數字化技術為水產膨化飼料生產創(chuàng)造價值

程宏遠 李軍國 薛 敏

（中國農業(yè)科學院飼料研究所飼料加工創(chuàng)新團隊，北京100081）

1 我國水產膨化飼料生產管理技術現狀

我國飼料產量自2011 年起成為全球第一，2018年飼料總產量達2.28億噸，產值8 872億元(飼料工業(yè)年鑒，2019)。飼料產品質量和安全不僅取決于飼料原料和配方，生產加工過程也非常關鍵，畢竟，任何配方都需要經過生產加工后才可以大規(guī)模使用，先進合理的生產管理工藝與設備配置不僅可以提高生產效率，降低能耗，還可以提高飼料的營養(yǎng)價值和利用效率，保證飼料產品質量和安全性(Ma等，2018；楊潔等，2019)。我國飼料工業(yè)發(fā)展的三大環(huán)節(jié)——原料生產、飼料機械裝備和飼料生產企業(yè)在技術研發(fā)應用環(huán)節(jié)存在相互脫節(jié)，難以協(xié)調一致發(fā)展的難題，同時，飼料生產線的單元設備集成技術也亟需改善。我國飼料裝備的智能化與歐美發(fā)達國家相比，技術水平相差甚遠。在原料多元性配方模式下，水產膨化飼料生產的難度加大，需要檢測、采集和調控更多的工藝過程參數和更靈活的控制方案及設備，以及基于多維度分析（multi-scale analysis）的數據分析支持，才能實現實時、自動調整關鍵加工參數，保證穩(wěn)定高效生產。目前，絕大部分飼料生產仍為勞動密集型，自動化程度較低。特別在新冠病毒疫情常態(tài)化的影響下，勞動密集型企業(yè)復工復產風險較大，此次疫情也將進一步推動我國飼料生產遠程化控制和智能化裝備的需求和發(fā)展。

隨著人口不斷增加，人類對畜牧產品需求是剛需，飼料是社會食品供應鏈中不可或缺的一環(huán)，因此動物飼料的市場發(fā)展空間仍然很大。我國水產飼料年產量2 000萬噸。而我國自主知識產權的大型水產膨化飼料加工裝備生產歷史僅有10 余年，但發(fā)展迅速，目前特種水產動物均已普遍采用擠壓膨化工藝生產，總產量超過500萬噸(飼料工業(yè)年鑒，2019)。膨化工藝生產的飼料利用效率顯著高于傳統(tǒng)的環(huán)模硬顆粒飼料，其節(jié)能減排、提質增效的效果明顯(Welker等，2018)。但目前大部分企業(yè)在膨化飼料生產技術方面仍以經驗模式為主，生產過程中質量不穩(wěn)定，非計劃停機問題頻出，數字化生產管理規(guī)范基本為空白。與此同時，我國蛋白質資源缺乏，飼料原料種類很多，不同原料類型，甚至不同批次及產地原料的加工特性不同都會造成生產的不穩(wěn)定，生產過程操控難度較大，能耗高。因此，飼料生產企業(yè)需要通過改善管理流程，提高生產效率，降低生產成本等措施來提高生產的總體技術水平，其中，利用數字化技術改善飼料生產效率是重要的創(chuàng)新之路。

2 水產膨化飼料生產數字化管理

有效控制生產成本是每個企業(yè)生產管理的基本要求，是飼料企業(yè)優(yōu)化和改善企業(yè)內部管理時的一個核心話題，也是構建其他管理手段的基礎。在飼料加工生產設備和過程沒有本質性更新條件下，生產成本控制的實施措施可以包括：精益化管理、數字化生產、自動化控制生產過程等等，這些措施的基礎都是建立在對生產和管理過程數字化上，也是目前常常說的“新基建”，在此基礎上，決策過程不再是盲目進行，而是有數據分析支撐。雖然這個工作方向是整個工業(yè)生產行業(yè)的趨勢，但如何在飼料生產線上落實這些措施還需要針對每個飼料企業(yè)的具體情況來進行。

