食品制造業智能設備模型與技術發展

孫楚綠，張迎新

天津商業大學寶德學院（天津 300222）

食品制造業是食品工業的重要組成部分，食品制造業的研究進展對分析我國食品工業的發展有重要意義[1]。在食品制造業中，不斷改進與創新的生產流程為企業帶來競爭優勢，其中包括對傳統低效工作流程的優化和先進技術的運用，進而改善過度的材料消耗、資源浪費和滯后與陳舊的機器質量條件等，這些做法用于生產過程中的決策優化[2]。通過食品制造業智能模型的研究以及新型的科技手段與智能技術的進一步運用，能夠保證食品制造業智能設備的獲取和智能系統的使用，進而促進食品制造業智能制造高質量發展。

1 食品制造業智能模型的相關研究

1.1 元啟發式算法（Meta heuristic algorithm）

由于元啟發式算法的復雜性和行業的迫切需求，元啟發式算法研究被研究人員和行業廣泛關注。元啟發式算法已應用于食品加工、生產、存儲等許多方面，在發酵、熱處理、脫水和蒸餾過程等領域中被更頻繁地應用。還有一些關于食品生產過程的質量和過程控制的研究，將問題建模和元啟發式算法的開發與先進軟件相結合，涉及多變量、多目標和多約束方法，用于解決在食品制造中的問題[3]。

應用于食品制造業的元啟發式算法主要包括以下3種[4]：

1) 局部最優搜索法（Local optima search method）：通過基于目標函數迭代地評估解決方案來尋找局部最優解，直到滿足某個終止條件。Torrecilla等[5]使用優化目標的共軛梯度法優化蒸煮袋包裝魚的傳導熱處理，將模型用于預測高壓食品加工的溫度水平和熱平衡時間上。

2) 隨機搜索法（Random search method）：隨機搜索法基于近似最優解的評估標準的簡單迭代搜索方法。食品行業的許多研究人員采用自適應隨機搜索法及其混合算法與其他算法進行優化，用來計算合適的溫度，保證質量。Turhan等[6]通過改進隨機搜索法成為復雜方法（Complex method），應用該方法來優化多目標問題，最大限度地提高水蒸氣的滲透性，提高生物聚合物薄膜設計的機械拉伸強度的性能。

3) 模擬退火法（Simulated annealing）：模擬退火法通過利用局部最優來尋找最優解。An等[7]使用該方法分別編碼所需的再沸器和冷凝器中間部分的變量，并制定基于這些變量的成本函數。先確定預定混合物的蒸餾系統，包括分離順序、熱集成和操作參數，目的是最小化成本。再將混合物各部分分離編碼為變量，基于待分離的數量來配制用于熱集成的編碼（再沸器和冷凝器的組合），使用這些編碼變量，構建成本函數來評估解。

1.2 制造業價值建模方法論（Manufacturing value modeling methodology，MVMM）

制造業價值建模方法論已被用作評估食品企業現實情況的基本工具。MVMM包括三個構成塊：外部影響因子，包括企業運作環境變化的壓力，使企業必須通過新的方式管理其業務以維持其價值；內部影響因子，用于分析企業的內部過程、策略和目標；能力和技術，利用變化的優勢確定所需的基本實踐工具[8]。

應用于食品制造業價值建模方法論關鍵和代表性技術主要包括以下3種：

1) 工業物聯網（Industrial internet of things，IIoT）：作為工業領域的物聯網技術，IIoT用于自動化數據收集，同時減少與文字相關工作。它可以看作是自動化系統的優化，也是機器如何在制造現場相互通信的逐步改進技術。IIoT主要涉及人與物的交互，使用者能夠遠程監控和控制他們的設備，為消費者提供產品環境憑證的依據。

2) 云制造（Cloud manufacturing，CM）：云制造是應用于制造領域的云計算技術，以客戶為中心，利用對多樣化和分布式制造資源的共享集合，形成可重新配置的生產線，以提高效率，降低產品生命周期成本，是食品制造業轉型的重要方向。

