蘋果分選線柔性化配置

王忠財(cái)

（邁夫諾達(dá)機(jī)械設(shè)備（煙臺(tái)）有限公司，山東 煙臺(tái) 264000）

中國的蘋果產(chǎn)量自2011年起，一直以超過50%的全球產(chǎn)量占有率成為世界上最大的蘋果生產(chǎn)國。中國蘋果在國際市場(chǎng)上的產(chǎn)品檔次并不高，不占據(jù)優(yōu)勢(shì)，尤其是核心的內(nèi)部瑕疵檢測(cè)質(zhì)量評(píng)定水平較低，導(dǎo)致中國蘋果的出口占比卻比較低，高端蘋果的國際市場(chǎng)占有率更低。導(dǎo)致這種差距的原因主要是中國蘋果采摘后的商品化處理技術(shù)水平較低，產(chǎn)后附加值較低，核心分選指標(biāo)亟須提升。

在中國，最常見的蘋果品種就是富士蘋果、國光蘋果、金帥蘋果、嘎拉蘋果、紅將軍蘋果、花牛蘋果等。其中以富士產(chǎn)量最多，占據(jù)中國蘋果種植面積和產(chǎn)量的半壁江山。中國幅員遼闊，蘋果產(chǎn)區(qū)分布廣泛。主要有黃土高原、渤海灣、黃河沿岸和西南冷涼高地四大產(chǎn)區(qū)，根據(jù)氣候和生態(tài)適宜標(biāo)準(zhǔn)，西北黃土高原產(chǎn)區(qū)和渤海灣產(chǎn)區(qū)又是中國最適蘋果發(fā)展產(chǎn)區(qū)。黃河沿岸產(chǎn)區(qū)屬于蘋果生產(chǎn)的次適宜區(qū)。西南冷涼高地蘋果生產(chǎn)規(guī)模小、產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)差，無法滿足蘋果生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)區(qū)域的要求。但是最近幾年，隨著過國內(nèi)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的大力發(fā)展，國家精準(zhǔn)扶貧政策的大力推廣，讓越來越多的特色蘋果走出大山，走進(jìn)了都市[1]。

近年來，我國的蘋果產(chǎn)業(yè)整體上得到了快速的發(fā)展，但是同樣存在著顯著的問題。由于蘋果品種繁多，產(chǎn)地及緯度不同，導(dǎo)致蘋果產(chǎn)區(qū)分布跨度大，為蘋果制定統(tǒng)一的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)增加了難度。蘋果采摘后商品化程度低，采后分選技術(shù)水平不高，無法形成真正的品牌化，從而無法大幅提高蘋果的采收附加值。為讓果農(nóng)增收，更重要的是提高蘋果的品質(zhì)，將蘋果進(jìn)行精細(xì)分級(jí)，按質(zhì)論價(jià)，統(tǒng)一質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，打造真正的品牌化，這樣才能提高果農(nóng)的總體收入。

如何合理利用蘋果精細(xì)分級(jí)指標(biāo)特性；如何配置蘋果分選線；如何把蘋果采后分選標(biāo)準(zhǔn)化流程建立起來；如何讓采摘后的蘋果和現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)科技結(jié)合起來，是推動(dòng)蘋果產(chǎn)業(yè)向高質(zhì)量水平發(fā)展急需解決的問題。

目前，蘋果采摘后分選分級(jí)檢測(cè)的主要行業(yè)指標(biāo)特性包括以下5項(xiàng)：1.單個(gè)蘋果的重量；2.外觀、顏色檢測(cè)；3.外部瑕疵檢測(cè)；4.內(nèi)部瑕疵檢測(cè)；5.內(nèi)部糖酸度檢測(cè)。配置蘋果分選線的考慮因素主要有以下4點(diǎn)：1.單日分選產(chǎn)能；2.上料方式；3.出料包裝方式；4.出料口的數(shù)量。需要將分選分級(jí)檢測(cè)5項(xiàng)指標(biāo)與分選線配置4點(diǎn)因素按統(tǒng)計(jì)學(xué)進(jìn)行優(yōu)化排列組合，這時(shí)就必須合理應(yīng)用柔性化配置，在現(xiàn)代工業(yè)制造體系中發(fā)揮非標(biāo)化的優(yōu)勢(shì)[2]。

一、逐一分析分選分級(jí)檢測(cè)5項(xiàng)指標(biāo)以及對(duì)應(yīng)的檢測(cè)方法

1.單個(gè)蘋果的重量

這是一個(gè)蘋果采摘后分選最基礎(chǔ)的指標(biāo)，利用成熟的在線連續(xù)式稱重傳感器可以順利完成。通過對(duì)每一個(gè)果杯中的蘋果進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼，被數(shù)據(jù)編碼的蘋果在經(jīng)過稱重傳感器時(shí)將會(huì)得到一個(gè)重量數(shù)據(jù)信號(hào)，至此，一個(gè)蘋果的在線單果重量就被記錄，物理編碼加上重量信號(hào)復(fù)合輸出，等待后期分選程序按重量分選要求輸送到指定的分選出口處理即可。

