勾調自動化在白酒生產中的應用研究進展

韓 強 劉 鑫 周永帥 庹先國 張 良

(1. 四川輕化工大學人工智能四川省重點實驗室，四川 宜賓 644000；2. 四川輕化工大學自動化與信息工程學院，四川 宜賓 644000；3. 瀘州老窖集團有限責任公司，四川 瀘州 646000)

中國白酒，又稱中國蒸餾酒[1]，因其獨特的固法釀造工藝聞名于全世界，備受消費者喜愛。白酒的勾調包含勾兌與調味兩項操作，對白酒的生產意義重大。勾調是基酒等原料酒轉化為商品白酒關鍵步驟，直接影響成品白酒的口感、風味等。

白酒勾調主要是通過基酒、調味酒的適度配比，來達到協調酒體，豐滿口感等目的。整個勾調操作中，基酒與調味酒的配比用量均是通過計算嚴格控制，否則會產生雜味，破壞酒體，無法成為合格白酒推向市場。傳統的白酒勾調大多依賴勾調師的經驗以及感官敏銳性，極易出現因感官疲勞造成的品質不穩定及經驗難繼承等缺陷。為提升勾調效率，保障白酒均質性，提出并推動了白酒勾調自動化，勾調配方數學模型的設計[2]、PLC勾調控制系統的搭建[3]、最優控制理論的融合[4]以及多功能勾調系統的實現[5]是其重要的組成部分。與傳統白酒勾調相比，白酒品質的穩定性更好，勾調效率大幅提升，整個生產、管理也更加的系統化。

文章擬闡述白酒勾調自動化的技術分類、技術特點以及優缺點，總結勾調自動化在白酒生產中的研究進展以及相較傳統勾調存在的優勢，提出了現階段勾調自動化存在的問題，并對白酒勾調的未來發展進行展望，旨在為白酒智能自動化生產提供參考依據。

1 白酒勾調工藝概述

在白酒的生產過程中，從最初釀造得到的原酒，陳熟后的基酒到最終形成消費產品的成品酒，勾調是必要過程，然而在許多非從業者的眼中，對勾調與勾兌的區分沒有明顯的界定，在實際的生產應用中勾調包含了勾兌[6]。白酒的勾兌主要強調的是基酒與基酒間的混合，形成一種風格更協調、酒體更豐滿的半成品酒液，而白酒的勾調是勾兌與調味兩種工藝的復合體，其本質是一種“舌尖上的藝術”，注重的是基酒與基酒協調融合，調味酒對基酒的微妙修飾，以此來達到“色(顏色，視覺)”“香(香氣，嗅覺)”“味(味道，味覺)”“格(風格，綜合)”的協調與平衡[7-8]，實現成品白酒生產品質的均質化[9]。

在白酒的勾調操作中主要分為基礎酒的組合、調味酒的組合、調味酒與混合基酒的組合3個部分。白酒基酒[10]，也稱原漿酒，是釀造生產的新酒僅通過入庫陳熟而未經其他操作的原始酒液，待酒體穩定后方可進入下一個環節。基酒的組合即為原漿酒經過加漿水降度或升度，再進行初級組合和摻兌，使得品質上能夠達到某種等級酒標準的基礎酒液。調味酒，是運用獨特工藝生產的匯聚各種特點的精華酒，極其珍貴，在很多企業中都將其視為核心機密。在整個勾調過程中，調味主要起畫龍點睛的作用，且單一的一種調味酒無法滿足調味需求，往往需要多種高質量的調味酒共同完成某種白酒的調味工作，以此來達到協調、豐富成品白酒各種特點的目的，呈現一加一大于二的效果。

白酒勾調中的勾兌與調味兩個操作，在實際的生產過程中，都會經歷從小樣試驗到批量生產的過程。通常情況下，勾調主要依靠勾調大師對各種基酒風味成分的認知情況，再結合自身的感官經驗[11-12]，勾調經驗先進行酒體設計[13-15]，初步得出各種參調酒的用量比例，再選擇合適的調味酒與之混合形成勾調小樣，此過程稱之為小樣勾調。勾調小樣再結合品酒師的感官品評經驗對勾調原料的參比用量及調味酒進行微調，直至達到預設的白酒品質既定目標。大樣勾調是達標后的勾調小樣進行同比例放大的操作過程，是成品白酒進行批量生產的前提。白酒勾調工藝流程及技術應用分區如圖1所示。

