摘要：智能制造是制造技術(shù)與數(shù)字化技術(shù)、智能技術(shù)及新一代信息技術(shù)的交叉融合，是未來食品制造的必然發(fā)展趨勢(shì)。作者從食品智能設(shè)計(jì)與優(yōu)化、食品生產(chǎn)智能管控、食品制造裝備智能化等方面綜述并展望了智能制造技術(shù)在食品工業(yè)中的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，以期為食品智能制造在食品工業(yè)發(fā)揮更大的作用，引領(lǐng)食品工業(yè)跨入智能發(fā)展新階段提供參考。

　　關(guān)鍵詞：食品制造；智能；工藝設(shè)計(jì)；生產(chǎn)管控；制造裝備

　　智能制造（Intelligent Manufacturing，IM）是指由智能機(jī)器和人類專家共同組成的人機(jī)一體化智能系統(tǒng)，它在制造過程中能進(jìn)行諸如分析、推理、判斷、構(gòu)思和決策等智能活動(dòng)。“工業(yè)4.0”的提出及隨之各國(guó)的“再工業(yè)化”國(guó)家戰(zhàn)略核心都是通過建立一個(gè)高度靈活的個(gè)性化和數(shù)字化的產(chǎn)品與服務(wù)的生產(chǎn)模式，重點(diǎn)發(fā)展以智能制造技術(shù)為核心的先進(jìn)制造業(yè)，為此以智能制造為代表的先進(jìn)食品制造技術(shù)也必然成為是未來食品產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向。

　　食品智能制造即圍繞智能制造的感知、決策、控制及執(zhí)行一體化特征，結(jié)合食品制造特點(diǎn)及技術(shù)瓶頸，以食品制造數(shù)據(jù)服務(wù)為中心，從食品智能設(shè)計(jì)、生產(chǎn)智能管控、制造裝備智能化等方面全面突破食品智能制造技術(shù)的研究與應(yīng)用，從而實(shí)現(xiàn)管控全面信息化、作業(yè)高度自動(dòng)化、決策智能化（見圖1）。通過智能制造組織改進(jìn)的食品生產(chǎn)將實(shí)現(xiàn)3方面優(yōu)化，即：（1）信息流優(yōu)化，包括在線檢測(cè)、工業(yè)互聯(lián)、數(shù)據(jù)集成、數(shù)字模型、優(yōu)化設(shè)定和精準(zhǔn)控制，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量全流程管控、一體化計(jì)劃調(diào)度等；（2）能量流優(yōu)化，包括余熱余能高效回收利用、多能源介質(zhì)之間高效轉(zhuǎn)化、物質(zhì)能量協(xié)同優(yōu)化等；（3）物質(zhì)流優(yōu)化， 包括食品加工工序及全流程物流網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等，從而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化和最高效食品生產(chǎn)，應(yīng)對(duì)人口日益增長(zhǎng)、資源不斷緊缺和勞動(dòng)力成本持續(xù)上升的食品產(chǎn)業(yè)挑戰(zhàn)。

　　1  食品數(shù)字化設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)

　　產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)是食品制造的基礎(chǔ)，工藝技術(shù)的研發(fā)和優(yōu)化是智能制造產(chǎn)業(yè)鏈設(shè)計(jì)和加工過程控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。近年來，數(shù)字化技術(shù)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的產(chǎn)品和工藝設(shè)計(jì)中，但針對(duì)復(fù)雜食品體系以及多環(huán)交互的食品加工過程，數(shù)字化設(shè)計(jì)和優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用尚處于起步階段。

