水果分揀技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展

李梅

摘 要：我國作為農(nóng)業(yè)大國，水果產(chǎn)業(yè)所占的國際貿(mào)易額卻一直很低。其主要原因是水果的產(chǎn)后處理能力低下。結(jié)合當(dāng)前國內(nèi)外水果分揀技術(shù)和水果分揀產(chǎn)品的研究現(xiàn)狀，提出了我國水果分揀技術(shù)發(fā)展的方向，一是電子稱重、圖像識(shí)別、近紅外光譜分析技術(shù)的智能分揀；二是在上料、卸料、分選、裝箱、包裝、碼垛整個(gè)過程中實(shí)現(xiàn)全面自動(dòng)化分揀。

關(guān)鍵詞：水果分揀技術(shù)；大小分揀；重量分揀；外部品質(zhì)分揀；內(nèi)部品質(zhì)分揀；分揀產(chǎn)品

中圖分類號(hào)：TS255.35 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-7394（2018）02-00121-04

水果產(chǎn)業(yè)是我國種植業(yè)中的第三大產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國水果產(chǎn)量每年都在急劇增長。據(jù)統(tǒng)計(jì)：我國水果產(chǎn)量從2005年的10 026萬噸增加到了2015年的27 381萬噸，短短的10年間，水果的總產(chǎn)量竟然增長將近3倍。雖然目前我國水果的總產(chǎn)量很高，水果的品質(zhì)也因?yàn)榧藿拥燃夹g(shù)的進(jìn)步有所提升，接近于國際先進(jìn)水平，但是我國水果的整體競爭力卻始終比較低，在國際貿(mào)易份額中所占比例始終低于3%。水果的總產(chǎn)量和貿(mào)易額之間存在著很大的反差，造成這一現(xiàn)象的根本原因在于我國的水果的商品化產(chǎn)后處理能力低，造成市場核心競爭力較低。

水果的市場核心競爭力主要取決于水果品質(zhì)和水果的產(chǎn)后處理兩大因素。當(dāng)前，我國的水果品質(zhì)已經(jīng)接近國際先進(jìn)水平。造成我國水果國際競爭力低的原因在于我國的水果產(chǎn)后處理能力不足。在上線、清洗、打蠟、烘干、分揀等這些水果產(chǎn)后處理的自動(dòng)線流程中，除了分揀以外，其他的處理技術(shù)一般都是工序的啟停等流水線操作，比較容易解決。所以水果的分揀技術(shù)才是水果產(chǎn)后處理的關(guān)鍵技術(shù)。但是，目前我國的水果檢測和分揀技術(shù)比較落后，致使我們接近于國際品質(zhì)的水果沒有真正地被分揀出來。這些優(yōu)質(zhì)的水果只能以三流水果的價(jià)格進(jìn)行出售，水果的產(chǎn)品附加價(jià)值沒有得到很好的保證。及時(shí)提高我國水果產(chǎn)后處理能力的關(guān)鍵所在就變成了水果的分揀技術(shù)的提高。本文在概述研究水果分揀技術(shù)的重要意義的同時(shí)，分析了當(dāng)前國內(nèi)外水果分揀技術(shù)及水果分揀產(chǎn)品的研究現(xiàn)狀，結(jié)合研究現(xiàn)狀提出了今后水果分揀技術(shù)的發(fā)展方向。

1 國內(nèi)外水果分揀技術(shù)的研究現(xiàn)狀

根據(jù)水果的內(nèi)外部品質(zhì)及大小對(duì)水果進(jìn)行分選是目前水果分揀技術(shù)的主要依據(jù)。這和顧客去市場挑選水果是一樣的，總是會(huì)首先看水果的大小，看大小是否合適，有超大的、大的、中等的、小的還有過小的等幾種規(guī)格，然后會(huì)挑選水果的色澤也就是其品質(zhì)，會(huì)挑選水果的顏色、外形、外部品質(zhì)的完整度，等等，最后顧客還會(huì)問問店家水果的口感，比如是否酸、甜、澀，等等。水果的分揀也和顧客挑選水果的原則一樣，即按照其品質(zhì)和大小及其不同的規(guī)格進(jìn)行分揀。因此，按照水果的內(nèi)外部品質(zhì)和大小重量進(jìn)行分揀是當(dāng)前國內(nèi)外水果分揀技術(shù)的兩個(gè)主要研究方向。