從基本原理上講，在飼料企業(yè)應用數字化技術進行管理的方法與其他工業(yè)生產行業(yè)是類似的，飼料生產企業(yè)可以借助其他工業(yè)生產過程成熟的應用方案，結合飼料生產的特征實施數字化技術的應用。在實施企業(yè)數字化管理方面，目前已經逐步實施的包括ERP 系統(tǒng)，單機自動控制乃至全廠自動控制等，甚至在汽車制造、家用電器制造等行業(yè)，全自動無人工廠已經完全實現。然而，對水產膨化飼料生產企業(yè)而言，受產品類別多，原料復雜，操作中參數變化頻繁等因素限制，如何結合自身特點實現數字化乃至自動化控制還十分困難。

2.1 配方與加工參數有效關聯的數字化

在養(yǎng)殖生產中，飼料占整個養(yǎng)殖的成本的比例可達60%～70%，所以，養(yǎng)殖業(yè)對飼料的價格非常敏感。如果飼料生產企業(yè)大規(guī)模的使用數字化和自動化生產技術，這些技術應用的投資會可能在短時間內直接導致飼料成本上升，短時間內大規(guī)模投資數字化解決方案的成本需要在比較長的時間內消化。與此同時，飼料生產過程中，配方原料成本在飼料產品成本中所占比列為70%～80%，生產設備運行成本占20%～30%。應用數字化技術時應該結合這種成本分配比例的權重而進行，比較改善設備運行效率和改善配方效率的投資后，分階段應用數字化技術手段。

2.2 復雜原料配方模式下的膨化飼料生產瓶頸問題

魚粉是許多水產飼料配方中的重要原料，隨著水產養(yǎng)殖業(yè)的增長，水產養(yǎng)殖行業(yè)對魚粉的需求量也逐步升高。聯合國糧農組織2020 年（糧農組織，2020）指出：目前全球范圍內水產養(yǎng)殖量已經超過漁業(yè)捕撈量，全球水產養(yǎng)殖需要以每年9.9%的速度增長，才能填補世界水產品供應量。為了維持水產養(yǎng)殖行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，必須在水產飼料中使用其他蛋白源來替代魚粉。Aas（2019）等報道，挪威在鮭鱒魚飼料中使用植物蛋白替代魚粉，其飼料中的海洋生物蛋白的含量已經逐步下降到了14.5%，如圖1所示。

圖1 魚粉在水產飼料配方中的含量變化（Aas，2019）

商業(yè)飼料中在應用某種替代蛋白源前，需進行科學系統(tǒng)的評估，以保障該原料對動物食用的有效性和安全的(van Krimpen 等，2019)。從營養(yǎng)的角度來看，替代蛋白源營養(yǎng)成分的組成、質量、營養(yǎng)消化率、營養(yǎng)活性因子含量、適口性和污染物濃度都很重要，這些數據是飼料原料營養(yǎng)參數數據庫的重要組成。目前，大量的研究報道證實在魚蝦飼料中可有效降低魚粉的使用量(Naylor 等，2009；Raveco 等，2013；?verland等，2006、2011、2013；Liang 等，2019；N?kland，2019），但針對不同蛋白原料對膨化飼料顆粒物理質量的影響的研究較少。Li 等（2020）研究了黑水虻蛋白替代魚粉的大西洋鮭飼料的加工和飼喂效果，黑水虻蛋白添加量升高后，對飼料顆粒質量有顯著負面影響，因此，現有工藝下生產的飼料顆粒比商業(yè)飼料的物理質量低。在飼喂試驗中，大西洋鮭對黑水虻蛋白含量較高飼料的消化率也降低。因此，在配方飼料開發(fā)過程中，對這些發(fā)表的研究數據都需要利用數據庫技術對其進行收集整理和數據化描述。