　　食品數(shù)字化設(shè)計(jì)即根據(jù)食品加工過程的物理、化學(xué)和生物變化的基本理論，建立復(fù)雜食品體系或者加工過程中組分、結(jié)構(gòu)、品質(zhì)與加工工藝參量之間相互關(guān)聯(lián)的模型，主要包括食品品質(zhì)和食品結(jié)構(gòu)的表達(dá)模型、食品加工過程的模擬仿真及優(yōu)化等。食品數(shù)字化設(shè)計(jì)可以將加工過程的熱量、動(dòng)量、能量平衡等工藝參數(shù)與食品從微觀到宏觀的結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品質(zhì)構(gòu)和理化特性相互連通，從而更精準(zhǔn)地表征食品品質(zhì)和加工變化的過程，為食品加工過程的精準(zhǔn)控制提供基礎(chǔ)。從食品的結(jié)構(gòu)層面看，大多數(shù)食品為復(fù)雜多組分、多結(jié)構(gòu)、多界面體系，其分子運(yùn)動(dòng)在宏觀上呈現(xiàn)出晶態(tài)、玻璃態(tài)、高彈態(tài)、粘流態(tài)等多相態(tài)特征。食品物理結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能方面的品質(zhì)變化通?？梢杂肳illiams -Landel -Ferry（WLF）、Einstein、Eilers等動(dòng)力學(xué)方程數(shù)值擬合建模。近年來的研究表明，基于無網(wǎng)格的3D粒子空間架構(gòu)在模擬結(jié)構(gòu)變形、多相現(xiàn)象和復(fù)雜物理性質(zhì)方面的優(yōu)越性，如Rathnayaka等運(yùn)用其更真實(shí)地預(yù)測(cè)了3D細(xì)胞結(jié)構(gòu)形態(tài)變化（見圖2）。Wijerathne等提出一種新的粒度多尺度數(shù)值模型，用于預(yù)測(cè)干燥過程中食用植物組織的體積水平（宏觀尺度）變形。同時(shí)有限元等也不斷地應(yīng)用于食品的表征中，如Karunasena等使用光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)（SPH）和離散元法（DEM）建模，通過將其近似為不可壓縮的牛頓流體來模擬黏性細(xì)胞原生質(zhì)（細(xì)胞液）。但由于食品的多元性和復(fù)雜性，目前仍沒有較好的模型來揭示組分間的分子鏈聚集態(tài)與聚集組裝行為，以及從食品組分微結(jié)構(gòu)變化函數(shù)映射到整體品質(zhì)變化的方法。從食品的加工過程分析，主要是基于“三傳一反”理論，將復(fù)雜的加工過程簡(jiǎn)化為最基本的動(dòng)量、能量、質(zhì)量傳遞和化學(xué)反應(yīng)，目前常采用COMSOL、ANSYS等商用有限元軟件進(jìn)行模擬仿真，能解決很多實(shí)驗(yàn)手段受到限制情況下的參數(shù)（如全場(chǎng)速度、溫度、濃度等）分析，以及粒子追蹤等常規(guī)實(shí)驗(yàn)無法解決的問題；除此之外，通過模擬仿真可以相較于實(shí)驗(yàn)手段經(jīng)濟(jì)、快速、便捷地確定各種最優(yōu)參數(shù)，從而指導(dǎo)制造過程的優(yōu)化，達(dá)到品質(zhì)最優(yōu)、能耗最低、效率最高等多種目的。熱殺菌一直是食品加工過程中能耗水耗較大，且對(duì)食品最終品質(zhì)影響較大的一個(gè)工序。劉東紅等模擬了液態(tài)食品、金槍魚罐頭等對(duì)象的靜置、傾斜、旋轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)形式熱殺菌過程，揭示了液態(tài)罐頭食品溫度冷點(diǎn)與F值位置有所差異，開發(fā)了仿真平臺(tái)對(duì)罐頭食品熱殺菌過程進(jìn)行工藝優(yōu)化。啤酒發(fā)酵是一個(gè)高度復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，Rodman等開發(fā)了一種模擬退火（SA）算法，目標(biāo)函數(shù)以乙醇的最大化以及批次時(shí)間的最小化，明確限制二乙?；鸵宜嵋阴舛?，在溫度控制在預(yù)期范圍內(nèi)時(shí)，可將批處理時(shí)間減少15h。