1.1 基于大小分揀的水果分揀技術(shù)的研究現(xiàn)狀

依據(jù)水果的直徑大小對(duì)水果進(jìn)行分揀稱為基于大小的分揀技術(shù)。在我國市場上經(jīng)常能見到的基于這種分揀技術(shù)的分揀機(jī)，如滾筒篩孔式水果大小分揀機(jī)和輥帶式水果大小分揀機(jī)。這類分揀機(jī)主要是機(jī)械式分揀，它的優(yōu)點(diǎn)是機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉、分揀速度快，工作效率高，缺點(diǎn)是這種分揀技術(shù)在分揀過程中水果在分揀機(jī)上受到水果相互之間以及水果與設(shè)備之間摩擦力的時(shí)間長，水果的外部品質(zhì)比較容易被破壞，而且當(dāng)水果的果形不規(guī)則的時(shí)候，分揀的結(jié)果則會(huì)存在較大偏差。比如滾筒篩孔式的水果大小分揀機(jī)由多個(gè)滾筒組成，每個(gè)滾筒的直徑約為80cm，根據(jù)分選的目標(biāo)要求在每個(gè)滾筒上裝有相同孔徑大小的篩孔，這些滾筒根據(jù)篩孔大小的不同由小到大進(jìn)行有序排列。它的分選原理是不同直徑大小的水果在遇到滾筒上大小不一的篩孔時(shí)，會(huì)先后從對(duì)應(yīng)的篩孔漏下，大的篩孔會(huì)使大的直徑的水果漏下，小的篩孔會(huì)使小直徑的水果漏下，從而就達(dá)到水果分揀的目的。這類分揀技術(shù)主要用于柑橘類水果果實(shí)的分揀。

1.2 基于重量分揀的水果分揀技術(shù)的研究現(xiàn)狀

利用杠桿原理對(duì)水果的重量進(jìn)行分揀的分揀機(jī)是早期的機(jī)械秤稱重式分揀機(jī)。機(jī)械秤稱重式分揀機(jī)由移動(dòng)托盤（相當(dāng)于移動(dòng)秤）和數(shù)個(gè)固定秤組成，移動(dòng)托盤和固定秤相當(dāng)于可繞支點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的兩根杠桿，平時(shí)處于鎖定狀態(tài)。每個(gè)固定秤上砝碼重量各異。當(dāng)載有水果的移動(dòng)托盤移動(dòng)至固定秤時(shí)，移動(dòng)托盤右端與固定秤左端處于結(jié)合狀態(tài)，如果此時(shí)移動(dòng)托盤上水果重量所產(chǎn)生的力矩大于固定秤的力矩，則水果被傾斜而出，完成水果分揀作業(yè)[1]。這種機(jī)械式水果重量分揀機(jī)雖然對(duì)水果的外部品質(zhì)的損傷較小，但是其受到各種外界因素的影響較大，產(chǎn)生的誤差有可能會(huì)造成分揀精度的降低。