3) 全息圖（Hologram）：全息圖實現了三維圖像的再現技術?；谠鰪姮F實的系統可以支持各種服務，例如倉庫中的零件選擇，通過移動設備傳送維修說明等。可以應用于機器人技術、工廠的布局和維護。

2 食品制造業智能技術的相關研究

2.1 機器人的運用

雖然工業機器人只是工業4.0中的一環，但卻代表著產業邏輯演變。在當今競爭激烈的工業化體制中，一些主要的食品機械制造商已經成功地將機器人結合到不同的過程中。它們在提高準確性、可重復性，可靠性、準確性和效率方面發揮著重要作用[9]。使用機器人能夠降低人工成本，提高生產效率，有助于減少在生產過程中對人的傷害，同時提升了安全性。通過一系列對其末端執行器的編程，它將反復重復該運動模式，直到重新編程以執行其他任務。在當今的食品制造業中，主要將通用機器人和標準操作程序（Standard operating procedure，SOP）進行結合，機器人主要用于較為瑣碎的工作，例如自動質量檢測、清潔工作、識別和檢查包裝、碼垛等任務，而不是“智能工作”。在屠宰和肉類加工工業中，自動化程度越來越高，例如機器人胎體分離器和隱藏式牽引器的使用可以在不占用太多空間的情況下增加產量[10]。然而，為了在實際的食品生產中直接使用機器人，它們應該與食品直接接觸，大多數由天然成分組成的食品具有特定的流變性質，一些食物質量和大小各不相同，由于其對機械干擾的高度敏感性而使得機器人操作非常具有挑戰性，安全和衛生加工的標準化需要比較嚴格的考量，食品工業仍然是機器人的新市場[11]。

2.2 系統的支持

食品工業中的信息物理融合系統（Cyber-physical systems，CPS）用于食品處理和服務要求，是工業4.0的實踐基礎，沒有CPS的支撐，智能工廠、智能制造都是空中樓閣。CPS最適合食品智能制造[12]。完整的CPS包括仿真設計，生成解決方案，解決通過網絡和物理傳感數據融合和通信的問題。構建CPS是一個涵蓋控制、傳感、機器、通信、系統工程和集成等各個方面的綜合性問題，從原材料到最終產品，優化性能并提供模塊化方法[13]。新一代食品CPS主要側重于實現自主性，例如它能夠在整個操作過程中自動將發酵過程保持在特定溫度內。為了簡化和加快復合材料食品的加工，這種系統越來越多地被整合到工廠和機械中[14]。信息物理融合生產系統（Cyber-physical production systems，CPPS）是實現智能制造的關鍵與核心技術。基于智能產品的CPPS中的生產流程是自組織的、合作的和分散的，只有在特殊情況和明確的人為干預情況下才需要控制。CPPS智能產品應是食品制造業長期的戰略項目。在此基礎上，信息物理食品生產系統（Cyber-physical food production systems，CPFPS）可以作為未來發展的重點，結合CPPS，完善食品制造業智能化進程。

2.3 3D食品打印

3D食品打?。?D food printing，3DFP）通過計算機輔助設計食品材料來“重建”食物。目前，用于食品的可打印材料的數量仍然很少，這限制了產品的結構和樣式[15]。研究顯示，使用植物細胞的食物打印技術，可以用來打印類似植物組織的食物。Lipton等[16]基于由低甲氧基果膠凝膠和萵苣葉細胞組成的生物墨水，加入牛血清白蛋白以增加印刷凝膠基質，成功地打印了食物。Severini等[17]通過改變填充密度和層高來研究谷物基面團的可打印性以及煮熟的打印樣品的機械和結構特性。Derossi等[18]設計了一種可打印的水果零食，這種零食與兒童的營養需求相容，并打印設置了其食品材料的質地和結構特性。但是，與現有的其他食品制造方式相比，可以用來打印的食品材料數量仍然很少。此外，打印食品的質地和結構性質的多樣性仍然受到限制。3DFP符合數字美食的概念，將傳統的食物烹飪與3D打印相結合，旨在創造具有新結構、新口味和新質地的食物，同時考慮到消費者的品嘗體驗與營養需求[19]。

