勾調自動化在白酒生產(chǎn)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(chǎn)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(xié)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(chǎn)生雜味，破壞酒體，無法成為合格白酒推向市場。傳統(tǒng)的白酒勾調大多依賴勾調師的經(jīng)驗以及感官敏銳性，極易出現(xiàn)因感官疲勞造成的品質不穩(wěn)定及經(jīng)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(shù)學模型的設計[2]、PLC勾調控制系統(tǒng)的搭建[3]、最優(yōu)控制理論的融合[4]以及多功能勾調系統(tǒng)的實現(xiàn)[5]是其重要的組成部分。與傳統(tǒng)白酒勾調相比，白酒品質的穩(wěn)定性更好，勾調效率大幅提升，整個生產(chǎn)、管理也更加的系統(tǒng)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(yōu)缺點，總結勾調自動化在白酒生產(chǎn)中的研究進展以及相較傳統(tǒng)勾調存在的優(yōu)勢，提出了現(xiàn)階段勾調自動化存在的問題，并對白酒勾調的未來發(fā)展進行展望，旨在為白酒智能自動化生產(chǎn)提供參考依據(jù)。

1 白酒勾調工藝概述

在白酒的生產(chǎn)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(chǎn)品的成品酒，勾調是必要過程，然而在許多非從業(yè)者的眼中，對勾調與勾兌的區(qū)分沒有明顯的界定，在實際的生產(chǎn)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(xié)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(xié)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(xié)調與平衡[7-8]，實現(xiàn)成品白酒生產(chǎn)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(chǎn)的新酒僅通過入庫陳熟而未經(jīng)其他操作的原始酒液，待酒體穩(wěn)定后方可進入下一個環(huán)節(jié)。基酒的組合即為原漿酒經(jīng)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(chǎn)的匯聚各種特點的精華酒，極其珍貴，在很多企業(yè)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(xié)調、豐富成品白酒各種特點的目的，呈現(xiàn)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(chǎn)過程中，都會經(jīng)歷從小樣試驗到批量生產(chǎn)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(jīng)驗[11-12]，勾調經(jīng)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(jīng)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(chǎn)的前提。白酒勾調工藝流程及技術應用分區(qū)如圖1所示。

2 白酒勾調自動化的發(fā)展

在自動化、智能化極速發(fā)展的大背景下，國家也將工業(yè)4.0納入了新時代的戰(zhàn)略布局中，越來越多的行業(yè)為積極響應國家的號召大力發(fā)展自動化，穩(wěn)步推進智能化，白酒行業(yè)亦是如此。從初始的人工釀造到現(xiàn)在的自動化釀造生產(chǎn)線，極大地節(jié)省了勞動力支出，生產(chǎn)效率顯著提升。但是，要想推動實現(xiàn)白酒生產(chǎn)全鏈自動化、智能化，勾調的自動化是必備環(huán)節(jié)。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(tǒng)以及最優(yōu)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(qū)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(chǎn)生獨特而優(yōu)美的香氣，形成特定的風格，反之則會產(chǎn)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，建模的過程是白酒生產(chǎn)數(shù)值化的體現(xiàn)，為實現(xiàn)白酒勾調自動化提供數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(jù)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(shù)量、用量(質量)以及微量元素含量建立線性規(guī)劃配方模型，輸出的配方數(shù)據(jù)經(jīng)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(guī)的線性規(guī)劃配方模型提出了混合整數(shù)線性規(guī)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(shù)由0上升至31，總壇數(shù)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(shù)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(guī)劃、目標規(guī)劃配方模型進行對比，其中線性規(guī)劃的最優(yōu)解是滿足所有約束條件的最低成本配方、目標規(guī)劃的最優(yōu)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(guī)劃的最優(yōu)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(guī)劃的配方模型更加合理，其能通過設定彈性浮動區(qū)間來調整配方，所得配方數(shù)據(jù)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(fā)展，越來越多的行業(yè)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(guī)劃建立配方模型，并基于酒體理化指標與質量數(shù)據(jù)建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡，對依據(jù)配方模型勾調的白酒進行品質檢測，試驗證明，能夠實現(xiàn)配方建模與模型評估的一體化，但與神經(jīng)網(wǎng)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(guī)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(shù)據(jù)，香、味評分的BP網(wǎng)絡模型，有效減少了目標規(guī)模模型調整的次數(shù)。黃曉峰等[26]利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡方法對目標規(guī)劃算法進行改進，選取成品酒理化指標向量與“優(yōu)先因子”權系數(shù)(理化數(shù)據(jù)優(yōu)先等級權系數(shù))作為模型的訓練樣本，建立三層前向BP網(wǎng)絡訓練模型，通過訓練得到的最優(yōu)“優(yōu)先因子”結合多目標配方模型得出最優(yōu)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(guī)避了目標規(guī)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(yōu)劣，其中采用傳統(tǒng)數(shù)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(jīng)網(wǎng)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(tài)，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(lián)網(wǎng)、自動化等技術的發(fā)展及應用趨于成熟，使用機器設備代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工完成相關工作是整個生產(chǎn)制造業(yè)未來的發(fā)展趨勢，在白酒的生產(chǎn)過程中的部分環(huán)節(jié)，已然實現(xiàn)了機械化、自動化，白酒勾調自動控制主要體現(xiàn)在大樣勾調、批量生產(chǎn)上[27]，具體的應用方式如表3所示。

