孫楚綠，張迎新

天津商業(yè)大學(xué)寶德學(xué)院（天津 300222）

食品制造業(yè)是食品工業(yè)的重要組成部分，食品制造業(yè)的研究進(jìn)展對(duì)分析我國(guó)食品工業(yè)的發(fā)展有重要意義[1]。在食品制造業(yè)中，不斷改進(jìn)與創(chuàng)新的生產(chǎn)流程為企業(yè)帶來(lái)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，其中包括對(duì)傳統(tǒng)低效工作流程的優(yōu)化和先進(jìn)技術(shù)的運(yùn)用，進(jìn)而改善過(guò)度的材料消耗、資源浪費(fèi)和滯后與陳舊的機(jī)器質(zhì)量條件等，這些做法用于生產(chǎn)過(guò)程中的決策優(yōu)化[2]。通過(guò)食品制造業(yè)智能模型的研究以及新型的科技手段與智能技術(shù)的進(jìn)一步運(yùn)用，能夠保證食品制造業(yè)智能設(shè)備的獲取和智能系統(tǒng)的使用，進(jìn)而促進(jìn)食品制造業(yè)智能制造高質(zhì)量發(fā)展。

1 食品制造業(yè)智能模型的相關(guān)研究

1.1 元啟發(fā)式算法（Meta heuristic algorithm）

由于元啟發(fā)式算法的復(fù)雜性和行業(yè)的迫切需求，元啟發(fā)式算法研究被研究人員和行業(yè)廣泛關(guān)注。元啟發(fā)式算法已應(yīng)用于食品加工、生產(chǎn)、存儲(chǔ)等許多方面，在發(fā)酵、熱處理、脫水和蒸餾過(guò)程等領(lǐng)域中被更頻繁地應(yīng)用。還有一些關(guān)于食品生產(chǎn)過(guò)程的質(zhì)量和過(guò)程控制的研究，將問(wèn)題建模和元啟發(fā)式算法的開(kāi)發(fā)與先進(jìn)軟件相結(jié)合，涉及多變量、多目標(biāo)和多約束方法，用于解決在食品制造中的問(wèn)題[3]。

應(yīng)用于食品制造業(yè)的元啟發(fā)式算法主要包括以下3種[4]：

1) 局部最優(yōu)搜索法（Local optima search method）：通過(guò)基于目標(biāo)函數(shù)迭代地評(píng)估解決方案來(lái)尋找局部最優(yōu)解，直到滿足某個(gè)終止條件。Torrecilla等[5]使用優(yōu)化目標(biāo)的共軛梯度法優(yōu)化蒸煮袋包裝魚的傳導(dǎo)熱處理，將模型用于預(yù)測(cè)高壓食品加工的溫度水平和熱平衡時(shí)間上。

2) 隨機(jī)搜索法（Random search method）：隨機(jī)搜索法基于近似最優(yōu)解的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)的簡(jiǎn)單迭代搜索方法。食品行業(yè)的許多研究人員采用自適應(yīng)隨機(jī)搜索法及其混合算法與其他算法進(jìn)行優(yōu)化，用來(lái)計(jì)算合適的溫度，保證質(zhì)量。Turhan等[6]通過(guò)改進(jìn)隨機(jī)搜索法成為復(fù)雜方法（Complex method），應(yīng)用該方法來(lái)優(yōu)化多目標(biāo)問(wèn)題，最大限度地提高水蒸氣的滲透性，提高生物聚合物薄膜設(shè)計(jì)的機(jī)械拉伸強(qiáng)度的性能。

3) 模擬退火法（Simulated annealing）：模擬退火法通過(guò)利用局部最優(yōu)來(lái)尋找最優(yōu)解。An等[7]使用該方法分別編碼所需的再沸器和冷凝器中間部分的變量，并制定基于這些變量的成本函數(shù)。先確定預(yù)定混合物的蒸餾系統(tǒng)，包括分離順序、熱集成和操作參數(shù)，目的是最小化成本。再將混合物各部分分離編碼為變量，基于待分離的數(shù)量來(lái)配制用于熱集成的編碼（再沸器和冷凝器的組合），使用這些編碼變量，構(gòu)建成本函數(shù)來(lái)評(píng)估解。

1.2 制造業(yè)價(jià)值建模方法論（Manufacturing value modeling methodology，MVMM）

制造業(yè)價(jià)值建模方法論已被用作評(píng)估食品企業(yè)現(xiàn)實(shí)情況的基本工具。MVMM包括三個(gè)構(gòu)成塊：外部影響因子，包括企業(yè)運(yùn)作環(huán)境變化的壓力，使企業(yè)必須通過(guò)新的方式管理其業(yè)務(wù)以維持其價(jià)值；內(nèi)部影響因子，用于分析企業(yè)的內(nèi)部過(guò)程、策略和目標(biāo)；能力和技術(shù)，利用變化的優(yōu)勢(shì)確定所需的基本實(shí)踐工具[8]。

