摘要：现阶段，智能化加工装备与技术代表着生产力，是提高生产效率、转变发展方式的物质基础，智能化装备技术在畜禽加工过程中的应用在保证稳定、可靠的生产过程的同时，有着显著的经济效益。总结了智能化装备在畜禽屠宰、分割和分级等加工过程中的应用，归纳了国内外学者在机器视觉、光谱检测、多种技术融合、X射线CT成像和超声波成像等智能化技术在畜禽加工领域的诸多研究成果，分析了当前畜禽加工中存在的智能装备不系统、智能化技术不成熟的问题现状，展望了未来智能装备技术在畜禽加工中设备类型标准、多样化，提高设备集成化水平，促进技术融合等发展趋势，为畜禽加工智能化装备技术研究与行业智能化发展提供相关信息和参考。
关键词：智能化装备；智能化技术；畜禽屠宰；肉类分割；肉类分级
引言
目前我国是世界上肉类生产与消费的第一大国，肉类工业在国民经济中占据了十分重要的地位。据国家统计局显示，2017年我国肉类总产量达8654.43万t，约占全世界1/4。“十三五”时期，我国肉类消费需求继续扩大，居民消费结构加快升级，城镇化率不断提高，为肉类工业发展提供了良好机遇。
但目前我国畜禽肉类生产成本较高，据国家统计局数据显示，自20世纪90年代以来，我国畜禽肉类生产成本在持续上升，根据预测，未来一段时间还将继续保持上升趋势并进一步拉开与欧美国家的差距。其原因主要有3个方面。
(1) 目前我国屠宰行业分散，集中度不高，和美国在20世纪70—80年代的发展情况类似。
(2) 我国人口红利逐渐消失，劳动力供给降低，并随着工业化进程会带来劳动力工资不断上升。
(3) 数据显示我国畜禽加工行业发展水平相对较低，小型、半机械化加工方式企业占大多数，生产效率低下，生产成本升高。
其次，作为我国人民主要肉食品，其卫生安全问题尤为重要。近年来我国食品安全事故时有发生，加工设备简陋、技术低下引发的细菌繁殖、交叉污染是主要原因之一。
除此之外，随着人们生活水平的提高，低品质的鲜肉将无法满足人们的需求。在肉类品质方面，国外对胴体分级技术研究较早，目前胴体等级技术已趋于完善。我国肉品分级技术的研究相对较晚，目前主要采用人工分级的方式，凭借感官识别评定，存在主观随意性、误差高和效率低等问题。
基于以上问题，推进了畜禽肉类加工装备与技术智能化的应用与研发。智能化装备可在生产过程中降低人工成本、加快生产效率、保证肉质安全和提高肉品品质等，且成套型强，可对加工过程有序化排列连续性生产，保证每一环节等对产品信息可追溯的实现。在此方面，欧美国家企业具有先进的技术并得以产业化应用，如荷兰Stork公司、Meyn公司，丹麦SFK公司以及德国Banss公司等。我国在畜禽加工过程中使用智能装备还相对较少，随着国家工业化、信息化、城镇化和农业现代化的推进，畜禽加工智能装备产业也将进入创新驱动发展的时期。
本文综述了当前智能化装备在畜禽屠宰、分割和分级等加工过程中的研发与应用现状，介绍了国内外相关企业智能装备研发产业化情况，总结了国内外学者在自动化控制装备与机器视觉、光谱检测和超声波成像等智能化技术在畜禽加工领域的研究进展。为畜禽加工智能化装备技术研究与行业智能化发展提供相关信息和参考。
1 智能化装备
智能化装备(图1)的优点是对人工工作环境的改善，代替工人进行繁重、枯燥和体力型工作，提高了产品品质与生产效率的同时，又减少了接触交叉污染。
1.1 智能化屠宰设备
智能屠宰装备是针对畜禽屠宰过程中的工序而设计研发的。当前智能化屠宰设备主要由丹麦、德国、荷兰、澳大利亚和新西兰等国家生产。
