智能(néng)制造是制造技(jì )術與數字化技(jì )術、智能(néng)技(jì )術及新(xīn)一代信息技(jì )術的交叉融合，是未來食品制造的必然發展趨勢。作(zuò)者從食品智能(néng)設計與優化、食品生産(chǎn)智能(néng)管控、食品制造裝(zhuāng)備智能(néng)化等方面綜述并展望了智能(néng)制造技(jì )術在食品工(gōng)業中(zhōng)的現狀及發展趨勢，以期為(wèi)食品智能(néng)制造在食品工(gōng)業發揮更大的作(zuò)用(yòng)，引領食品工(gōng)業跨入智能(néng)發展新(xīn)階段提供參考。

　　智能(néng)制造（Intelligent Manufacturing，IM）是指由智能(néng)機器和人類專家共同組成的人機一體(tǐ)化智能(néng)系統，它在制造過程中(zhōng)能(néng)進行諸如分(fēn)析、推理(lǐ)、判斷、構思和決策等智能(néng)活動。“工(gōng)業4.0”的提出及随之各國(guó)的“再工(gōng)業化”國(guó)家戰略核心都是通過建立一個高度靈活的個性化和數字化的産(chǎn)品與服務(wù)的生産(chǎn)模式，重點發展以智能(néng)制造技(jì )術為(wèi)核心的先進制造業，為(wèi)此以智能(néng)制造為(wèi)代表的先進食品制造技(jì )術也必然成為(wèi)是未來食品産(chǎn)業的發展方向。

　　食品智能(néng)制造即圍繞智能(néng)制造的感知、決策、控制及執行一體(tǐ)化特征，結合食品制造特點及技(jì )術瓶頸，以食品制造數據服務(wù)為(wèi)中(zhōng)心，從食品智能(néng)設計、生産(chǎn)智能(néng)管控、制造裝(zhuāng)備智能(néng)化等方面全面突破食品智能(néng)制造技(jì )術的研究與應用(yòng)，從而實現管控全面信息化、作(zuò)業高度自動化、決策智能(néng)化（見圖1）。通過智能(néng)制造組織改進的食品生産(chǎn)将實現3方面優化，即：（1）信息流優化，包括在線(xiàn)檢測、工(gōng)業互聯、數據集成、數字模型、優化設定和精(jīng)準控制，實現質(zhì)量全流程管控、一體(tǐ)化計劃調度等；（2）能(néng)量流優化，包括餘熱餘能(néng)高效回收利用(yòng)、多(duō)能(néng)源介質(zhì)之間高效轉化、物(wù)質(zhì)能(néng)量協同優化等；（3）物(wù)質(zhì)流優化， 包括食品加工(gōng)工(gōng)序及全流程物(wù)流網絡優化等，從而實現最優化和最高效食品生産(chǎn)，應對人口日益增長(cháng)、資源不斷緊缺和勞動力成本持續上升的食品産(chǎn)業挑戰。

　　1、食品數字化設計和工(gōng)藝優化設計

　　産(chǎn)品研發設計是食品制造的基礎，工(gōng)藝技(jì )術的研發和優化是智能(néng)制造産(chǎn)業鏈設計和加工(gōng)過程控制的關鍵環節。近年來，數字化技(jì )術已廣泛應用(yòng)于工(gōng)業領域的産(chǎn)品和工(gōng)藝設計中(zhōng)，但針對複雜食品體(tǐ)系以及多(duō)環交互的食品加工(gōng)過程，數字化設計和優化技(jì )術的應用(yòng)尚處于起步階段。