隨著近年來科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步以及各個(gè)學(xué)科之間的相互滲透，當(dāng)前國內(nèi)外專家成功研制了電子稱重式分選機(jī)。使用傳感器來采集水果的重量信息是電子稱重式分揀機(jī)的特點(diǎn)，它將傳感器采集來的水果的信息輸出至微機(jī)控制系統(tǒng)，由系統(tǒng)對(duì)傳感器采集來的信號(hào)進(jìn)行采樣、放大等處理，最后由微機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)出指令去控制相應(yīng)的執(zhí)行部件進(jìn)行動(dòng)作，達(dá)到精確分揀水果重量的目的。王新亭等[2]根據(jù)現(xiàn)有的電子稱重式分選機(jī)系統(tǒng)，改良系統(tǒng)的測控部分，使用單片機(jī)進(jìn)行控制。這種控制方式具有更高精度和更高的控制靈活度，在實(shí)際中具有更廣的應(yīng)用前景。國外的電子稱重式分選機(jī)已經(jīng)較為成熟，比較好的有美國AUTOLINE公司和以色列ESHET EILON公司生產(chǎn)的。這些電子稱重式分選機(jī)具有較為成熟的檢檢測技術(shù)和較高的工作效率，另外，其分選精度也很高。但是這些設(shè)備卻難以在我國推廣使用，主要是因?yàn)樗膬r(jià)格比較高，而且操作過程較為復(fù)雜。

1.3 基于外部品質(zhì)分揀的水果分揀技術(shù)的研究現(xiàn)狀

根據(jù)水果的外部因素進(jìn)行分揀是基于外部品質(zhì)分揀的水果分揀技術(shù)。水果的外部品質(zhì)主要表現(xiàn)在水果的大小、形狀、色澤等外部因素。目前這種基于外部品質(zhì)分揀的水果分揀方法主要有光電色澤法和計(jì)算機(jī)圖像處理法。水果的外部顏色的差異導(dǎo)致其在被一定光照射的時(shí)候反射回來的光的波長不同，這是光電色澤法分揀水果外部品質(zhì)的依據(jù)。根據(jù)綠色和紅色蘋果的反射光強(qiáng)的不同，且綠色蘋果比紅色蘋果反射光強(qiáng)度大的原理，可以把蘋果分為全綠果、半綠果和全紅果等級(jí)別。與光電色澤法只能處理水果某一方面的信息相比，計(jì)算機(jī)圖像處理分揀法就可以同時(shí)分析水果的多種品質(zhì)。它以CCD攝像頭捕捉水果圖像，再根據(jù)捕獲的圖像對(duì)水果的尺寸大小、果形情況、果實(shí)的成熟度以及果實(shí)的表面損傷度進(jìn)行一次性檢測，測得的具體數(shù)據(jù)，根據(jù)測得數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷。這種分揀技術(shù)的自動(dòng)化程度比較高，是分揀技術(shù)發(fā)展的趨勢，但是其也有一些難題需要攻克，比如說信息處理的速度太慢，需要處理的信息的數(shù)據(jù)量很大，需要處理的時(shí)間會(huì)很長，實(shí)時(shí)系統(tǒng)難以完成，等等。

1.4 基于內(nèi)部品質(zhì)分揀的水果分揀技術(shù)的研究現(xiàn)狀

水果的酸甜可口程度、軟硬程度、是否有內(nèi)部缺陷等是水果內(nèi)部品質(zhì)的因素所在。目前，主要是采用破壞性的實(shí)驗(yàn)對(duì)水果進(jìn)行內(nèi)部品質(zhì)的檢測。檢測硬度的方法主要有變形法和聲學(xué)法。但是這兩種方法中無論哪一種都有一定的缺陷，比如變形法僅可以測量水果的部分硬度情況，聲學(xué)法卻在噪音等環(huán)境下無法實(shí)施。既可以檢測水果的糖度又可以檢測水果的硬度的方法是近紅外線法和核磁共振法。因?yàn)樗膬?nèi)部成分的差異，導(dǎo)致水果對(duì)不同波長的近紅外線光的反射和吸收的程度也不同，進(jìn)而產(chǎn)生光譜也不同，通過分析這些光譜的情況就可以分析出糖度和硬度狀況，這就是近紅外線法進(jìn)行內(nèi)部品質(zhì)分揀的依據(jù)。李光梅等[3]在檢測水果糖度和硬度的內(nèi)部品質(zhì)時(shí)使用了近紅外分光法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：近紅外分光法在檢測出水果糖度、酸度的同時(shí)還檢測出了水果的內(nèi)部缺陷，達(dá)到了對(duì)水果內(nèi)部品質(zhì)進(jìn)行在線檢測的要求。