在畜禽屠宰击晕的方式上，主要有机械电击晕和二氧化碳窒晕两种。20世纪70年代，荷兰研发了手动电击晕棍，但击晕方式效率较低，目前主要作为辅助配套设备应用。当前，由荷兰STOＲK公司生产的米达斯型全自动低压高频电击晕机(图2)最为先进，可实现三点式自动击晕(3个击晕电极被固定在头部、心脏位置)。德国BANSS公司BRT设备(图3) 上的伺服驱动线性导向系统可实现输送机系统和机运装置完全同步进行。
20世纪70年代中期，丹麦了研发二氧化碳致晕系统，但存在成本高、耗时长等缺点，目前，SFK公司生产的Frontmatec二氧化碳窒晕系统可与自动传送带结合使用，在保证实现生猪快速窒晕同时，可有效避免应激反应的情况出现。
在屠宰脱毛工序中，荷兰MPS公司生产了生猪去毛工序设备: Q-线蒸汽烫毛隧道和Q-线Tarzan 打毛机。Q-线蒸汽烫毛隧道通过温度控制系统及热交换器，通过调整时间、温度等参数来取得最佳效果，打毛效率可达200～1600头/h，但主要采用的是人工辅助半自动化生产线的形式，在此基础上若要达到高智能化仍需进一步完善。BANSS公司设计的DDM240-2-2型设备(图4) 可实现猪体打毛达240头/h，并且可实现烫毛到打毛之间全封闭转移，其针对牛、马剥皮的BE系列设备(图5) ，适合安装到连续、间歇式的屠宰设备中。SFK公司研制的APE4机器人可在脱毛工序后完成自动化切腹、去除内脏。但其加工范围有限(1.5～2.1m)，不能满足体型差异化较大的胴体加工。羊胴体自动化加工主要集中在澳大利亚和新西兰，西澳大利亚大学研发的魔法剪羊毛机器人，通过仿生机械手和电容传感器，使得加工效果要优于人工加工。新西兰研发了一种从致晕到胴体分割的半自动化生产线，需人工配合做切割之前的准备工作。
1.2 智能化分割设备
在畜胴体分割方面，丹麦SFK公司研制包括自动生猪切背(APF7) 、劈半(APS65) 设备的胴体分割生产线。可沿脊椎分离鳍状骨实现切背，其使用的
腹腔内导向、背部滚轮，可为自动剔骨等后续工序保证精度质量。Attec公司研发的分割机器人可将猪胴体分割成前、中、后3段。丹麦SKF研发的猪自动切割线(图6)，生产能力可达100～15000头/h，并且可处理体型偏差较大的胴体。GUIRE Gregory 提出了自动化牛胴体切割机器人，自动化程度高但加工速度慢，并且具有较高的设备成本，CSRO实验室通过引入机器视觉与改进刀具的切割方式，实现了头部肉类分割。ALLTAVILIM提出利用高压水枪切割肉类，在利用高压水枪切开肉的同时向切口处摄入压缩空气，以保证肉切口处的洁净。我国济宁兴隆食品机械制造有限公司自主研发的TZ-ZPB160(图7) 猪体自动劈半机，采用数控、机电仪一体化技术，实现了整个作业过程的自动化，在一定程度上填补了国内技术空白。
在家禽胴体分割方面，目前国外已经实现全自动化联合作业，如荷兰Meyn 研发的Vent自动掏膛取内脏系统(图8)和STORK公司研发的Nu-Tech Nuova自动取内脏系统。Meyn随后研发的Flex plus切割生产线(图9)可基于视觉与在线技术称量、可适用多品种在线分级，提供了更高的生产灵活性。国内近些年部分单位开展了自动净膛设备的研发。企业与研究人员对此尤为重视，吉林艾克斯公司研发了一种以空间凸轮为控制机构，同时具备夹取式与挖取式的自动掏膛机，并于2012年成功研制我国第1条L-10000型智能化家禽自动掏膛生产线。王丽红等设计了一种扒取式家禽自动去内脏机，并在实践中对加工效果进行验证。鲍秀兰等针对家禽净膛过程中末端操作空间小的特点，设计了三指三关节家禽自动净膛末端执行器机构，通过对执行器角度、姿态等进行分析研究，并对其进行运动学求解，验证了执行器机构可满足对内脏抓取的要求。熊利荣等通过对家禽净膛机械手系统中触觉系统进行改进，可根据检测的压力对机械手进行自动化调整，对比传统净膛机械手自动化程度更高且对内脏破坏程度更小。