3 新時期食品制造業智能設備模型與技術的新變化

食品制造業智能制造得益于科學的方法，使模型體現食品的獨特性和復雜性，以及新技術、物聯網、大數據信息的廣泛應用。食品制造業企業在國民經濟中具有舉足輕重的地位[20]。當前食品領域的重點強調食品的智能制造以及通過共同網絡層連接的食品企業之間的聯系，智能工廠能夠保證生產過程中的安全性并將方法與數據分析相結合，從而避免由于缺乏維護或故障而導致的機械問題。

3.1 人機結合

食品制造業傳統的人機結合要求著重于人通過網絡技術、檢測技術和軟件來對制造裝備的改進等。隨著科技和技術水平的發展，人機結合的要求提升到了新的層次，即通過基礎模型與智能終端相結合，使科研人員的研究與設備的運作與更新相結合，體現出相互聯系、相互協作與相互共事的原則。通過智能模型可以以物理、數學方式更簡單地模擬現實。食品建模是一項復雜的工作，通過新的工具、方法、監控設備和可靠準確的數據建立不同空間尺度的互聯網模型來解決制造過程中的部分困難，從而獲得更具成本效益、可靠性和可持續性的優勢[21]。

3.2 技術融合

智能制造是基于新一代信息通信技術與先進制造技術的深度融合[22]。《中國制造2025》強調加快食品行業生產設備的智能化改造，將新一代信息通信技術與先進制造技術深度融合為智能技術[23]。在人與物交互的工業物聯網、云制造加速轉型、全息圖的三維圖像技術基礎上，需要控制的融合、管理的融合、技術之間的融合，也需要人才的融合、設備的融合、學科的融合，逐漸向復合型產業轉變。打造食品制造業競爭新優勢。

3.3 大規模定制

同其他行業一樣，食品制造業大規模定制作為生產方式變革的趨勢之一，其內容不斷更新。食品制造業定制生產具有更強的響應能力與敏捷靈活性，同時滿足消費者的個性化需要。大規模定制需要在技術條件、人員條件、支撐要素與策略需求的基礎上，實現在生產過程中速度的提升，降低成本。人與機器的交互可以對大規模定制起到支撐作用。大規模定制生產結合大數據的采集、處理與應用，傳遞給智能設備，挖掘和分析食品制造過程中的動態數據，可為產品創新生產作出貢獻。

3.4 高端創新

由原有的制造能力較強向創新制造能力過渡。用高端創新推動高端制造，引領高端化轉型升級。信息化與自動化（IT-OT）的融合創新才能釋放智能制造的潛力。而創新技術、創新設備的發展建設需要創新理念與創新思維的支持，加強自主創新驅動力，形成國際上新的競爭優勢，實現高端制造與技術創新。重視政府在資助和協調傳統行業吸收新興技術創新成果方面的作用[24]。在進行基礎研究的同時，也應結合食品制造業特點，積極發展CPFPS，適應新需要，轉變態度，驅動創新突破，為社會帶來有益價值。

3.5 延長產業鏈

食品制造業應延長產業鏈條，積極參與全球價值鏈分工[25]。食品制造業需要更精細分工，更密切的協作關系，獲得持續是生命力，提升資源利用率。深入地研究，擴大行業規模，提升知名度與國際認可度，改善現有格局，把握機遇，實現利益最大化，是食品制造業發展的趨勢，并且將食品制造業標準提升至新高度。

4 結語與展望

現代食品制造業的智能設備模型和技術發展處在競爭激烈的環境之中，在學習和借鑒國際上領先的科學技術的同時，也要求食品制造業不斷創新，積極面臨挑戰。解決食品制造業所面臨的挑戰，應重點將學術研究與實踐相結合，理論與技術相結合，科技與創新相結合，在滿足個性化需求的同時，實現食品制造業的新突破、新發展、新模式。