勾調效率，精度以及穩(wěn)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(xié)議為基礎的測量控制系統(tǒng)，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(wěn)定性。徐勁松等[29]采用研華公司的ADAM-4以刃系列數(shù)據(jù)采集和控制模塊，組成了一個集散式的SR-485工業(yè)控制網(wǎng)絡，對白酒的勻兌、過濾、拾送、生產(chǎn)產(chǎn)量統(tǒng)計等生產(chǎn)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(tǒng)應用在白酒的生產(chǎn)中，使得勾調的精確度可達95.5%，產(chǎn)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(tǒng)具有數(shù)據(jù)管理，現(xiàn)場監(jiān)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(chǎn)品品質更加穩(wěn)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(xiàn)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(tǒng)的控制系統(tǒng)中加入了酒罐余量溫度自動補償、白酒生產(chǎn)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(xiàn)了生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)網(wǎng)上實時查詢、實時控制，應用效果顯示，該系統(tǒng)將勾兌一次成功率提高到98%以上，勾調車間干凈整潔，生產(chǎn)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(wǎng)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(chǎn)工藝設計勾調自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)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(chǎn)能力的情況下，人力成本下降45%，還對收、存、勾、濾、發(fā)全過程的實時監(jiān)控，保障了生產(chǎn)安全。為了提高生產(chǎn)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(jù)工藝要求，對罐區(qū)分區(qū)，構成相對獨立的勾兌單位，實現(xiàn)罐區(qū)之間各種功能的罐體可以跨區(qū)域任意連通，靈活調度，滿足生產(chǎn)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(xiàn)通過引水、頂水等工藝步驟，提高了勾調的精度?；赑LC建立的自動控制系統(tǒng)在白酒勾調中運用較多，很大程度上提高了產(chǎn)能，但與勾調配方模型的結合力度不夠，無法實現(xiàn)真正意義上的一鍵勾調。

表2 多方法建立勾調配方模型優(yōu)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(tǒng)的聯(lián)合是進一步提升勾調精度，保障產(chǎn)品品質的有效措施?？刂扑惴ň哂袝r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(wěn)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(tǒng)中，相較于傳統(tǒng)的PID等經(jīng)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(yōu)勢。夏恒志[36]將模糊控制與PLC相結合，既保留了PLC控制系統(tǒng)可靠、靈活等特點，又提高了控制系統(tǒng)的智能化程度，結果表明，該系統(tǒng)可獲得更好的性能指標?？刂扑惴ㄔ诎拙乒凑{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(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，從最開始的優(yōu)化計算到現(xiàn)階段的系統(tǒng)搭建，對推動勾調智能化、自動化發(fā)展有著重要意義[37-38]。勾調系統(tǒng)是計算機技術與白酒勾調結合后的主要產(chǎn)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(yōu)化輔助系統(tǒng)，經(jīng)生產(chǎn)應用可知,該系統(tǒng)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(yōu)化控制。馬增良等[42]基于B/S的軟件架構，采用Net開發(fā)平臺設計了勾調生產(chǎn)管理系統(tǒng)，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(chǎn)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(xiàn)白酒勾兌與調味、評價的生產(chǎn)管理系統(tǒng)，通過系統(tǒng)自身的不斷學習與總結，實現(xiàn)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(yōu)化及庫存管理系統(tǒng)，集成庫存管理、優(yōu)化計算以及調味選酒，形成了白酒生產(chǎn)過程中從原酒到成品酒的一整套流程，試驗證明該系統(tǒng)對生產(chǎn)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(chuàng)建了包括酒庫管理、檢驗管理、配方設計、調味控制、系統(tǒng)管理5個模塊的應用系統(tǒng)，實現(xiàn)了勾兌信息管理、配方設計與控制、數(shù)據(jù)備份等功能，能夠滿足大部分生產(chǎn)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(tǒng)從初始的單一功能到現(xiàn)在的整合整個勾調工藝于一體，充分滿足了企業(yè)在白酒生產(chǎn)中的具體需求，但目前此類系統(tǒng)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(tǒng)的數(shù)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(huán)境下所呈現(xiàn)的效果較好。對于白酒勾調系統(tǒng)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(lián)網(wǎng)技術以及計算機技術等多技術融合的勾調控制系統(tǒng)的研究。此類研究相較傳統(tǒng)勾調而言勾調效率大幅提升，但與勾調配方的聯(lián)合還不夠，未能實現(xiàn)白酒勾調網(wǎng)絡化，全自動化。

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

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

(2)白酒專家系統(tǒng)：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(jīng)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(fā)展緩慢的主要原因。在各個酒企的實際生產(chǎn)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(chǎn)效率，加強白酒品質的穩(wěn)定性，但現(xiàn)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(chǎn)的實際要求，且普適性不強。白酒專家系統(tǒng)主要是將感官經(jīng)驗與理化指標模型進行有機結合，有效規(guī)避因感官疲勞，經(jīng)驗難保留等造成的品質不穩(wěn)定問題。

(3)流量精確控制系統(tǒng)：流量精確控制是白酒勾調批量生產(chǎn)中難題，在白酒勾調中管道中的殘余量在白酒勾調生產(chǎn)中無法避免，從而造成勾調生產(chǎn)中的小樣和批量之間的誤差。流量精確控制系統(tǒng)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(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術，將以上所述的基酒數(shù)據(jù)庫、專家系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)結合起來，實現(xiàn)勾調操作全鏈路的數(shù)字化與可視化，可實現(xiàn)白酒生產(chǎn)的追溯功能，達到訂單到包裝交付的一體化流程。