應(yīng)用于食品制造業(yè)價(jià)值建模方法論關(guān)鍵和代表性技術(shù)主要包括以下3種：

1) 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（Industrial internet of things，IIoT）：作為工業(yè)領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，IIoT用于自動(dòng)化數(shù)據(jù)收集，同時(shí)減少與文字相關(guān)工作。它可以看作是自動(dòng)化系統(tǒng)的優(yōu)化，也是機(jī)器如何在制造現(xiàn)場(chǎng)相互通信的逐步改進(jìn)技術(shù)。IIoT主要涉及人與物的交互，使用者能夠遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制他們的設(shè)備，為消費(fèi)者提供產(chǎn)品環(huán)境憑證的依據(jù)。

2) 云制造（Cloud manufacturing，CM）：云制造是應(yīng)用于制造領(lǐng)域的云計(jì)算技術(shù)，以客戶為中心，利用對(duì)多樣化和分布式制造資源的共享集合，形成可重新配置的生產(chǎn)線，以提高效率，降低產(chǎn)品生命周期成本，是食品制造業(yè)轉(zhuǎn)型的重要方向。

3) 全息圖（Hologram）：全息圖實(shí)現(xiàn)了三維圖像的再現(xiàn)技術(shù)?；谠鰪?qiáng)現(xiàn)實(shí)的系統(tǒng)可以支持各種服務(wù)，例如倉(cāng)庫(kù)中的零件選擇，通過(guò)移動(dòng)設(shè)備傳送維修說(shuō)明等?？梢詰?yīng)用于機(jī)器人技術(shù)、工廠的布局和維護(hù)。

2 食品制造業(yè)智能技術(shù)的相關(guān)研究

2.1 機(jī)器人的運(yùn)用

雖然工業(yè)機(jī)器人只是工業(yè)4.0中的一環(huán)，但卻代表著產(chǎn)業(yè)邏輯演變。在當(dāng)今競(jìng)爭(zhēng)激烈的工業(yè)化體制中，一些主要的食品機(jī)械制造商已經(jīng)成功地將機(jī)器人結(jié)合到不同的過(guò)程中。它們?cè)谔岣邷?zhǔn)確性、可重復(fù)性，可靠性、準(zhǔn)確性和效率方面發(fā)揮著重要作用[9]。使用機(jī)器人能夠降低人工成本，提高生產(chǎn)效率，有助于減少在生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)人的傷害，同時(shí)提升了安全性。通過(guò)一系列對(duì)其末端執(zhí)行器的編程，它將反復(fù)重復(fù)該運(yùn)動(dòng)模式，直到重新編程以執(zhí)行其他任務(wù)。在當(dāng)今的食品制造業(yè)中，主要將通用機(jī)器人和標(biāo)準(zhǔn)操作程序（Standard operating procedure，SOP）進(jìn)行結(jié)合，機(jī)器人主要用于較為瑣碎的工作，例如自動(dòng)質(zhì)量檢測(cè)、清潔工作、識(shí)別和檢查包裝、碼垛等任務(wù)，而不是“智能工作”。在屠宰和肉類加工工業(yè)中，自動(dòng)化程度越來(lái)越高，例如機(jī)器人胎體分離器和隱藏式牽引器的使用可以在不占用太多空間的情況下增加產(chǎn)量[10]。然而，為了在實(shí)際的食品生產(chǎn)中直接使用機(jī)器人，它們應(yīng)該與食品直接接觸，大多數(shù)由天然成分組成的食品具有特定的流變性質(zhì)，一些食物質(zhì)量和大小各不相同，由于其對(duì)機(jī)械干擾的高度敏感性而使得機(jī)器人操作非常具有挑戰(zhàn)性，安全和衛(wèi)生加工的標(biāo)準(zhǔn)化需要比較嚴(yán)格的考量，食品工業(yè)仍然是機(jī)器人的新市場(chǎng)[11]。