　　隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字孿生（Digital Twin，DT） 技術(shù)作為綜合利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射的數(shù)字化手段，已在汽車、輪船、航空航天、精密裝備制造等領(lǐng)域開展原型設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、工程設(shè)計(jì)等方面的數(shù)字化設(shè)計(jì)實(shí)踐（見圖3）。未來在食品制造領(lǐng)域，利用數(shù)字孿生技術(shù)打造映射物理空間的虛擬食品車間、食品數(shù)字工廠，推動(dòng)物理實(shí)體與數(shù)字虛體之間數(shù)據(jù)雙向動(dòng)態(tài)交互，根據(jù)賽博空間的變化及時(shí)調(diào)整食品加工制造工藝、優(yōu)化生產(chǎn)參數(shù)，提高生產(chǎn)效率。

　　2  食品生產(chǎn)智能管控

　　生產(chǎn)智能管控是指對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)流程進(jìn)行集成管理和控制，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程高度自動(dòng)化，主要包括：智能單元排產(chǎn)及調(diào)度、生產(chǎn)過程智能管控、實(shí)時(shí)監(jiān)控、智能數(shù)據(jù)采集等關(guān)鍵技術(shù)，集中表現(xiàn)就是具有自感知、自組織、自決策的智能控制系統(tǒng)。

　　專家系統(tǒng)（Expert system，ES）是一種具有特定領(lǐng)域內(nèi)大量知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)的程序系統(tǒng)，可執(zhí)行一系列不同復(fù)雜程度的感知、解釋、推理、學(xué)習(xí)、溝通和決策等，以便為給定問題找到解決方案。Cioara等提出了一種針對(duì)老年人營(yíng)養(yǎng)需求的專家系統(tǒng)，用于評(píng)估老年人長(zhǎng)期和短期的自我飲食習(xí)慣，以識(shí)別不良飲食模式、檢測(cè)營(yíng)養(yǎng)不良的早期狀態(tài)。該專家系統(tǒng)提供個(gè)性化干預(yù)計(jì)劃，可針對(duì)老年人特定營(yíng)養(yǎng)需求、健康狀況和食物偏愛提供特定的營(yíng)養(yǎng)教育、飲食處方和食物訂購(gòu)。Martinez Gila等設(shè)計(jì)了一個(gè)控制橄欖醬糊化過程的專家系統(tǒng)，以評(píng)估橄欖醬質(zhì)量并采取相應(yīng)措施；開發(fā)了一種由視覺攝像設(shè)備和不同的處理算法組成的糊化狀態(tài)傳感器，從獲取的圖像中提取特征，如浮油、黏度和粒度；該專家系統(tǒng)可在較大程度上提升橄欖醬的品質(zhì)，并且可顯著降低工廠能量消耗。Van Boekel等采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)人工智能建模方法對(duì)葡萄和葡萄酒的一級(jí)指標(biāo)對(duì)葡萄酒質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模方法，可有效克服品酒師的人為誤差，準(zhǔn)確反映葡萄酒的內(nèi)在品質(zhì)。

　　智能決策支持系統(tǒng)（Intelligent Decision-Making Support System，IDSS）是決策支持系統(tǒng)（Decision Making Support System，DSS）與專家系統(tǒng)的結(jié)合，其將定量計(jì)算功能進(jìn)行有效分析，進(jìn)而向決策人員提供有效幫助，以及決策服務(wù)相關(guān)智能化決策方案的制定（見圖4）。目前，IDSS在食品領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中于食品安全檢測(cè)上。Banakar等利用機(jī)器視覺系統(tǒng)和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)了無花果干質(zhì)量的智能分級(jí)，具有快速、準(zhǔn)確、可靠等優(yōu)點(diǎn)。研究者首先使用彩色CCD相機(jī)獲得了5種不同類別的圖像，利用基于相關(guān)性的特征選擇確定了最佳的無花果干分級(jí)特征。之后，結(jié)合決策樹-模糊邏輯技術(shù)，對(duì)無花果干進(jìn)行了分類。驗(yàn)證結(jié)果表明，該分級(jí)方法準(zhǔn)確率可達(dá)91.74％。類似的研究還包括Alshejari和Kodogiannis將多光譜成像技術(shù)與基于學(xué)習(xí)的識(shí)別模型相結(jié)合建立的新型肉類腐敗的監(jiān)測(cè)技術(shù)等。

