn)成本較高，據(jù)國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)顯示，自20世紀90年代以來，我國畜禽肉類生產(chǎn)成本在持續(xù)上升，根據(jù)預測，未來一段時間還將繼續(xù)保持上升趨勢并進一步拉開與歐美國家的差距。其原因主要有3個方面。

　　(1) 目前我國屠宰行業(yè)分散，集中度不高，和美國在20世紀70—80年代的發(fā)展情況類似。

　　(2) 我國人口紅利逐漸消失，勞動力供給降低，并隨著工業(yè)化進程會帶來勞動力工資不斷上升。

　　(3) 數(shù)據(jù)顯示我國畜禽加工行業(yè)發(fā)展水平相對較低，小型、半機械化加工方式企業(yè)占大多數(shù)，生產(chǎn)效率低下，生產(chǎn)成本升高。

　　其次，作為我國人民主要肉食品，其衛(wèi)生安全問題尤為重要。近年來我國食品安全事故時有發(fā)生，加工設備簡陋、技術低下引發(fā)的細菌繁殖、交叉污染是主要原因之一。

　　除此之外，隨著人們生活水平的提高，低品質(zhì)的鮮肉將無法滿足人們的需求。在肉類品質(zhì)方面，國外對胴體分級技術研究較早，目前胴體等級技術已趨于完善。我國肉品分級技術的研究相對較晚，目前主要采用人工分級的方式，憑借感官識別評定，存在主觀隨意性、誤差高和效率低等問題。

　　基于以上問題，推進了畜禽肉類加工裝備與技術智能化的應用與研發(fā)。智能化裝備可在生產(chǎn)過程中降低人工成本、加快生產(chǎn)效率、保證肉質(zhì)安全和提高肉品品質(zhì)等，且成套型強，可對加工過程有序化排列連續(xù)性生產(chǎn)，保證每一環(huán)節(jié)等對產(chǎn)品信息可追溯的實現(xiàn)。在此方面，歐美國家企業(yè)具有先進的技術并得以產(chǎn)業(yè)化應用，如荷蘭Stork公司、Meyn公司，丹麥SFK公司以及德國Banss公司等。我國在畜禽加工過程中使用智能裝備還相對較少，隨著國家工業(yè)化、信息化、城鎮(zhèn)化和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的推進，畜禽加工智能裝備產(chǎn)業(yè)也將進入創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展的時期。

　　本文綜述了當前智能化裝備在畜禽屠宰、分割和分級等加工過程中的研發(fā)與應用現(xiàn)狀，介紹了國內(nèi)外相關企業(yè)智能裝備研發(fā)產(chǎn)業(yè)化情況，總結了國內(nèi)外學者在自動化控制裝備與機器視覺、光譜檢測和超聲波成像等智能化技術在畜禽加工領域的研究進展。為畜禽加工智能化裝備技術研究與行業(yè)智能化發(fā)展提供相關信息和參考。

　　1  智能化裝備

　　智能化裝備(圖1)的優(yōu)點是對人工工作環(huán)境的改善，代替工人進行繁重、枯燥和體力型工作，提高了產(chǎn)品品質(zhì)與生產(chǎn)效率的同時，又減少了接觸交叉污染。

　　

　　1.1  智能化屠宰設備

　　智能屠宰裝備是針對畜禽屠宰過程中的工序而設計研發(fā)的。當前智能化屠宰設備主要由丹麥、德國、荷蘭、澳大利亞和新西蘭等國家生產(chǎn)。

　　在畜禽屠宰擊暈的方式上，主要有機械電擊暈和二氧化碳窒暈兩種。20世紀70年代，荷蘭研發(fā)了手動電擊暈棍，但擊暈方式效率較低，目前主要作為輔助配套設備應用。當前，由荷蘭STOＲK公司生產(chǎn)的米達斯型全自動低壓高頻電擊暈機(圖2)最為先進，可實現(xiàn)三點式自動擊暈(3個擊暈電極被固定在頭部、心臟位置)。德國BANSS公司BRT設備(圖3) 上的伺服驅(qū)動線性導向系統(tǒng)可實現(xiàn)輸送機系統(tǒng)和機運裝置完全同步進行。

　　20世紀70年代中期，丹麥了研發(fā)二氧化碳致暈系統(tǒng)，但存在成本高、耗時長等缺點，目前，SFK公司生產(chǎn)的Frontmatec二氧化碳窒暈系統(tǒng)可與自動傳送帶結合使用，在保證實現(xiàn)生豬快速窒暈同時，可有效避免應激反應的情況出現(xiàn)。