2.2 系統(tǒng)的支持

食品工業(yè)中的信息物理融合系統(tǒng)（Cyber-physical systems，CPS）用于食品處理和服務(wù)要求，是工業(yè)4.0的實(shí)踐基礎(chǔ)，沒(méi)有CPS的支撐，智能工廠、智能制造都是空中樓閣。CPS最適合食品智能制造[12]。完整的CPS包括仿真設(shè)計(jì)，生成解決方案，解決通過(guò)網(wǎng)絡(luò)和物理傳感數(shù)據(jù)融合和通信的問(wèn)題。構(gòu)建CPS是一個(gè)涵蓋控制、傳感、機(jī)器、通信、系統(tǒng)工程和集成等各個(gè)方面的綜合性問(wèn)題，從原材料到最終產(chǎn)品，優(yōu)化性能并提供模塊化方法[13]。新一代食品CPS主要側(cè)重于實(shí)現(xiàn)自主性，例如它能夠在整個(gè)操作過(guò)程中自動(dòng)將發(fā)酵過(guò)程保持在特定溫度內(nèi)。為了簡(jiǎn)化和加快復(fù)合材料食品的加工，這種系統(tǒng)越來(lái)越多地被整合到工廠和機(jī)械中[14]。信息物理融合生產(chǎn)系統(tǒng)（Cyber-physical production systems，CPPS）是實(shí)現(xiàn)智能制造的關(guān)鍵與核心技術(shù)?；谥悄墚a(chǎn)品的CPPS中的生產(chǎn)流程是自組織的、合作的和分散的，只有在特殊情況和明確的人為干預(yù)情況下才需要控制。CPPS智能產(chǎn)品應(yīng)是食品制造業(yè)長(zhǎng)期的戰(zhàn)略項(xiàng)目。在此基礎(chǔ)上，信息物理食品生產(chǎn)系統(tǒng)（Cyber-physical food production systems，CPFPS）可以作為未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)，結(jié)合CPPS，完善食品制造業(yè)智能化進(jìn)程。

2.3 3D食品打印

3D食品打印（3D food printing，3DFP）通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)食品材料來(lái)“重建”食物。目前，用于食品的可打印材料的數(shù)量仍然很少，這限制了產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和樣式[15]。研究顯示，使用植物細(xì)胞的食物打印技術(shù)，可以用來(lái)打印類似植物組織的食物。Lipton等[16]基于由低甲氧基果膠凝膠和萵苣葉細(xì)胞組成的生物墨水，加入牛血清白蛋白以增加印刷凝膠基質(zhì)，成功地打印了食物。Severini等[17]通過(guò)改變填充密度和層高來(lái)研究谷物基面團(tuán)的可打印性以及煮熟的打印樣品的機(jī)械和結(jié)構(gòu)特性。Derossi等[18]設(shè)計(jì)了一種可打印的水果零食，這種零食與兒童的營(yíng)養(yǎng)需求相容，并打印設(shè)置了其食品材料的質(zhì)地和結(jié)構(gòu)特性。但是，與現(xiàn)有的其他食品制造方式相比，可以用來(lái)打印的食品材料數(shù)量仍然很少。此外，打印食品的質(zhì)地和結(jié)構(gòu)性質(zhì)的多樣性仍然受到限制。3DFP符合數(shù)字美食的概念，將傳統(tǒng)的食物烹飪與3D打印相結(jié)合，旨在創(chuàng)造具有新結(jié)構(gòu)、新口味和新質(zhì)地的食物，同時(shí)考慮到消費(fèi)者的品嘗體驗(yàn)與營(yíng)養(yǎng)需求[19]。

3 新時(shí)期食品制造業(yè)智能設(shè)備模型與技術(shù)的新變化

食品制造業(yè)智能制造得益于科學(xué)的方法，使模型體現(xiàn)食品的獨(dú)特性和復(fù)雜性，以及新技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)信息的廣泛應(yīng)用。食品制造業(yè)企業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中具有舉足輕重的地位[20]。當(dāng)前食品領(lǐng)域的重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)食品的智能制造以及通過(guò)共同網(wǎng)絡(luò)層連接的食品企業(yè)之間的聯(lián)系，智能工廠能夠保證生產(chǎn)過(guò)程中的安全性并將方法與數(shù)據(jù)分析相結(jié)合，從而避免由于缺乏維護(hù)或故障而導(dǎo)致的機(jī)械問(wèn)題。

3.1 人機(jī)結(jié)合

食品制造業(yè)傳統(tǒng)的人機(jī)結(jié)合要求著重于人通過(guò)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)和軟件來(lái)對(duì)制造裝備的改進(jìn)等。隨著科技和技術(shù)水平的發(fā)展，人機(jī)結(jié)合的要求提升到了新的層次，即通過(guò)基礎(chǔ)模型與智能終端相結(jié)合，使科研人員的研究與設(shè)備的運(yùn)作與更新相結(jié)合，體現(xiàn)出相互聯(lián)系、相互協(xié)作與相互共事的原則。通過(guò)智能模型可以以物理、數(shù)學(xué)方式更簡(jiǎn)單地模擬現(xiàn)實(shí)。食品建模是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，通過(guò)新的工具、方法、監(jiān)控設(shè)備和可靠準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)建立不同空間尺度的互聯(lián)網(wǎng)模型來(lái)解決制造過(guò)程中的部分困難，從而獲得更具成本效益、可靠性和可持續(xù)性的優(yōu)勢(shì)[21]。