受飼料原料價格和來源復雜性的影響，不斷變化的配方和生產工藝參數的調整是水產飼料生產的常態(tài)。實際生產中，不同批次、不同廠家的原料加工特性會有顯著差異。如植物蛋白通常較動物蛋白具有更高的吸水性和膨脹性，利于加工膨化浮性顆粒飼料，而動物蛋白中，含有不同水溶性蛋白的魚粉之間的加工特性也有很大差異（S?rensen，2012）。當某些原料價格波動較大時，也需要實時調整配方。也就是說，水產飼料生產過程中的膨化機要經常應對一個具有波動性的“新”配方。在配方調整和形成過程當中，配方師不但需要了解各種原料的基本的營養(yǎng)特征和配方效果，也需要理解“新”配方在飼料生產線上的加工特征。另一方面，膨化機操作人員也必須迅速根據“新”配方的特征找到適宜的加工工藝。然而，在飼料加工生產實踐中，許多“新”配方往往不能在短時間內找到匹配的加工參數，導致大量的不合格產品，這個迭代過程有時會消耗比較多的人力物力，復雜多變的配方和原料物理化學特性是限制水產膨化飼料穩(wěn)定生產的瓶頸問題。構建原料營養(yǎng)和加工特性數據庫在這個組建“新”配方和探索“新”配方適配加工工藝過程中可以扮演關鍵角色。

3 水產膨化飼料生產過程數字化的框架

隨著5G、大數據、AI 等信息化技術的發(fā)展，通過遠程控制的少人甚至無人工廠已在食品加工行業(yè)開始應用，數字化技術在水產膨化飼料生產中的重要性日漸體現。目前在飼料生產過程中，最常見的做法是實時采集生產線上的每一個物流，能量流，設備狀態(tài)流，操作人員流的數據，并自動建立數據庫，給出各種數據的變化曲線，標識各種設備的運行狀況，分析診斷各種設備的效率等。但是，這種過于寬泛的數字化應用模式會直接導致一次性投資過大。在飼料生產線上應用數字化技術時，需要首先圍繞飼料生產的核心進行，也就是要圍繞“組建配方效率”和“搜尋適配工藝參數”兩個核心工作展開。

圖2 飼料生產的基本特征及數據庫構架

基于水產膨化飼料生產過程的基本特征，第一步工作是要圍繞飼料生產過程的核心問題建立基礎數據庫，其中包括原料配方成分的加工物理性質數據庫，不同配方的加工特征數據庫，配方加工歷史數據庫，配方生產加工參數數據庫等，這些數據庫是數字化工作最基本的核心，也是飼料生產企業(yè)生產管理中的基本要素（圖2）。

應用數字化技術的第二步是在數據庫基礎上建立數據分析功能模塊，如圖2所示。在飼料生產企業(yè)中，各種原料成分的基礎營養(yǎng)數據比較齊全，配方師可以依據這些營養(yǎng)數據和原料庫存組成“新”配方，但是，大部分情況下配方師對配方的加工特征還不十分了解，特別是物料的黏彈性、流變性、熱力學特征等與膨化腔中物理-化學變化息息相關(Forte 等，2016)。因此，數據庫中需要能夠依據配方成分對物料的基本物化特性給出初步判斷和分析。另一方面，負責飼料生產線的人員需要根據配方判斷加工工藝參數，也需要核實原料儲存是否能夠完成配方的加工，或者加工中途如何更換原料，如何隨著新特性原料的比例調整加工工藝參數。在水產飼料生產過程中，生產經理的實際操作知識對生產的完成至關重要。目前，在飼料企業(yè)中，這些配方建立和配方加工，特別是配方膨化加工均依靠配方師和生產經理的工作經驗來完成。數字化技術可以為配方師和市場經理提供定量化的分析結果，呈現“新”配方的歷史加工特征和推薦優(yōu)化的加工工藝參數來完成。

配方分析功能模塊和配方加工工藝模塊能夠促進配方師和生產部在同一個信息基礎上進行溝通、分析和決策，從而避免對配方加工的決策延遲和沖突。同時，數字化技術可以將配方和生產工藝有機結合，將加工過程的參數，產品質量作為歷史記錄保存下來，為技術人員總結經驗，研究進一步優(yōu)化措施提供寶貴的歷史經驗。

