煙葉烘烤技術(shù)研究進(jìn)展與智能烘烤技術(shù)展望

李靜浩,孫光偉,陳振國,馬俊桃,孫皓月,白森,劉愛君

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 煙草學(xué)院,河南 鄭州,450002;2.湖北省煙草科學(xué)研究院,湖北 武漢,430030;3.廣西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司,廣西 南寧,530001)

烘烤是烤煙生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié),鮮煙葉必須經(jīng)過烘烤才能體現(xiàn)和固定其優(yōu)良品質(zhì),并且同一批的鮮煙葉經(jīng)過不同工藝的烘烤,得到的煙葉的品質(zhì)、產(chǎn)量也會純在差異。因此適宜的烘烤工藝可充分顯現(xiàn)、固定和改善田間鮮煙葉的潛在質(zhì)量,對煙葉最終品質(zhì)的形成起著關(guān)鍵作用。但是煙葉烘烤技術(shù)操作難度較高、勞動強(qiáng)度較大,難以完全掌握,也是制約優(yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)的瓶頸。隨著建設(shè)現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)和“一基四化”的提出[1–2],烤煙生產(chǎn)組織形式發(fā)生了重大轉(zhuǎn)變,規(guī)模化種植已成為趨勢。和煙草的其他生產(chǎn)過程相比,煙草調(diào)制的勞動強(qiáng)度和技術(shù)難度都比較大,專業(yè)化進(jìn)程也相對緩慢。當(dāng)前,烤房自控設(shè)備已經(jīng)在國內(nèi)大量推廣應(yīng)用,但其只能自行維持溫濕度穩(wěn)定,具體溫濕度設(shè)定依然靠烘烤技術(shù)人員主觀判斷。但隨著人工智能、機(jī)器視覺、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)在農(nóng)業(yè)方面應(yīng)用逐漸增多,為實現(xiàn)烤前鮮煙葉素質(zhì)評價、烘烤過程中煙葉狀態(tài)精準(zhǔn)識別、機(jī)器自我學(xué)習(xí)優(yōu)化烘烤工藝提供了技術(shù)支持,烘烤技術(shù)智能化逐漸成為各省煙草研究所的研究熱點?；诖?本文在烘烤研究人員對當(dāng)前鮮煙葉素質(zhì)判斷、烘烤工藝、自動化烘烤設(shè)備研究的基礎(chǔ)上,設(shè)想了實現(xiàn)煙葉烘烤技術(shù)智能化需解決的問題。

1 鮮煙葉素質(zhì)評價

鮮煙葉素質(zhì)是煙葉烘烤特性的決定因素,直接影響烘烤工藝的制定。例如水分大的鮮煙葉采取“先拿水、后拿色”的烘烤策略,水分小的鮮煙葉采取“先拿色、后拿水”的烘烤策略,這兩類素質(zhì)不同煙葉對應(yīng)烘烤策略截然不同。不同鮮煙葉素質(zhì)對應(yīng)不同烘烤策略及工藝,烘烤工藝選擇的好壞直接影響烤后煙葉質(zhì)量。當(dāng)前我國烤煙產(chǎn)區(qū)密集式烤房大多采用“低溫慢變黃慢定色”的三段式烘烤工藝,烘烤過程整體分為變黃、定色、干筋三個階段[3],通過觀察烘烤過程中煙葉的形態(tài)、顏色變化,來判斷煙葉的變黃失水情況,從而對烤房的干濕球溫度、穩(wěn)溫時間等進(jìn)行調(diào)節(jié),完成煙葉烘烤。但在同類煙葉、同一烘烤工藝下,不同人員的烘烤技能、對煙葉狀態(tài)的判斷存在偏差；同時,工藝調(diào)控不及時、不精準(zhǔn)也使得煙葉烘烤質(zhì)量難以提升。并且許多研究人員所研究的烘烤特性的評價指標(biāo)多是煙葉烘烤過程中的特征指標(biāo),如何構(gòu)建或篩選系統(tǒng)的鮮煙葉素質(zhì)指標(biāo),以評價煙葉烘烤特性,仍有待深入研究。

鮮煙葉素質(zhì)是新鮮煙葉綜合素質(zhì)的一個統(tǒng)稱,它包括煙葉成熟度、顏色、煙葉部位、煙葉含水率、煙葉化學(xué)成分特征等多個方面,但在實際生產(chǎn)、研究中發(fā)現(xiàn):成熟度好的煙葉,往往具有良好的烘烤特性、烤后質(zhì)量,煙葉成熟度的過程也會伴隨著葉片顏色、組織結(jié)構(gòu)、內(nèi)在化學(xué)成分、酶活性等一系列變化,因此鮮煙葉素質(zhì)及烘烤特性的核心是鮮煙葉成熟度。