2 白酒勾調自動化的發展

在自動化、智能化極速發展的大背景下，國家也將工業4.0納入了新時代的戰略布局中，越來越多的行業為積極響應國家的號召大力發展自動化，穩步推進智能化，白酒行業亦是如此。從初始的人工釀造到現在的自動化釀造生產線，極大地節省了勞動力支出，生產效率顯著提升。但是，要想推動實現白酒生產全鏈自動化、智能化，勾調的自動化是必備環節。在推動勾調自動化過程中，因需兼顧的外部因素較多，進展相對緩慢，到目前為止，主要的研究方向有勾調配方建模、PLC自動控制、勾調系統以及最優控制理論等的應用。

圖1 白酒勾調工藝流程及技術應用分區Figure 1 Baijiu blending process and technology application partition

2.1 白酒勾調配方建模在白酒勾調中的應用

在勾兌、調味的過程中，當混合酒液中酯類、醇類、醛類、酸類比例合適時，才能夠產生獨特而優美的香氣，形成特定的風格，反之則會產生雜味，無法滿足成品白酒的品質要求[16-17]。因此，配方模型的建立是必要的。白酒勾調配方建模是在大量的白酒數據基礎之上進行的，其中主要包括白酒風味物質含量與感官品評理化數據，建模的過程是白酒生產數值化的體現，為實現白酒勾調自動化提供數據與理論支撐。主要的建模方法如表1所示。

白酒勾調專家在配方建模過程中需進行酒體設計、小樣試驗，其涉及大量的溶液(基酒)混合計算，呂浩[18]以95%vol酒精為基準，建立簡捷的基礎數據表，主要包含酒精度，加漿量，升、降度以及風味物質含量的計算，能夠有效提升配方建模的效率。配方模型的建立目的是依據既定目標得到參調酒的用量比例，別文群[19]基于基礎酒的參兌數量、用量(質量)以及微量元素含量建立線性規劃配方模型，輸出的配方數據經操作人員等檢驗，與原始配方比較接近，但存在局限，無法推廣運用。李慧玲等[20]針對常規的線性規劃配方模型提出了混合整數線性規劃解決方案，該方案采用分層求解策略結合隊列競爭算法使得參與勾調的整壇數由0上升至31，總壇數由60下降至34，在原料成本基本不變的情況下，有效提高了存儲空間利用率，降低了庫存，操作等費用。李家明[21-22]將模糊數學理論引入勾調配方建模的過程中，將成本、目標酒風味物質含量等處理作為約束條件，并與線性規劃、目標規劃配方模型進行對比，其中線性規劃的最優解是滿足所有約束條件的最低成本配方、目標規劃的最優解是求偏離所有約束條件值為最小的白酒勾兌配方、模糊線性規劃的最優解是滿足彈性約束條件的最低成本配方，結果表明，基于模糊線性規劃的配方模型更加合理，其能通過設定彈性浮動區間來調整配方，所得配方數據更加接近原標準的配方，且成本最低。

表1 常見配方建模方法Table 1 Common formulation modelling methods

隨著人工智能技術的高速發展，越來越多的行業開展了關于人工智能方面的研究與應用，并且取得了較為理想的結果[23]，基于人工智能技術的勾調配方模型是白酒勾調未來的主要研究方向。李志民[24]通過線性規劃建立配方模型，并基于酒體理化指標與質量數據建立BP神經網絡，對依據配方模型勾調的白酒進行品質檢測，試驗證明，能夠實現配方建模與模型評估的一體化，但與神經網絡的融合不夠深入，與智能化勾調存在差距。張東升[25]針對目標規劃配方模型中微量成分含量及比例關系不易達到或接近其目標值而需多次調整的缺點，建立基于色譜數據，香、味評分的BP網絡模型，有效減少了目標規模模型調整的次數。黃曉峰等[26]利用人工神經網絡方法對目標規劃算法進行改進，選取成品酒理化指標向量與“優先因子”權系數(理化數據優先等級權系數)作為模型的訓練樣本，建立三層前向BP網絡訓練模型，通過訓練得到的最優“優先因子”結合多目標配方模型得出最優的白酒勾調配方解，仿真結果證明，該方法可提高勾兌成功率至98%，降低了勾兌成本6%，規避了目標規劃配方模型難以應用的缺點。

勾調配方模型的研究方法較多，各有優劣，其中采用傳統數學方法建立的配方模型因使用簡單、便捷應用較廣，結合神經網絡的配方模型精度更高，性能更強，但均處于實驗室研究狀態，無實際應用。不同方法建立配方模型的詳細對比如表2所示。