3.2 技術(shù)融合

智能制造是基于新一代信息通信技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)的深度融合[22]?！吨袊?guó)制造2025》強(qiáng)調(diào)加快食品行業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的智能化改造，將新一代信息通信技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)深度融合為智能技術(shù)[23]。在人與物交互的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、云制造加速轉(zhuǎn)型、全息圖的三維圖像技術(shù)基礎(chǔ)上，需要控制的融合、管理的融合、技術(shù)之間的融合，也需要人才的融合、設(shè)備的融合、學(xué)科的融合，逐漸向復(fù)合型產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)變。打造食品制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)新優(yōu)勢(shì)。

3.3 大規(guī)模定制

同其他行業(yè)一樣，食品制造業(yè)大規(guī)模定制作為生產(chǎn)方式變革的趨勢(shì)之一，其內(nèi)容不斷更新。食品制造業(yè)定制生產(chǎn)具有更強(qiáng)的響應(yīng)能力與敏捷靈活性，同時(shí)滿足消費(fèi)者的個(gè)性化需要。大規(guī)模定制需要在技術(shù)條件、人員條件、支撐要素與策略需求的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)在生產(chǎn)過(guò)程中速度的提升，降低成本。人與機(jī)器的交互可以對(duì)大規(guī)模定制起到支撐作用。大規(guī)模定制生產(chǎn)結(jié)合大數(shù)據(jù)的采集、處理與應(yīng)用，傳遞給智能設(shè)備，挖掘和分析食品制造過(guò)程中的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，可為產(chǎn)品創(chuàng)新生產(chǎn)作出貢獻(xiàn)。

3.4 高端創(chuàng)新

由原有的制造能力較強(qiáng)向創(chuàng)新制造能力過(guò)渡。用高端創(chuàng)新推動(dòng)高端制造，引領(lǐng)高端化轉(zhuǎn)型升級(jí)。信息化與自動(dòng)化（IT-OT）的融合創(chuàng)新才能釋放智能制造的潛力。而創(chuàng)新技術(shù)、創(chuàng)新設(shè)備的發(fā)展建設(shè)需要?jiǎng)?chuàng)新理念與創(chuàng)新思維的支持，加強(qiáng)自主創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)力，形成國(guó)際上新的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)高端制造與技術(shù)創(chuàng)新。重視政府在資助和協(xié)調(diào)傳統(tǒng)行業(yè)吸收新興技術(shù)創(chuàng)新成果方面的作用[24]。在進(jìn)行基礎(chǔ)研究的同時(shí)，也應(yīng)結(jié)合食品制造業(yè)特點(diǎn)，積極發(fā)展CPFPS，適應(yīng)新需要，轉(zhuǎn)變態(tài)度，驅(qū)動(dòng)創(chuàng)新突破，為社會(huì)帶來(lái)有益價(jià)值。

3.5 延長(zhǎng)產(chǎn)業(yè)鏈

食品制造業(yè)應(yīng)延長(zhǎng)產(chǎn)業(yè)鏈條，積極參與全球價(jià)值鏈分工[25]。食品制造業(yè)需要更精細(xì)分工，更密切的協(xié)作關(guān)系，獲得持續(xù)是生命力，提升資源利用率。深入地研究，擴(kuò)大行業(yè)規(guī)模，提升知名度與國(guó)際認(rèn)可度，改善現(xiàn)有格局，把握機(jī)遇，實(shí)現(xiàn)利益最大化，是食品制造業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)，并且將食品制造業(yè)標(biāo)準(zhǔn)提升至新高度。

4 結(jié)語(yǔ)與展望

現(xiàn)代食品制造業(yè)的智能設(shè)備模型和技術(shù)發(fā)展處在競(jìng)爭(zhēng)激烈的環(huán)境之中，在學(xué)習(xí)和借鑒國(guó)際上領(lǐng)先的科學(xué)技術(shù)的同時(shí)，也要求食品制造業(yè)不斷創(chuàng)新，積極面臨挑戰(zhàn)。解決食品制造業(yè)所面臨的挑戰(zhàn)，應(yīng)重點(diǎn)將學(xué)術(shù)研究與實(shí)踐相結(jié)合，理論與技術(shù)相結(jié)合，科技與創(chuàng)新相結(jié)合，在滿足個(gè)性化需求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)食品制造業(yè)的新突破、新發(fā)展、新模式。