摘要：現(xiàn)階段，智能化加工裝備與技術(shù)代表著生產(chǎn)力，是提高生產(chǎn)效率、轉(zhuǎn)變發(fā)展方式的物質(zhì)基礎(chǔ)，智能化裝備技術(shù)在畜禽加工過程中的應(yīng)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?？偨Y(jié)了智能化裝備在畜禽屠宰、分割和分級等加工過程中的應(yīng)用，歸納了國內(nèi)外學(xué)者在機器視覺、光譜檢測、多種技術(shù)融合、X射線CT成像和超聲波成像等智能化技術(shù)在畜禽加工領(lǐng)域的諸多研究成果，分析了當(dāng)前畜禽加工中存在的智能裝備不系統(tǒng)、智能化技術(shù)不成熟的問題現(xiàn)狀，展望了未來智能裝備技術(shù)在畜禽加工中設(shè)備類型標(biāo)準(zhǔn)、多樣化，提高設(shè)備集成化水平，促進(jìn)技術(shù)融合等發(fā)展趨勢，為畜禽加工智能化裝備技術(shù)研究與行業(yè)智能化發(fā)展提供相關(guān)信息和參考。

　　關(guān)鍵詞：智能化裝備；智能化技術(shù)；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(dá)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(jié)構(gòu)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?jǐn)?shù)據(jù)顯示，自20世紀(jì)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(yù)測，未來一段時間還將繼續(xù)保持上升趨勢并進(jìn)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(jì)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(jìn)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(shè)備簡陋、技術(shù)低下引發(fā)的細(xì)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(shù)研究較早，目前胴體等級技術(shù)已趨于完善。我國肉品分級技術(shù)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(jìn)了畜禽肉類加工裝備與技術(shù)智能化的應(yīng)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(jìn)的技術(shù)并得以產(chǎn)業(yè)化應(yīng)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(jìn)，畜禽加工智能裝備產(chǎn)業(yè)也將進(jìn)入創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展的時期。

　　本文綜述了當(dāng)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(yīng)用現(xiàn)狀，介紹了國內(nèi)外相關(guān)企業(yè)智能裝備研發(fā)產(chǎn)業(yè)化情況，總結(jié)了國內(nèi)外學(xué)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(shù)在畜禽加工領(lǐng)域的研究進(jìn)展。為畜禽加工智能化裝備技術(shù)研究與行業(yè)智能化發(fā)展提供相關(guān)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(jìn)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(shè)備

　　智能屠宰裝備是針對畜禽屠宰過程中的工序而設(shè)計研發(fā)的。當(dāng)前智能化屠宰設(shè)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(jì)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(shè)備應(yīng)用。當(dāng)前，由荷蘭STOＲK公司生產(chǎn)的米達(dá)斯型全自動低壓高頻電擊暈機(圖2)最為先進(jìn)，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(shè)備(圖3) 上的伺服驅(qū)動線性導(dǎo)向系統(tǒng)可實現(xiàn)輸送機系統(tǒng)和機運裝置完全同步進(jìn)行。

　　20世紀(jì)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(jié)合使用，在保證實現(xiàn)生豬快速窒暈同時，可有效避免應(yīng)激反應(yīng)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(shè)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(dá)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(chǔ)上若要達(dá)到高智能化仍需進(jìn)一步完善。BANSS公司設(shè)計的DDM240-2-2型設(shè)備(圖4) 可實現(xiàn)豬體打毛達(dá)240頭/h，并且可實現(xiàn)燙毛到打毛之間全封閉轉(zhuǎn)移，其針對牛、馬剝皮的BE系列設(shè)備(圖5) ，適合安裝到連續(xù)、間歇式的屠宰設(shè)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(xué)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(zhǔn)備工作。