　　整體設(shè)備效能（Overall Equipment Effectiveness，OEE）可用于評(píng)估制造業(yè)運(yùn)行的效能，即可用性、性能和質(zhì)量效率，現(xiàn)發(fā)展為衡量制造業(yè)生產(chǎn)力的黃金標(biāo)準(zhǔn)。目前，OEE已成為半導(dǎo)體制造中的必需定量工具。鑒于其優(yōu)勢(shì)，其他行業(yè)也紛紛采用OEE來提高資產(chǎn)利用率，并定制適合其特定行業(yè)特征和要求的程序。Zennaro針對(duì)一家行業(yè)領(lǐng)先飲料企業(yè)的飲料裝瓶生產(chǎn)線進(jìn)行了研究， 從公司的需求出發(fā)，確定生產(chǎn)線的關(guān)鍵控制點(diǎn)并評(píng)估其對(duì)OEE的影響。通過應(yīng)用成本績(jī)效指數(shù)（Cost Performance Indicator，CPI）進(jìn)行飲料行業(yè)詳細(xì)微觀停機(jī)時(shí)間數(shù)據(jù)收集和統(tǒng)計(jì)分析，并將其用于構(gòu)建支持改進(jìn)活動(dòng)的模擬模型。該研究揭示了自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)中減少停機(jī)時(shí)間對(duì)減低OEE的重要性，其所開發(fā)的統(tǒng)計(jì)分析方法還可用于進(jìn)一步研究特定機(jī)器的可靠性與整個(gè)生產(chǎn)線的可靠性之間的關(guān)系。Rodrigues 和Cabral針對(duì)一些預(yù)算和人力資源有限、無法安裝和運(yùn)行復(fù)雜自動(dòng)化數(shù)據(jù)收集和計(jì)算系統(tǒng)的食品企業(yè)，介紹了一種適用于改進(jìn)食品加工行業(yè)連續(xù)性的方法。該研究使用從包裝生產(chǎn)線收集的數(shù)據(jù)來模擬整個(gè)裝置的效率，提出了一種基于OEE幾何特性的啟發(fā)式方法，以定義應(yīng)針對(duì)哪些參數(shù)來制定改進(jìn)計(jì)劃。此外，研究還顯示了OEE與收益之間的關(guān)系，從而可以計(jì)算出改進(jìn)連續(xù)性流程的商業(yè)影響。研究表明：對(duì)在商業(yè)食品加工單元中收集的數(shù)據(jù)分析使得通過評(píng)估包裝設(shè)備的性能來確定效率損失的主要原因成為可能，并可確定將OEE從53.9％提高到74.1％的改進(jìn)策略；通過實(shí)施這種策略，預(yù)計(jì)可使凈收入增加88％。

　　智能制造裝備是指具有感知、分析、推理、決策、控制功能的制造裝備，它是先進(jìn)制造技術(shù)、信息技術(shù)和智能技術(shù)的集成和深度融合。

　　基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（Industrial Internet of Thing，IIOT）技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)在裝備中融入具有感知、監(jiān)控能力的傳感器和控制器，繼而實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，并智能分析、移動(dòng)通信以實(shí)現(xiàn)裝備的智能化轉(zhuǎn)變。DESAI等人設(shè)計(jì)發(fā)明了一種基于IIOT技術(shù)的智能加熱系統(tǒng)，包含加工、通信和其他信息技術(shù)組件，可遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制以及各種增值功能和服務(wù)。Krones公司的ReadyKit系統(tǒng)采用自身傳感器，可將與控制系統(tǒng)無關(guān)的包裝生產(chǎn)線無損連接到IIOT中。北美的Rockwell公司幫助乳制品加工企業(yè)Agropur 實(shí)施了一個(gè)集成的控制和信息系統(tǒng)，可訪問實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，從而消除了手動(dòng)數(shù)據(jù)收集并改善了設(shè)備綜合效率。