2.2 PLC技術及自動控制理論在白酒勾調中的應用

近年來，物聯網、自動化等技術的發展及應用趨于成熟，使用機器設備代替傳統人工完成相關工作是整個生產制造業未來的發展趨勢，在白酒的生產過程中的部分環節，已然實現了機械化、自動化，白酒勾調自動控制主要體現在大樣勾調、批量生產上[27]，具體的應用方式如表3所示。

勾調效率，精度以及穩定性是自動化技術應用的主要提升目標，鄭志華等[28]采用RS485通信線路+Moudbus協議為基礎的測量控制系統，有效地消除了大樣勾兌的偏差，確保了成品酒勾兌批次間的穩定性。徐勁松等[29]采用研華公司的ADAM-4以刃系列數據采集和控制模塊，組成了一個集散式的SR-485工業控制網絡，對白酒的勻兌、過濾、拾送、生產產量統計等生產過程進行自動控制，一次勾兌成功率由以前的75%提升到95%以上。姜鳳春[30]把微機自動化勾調系統應用在白酒的生產中，使得勾調的精確度可達95.5%，產品的合格率達到100%，且勾調的效率顯著提升。傅峙東[31]基于Siemens S7-300 PLC設計的白酒勾兌自動控制系統具有數據管理，現場監控以及故障記錄等功能，在實際的應用中白酒勾兌成功率大大提高，產品品質更加穩定，合格率達100%，提高功效5倍以上。白酒勾調自動化除了實現自動控制外，還需考慮精度、安全以及清潔等因素。謝永文等[32]在傳統的控制系統中加入了酒罐余量溫度自動補償、白酒生產過程中的管道余酒雙向清理、白酒自動勾兌多管線復合利用等多項技術，并應用了Profibus總線技術，實現了生產過程數據網上實時查詢、實時控制，應用效果顯示，該系統將勾兌一次成功率提高到98%以上，勾調車間干凈整潔，生產有序，且管道余酒被完全清除，在避免酒體流失的同時，有效地減少了火災安全隱患。景成魁等[33]以Profinet總線技術和以太網技術為基礎，以西門子公司的S7-400可編程控制器作為主控設備，結合實際生產工藝設計勾調自動控制系統，實現了年最大勾調能力可達20萬t，一次成型率高達到98%以上，同等生產能力的情況下，人力成本下降45%，還對收、存、勾、濾、發全過程的實時監控，保障了生產安全。為了提高生產效率、降低損耗，勾調工藝管路具有通用性和靈活性是很有必要的，楊團元等[34]依據工藝要求，對罐區分區，構成相對獨立的勾兌單位，實現罐區之間各種功能的罐體可以跨區域任意連通，靈活調度，滿足生產實際中特殊勾調要求的需要，借用過濾管路、勾兌管路、軟水管路等工藝管路等，實現通過引水、頂水等工藝步驟，提高了勾調的精度。基于PLC建立的自動控制系統在白酒勾調中運用較多，很大程度上提高了產能，但與勾調配方模型的結合力度不夠，無法實現真正意義上的一鍵勾調。

表2 多方法建立勾調配方模型優劣對比Table 2 Comparison of the advantages and disadvantages of multiple methods for building a check-sum formula model

表3 自動控制技術在白酒勾調中的應用方式Table 3 Ways in which automatic control technology is used in the blending of white wine

控制算法與控制系統的聯合是進一步提升勾調精度，保障產品品質的有效措施。控制算法具有時滯性、非線性、控制無超調等特點，先進的控制算法可以帶來極好的控制效果以及較強的魯棒性與穩定性。王明歆[35]將模糊-PI-Smith控制算法應用于白酒勾調控制系統中，相較于傳統的PID等經典控制算法，此方法不僅在響應速度和魯棒性上有一定程度的提升，控制效果也更具優勢。夏恒志[36]將模糊控制與PLC相結合，既保留了PLC控制系統可靠、靈活等特點，又提高了控制系統的智能化程度，結果表明，該系統可獲得更好的性能指標。控制算法在白酒勾調領域應用極少，其對控制勾調精度的作用是顯著的，如管道流量精確控制等，值得后期深入研究。