　　在屠宰脫毛工序中，荷蘭MPS公司生產(chǎn)了生豬去毛工序設備: Q-線蒸汽燙毛隧道和Q-線Tarzan 打毛機。Q-線蒸汽燙毛隧道通過溫度控制系統(tǒng)及熱交換器，通過調(diào)整時間、溫度等參數(shù)來取得最佳效果，打毛效率可達200～1600頭/h，但主要采用的是人工輔助半自動化生產(chǎn)線的形式，在此基礎上若要達到高智能化仍需進一步完善。BANSS公司設計的DDM240-2-2型設備(圖4) 可實現(xiàn)豬體打毛達240頭/h，并且可實現(xiàn)燙毛到打毛之間全封閉轉移，其針對牛、馬剝皮的BE系列設備(圖5) ，適合安裝到連續(xù)、間歇式的屠宰設備中。SFK公司研制的APE4機器人可在脫毛工序后完成自動化切腹、去除內(nèi)臟。但其加工范圍有限(1.5～2.1m)，不能滿足體型差異化較大的胴體加工。羊胴體自動化加工主要集中在澳大利亞和新西蘭，西澳大利亞大學研發(fā)的魔法剪羊毛機器人，通過仿生機械手和電容傳感器，使得加工效果要優(yōu)于人工加工。新西蘭研發(fā)了一種從致暈到胴體分割的半自動化生產(chǎn)線，需人工配合做切割之前的準備工作。

　　1.2  智能化分割設備

　　在畜胴體分割方面，丹麥SFK公司研制包括自動生豬切背(APF7) 、劈半(APS65) 設備的胴體分割生產(chǎn)線?？裳丶棺捣蛛x鰭狀骨實現(xiàn)切背，其使用的

　　腹腔內(nèi)導向、背部滾輪，可為自動剔骨等后續(xù)工序保證精度質(zhì)量。Attec公司研發(fā)的分割機器人可將豬胴體分割成前、中、后3段。丹麥SKF研發(fā)的豬自動切割線(圖6)，生產(chǎn)能力可達100～15000頭/h，并且可處理體型偏差較大的胴體。GUIRE Gregory 提出了自動化牛胴體切割機器人，自動化程度高但加工速度慢，并且具有較高的設備成本，CSRO實驗室通過引入機器視覺與改進刀具的切割方式，實現(xiàn)了頭部肉類分割。ALLTAVILIM提出利用高壓水槍切割肉類，在利用高壓水槍切開肉的同時向切口處攝入壓縮空氣，以保證肉切口處的潔凈。我國濟寧興隆食品機械制造有限公司自主研發(fā)的TZ-ZPB160(圖7) 豬體自動劈半機，采用數(shù)控、機電儀一體化技術，實現(xiàn)了整個作業(yè)過程的自動化，在一定程度上填補了國內(nèi)技術空白。

　　在家禽胴體分割方面，目前國外已經(jīng)實現(xiàn)全自動化聯(lián)合作業(yè)，如荷蘭Meyn 研發(fā)的Vent自動掏膛取內(nèi)臟系統(tǒng)(圖8)和STORK公司研發(fā)的Nu-Tech Nuova自動取內(nèi)臟系統(tǒng)。Meyn隨后研發(fā)的Flex plus切割生產(chǎn)線(圖9)可基于視覺與在線技術稱量、可適用多品種在線分級，提供了更高的生產(chǎn)靈活性。國內(nèi)近些年部分單位開展了自動凈膛設備的研發(fā)。企業(yè)與研究人員對此尤為重視，吉林艾克斯公司研發(fā)了一種以空間凸輪為控制機構，同時具備夾取式與挖取式的自動掏膛機，并于2012年成功研制我國第1條L-10000型智能化家禽自動掏膛生產(chǎn)線。王麗紅等設計了一種扒取式家禽自動去內(nèi)臟機，并在實踐中對加工效果進行驗證。鮑秀蘭等針對家禽凈膛過程中末端操作空間小的特點，設計了三指三關節(jié)家禽自動凈膛末端執(zhí)行器機構，通過對執(zhí)行器角度、姿態(tài)等進行分析研究，并對其進行運動學求解，驗證了執(zhí)行器機構可滿足對內(nèi)臟抓取的要求。熊利榮等通過對家禽凈膛機械手系統(tǒng)中觸覺系統(tǒng)進行改進，可根據(jù)檢測的壓力對機械手進行自動化調(diào)整，對比傳統(tǒng)凈膛機械手自動化程度更高且對內(nèi)臟破壞程度更小。