1.3 智能化分级设备
肉类分级系统是指将不同畜禽肉类按品质进行划分和判定，通过肉类分级可规范生产和引导消费，可保证优质优价的市场规律，有利于肉类产品向高质量的方向发展。FOSS公司开发了一种名为FOODScan的分析仪(图10～11)，它使用近红外技术来确定肉类的几个参数，如水分、蛋白质和脂肪含量。但该分析仪使用的方法是破坏性的，需在检测前将肉粉碎。
1.3.1 猪胴体分级设备
通过各国科研人员的研究发现，对于猪肉分级，猪胴体背膘厚度、眼肌肉的厚度和猪胴体的整体瘦肉具备一定的相关性，在此基础上丹麦SFK 公司开发的Meater Fat Automatic(MFA)和Fat-O-Meater(FOM)(图12)可进行自动检测并对背膘厚度相同体重不同的猪进行区分。加拿大Destron公司研发的PG-100瘦肉率测定仪(图13)通过脂肪与瘦肉光反射率差异测量出猪胴体的肌肉和脂肪层厚度，以此来预测瘦肉率，但测试发现MFA 探针在恶略环境易损坏且不利于更换。新西兰Hennessy公司研发的Hennessy Grading Probe(HGP)(图14)与FOM原理相同，但HGP具有更高的测量精准度，同时还突破了颜色识别的问题，从而检测出PSE肉。随着计算机技术的发展，FOM和HGP测定的瘦肉率预测模型存入计算机，在后续测量过程中可直接快速获取猪胴体瘦肉率，世界各国也基于FOM和HGP发布本国的猪胴体等级划分标准。中国农机院设计了开发了包括信号采集、传输、执行的适合中小型企业的家畜胴体自动分级系统，并成功应用于家畜加工生产线。
随着超声波技术的应用，日本的Tokyo KeiKi公司研制了LS-1000、CS-3000设备，可在线对脂肪含量进行测量，并测量大理石纹理。20世纪90年代，丹麦SFK 公司设计了名为AUTOFOM的自动超声波扫描设备(图15) ，利用脉冲超声波读取数据，通过扫描猪的背部，能对每头猪胴体的3200个点的背膘厚度和肌肉厚度进行快速测量，过程快速且结果精准，速度可达1150头/h，其对背膘厚度和肌肉厚度预测的精确度要高于PG-100。
2003年德国CSB公司Kasel在机器视觉的基础上生产了CSB-IMAGE-MEATER生猪影像分级仪(图16)，运用医用高清摄像头对屠宰胴体取样，通过数字图像处理识别动物型体结构，运算出所含肉量与其他数据指标，基本实现了高准确性、快速性和无接触性的分级要求。
近年来，研究人员在便携式无损检测设备仪器方面取得了新的研究进展，德国Key根据红色光谱范围非常合适肉质拉曼光谱的激发，设计了基于移动计算机的手持拉曼系统(图17)，可检测出肉质的腐坏程度，可将微生物数据与实测拉曼光谱进行关联同时分析，但其设备的可便携程度不高。李翠玲等基于多光谱成像技术开发了检测新鲜猪肉的便携式设备，但运算须与计算机实时连接。海铮提出了基于电子鼻的牛肉新鲜度检测，可降低误差为4.64mg(100g) ，但其需要较高的存储环境要求，因而不利于实践。林婉等开发了基于Linux系统的便携式生鲜肉检测设备，实现了脱机且快速检测。魏文松等开发了一种手持式生鲜肉品质无损检测装置，可基于Android的生肉检测app对装置进行控制。