4 數字化技術為飼料生產創(chuàng)造價值

4.1 膨化飼料生產數字化技術的基礎理論

配方混合物的物理性質（特別是粘彈性）與飼料膨化加工單元密切相關。從配方混合物物理化學性質出發(fā)了解膨化加工過程的本質和基本規(guī)律是推動膨化加工技術發(fā)展的關鍵步驟。對原料在膨化機內發(fā)生物理及化學變化規(guī)律的新發(fā)現將導致誕生新的膨化機設計方案和新的操作工藝方法。

近年來，一些學者用相態(tài)或相圖的方法來分析配方混合物的性質和其變化規(guī)律（Thomas, 2019）。在配方混合物的相態(tài)研究中，人們通過測定混合物的玻璃轉化溫度（Tf）和熔融溫度（Tm）來獲得配方混合在調質和膨化過程的特征，從而解釋不同配方在這些關鍵加工單元中的變化規(guī)律。水產飼料膨化加工過程是一個高壓熱加工過程，在加工過程中，原料物理化學性質的宏觀體現是其黏度發(fā)生變化。目前，大部分基礎研究都集中在對物料黏度的觀測和分析計算方面。Samuelsen（2019）利用毛細管黏度計研究物料通過毛細管的壓力變化，測量物料在不同溫度下的黏性特征，用于解析混合物料在膨化腔中的變化規(guī)律，而這些數據規(guī)律是膨化飼料智能化生產的基礎。

4.2 利用數字化技術評估及優(yōu)化飼料生產線運行

利用采集的生產線數據可以對生產過程的每一個單元設備的運行狀況，以及原料、產品的廠內配送進行詳細的量化分析，從而評估及優(yōu)化全廠生產過程的每個細節(jié)，提高生產效率，降低能耗和物耗。飼料生產線設計和建設時，設計目標是依據產品類別和預期產能來完成的，然而，在實際生產過程中，整個工廠的生產線在很多情況下往往不能滿負荷運行，這時就需要根據當時的訂單情況對生產工藝過程進行局部二次、三次調整，使生產線的運行與配方產能相適應。目前，我國飼料生產企業(yè)的生產產能已經超過養(yǎng)殖行業(yè)對飼料的需求數量，在許多情況下，飼料生產企業(yè)生產線的開機運行模式是按照訂單數量進行，也就是說，只有當企業(yè)獲得飼料訂單后，飼料企業(yè)才開動某一個特定的生產線生產飼料。生產線不能滿負荷運行時，就需要對生產線進行合理調整以節(jié)約能耗和物耗。

在對生產線進行調整時，首先需要根據一個設定的目標評估生產線的性能指標，常用的性能指標有設備綜合效率（OEE）。每一個企業(yè)可以定義自己的OEE，一種OEE 的定義方法是由時間開動率、性能開動率及合格品率3個要素構成（王紅英等，2019）。

OEE=時間開動率×性能開動率×合格品率

有些是根據生產線產率或時產（t/h）來衡量生產線的性能，這時對產率的描述需要考慮生產過程的開機、穩(wěn)定生產、停機等不同環(huán)節(jié)。比如，產率可以定義為：凈產能，即單位時間內（1 h、7 d或30 d）生產線的產量。穩(wěn)定產能：除去開機、停機時間后生產線的產能或時產。批次產能：在不同時間段生產同一種飼料的產能，用以比較不同班組的生產效率。循環(huán)料比率：衡量機頭料，機尾料循環(huán)的數量。應用對生產線采集的數據可以交叉使用這些不同的計算量進行多層面的比較，從而得出一個比較全面的分析結果，而后再依據這種比較全面的分析結果采取一個最適宜的優(yōu)化生產調整方案。

5 水產膨化飼料生產數字化應用及展望

當一條飼料生產線設計和集成時，往往需要將不同設備供應商的設備集成在一起。隨著時間的推移，有些單元設備之間的相互配合缺陷或不足就會暴露出來了，我們可以依據記錄的各種飼料加工過程生產的歷史數據重新評估或優(yōu)化生產線上設備相互配合的水平，及時調整設備運行中暴露出來的不足或缺陷?；诒４娴臍v史數據，還可以用于新員工培訓和操作技能改善。這些歷史記錄保存下來的是工藝工程師多年操作經驗的體現，可以相互借鑒，相互傳播?；谏a線操作過程的歷史記錄，可以對飼料生產線全流程中單元設備的相互配合情況，重新進行評估。