　　1.3  智能化分級設備

　　肉類分級系統(tǒng)是指將不同畜禽肉類按品質(zhì)進行劃分和判定，通過肉類分級可規(guī)范生產(chǎn)和引導消費，可保證優(yōu)質(zhì)優(yōu)價的市場規(guī)律，有利于肉類產(chǎn)品向高質(zhì)量的方向發(fā)展。FOSS公司開發(fā)了一種名為FOODScan的分析儀(圖10～11)，它使用近紅外技術來確定肉類的幾個參數(shù)，如水分、蛋白質(zhì)和脂肪含量。但該分析儀使用的方法是破壞性的，需在檢測前將肉粉碎。

　　1.3.1  豬胴體分級設備

　　通過各國科研人員的研究發(fā)現(xiàn)，對于豬肉分級，豬胴體背膘厚度、眼肌肉的厚度和豬胴體的整體瘦肉具備一定的相關性，在此基礎上丹麥SFK 公司開發(fā)的Meater Fat Automatic(MFA)和Fat-O-Meater(FOM)(圖12)可進行自動檢測并對背膘厚度相同體重不同的豬進行區(qū)分。加拿大Destron公司研發(fā)的PG-100瘦肉率測定儀(圖13)通過脂肪與瘦肉光反射率差異測量出豬胴體的肌肉和脂肪層厚度，以此來預測瘦肉率，但測試發(fā)現(xiàn)MFA 探針在惡略環(huán)境易損壞且不利于更換。新西蘭Hennessy公司研發(fā)的Hennessy Grading Probe(HGP)(圖14)與FOM原理相同，但HGP具有更高的測量精準度，同時還突破了顏色識別的問題，從而檢測出PSE肉。隨著計算機技術的發(fā)展，F(xiàn)OM和HGP測定的瘦肉率預測模型存入計算機，在后續(xù)測量過程中可直接快速獲取豬胴體瘦肉率，世界各國也基于FOM和HGP發(fā)布本國的豬胴體等級劃分標準。中國農(nóng)機院設計了開發(fā)了包括信號采集、傳輸、執(zhí)行的適合中小型企業(yè)的家畜胴體自動分級系統(tǒng)，并成功應用于家畜加工生產(chǎn)線。

　　隨著超聲波技術的應用，日本的Tokyo KeiKi公司研制了LS-1000、CS-3000設備，可在線對脂肪含量進行測量，并測量大理石紋理。20世紀90年代，丹麥SFK 公司設計了名為AUTOFOM的自動超聲波掃描設備(圖15) ，利用脈沖超聲波讀取數(shù)據(jù)，通過掃描豬的背部，能對每頭豬胴體的3200個點的背膘厚度和肌肉厚度進行快速測量，過程快速且結果精準，速度可達1150頭/h，其對背膘厚度和肌肉厚度預測的精確度要高于PG-100。

　　2003年德國CSB公司Kasel在機器視覺的基礎上生產(chǎn)了CSB-IMAGE-MEATER生豬影像分級儀(圖16)，運用醫(yī)用高清攝像頭對屠宰胴體取樣，通過數(shù)字圖像處理識別動物型體結構，運算出所含肉量與其他數(shù)據(jù)指標，基本實現(xiàn)了高準確性、快速性和無接觸性的分級要求。

　　近年來，研究人員在便攜式無損檢測設備儀器方面取得了新的研究進展，德國Key根據(jù)紅色光譜范圍非常合適肉質(zhì)拉曼光譜的激發(fā)，設計了基于移動計算機的手持拉曼系統(tǒng)(圖17)，可檢測出肉質(zhì)的腐壞程度，可將微生物數(shù)據(jù)與實測拉曼光譜進行關聯(lián)同時分析，但其設備的可便攜程度不高。李翠玲等基于多光譜成像技術開發(fā)了檢測新鮮豬肉的便攜式設備，但運算須與計算機實時連接。海錚提出了基于電子鼻的牛肉新鮮度檢測，可降低誤差為4.64mg(100g) ，但其需要較高的存儲環(huán)境要求，因而不利于實踐。林婉等開發(fā)了基于Linux系統(tǒng)的便攜式生鮮肉檢測設備，實現(xiàn)了脫機且快速檢測。魏文松等開發(fā)了一種手持式生鮮肉品質(zhì)無損檢測裝置，可基于Android的生肉檢測app對裝置進行控制。