　　1.2  智能化分割設(shè)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(shè)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(dǎo)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(dá)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(shè)備成本，CSRO實驗室通過引入機器視覺與改進(jìn)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(shù)，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(shù)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(shù)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(shè)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(gòu)，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(shè)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(jìn)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(shè)計了三指三關(guān)節(jié)家禽自動凈膛末端執(zhí)行器機構(gòu)，通過對執(zhí)行器角度、姿態(tài)等進(jìn)行分析研究，并對其進(jìn)行運動學(xué)求解，驗證了執(zhí)行器機構(gòu)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(jìn)行改進(jìn)，可根據(jù)檢測的壓力對機械手進(jìn)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(shè)備

　　肉類分級系統(tǒng)是指將不同畜禽肉類按品質(zhì)進(jìn)行劃分和判定，通過肉類分級可規(guī)范生產(chǎn)和引導(dǎo)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(shù)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(shè)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(guān)性，在此基礎(chǔ)上丹麥SFK 公司開發(fā)的Meater Fat Automatic(MFA)和Fat-O-Meater(FOM)(圖12)可進(jìn)行自動檢測并對背膘厚度相同體重不同的豬進(jìn)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(yù)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(zhǔn)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(shù)的發(fā)展，F(xiàn)OM和HGP測定的瘦肉率預(yù)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(biāo)準(zhǔn)。中國農(nóng)機院設(shè)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(yīng)用于家畜加工生產(chǎn)線。

　　隨著超聲波技術(shù)的應(yīng)用，日本的Tokyo KeiKi公司研制了LS-1000、CS-3000設(shè)備，可在線對脂肪含量進(jìn)行測量，并測量大理石紋理。20世紀(jì)90年代，丹麥SFK 公司設(shè)計了名為AUTOFOM的自動超聲波掃描設(shè)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(jìn)行快速測量，過程快速且結(jié)果精準(zhǔn)，速度可達(dá)1150頭/h，其對背膘厚度和肌肉厚度預(yù)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(chǔ)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(jié)構(gòu)，運算出所含肉量與其他數(shù)據(jù)指標(biāo)，基本實現(xiàn)了高準(zhǔn)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(shè)備儀器方面取得了新的研究進(jìn)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(shè)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(jìn)行關(guān)聯(lián)同時分析，但其設(shè)備的可便攜程度不高。李翠玲等基于多光譜成像技術(shù)開發(fā)了檢測新鮮豬肉的便攜式設(shè)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(shè)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(jìn)行控制。

　　1.3.2  牛胴體分級設(shè)備

　　牛胴體自動化分級的主流技術(shù)主要基于機器視覺和圖像處理技術(shù)。德國生產(chǎn)的CSB-Fuzzy Meater基于機器視覺技術(shù)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(shè)備無法在多種指標(biāo)的基礎(chǔ)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(shè)備可判定牛分割肉眼肌切面大理石花紋等級和預(yù)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(xué)聯(lián)合開發(fā)的Beefcam設(shè)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(biāo)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(yù)測方面仍需進(jìn)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(shè)備

　　20世紀(jì)80年代，相繼研發(fā)出了許多可同時側(cè)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(jìn)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(yīng)用還處于空白。中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)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(shè)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(shè)備

　　在當(dāng)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(shè)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(shù)，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(jìn)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(shè)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(jìn)行自動分級擺放，無需人工參與，可應(yīng)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(dá)1萬只/h。

　　通過在生產(chǎn)車間設(shè)備、環(huán)節(jié)植入數(shù)據(jù)采集芯片、傳感器，對設(shè)備、工藝、生產(chǎn)參數(shù)等數(shù)據(jù)進(jìn)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(yuǎn)程控制方式進(jìn)行云儲存、云計算，在監(jiān)控中在線進(jìn)行遠(yuǎn)程分析與診斷，還可以進(jìn)行遠(yuǎn)程培訓(xùn)指導(dǎo)設(shè)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(shù)系統(tǒng)，并于山東省多家屠宰企業(yè)進(jìn)行試運用，提高了生產(chǎn)監(jiān)管水平。姬五勝等設(shè)計并實現(xiàn)了一種與ZigBee網(wǎng)絡(luò)相融合的無線射頻識別系統(tǒng)，將ZigBee無線通信技術(shù)與RFID技術(shù)相融合，并應(yīng)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(shè)計了肉雞產(chǎn)業(yè)技術(shù)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)》