2 國內(nèi)外水果分揀技術(shù)產(chǎn)品狀況

2.1 國外公司產(chǎn)品狀況

國外水果分揀技術(shù)的發(fā)展較為先進(jìn)，他們很早就開始對(duì)水果分揀技術(shù)進(jìn)行研究并對(duì)研究成果進(jìn)行產(chǎn)品化。早在1995年，美國人就研制出主要用于蘋果分揀處理的基于計(jì)算機(jī)視覺的高速高頻水果分級(jí)系統(tǒng)Merling。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，最新利用杠桿原理的新型電子測量儀器可以用來檢測水果的重量，Decco型分級(jí)機(jī)就是這樣一種按重量分級(jí)的果實(shí)分級(jí)機(jī)產(chǎn)品。它是由美國Penwalt公司研制生產(chǎn)的。利用機(jī)器視覺水果分揀設(shè)備在美國研發(fā)使用的也比較早，比如美國俄勒岡州的Alle Electronics公司的“Inspecttronic”裝置和Autoline 公司的Model6 型機(jī)器視覺水果分級(jí)機(jī)。這兩種設(shè)備都可以利用CCD攝像機(jī)對(duì)水果的形狀大小、尺寸大小、顏色狀態(tài)等進(jìn)行分揀。在水果分揀技術(shù)上，日本人也不甘落后，他們首先研制出了傳感器，這些傳感器通過可見光和近紅外線來測定梨、蘋果成熟度，然后又一種選果裝置，這種選果裝置能夠快速判別水果成熟度和色澤，而且他們還將這些測定梨、蘋果成熟度的傳感器和能夠快速判別水果成熟度和色澤的選果裝置應(yīng)用在自動(dòng)化的水果分揀、包裝生產(chǎn)線上，這種生產(chǎn)線具有高度自動(dòng)化的特點(diǎn)，也實(shí)現(xiàn)了對(duì)水果的無損分揀[4]。

2.2 國內(nèi)公司產(chǎn)品狀況

相較于國外的水果分揀技術(shù)產(chǎn)品，國內(nèi)的產(chǎn)品就落后很多，大多數(shù)產(chǎn)品還都限于機(jī)械分級(jí)階段，主要用來對(duì)水果的大小和重量進(jìn)行分揀。比如：滾筒篩孔式水果大小分揀機(jī)和輥帶式水果大小分揀機(jī)。6GF-1.0型水果大小分級(jí)機(jī)屬于輥帶式水果大小分揀機(jī)，或稱間隙式水果分揀機(jī)。分揀時(shí)，由于分級(jí)輥和輸送帶的運(yùn)動(dòng)形式不同，使得直徑小于輥與輸送帶之間間隙的水果掉入水果槽。基于重量進(jìn)行分揀的分揀機(jī)比較有代表性的是GXJ-W 系列臥式果蔬分選機(jī)。它是由山東省棲霞茂源機(jī)械設(shè)備公司生產(chǎn)的，能夠根據(jù)水果的重量對(duì)蘋果等類似球形的水果進(jìn)行分級(jí)[5]。在我國，目前較為先進(jìn)的水果分揀產(chǎn)品比如機(jī)器視覺的水果分揀技術(shù)基本還都處于實(shí)驗(yàn)室階段。國內(nèi)廠商如果要對(duì)水果進(jìn)行高質(zhì)量的檢測，大多數(shù)都需要引進(jìn)國外的針對(duì)大農(nóng)場生產(chǎn)所設(shè)計(jì)的水果品質(zhì)自動(dòng)檢測生產(chǎn)線設(shè)備。但是國內(nèi)和國外的農(nóng)業(yè)模式不同，我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式大多是小農(nóng)戶生產(chǎn)，這些進(jìn)口設(shè)備在實(shí)際檢測中并不實(shí)用。2004年，浙江大學(xué)課題組研究出一套基于計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)的水果品質(zhì)智能化實(shí)時(shí)檢測與分級(jí)生產(chǎn)線。該生產(chǎn)線通過先進(jìn)的水果輸送系統(tǒng)、精確的高速分級(jí)機(jī)構(gòu)和完善的自動(dòng)控制系統(tǒng)等機(jī)構(gòu)對(duì)水果的多種品質(zhì)進(jìn)行分揀，包括水果的大小、形狀、顏色以及內(nèi)部缺陷等，真正實(shí)現(xiàn)了檢測指標(biāo)的多元化[6]。