　　食品數字化設計即根據食品加工(gōng)過程的物(wù)理(lǐ)、化學(xué)和生物(wù)變化的基本理(lǐ)論，建立複雜食品體(tǐ)系或者加工(gōng)過程中(zhōng)組分(fēn)、結構、品質(zhì)與加工(gōng)工(gōng)藝參量之間相互關聯的模型，主要包括食品品質(zhì)和食品結構的表達模型、食品加工(gōng)過程的模拟仿真及優化等。食品數字化設計可(kě)以将加工(gōng)過程的熱量、動量、能(néng)量平衡等工(gōng)藝參數與食品從微觀到宏觀的結構、産(chǎn)品質(zhì)構和理(lǐ)化特性相互連通，從而更精(jīng)準地表征食品品質(zhì)和加工(gōng)變化的過程，為(wèi)食品加工(gōng)過程的精(jīng)準控制提供基礎。從食品的結構層面看，大多(duō)數食品為(wèi)複雜多(duō)組分(fēn)、多(duō)結構、多(duō)界面體(tǐ)系，其分(fēn)子運動在宏觀上呈現出晶态、玻璃态、高彈态、粘流态等多(duō)相态特征。食品物(wù)理(lǐ)結構和機械性能(néng)方面的品質(zhì)變化通常可(kě)以用(yòng)Williams -Landel -Ferry（WLF）、Einstein、Eilers等動力學(xué)方程數值拟合建模。近年來的研究表明，基于無網格的3D粒子空間架構在模拟結構變形、多(duō)相現象和複雜物(wù)理(lǐ)性質(zhì)方面的優越性，如Rathnayaka等運用(yòng)其更真實地預測了3D細胞結構形态變化（見圖2）。Wijerathne等提出一種新(xīn)的粒度多(duō)尺度數值模型，用(yòng)于預測幹燥過程中(zhōng)食用(yòng)植物(wù)組織的體(tǐ)積水平（宏觀尺度）變形。同時有(yǒu)限元等也不斷地應用(yòng)于食品的表征中(zhōng)，如Karunasena等使用(yòng)光滑粒子流體(tǐ)動力學(xué)（SPH）和離散元法（DEM）建模，通過将其近似為(wèi)不可(kě)壓縮的牛頓流體(tǐ)來模拟黏性細胞原生質(zhì)（細胞液）。但由于食品的多(duō)元性和複雜性，目前仍沒有(yǒu)較好的模型來揭示組分(fēn)間的分(fēn)子鏈聚集态與聚集組裝(zhuāng)行為(wèi)，以及從食品組分(fēn)微結構變化函數映射到整體(tǐ)品質(zhì)變化的方法。從食品的加工(gōng)過程分(fēn)析，主要是基于“三傳一反”理(lǐ)論，将複雜的加工(gōng)過程簡化為(wèi)最基本的動量、能(néng)量、質(zhì)量傳遞和化學(xué)反應，目前常采用(yòng)COMSOL、ANSYS等商(shāng)用(yòng)有(yǒu)限元軟件進行模拟仿真，能(néng)解決很(hěn)多(duō)實驗手段受到限制情況下的參數（如全場速度、溫度、濃度等）分(fēn)析，以及粒子追蹤等常規實驗無法解決的問題；除此之外，通過模拟仿真可(kě)以相較于實驗手段經濟、快速、便捷地确定各種最優參數，從而指導制造過程的優化，達到品質(zhì)最優、能(néng)耗最低、效率最高等多(duō)種目的。熱殺菌一直是食品加工(gōng)過程中(zhōng)能(néng)耗水耗較大，且對食品最終品質(zhì)影響較大的一個工(gōng)序。劉東紅等模拟了液态食品、金槍魚罐頭等對象的靜置、傾斜、旋轉等運動形式熱殺菌過程，揭示了液态罐頭食品溫度冷點與F值位置有(yǒu)所差異，開發了仿真平台對罐頭食品熱殺菌過程進行工(gōng)藝優化。啤酒發酵是一個高度複雜的化學(xué)反應，Rodman等開發了一種模拟退火（SA）算法，目标函數以乙醇的最大化以及批次時間的最小(xiǎo)化，明确限制二乙酰基和乙酸乙酯濃度，在溫度控制在預期範圍内時，可(kě)将批處理(lǐ)時間減少15h。

　　随着數字化技(jì )術的發展，數字孿生（Digital Twin，DT） 技(jì )術作(zuò)為(wèi)綜合利用(yòng)物(wù)理(lǐ)模型、傳感器更新(xīn)、運行曆史等數據，集成多(duō)學(xué)科(kē)、多(duō)物(wù)理(lǐ)量、多(duō)尺度、多(duō)概率的仿真過程，在虛拟空間中(zhōng)完成映射的數字化手段，已在汽車(chē)、輪船、航空航天、精(jīng)密裝(zhuāng)備制造等領域開展原型設計、工(gōng)藝設計、工(gōng)程設計等方面的數字化設計實踐（見圖3）。未來在食品制造領域，利用(yòng)數字孿生技(jì )術打造映射物(wù)理(lǐ)空間的虛拟食品車(chē)間、食品數字工(gōng)廠，推動物(wù)理(lǐ)實體(tǐ)與數字虛體(tǐ)之間數據雙向動态交互，根據賽博空間的變化及時調整食品加工(gōng)制造工(gōng)藝、優化生産(chǎn)參數，提高生産(chǎn)效率。

　　2、食品生産(chǎn)智能(néng)管控

　　生産(chǎn)智能(néng)管控是指對産(chǎn)品生産(chǎn)流程進行集成管理(lǐ)和控制，實現生産(chǎn)過程高度自動化，主要包括：智能(néng)單元排産(chǎn)及調度、生産(chǎn)過程智能(néng)管控、實時監控、智能(néng)數據采集等關鍵技(jì )術，集中(zhōng)表現就是具(jù)有(yǒu)自感知、自組織、自決策的智能(néng)控制系統。