　　智能執(zhí)行終端如工業(yè)機(jī)器人（Industrial Robot，IR），是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度的機(jī)器裝置，集精密化、柔性化、智能化、軟件應(yīng)用開發(fā)等先進(jìn)制造技術(shù)于一體，通過對(duì)過程實(shí)施檢測(cè)、控制、優(yōu)化、調(diào)度、管理和決策，實(shí)現(xiàn)增加產(chǎn)量、提高質(zhì)量、降低成本、減少資源消耗和環(huán)境污染，是工業(yè)自動(dòng)化水平的最高體現(xiàn)。Komlatsky等人討論了魚體加工過程中包括接收、冷凍、分類、切割、洗滌、鹽腌、干燥、煙熏、擠壓、冷卻、包裝和存儲(chǔ)等配備了微處理器控制系統(tǒng)的專用自動(dòng)化機(jī)器人。自動(dòng)化系統(tǒng)。同時(shí)研究者開始研究與多個(gè)攝像機(jī)配合使用的低成本高性能的計(jì)算平臺(tái)，并使用深度學(xué)習(xí)算法實(shí)時(shí)檢查各種食品的質(zhì)量。利用機(jī)器人可以完成對(duì)豬牛羊的去毛、內(nèi)臟去除、分割、剔骨、包裝等工作，但因?yàn)樨i牛羊的體征差異以及不同個(gè)體差異，機(jī)器人在準(zhǔn)確識(shí)別位置進(jìn)行分割和剔骨方面還有待進(jìn)一步提高。澳大利亞西部的一個(gè)大型生豬屠宰場(chǎng)安裝了激光指導(dǎo)的切割機(jī)器人，通過掃描精確測(cè)量生豬的體型，使用機(jī)器人編程技術(shù)根據(jù)每頭豬不同的體型，將豬按規(guī)定模式進(jìn)行解剖。使用機(jī)器人切割豬肉，可以有效降低加工過程中刀具對(duì)操作者的傷害風(fēng)險(xiǎn)，而且還可以減少?gòu)U物的產(chǎn)生，降低人工操作的交叉污染。ABBFlexPicker機(jī)器人被用于Honeytop Specialty Foods 公司的Honeytop煎餅揀選自動(dòng)化，每分鐘可以揀選和堆疊110個(gè)煎餅，并準(zhǔn)確放置在傳送帶上，安裝在每個(gè)機(jī)器人前面的以太網(wǎng)攝像機(jī)可將每個(gè)煎餅的位置定位在下方移動(dòng)的傳送帶上。廚師機(jī)器人適用于任何環(huán)境，例如可將其放在溫度為800℃的比薩烤箱前。娃哈哈集團(tuán)針對(duì)乳飲料等吸管添加工作自動(dòng)化需求，開發(fā)設(shè)計(jì)基于Delta并聯(lián)機(jī)器人物料分選添加工作站，配置機(jī)器視覺及傳感技術(shù)，應(yīng)用于散、亂、輕、小物料的分選及定向添加，解決了吸管供給輸送與飲料瓶組輸送、吸管及瓶組位置識(shí)別、機(jī)器人吸管組抓取等問題，實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)吸管添加工作，負(fù)載能力0.5～5.0kg，最高抓取速度≥120次/分，重復(fù)定位精度±0.05mm，大大減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

　　未來隨著仿生技術(shù)、傳感技術(shù)、微電子技術(shù)、人工智能技術(shù)等發(fā)展，多技術(shù)集成，且具有自我運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、多軸聯(lián)動(dòng)、自主動(dòng)作執(zhí)行的新一代食品柔性制造系統(tǒng)值得進(jìn)一步探索。此外，通過自主感測(cè)以及可伸縮的納米導(dǎo)電材料，創(chuàng)制柔軟、可伸縮、可隨意變形、可感知外在環(huán)境因子、肌肉運(yùn)動(dòng)等優(yōu)勢(shì)的柔性化機(jī)器人， 更能適應(yīng)食品加工不同工序的需要。

　　4  展望

　　當(dāng)前在各種新型檢測(cè)和加工技術(shù)、智能制造技術(shù)和數(shù)據(jù)分析技術(shù)等的支持下，食品產(chǎn)業(yè)正逐漸向智能化轉(zhuǎn)型。隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、工業(yè)機(jī)器人等技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用，構(gòu)建高效節(jié)能、綠色環(huán)保、柔性精準(zhǔn)的智慧工廠將是未來食品智能制造的終極目標(biāo)。