目前，在飼料生產企業(yè)存在多系統(tǒng)之間沒有很好的信息交流的問題，多部門之間的信息不通暢，信息收集不全面不及時，缺乏數據收集和查詢的工具。這種情況下生產數據是無法真實可靠反饋給管理者，從而影響對生產運營計劃的分析和判斷，存在對生產過程中管理的盲點，無法確定生產過程中的瓶頸。目前，大部分水產飼料生產線工藝參數數據沒有被實時記錄并保存。因此在飼料生產過程中，管理者往往就依靠主觀判斷，缺乏量化管理的基礎，從而導致獎懲制度不透明，管理者缺乏威信，員工也缺乏積極性。利用數字化技術，我們可以記錄生產企業(yè)每個關鍵環(huán)節(jié)的數據，打通部門之間的信息孤島的連接。比如，配方師和生產工程師的決策就不會再依據某些模糊的概念，而是依照科學的數據進行決策，配方師和生產工程師之間也會加深理解和互信?；跀底只夹g，我們也可以記錄各種配方的歷史加工經驗數據，這些歷史數據記錄了在加工每個配方時所有的操作動作和工藝設定，這些經過多次試錯所獲得工藝參數對加工類似配方的產品有非常重要的保存和借鑒價值。有利于減少失誤和誤判導致的非計劃停機。

利用數字化技術指導飼料生產實踐剛剛起步，大部分飼料生產企業(yè)的生產線運行數據并沒有及時記錄或保存，生產線的性能的定量分析無法開展。因此，生產線實時數據采集系統(tǒng)是數字化生產的前提。在收集到生產線運行歷史數據后，對生產線進行分析和調整時，可圍繞著各種不同的目標來進行。例如在實現膨化飼料生產節(jié)能降耗目標前，首先要在膨化機和烘干機的蒸汽添加管線安裝蒸汽流量計，各種單元設備，如粉碎機、混合機、膨化機的生產歷史數據要實時記錄和保存，經過一定時間的數據積累，通過OEE分析，這些環(huán)節(jié)的蒸汽使用量可以有效的降低。此外，在電耗方面，利用操作歷史數據可以分析和判斷適宜的設備啟動和停機時間，確保前一個工段生產的物料準備就緒后，后一個工段再啟動設備?？傮w而言，基于生產歷史數據針對整個生產線中每個操作和實施步驟的定量化分析，核算每個生產細節(jié)，節(jié)約不必要的物料，產品和人員移動，達到減少排產不暢和非計劃停機、降低生產能耗的目標。

現代社會已經進入數字化時代，數字化技術的應用隨處可見。所謂“智能化生產”或“工業(yè)4.0”是未來制造行業(yè)的發(fā)展變化趨勢。在飼料生產線中，生產設備的自動控制已得到一些應用，但是許多環(huán)節(jié)還有待改善。比如，在擠壓膨化生產過程中可以自動控制添加水量、螺桿轉速、產能等操作工藝條件，但尚不能控制擠壓膨化產品的容重、膨化度、水中穩(wěn)定性等加工質量指標。為解決這種狀況，飼料行業(yè)需要利用數字化模擬技術對單元設備的操作運行規(guī)律進行研究，找出工藝參數變化與產品質量的內在關系和工藝參數變化后對產品質量指標的作用。利用這些定量化的關系描述，可以實現生產過程的智能化控制。隨著硬件成本、通訊成本顯著降低，飼料企業(yè)也可借助物聯網技術，實現單元設備生產數據、圖像遠程輸送，遠程控制。

綜上所述，水產膨化飼料數字化技術是一個系統(tǒng)工程，既包括飼料原料的綜合物理化學特征數據，也包括膨化加工過程的參數調整及與飼料加工質量的關聯性。將以上數據庫的有機結合與關聯，以期達到改善配方成本控制，提高加工效率，保障飼料產品質量穩(wěn)定的效果。