　　整體(tǐ)設備效能(néng)（Overall Equipment Effectiveness，OEE）可(kě)用(yòng)于評估制造業運行的效能(néng)，即可(kě)用(yòng)性、性能(néng)和質(zhì)量效率，現發展為(wèi)衡量制造業生産(chǎn)力的黃金标準。目前，OEE已成為(wèi)半導體(tǐ)制造中(zhōng)的必需定量工(gōng)具(jù)。鑒于其優勢，其他(tā)行業也紛紛采用(yòng)OEE來提高資産(chǎn)利用(yòng)率，并定制适合其特定行業特征和要求的程序。Zennaro針對一家行業領先飲料企業的飲料裝(zhuāng)瓶生産(chǎn)線(xiàn)進行了研究，從公(gōng)司的需求出發，确定生産(chǎn)線(xiàn)的關鍵控制點并評估其對OEE的影響。通過應用(yòng)成本績效指數（Cost Performance Indicator，CPI）進行飲料行業詳細微觀停機時間數據收集和統計分(fēn)析，并将其用(yòng)于構建支持改進活動的模拟模型。該研究揭示了自動化生産(chǎn)系統中(zhōng)減少停機時間對減低OEE的重要性，其所開發的統計分(fēn)析方法還可(kě)用(yòng)于進一步研究特定機器的可(kě)靠性與整個生産(chǎn)線(xiàn)的可(kě)靠性之間的關系。Rodrigues 和Cabral針對一些預算和人力資源有(yǒu)限、無法安(ān)裝(zhuāng)和運行複雜自動化數據收集和計算系統的食品企業，介紹了一種适用(yòng)于改進食品加工(gōng)行業連續性的方法。該研究使用(yòng)從包裝(zhuāng)生産(chǎn)線(xiàn)收集的數據來模拟整個裝(zhuāng)置的效率，提出了一種基于OEE幾何特性的啓發式方法，以定義應針對哪些參數來制定改進計劃。此外，研究還顯示了OEE與收益之間的關系，從而可(kě)以計算出改進連續性流程的商(shāng)業影響。研究表明：對在商(shāng)業食品加工(gōng)單元中(zhōng)收集的數據分(fēn)析使得通過評估包裝(zhuāng)設備的性能(néng)來确定效率損失的主要原因成為(wèi)可(kě)能(néng)，并可(kě)确定将OEE從53.9％提高到74.1％的改進策略；通過實施這種策略，預計可(kě)使淨收入增加88％。

　　3、食品制造裝(zhuāng)備智能(néng)化

　　智能(néng)制造裝(zhuāng)備是指具(jù)有(yǒu)感知、分(fēn)析、推理(lǐ)、決策、控制功能(néng)的制造裝(zhuāng)備，它是先進制造技(jì )術、信息技(jì )術和智能(néng)技(jì )術的集成和深度融合。

　　基于工(gōng)業物(wù)聯網（Industrial Internet of Thing，IIOT）技(jì )術可(kě)以實現在裝(zhuāng)備中(zhōng)融入具(jù)有(yǒu)感知、監控能(néng)力的傳感器和控制器，繼而實時采集數據，并智能(néng)分(fēn)析、移動通信以實現裝(zhuāng)備的智能(néng)化轉變。DESAI等人設計發明了一種基于IIOT技(jì )術的智能(néng)加熱系統，包含加工(gōng)、通信和其他(tā)信息技(jì )術組件，可(kě)遠(yuǎn)程監視和控制以及各種增值功能(néng)和服務(wù)。Krones公(gōng)司的ReadyKit系統采用(yòng)自身傳感器，可(kě)将與控制系統無關的包裝(zhuāng)生産(chǎn)線(xiàn)無損連接到IIOT中(zhōng)。北美的Rockwell公(gōng)司幫助乳制品加工(gōng)企業Agropur 實施了一個集成的控制和信息系統，可(kě)訪問實時生産(chǎn)數據，從而消除了手動數據收集并改善了設備綜合效率。

　　未來随着仿生技(jì )術、傳感技(jì )術、微電(diàn)子技(jì )術、人工(gōng)智能(néng)技(jì )術等發展，多(duō)技(jì )術集成，且具(jù)有(yǒu)自我運動規劃、多(duō)軸聯動、自主動作(zuò)執行的新(xīn)一代食品柔性制造系統值得進一步探索。此外，通過自主感測以及可(kě)伸縮的納米導電(diàn)材料，創制柔軟、可(kě)伸縮、可(kě)随意變形、可(kě)感知外在環境因子、肌肉運動等優勢的柔性化機器人， 更能(néng)适應食品加工(gōng)不同工(gōng)序的需要。

　　4、展望

　　當前在各種新(xīn)型檢測和加工(gōng)技(jì )術、智能(néng)制造技(jì )術和數據分(fēn)析技(jì )術等的支持下，食品産(chǎn)業正逐漸向智能(néng)化轉型。随着物(wù)聯網、大數據、雲計算、工(gōng)業機器人等技(jì )術在食品工(gōng)業中(zhōng)的應用(yòng)，構建高效節能(néng)、綠色環保、柔性精(jīng)準的智慧工(gōng)廠将是未來食品智能(néng)制造的終極目标。

來源：中(zhōng)國(guó)肉類機械網