　　1.3.2  牛胴體分級設備

　　牛胴體自動化分級的主流技術主要基于機器視覺和圖像處理技術。德國生產(chǎn)的CSB-Fuzzy Meater基于機器視覺技術通過對肉色、脂肪色、大理石花紋的識別可有效測量牛分割肉質(zhì)量和背膘厚度，但該設備無法在多種指標的基礎上判定牛肉綜合品質(zhì)。加拿大生產(chǎn)的CVS牛肉影像分級設備可判定牛分割肉眼肌切面大理石花紋等級和預測牛分割肉產(chǎn)量，但無法識別肉色和脂肪色。由美國科羅拉多州立大學聯(lián)合開發(fā)的Beefcam設備，可通過檢測眼肌顏色來判定牛肉嫩度，但其所檢測牛肉嫩度的指標并不全面，以致影響分級評判精度。美國農(nóng)業(yè)部ＲMS公司開發(fā)的VIAScan可滿足大型生產(chǎn)線加工需求，但其在食用品質(zhì)與口感預測方面仍需進一步加強。丹麥SFK研發(fā)的BCC在線牛胴體分級系統(tǒng)(圖18)，基于多視圖立體成像(完整的3D圖像)分析脂肪覆蓋率，將牛胴體加工智能化提升至新的高度。

　　1.3.3  羊胴體分級設備

　　20世紀80年代，相繼研發(fā)出了許多可同時側量背膘厚度與眼肌厚度并能自動記錄數(shù)據(jù)的儀器，可用于羊胴體自動分級的電子探針儀器主要有Hennesy Grading Probe、AUS-Meat Sheep Probe、Sweden FTC Lamb Probe和ＲuakuraGR lamb Probe，可對羊胴體進行客觀的質(zhì)量分級。相比歐美成熟的自動化分級裝備，我國的羊胴體分級產(chǎn)業(yè)化應用還處于空白。中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院采用氣動道岔、撥輪裝置、傳感器系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)設計了氣動式自動分級系統(tǒng)，可實現(xiàn)在線分級并能滿足1000～2000只/班的加工生產(chǎn)線要求。

　　1.3.4  禽胴體分級設備

　　在當前肉品生產(chǎn)加工企業(yè)，為追求生產(chǎn)效率與成本，胴體在線自動化加工勢在必行，荷蘭Meyn公司生產(chǎn)的家禽視覺分級設備(圖19)，可與分割生產(chǎn)線或去骨生產(chǎn)線集成使用，實現(xiàn)全線自動化作業(yè)。該公司生產(chǎn)的家禽分級系統(tǒng)基于機器視覺技術，通過對比家禽腹部和背部顏色可同時實現(xiàn)質(zhì)量和重量的分級。丹麥Linco公司生產(chǎn)的質(zhì)量分級系統(tǒng)(圖20)通過對禽體四周進行圖像采集，在分級的同時可以統(tǒng)計羽毛殘留、表皮破損等缺陷。國內(nèi)青島興儀電子設備有限公司研發(fā)的家禽稱重分級裝備，可根據(jù)檢測裝置檢測的重量進行自動分級擺放，無需人工參與，可應用于產(chǎn)業(yè)化。吉林艾克斯公司開發(fā)了4種稱重分級生產(chǎn)線，可實現(xiàn)多級別、智能化的在線分級，生產(chǎn)效率可達1萬只/h。

　　通過在生產(chǎn)車間設備、環(huán)節(jié)植入數(shù)據(jù)采集芯片、傳感器，對設備、工藝、生產(chǎn)參數(shù)等數(shù)據(jù)進行實時采集、監(jiān)控、分析、統(tǒng)計、診斷和保養(yǎng)等，可實現(xiàn)ERP( Enterprise Ｒesource Planning)管理。

　　目前吉林艾克斯公司已經(jīng)可以將數(shù)據(jù)通過遠程控制方式進行云儲存、云計算，在監(jiān)控中在線進行遠程分析與診斷，還可以進行遠程培訓指導設備操作與維修。畢然等針對生產(chǎn)過程質(zhì)量管理，開發(fā)了基于分級管理報送數(shù)據(jù)的生豬屠宰監(jiān)管技術系統(tǒng)，并于山東省多家屠宰企業(yè)進行試運用，提高了生產(chǎn)監(jiān)管水平。姬五勝等設計并實現(xiàn)了一種與ZigBee網(wǎng)絡相融合的無線射頻識別系統(tǒng)，將ZigBee無線通信技術與RFID技術相融合，并應用于屠宰信息的追溯，可提高屠宰場信息化和自動化水平，并保證生產(chǎn)安全。陳長喜等設計了肉雞產(chǎn)業(yè)技術體系生產(chǎn)監(jiān)測與產(chǎn)品質(zhì)量可追溯平臺，包括肉雞生產(chǎn)加工過程等對各子系統(tǒng)實時信息采集與通訊，實現(xiàn)了肉雞從生產(chǎn)屠宰加工到冷鏈運輸儲存等所有環(huán)節(jié)信息的可追溯，保證了雞肉品質(zhì)的安全性。

　　《未完待續(xù)》