1.3.2 牛胴体分级设备
牛胴体自动化分级的主流技术主要基于机器视觉和图像处理技术。德国生产的CSB-Fuzzy Meater基于机器视觉技术通过对肉色、脂肪色、大理石花纹的识别可有效测量牛分割肉质量和背膘厚度，但该设备无法在多种指标的基础上判定牛肉综合品质。加拿大生产的CVS牛肉影像分级设备可判定牛分割肉眼肌切面大理石花纹等级和预测牛分割肉产量，但无法识别肉色和脂肪色。由美国科罗拉多州立大学联合开发的Beefcam设备，可通过检测眼肌颜色来判定牛肉嫩度，但其所检测牛肉嫩度的指标并不全面，以致影响分级评判精度。美国农业部ＲMS公司开发的VIAScan可满足大型生产线加工需求，但其在食用品质与口感预测方面仍需进一步加强。丹麦SFK研发的BCC在线牛胴体分级系统(图18)，基于多视图立体成像(完整的3D图像)分析脂肪覆盖率，将牛胴体加工智能化提升至新的高度。
1.3.3 羊胴体分级设备
20世纪80年代，相继研发出了许多可同时侧量背膘厚度与眼肌厚度并能自动记录数据的仪器，可用于羊胴体自动分级的电子探针仪器主要有Hennesy Grading Probe、AUS-Meat Sheep Probe、Sweden FTC Lamb Probe和ＲuakuraGR lamb Probe，可对羊胴体进行客观的质量分级。相比欧美成熟的自动化分级装备，我国的羊胴体分级产业化应用还处于空白。中国农业机械化科学研究院采用气动道岔、拨轮装置、传感器系统和自动控制系统设计了气动式自动分级系统，可实现在线分级并能满足1000～2000只/班的加工生产线要求。
1.3.4 禽胴体分级设备
在当前肉品生产加工企业，为追求生产效率与成本，胴体在线自动化加工势在必行，荷兰Meyn公司生产的家禽视觉分级设备(图19)，可与分割生产线或去骨生产线集成使用，实现全线自动化作业。该公司生产的家禽分级系统基于机器视觉技术，通过对比家禽腹部和背部颜色可同时实现质量和重量的分级。丹麦Linco公司生产的质量分级系统(图20)通过对禽体四周进行图像采集，在分级的同时可以统计羽毛残留、表皮破损等缺陷。国内青岛兴仪电子设备有限公司研发的家禽称重分级装备，可根据检测装置检测的重量进行自动分级摆放，无需人工参与，可应用于产业化。吉林艾克斯公司开发了4种称重分级生产线，可实现多级别、智能化的在线分级，生产效率可达1万只/h。
1.4 生产过程智能化系统平台
通过在生产车间设备、环节植入数据采集芯片、传感器，对设备、工艺、生产参数等数据进行实时采集、监控、分析、统计、诊断和保养等，可实现ERP( Enterprise Ｒesource Planning)管理。
目前吉林艾克斯公司已经可以将数据通过远程控制方式进行云储存、云计算，在监控中在线进行远程分析与诊断，还可以进行远程培训指导设备操作与维修。毕然等针对生产过程质量管理，开发了基于分级管理报送数据的生猪屠宰监管技术系统，并于山东省多家屠宰企业进行试运用，提高了生产监管水平。姬五胜等设计并实现了一种与ZigBee网络相融合的无线射频识别系统，将ZigBee无线通信技术与RFID技术相融合，并应用于屠宰信息的追溯，可提高屠宰场信息化和自动化水平，并保证生产安全。陈长喜等设计了肉鸡产业技术体系生产监测与产品质量可追溯平台，包括肉鸡生产加工过程等对各子系统实时信息采集与通讯，实现了肉鸡从生产屠宰加工到冷链运输储存等所有环节信息的可追溯，保证了鸡肉品质的安全性。
《未完待续》