2.外觀、顏色檢測(cè)

這是蘋果外觀分選的基礎(chǔ)指標(biāo)，一般主要檢測(cè)蘋果果型及蘋果顏色。利用設(shè)置在蘋果正上方的一臺(tái)高速攝像機(jī)將旋轉(zhuǎn)的蘋果動(dòng)態(tài)成像處理，一般一顆蘋果成像約8-10張圖像，通過分選系統(tǒng)圖像信息處理的算法，來判定蘋果的顏色是全紅色、條紅色、偏黃色等相關(guān)顏色數(shù)據(jù)，以及判定蘋果是偏長的、偏圓形的或者畸形的，同時(shí)，此外觀顏色數(shù)據(jù)也可以加持到被數(shù)據(jù)物理編碼的蘋果上，待后期數(shù)據(jù)處理。

3.外部瑕疵檢測(cè)

這是蘋果外觀分選的進(jìn)階指標(biāo)，一般瑕疵包含干疤、花斑、腐爛和破損等。檢測(cè)原理與外觀顏色檢測(cè)類似，用設(shè)置在蘋果左上方和蘋果右上方的兩臺(tái)高速攝像機(jī)對(duì)稱斜向成像，通過讓蘋果在攝像時(shí)同步旋轉(zhuǎn)，拍攝得到更全面的、360°全視野蘋果表面數(shù)據(jù)，利用分選處理大數(shù)據(jù)，可以有效識(shí)別果花和果柄等部位，避免誤判，真正剔除具有外部瑕疵參數(shù)的蘋果，從而提升蘋果的商品果質(zhì)量等級(jí)。

4.內(nèi)部瑕疵檢測(cè)

主要檢測(cè)蘋果霉心病和褐變等內(nèi)部瑕疵。是基于傅里葉近紅外光譜技術(shù)（Fourier transform near infrared spectroscopy，F(xiàn)T-NIRS）的檢測(cè)方法，利用對(duì)比健康蘋果和內(nèi)部有瑕疵的蘋果的透過光譜來分析得到結(jié)果。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)蘋果沒有任何損傷，可在線直接將內(nèi)部瑕疵果分選出來。但是對(duì)比測(cè)試的光譜模型需要前期找到若干的內(nèi)部瑕疵蘋果建模，建立模型過程中的數(shù)據(jù)越多，后期分選精度就越高。霉心病果和褐變果都是需要獨(dú)立建模，因?yàn)橥高^光譜特性不同，所以不能混合建模。

5.內(nèi)部糖酸度檢測(cè)

這是一個(gè)提升蘋果內(nèi)在品質(zhì)的重要指標(biāo)。蘋果甜不甜，酸不酸，通過檢測(cè)數(shù)據(jù)，做到有“心”中有“數(shù)”。 檢測(cè)原理與內(nèi)部瑕疵檢測(cè)類似，但是糖酸度的檢測(cè)需要將用于建模的水果先記錄光譜數(shù)據(jù)，在用手持糖度儀測(cè)定真實(shí)糖酸度數(shù)據(jù)，將光譜數(shù)據(jù)與糖酸度數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來[3]。

二、詳細(xì)解釋一下配置蘋果分選線的考慮4因素

1.單日分選產(chǎn)能

這是配置蘋果分選的基礎(chǔ)要求。是按照年出貨總量平均到每一天的量，一般單位是：頓/天，因?yàn)樵O(shè)備的產(chǎn)能是根據(jù)通道數(shù)量設(shè)計(jì)的，一般一個(gè)通道的產(chǎn)能是2.5～3頓/小時(shí)，按8小時(shí)計(jì)算，一天的產(chǎn)能約為20—24頓/天。

2.上料方式

一般包括：人工手工上料，人工周轉(zhuǎn)筐上料，機(jī)械自動(dòng)化周轉(zhuǎn)筐上料，人工大框上料，機(jī)械自動(dòng)化大框上料等。如果需求的單日分選產(chǎn)能低，一般的人工上料方式可以滿足，而產(chǎn)能高于60頓/天時(shí)，一般建議配置自動(dòng)化上料方式。

3.出料包裝方式

一般包括：人工手工包裝，單層半自動(dòng)化包裝，吸盤機(jī)械手自動(dòng)包裝，預(yù)分選大框包裝，機(jī)械自動(dòng)化碼垛包裝等。由于蘋果屬于易損水果，針對(duì)國內(nèi)市場(chǎng)的包裝現(xiàn)狀，一般都需要手工套網(wǎng)套來保證蘋果的品質(zhì)，所以一般建議采用人工手工包裝，降低設(shè)備的采購成本。