國內(nèi)外研究人員曾對新鮮煙葉成熟度判斷方面進(jìn)行過一系列的研究,如美國采用提前一周對田間煙葉進(jìn)行化學(xué)成分分析來判斷煙葉是否達(dá)到成熟采收標(biāo)準(zhǔn),津巴布韋通過煙葉成熟彩色圖片顏色、烤房試驗和抽屜試驗的量化指標(biāo)來對煙葉成熟度進(jìn)行衡量,日本則將煙葉顏色與比色卡進(jìn)行對比來判斷[4–6]。也有人認(rèn)為葉片電導(dǎo)率、蔗糖含量和組織結(jié)構(gòu)診斷法可作為判別煙葉成熟度的生理特性指標(biāo)[7–8]。葉色、葉象、葉齡是國內(nèi)目前判斷成熟度的主要依據(jù)[9–11]，當(dāng)前實行的標(biāo)準(zhǔn)《烤煙烘烤技術(shù)規(guī)程》中,將新鮮煙葉的成熟度分為尚熟、成熟、完熟、過熟和假熟五種狀態(tài),對于不同部分,又分別有葉片顏色、主脈及支脈顏色、葉面茸毛情況、成熟斑等多種特征的區(qū)分[12]。但從該標(biāo)準(zhǔn)對煙葉成熟特征的描述來看,多數(shù)特征有一定的模糊性,個人主觀判斷和經(jīng)驗對于煙葉成熟度判斷的結(jié)果影響較大。

一些研究者使用測色儀、葉綠素儀等儀器和技術(shù)手段對煙葉成熟度進(jìn)行定量化表征,以此來避免主觀因素導(dǎo)致采收成熟度的判斷偏差。李佛琳等認(rèn)為不同成熟度鮮煙葉的差異主要表現(xiàn)在葉綠素含量上,通過研究不同成熟度煙葉的SPAD值變化,建立了煙葉成熟度的葉綠素計讀數(shù)模型TMDSPADV,實現(xiàn)了量化的鮮煙葉成熟度判別[13];孫光偉等建立了采收葉片SPAD值與煙葉質(zhì)量的相關(guān)方程,提出相應(yīng)的SPAD范圍作為上部葉煙葉適宜采烤成熟度[14];張軍剛等人使用色差計研究了不同成熟度鮮煙葉的顏色值和色素,結(jié)果表明在煙葉成熟過程中各部位煙葉的顏色值呈現(xiàn)規(guī)律性變化,亮度值L*、紅度值a*、黃度值b*均逐漸增加,葉片亮度不斷提高,綠色逐漸退去,黃色逐漸顯現(xiàn),可通過葉片顏色值來指示煙葉各色素含量變化,提出使用色差計來輔助判斷煙葉成熟度[15]。隨著計算機(jī)視覺技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)在圖像處理技術(shù)在農(nóng)業(yè)科技領(lǐng)域中的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)普遍,在作物圖像信息采集與量化、農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)檢測、智能分級等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[16];此外作物各種化學(xué)及質(zhì)量指標(biāo)的精確估測在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等統(tǒng)計方法與圖像處理技術(shù)的結(jié)合下,也可以實現(xiàn)[17–19]。在煙葉分級領(lǐng)域,已經(jīng)有研究人員通過圖像處理技術(shù)對煙葉顏色特征(色調(diào)、飽和度均值等),葉形特征(葉長、葉寬、面積、圓度、葉尖角及殘傷率等),結(jié)構(gòu)特征(葉片厚度、單位面積質(zhì)量等)進(jìn)行提取,并建立各參數(shù)對各組別與各級別的隸屬函數(shù),應(yīng)用于煙葉分組與分級的綜合評判中,分級結(jié)果與人工分級的一致率接近90%[20]。

煙葉的成熟度不僅在于顏色變化,還體現(xiàn)在葉片含水率、厚度、組織結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分等多個方面。煙葉成熟的過程中其組織結(jié)構(gòu)、水分含量、化學(xué)成分等均呈現(xiàn)規(guī)律性變化。有研究者認(rèn)為淀粉的合成與積累過程反映了煙葉的成熟過程,當(dāng)其淀粉含量最高時,煙葉的生理代謝出現(xiàn)轉(zhuǎn)折[21–22],因此淀粉含量可以作為斷定煙葉成熟度的一個生化指標(biāo)。但凌壽軍等通過研究不同部位煙葉成熟過程中淀粉含量變化后認(rèn)為通過淀粉含量最高來判斷煙葉已經(jīng)開始充分成熟只適用于某些生態(tài)條件下的中部煙葉,但其依舊支持淀粉含量最大時是煙葉生理代謝的轉(zhuǎn)折點[23]。水分占鮮煙總質(zhì)量的70%～90%,是鮮煙葉內(nèi)含量最多的物質(zhì),有研究表明,水隨著煙葉部位的上升、成熟度的提高呈規(guī)律性變化:隨煙葉部位上升,總含水率和自由水含量逐漸降低,而束縛水含量、束縛水與自由水的比率逐漸升高;隨成熟度提高,總水分、自由水、束縛水含量、束縛水與自由水的比率逐漸降低[24]。