3 結(jié)語

綜上所述，水果分揀技術(shù)目前在國內(nèi)外都得到了一定程度的發(fā)展，整體上國外的水果分揀技術(shù)比國內(nèi)的要先進(jìn)，但是，國外水果分選機(jī)的價(jià)格比較昂貴，使得國內(nèi)廠家無法真正使用。近年來，國內(nèi)的水果分揀技術(shù)也得到了一定程度的發(fā)展，產(chǎn)品化也有了一定的規(guī)模，但是目前還無法開展大規(guī)模的推廣應(yīng)用。目前市場上的水果分揀機(jī)都只是采用某一單一形式的分揀，分揀的目標(biāo)過于單一，對(duì)水果的多個(gè)品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行檢測時(shí)，處理速度較慢。如何在一條生產(chǎn)線上完成兩種或兩種以上水果規(guī)格的分揀，對(duì)水果品質(zhì)進(jìn)行精細(xì)分揀，這是目前國內(nèi)學(xué)者需要繼續(xù)研究的難題。結(jié)合當(dāng)前國內(nèi)外的水果分揀技術(shù)和我國目前多是利用重量和大小分級(jí)設(shè)備進(jìn)行分級(jí)的機(jī)械分級(jí)法的現(xiàn)狀，筆者認(rèn)為在現(xiàn)有國內(nèi)國外的水果分揀技術(shù)研究成果的基礎(chǔ)上，探索新的理論和方法，實(shí)施水果的智能分揀和自動(dòng)分揀將是我國水果分揀技術(shù)的發(fā)展方向。所謂智能分揀就是指通過電子稱重、圖像識(shí)別、近紅外光譜分析等現(xiàn)代化技術(shù)對(duì)水果的內(nèi)外部品質(zhì)進(jìn)行分揀，而自動(dòng)分揀就是指水果在整個(gè)分揀過程中全面實(shí)施自動(dòng)化，包括上料、卸料、分選、裝箱、包裝、碼垛等。加大水果智能分揀和自動(dòng)分揀技術(shù)的研究力度并將這些新技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，將對(duì)我國水果產(chǎn)后處理能力提升起到非常重要的作用，必然能夠降低目前水果分揀產(chǎn)業(yè)工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高我國水果的整體國際競爭力，創(chuàng)造出巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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Research Status and Development of Fruit Sorting Technology

LI Mei

（Fuyang Institute of Technology， Fuyang 236031， China）

Abstract： China is a large agricultural country.fruit industry has low international turnover. The main reason is the fruit post-partum processing capacity is poor. This paper summarizes the significance of the research on fruit sorting technology， analyzing the current research status of fruit sorting technology and sorting products at home and abroad， raising the directions of fruit sorting technology in the future.Automation of electronic weighing，image recognition，intelligent and Loading.unloading，sorting，packing and stacking by near infrared spectros copy.

Key words： fruit sorting technology； size sorting； weight sorting； external quality sorting； internal quality sorting； sorting products

責(zé)任編輯 祁秀春