2.3 計算機技術在白酒勾調中的應用

計算機技術與白酒勾調領域的融合已經歷了幾十年的發展，從最開始的優化計算到現階段的系統搭建，對推動勾調智能化、自動化發展有著重要意義[37-38]。勾調系統是計算機技術與白酒勾調結合后的主要產物，曾黃麟等[40]和張良等[41]通過白酒理化指標與感官指標，結合遺傳算法建立組合優化輔助系統，經生產應用可知,該系統能夠切實可行地對白酒組合調味過程進行準確計算和最優化控制。馬增良等[42]基于B/S的軟件架構，采用Net開發平臺設計了勾調生產管理系統，增強了人機交互的可行性，縮短決策和信息傳遞周期，對生產效率有明顯的促進作用。劉淑玲等[43]使用VB.NET、SPSS等工具,結合聚類分析、遺傳算法等人工智能的研究方法，建立了一套利用計算機技術輔助實現白酒勾兌與調味、評價的生產管理系統，通過系統自身的不斷學習與總結，實現了科學評判酒質，保障白酒品質。王瑩瑩[44]基于web建立了白酒勾兌優化及庫存管理系統，集成庫存管理、優化計算以及調味選酒，形成了白酒生產過程中從原酒到成品酒的一整套流程，試驗證明該系統對生產管理、品質把控作用顯著。張榮欣[45]利用Powerbuilder和Matlab結合在白酒勾兌技術方面創建了包括酒庫管理、檢驗管理、配方設計、調味控制、系統管理5個模塊的應用系統，實現了勾兌信息管理、配方設計與控制、數據備份等功能，能夠滿足大部分生產所需。

隨著時間的推移，基于計算機技術建立的白酒勾調系統從初始的單一功能到現在的整合整個勾調工藝于一體，充分滿足了企業在白酒生產中的具體需求，但目前此類系統在實際的應用中報道較少，大多仍處于試驗研究階段，普適性不高，未見廣泛推廣。

3 總結與展望

通過對白酒勾調自動化技術的研究總結，到目前為止對于白酒勾調配方模型的研究較少，大部分是基于傳統的數學方法進行的，僅有少部分與人工智能技術有初步的結合，且在實驗室環境下所呈現的效果較好。對于白酒勾調系統的相關研究較多，大多以提升勾調效率為目標，主要集中于PLC控制技術、傳感器技術、物聯網技術以及計算機技術等多技術融合的勾調控制系統的研究。此類研究相較傳統勾調而言勾調效率大幅提升，但與勾調配方的聯合還不夠，未能實現白酒勾調網絡化，全自動化。

隨著人工智能技術，物聯網技術等的快速發展與成熟應用，白酒勾調技術也由傳統的經驗型向現代的科學型進行轉變。白酒勾調智能自動化系統的建立是整個勾調領域的發展趨勢。針對目前勾調研究存在的問題與不足，實現智能自動化勾調可結合的技術有：

(1)大數據勾調技術：結合指紋圖譜技術，建立白酒基酒數據庫，并采用大數據方法對白酒基酒進行質量評價，為后續的勾調提供優良酒質保障。利用數理統計方法，人工智能技術建立白酒圖譜的數學模型，完善白酒質量檢驗鑒定技術標準，實現對感官指標數學化與可視化，建立有效的白酒品質的評價機制，實現白酒質量指標追溯管理和質量信息平臺。

(2)白酒專家系統：在白酒的勾調過程中，所涉及到的技術大多與勾調專家、品酒師的經驗與感官密切相關，其存在的主觀性較強，不易理化等特點是白酒勾調發展緩慢的主要原因。在各個酒企的實際生產應用中，迫切希望勾調自動化技術能夠廣泛推廣，以此來提升成品白酒的生產效率，加強白酒品質的穩定性，但現存的白酒勾調自動化技術實用率不高，不能達到設計時的理想效果，無法滿足白酒生產的實際要求，且普適性不強。白酒專家系統主要是將感官經驗與理化指標模型進行有機結合，有效規避因感官疲勞，經驗難保留等造成的品質不穩定問題。

(3)流量精確控制系統：流量精確控制是白酒勾調批量生產中難題，在白酒勾調中管道中的殘余量在白酒勾調生產中無法避免，從而造成勾調生產中的小樣和批量之間的誤差。流量精確控制系統將先進的控制算法與控制器結合，減少或清除管道內殘留，進一步縮小誤差。

(4)智能管控追溯平臺：結合工業物聯網技術，將以上所述的基酒數據庫、專家系統以及控制系統結合起來，實現勾調操作全鏈路的數字化與可視化，可實現白酒生產的追溯功能，達到訂單到包裝交付的一體化流程。