4.出料口的數(shù)量

取決于分選指標(biāo)和客戶的分級(jí)規(guī)格。實(shí)例一，新疆阿克蘇地區(qū)蘋果，因蘋果一般不套紙袋，光照強(qiáng)，蘋果甜度高，會(huì)形成冰糖心，而且蘋果外觀著色分布極度不均勻（一般是一大半紅，一小半黃），客戶預(yù)計(jì)日出貨能力40頓。這時(shí)建議分選指標(biāo)選擇：1.單個(gè)蘋果重量3.外部瑕疵檢測(cè)5.內(nèi)部糖酸度檢測(cè)，再結(jié)合配置蘋果分選線的考慮4因素，經(jīng)優(yōu)化分析柔性化配置的結(jié)果如下。配置2通道分選主機(jī)，上料和包裝均建議采用人工方式，配置外部瑕疵檢測(cè)處理系統(tǒng)和糖度檢測(cè)系統(tǒng)（主要優(yōu)化冰糖心的檢測(cè)模型），結(jié)合3個(gè)分選指標(biāo)和市場(chǎng)一般分級(jí)規(guī)格，建議配置12—14個(gè)出口即可。實(shí)例二，陜西高原地區(qū)蘋果，因蘋果一般都套紙袋，光照強(qiáng)度較強(qiáng)，蘋果甜度較高，成熟后需摘套進(jìn)行著色，蘋果外觀著色分布均勻，客戶預(yù)計(jì)日出貨能力80頓。這時(shí)建議分選指標(biāo)選擇：1.單個(gè)蘋果重量、3.外部瑕疵檢測(cè)、4.內(nèi)部瑕疵檢測(cè)、5.內(nèi)部糖酸度檢測(cè)，再結(jié)合配置蘋果分選線的考慮4因素，經(jīng)優(yōu)化分析柔性化配置的結(jié)果如下：配置4通道分選主機(jī)，采用機(jī)械自動(dòng)化周轉(zhuǎn)筐上料，包裝建議采用人工方式，配置外部瑕疵檢測(cè)處理系統(tǒng)、內(nèi)部瑕疵檢測(cè)系統(tǒng)（主要優(yōu)化霉心病的檢測(cè)模型）和糖度檢測(cè)系統(tǒng)（主要優(yōu)化糖酸度比值的檢測(cè)模型），結(jié)合4個(gè)分選指標(biāo)和市場(chǎng)一般分級(jí)規(guī)格，建議配置16—20個(gè)出口即可。

以上兩個(gè)實(shí)例，只是對(duì)當(dāng)前行業(yè)配置的定制化分選分級(jí)的柔性化配置的典型設(shè)計(jì)，可以顯著提升蘋果的質(zhì)量等級(jí)。針對(duì)分選分級(jí)檢測(cè)指標(biāo)4.內(nèi)部瑕疵檢測(cè)和5.內(nèi)部糖酸度檢測(cè)，是讓蘋果質(zhì)量等級(jí)走向高端、頂點(diǎn)的關(guān)鍵指標(biāo)，是區(qū)別蘋果分選外部檢測(cè)和內(nèi)部檢測(cè)的關(guān)鍵[4]。目前，內(nèi)部無損檢測(cè)的方法主要有低頻磁共振法、CT 成像法、生物阻抗特性法、計(jì)算機(jī)視覺法、高光譜法。但這些技術(shù)存在費(fèi)時(shí)、檢測(cè)成本高、需要專業(yè)人員操作等不足，導(dǎo)致無法成熟地應(yīng)用于工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)，無法保證出售水果的高端質(zhì)量[5]。因此，邁夫諾達(dá)機(jī)械設(shè)備（煙臺(tái)）有限公司開發(fā)出基于傅里葉近紅外光譜技術(shù)的檢測(cè)方法的成熟應(yīng)用設(shè)備INSIGHT IIT 和 IDD4 V8，結(jié)合先進(jìn)的大數(shù)據(jù)分析處理光譜信號(hào)，分別成熟應(yīng)用于蘋果內(nèi)部糖酸度、霉心病及褐變等內(nèi)部檢測(cè)，反饋出最優(yōu)的內(nèi)部檢測(cè)結(jié)果，已經(jīng)廣泛應(yīng)用中國的蘋果產(chǎn)區(qū)。

最后，結(jié)合分級(jí)檢測(cè)5項(xiàng)指標(biāo)與分選線配置4點(diǎn)因素綜合分析，合理應(yīng)用現(xiàn)代工業(yè)的柔性線意義，精準(zhǔn)施策，選擇搭配出最適合企業(yè)需求的蘋果分選線，結(jié)合高端分選分級(jí)的內(nèi)部檢測(cè)指標(biāo)，打造屬于中國蘋果分選企業(yè)獨(dú)有的分選體系，建立專屬的分選質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，提升自身品牌影響力，進(jìn)一步提升蘋果的采后附加值，讓純天然的蘋果配上智能化分選的翅膀，越飛越高。