綜上可見,鮮煙葉素質(zhì)的判斷具有復(fù)雜性,體現(xiàn)在成熟度、顏色、含水率、葉片結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分等多個方面,主觀判斷差異較大,且判斷結(jié)果對后續(xù)制訂烘烤工藝影響至關(guān)重要,篩選出合理、測定簡便、可量化的鮮煙葉素質(zhì)指標(biāo)來評價烘烤特性,是實現(xiàn)烘烤工藝智能化需要解決的第一個問題。

2 烘烤工藝匹配研究

為了更進(jìn)一步提高煙葉烘烤質(zhì)量,煙草科技工作者一直都在積極探索最佳的煙葉烘烤工藝。針對不同素質(zhì)鮮煙葉,突出烘烤過程中關(guān)鍵溫度點的調(diào)控仍然值得進(jìn)一步深入研究。目前烘烤過程中,煙葉變黃和干燥主要以人的眼和手為基礎(chǔ)進(jìn)行定性判斷,需要煙農(nóng)或?qū)I(yè)技術(shù)人員不斷觀察判斷煙葉顏色和形態(tài)變化,依據(jù)烘烤工藝綜合決策后,再通過自控設(shè)備調(diào)整烤房的溫、濕度,整個過程在烘烤人員主導(dǎo)下進(jìn)行,自控設(shè)備只是一個由烘烤人員操作使用的控溫、控濕工具。

目前烘烤工藝的研究報道,多以三段式烘烤工藝為基礎(chǔ),不同區(qū)域延伸出了更為精細(xì)化的多溫度點密集烘烤工藝,如 “三段六步式”、“五段五對應(yīng)”、“八點式”等烘烤工藝,這些工藝對煙葉烘烤過程中干濕球溫度與煙葉變化狀態(tài)提出了更為精細(xì)的對應(yīng)關(guān)系[25–27];另一方面,烘烤環(huán)境對煙葉內(nèi)部生理生化反應(yīng)的影響報道較多,如烘烤溫濕度對煙葉淀粉、水溶性糖等碳水化合物以及蛋白質(zhì)、煙堿等含氮化合物的影響[28–31]。

由于烘烤過程一直在人的主導(dǎo)下進(jìn)行,煙草系統(tǒng)和煙農(nóng)每年都要在烘烤環(huán)節(jié)投入大量的人力物力資源。更重要的是,人為因素造成的各種烘烤風(fēng)險、弊端及問題依然存在,每年的煙葉生產(chǎn)也因此蒙受著一定損失。煙葉烘烤溫、濕度和烘烤時間的精準(zhǔn)控制是烤后煙葉香氣品質(zhì)的保障,為了使控制系統(tǒng)達(dá)到高精度控制要求,需要分析煙葉烘烤過程中各個因素的影響,建立表征溫濕度變化狀態(tài)的煙葉烘烤溫濕度模型。煙葉烘烤過程的數(shù)學(xué)模型是煙葉烘烤智能化進(jìn)程中一項重要的研究內(nèi)容。目前關(guān)于煙葉烘烤過程數(shù)學(xué)模型多以干燥模型為主。許威[32]等將化工干燥與煙葉烘烤過程中失水結(jié)合起來,結(jié)合多年烘烤經(jīng)驗,對煙葉烘烤時間實現(xiàn)了精準(zhǔn)控制,并在江西一些煙區(qū)推廣,取得了不錯的效果。魏碩[33]等將一階反應(yīng)模型應(yīng)用到煙草領(lǐng)域,提出了烤煙葉綠素降解動力學(xué)模型,并指出不同煙葉在同一烘烤環(huán)境下由于葉綠素降解所需活化能不同導(dǎo)致了其變黃特性的出現(xiàn)差異。李生棟[34]等將煙葉烘烤過程中水分比隨時間變化曲線與一些常用的農(nóng)產(chǎn)品干燥模型進(jìn)行擬合,篩選出適用于煙葉烘烤的干燥模型,并利用該模型對煙葉烘烤工藝進(jìn)行了調(diào)整,使用修正后烘烤工藝之后,煙葉烤后質(zhì)量較之前有明顯提升。這些研究對煙葉烘烤智能化提供了許多思路和寶貴的經(jīng)驗。

總體來看,針對不同素質(zhì)鮮煙的精準(zhǔn)制訂烘烤工藝參數(shù)的研究相對較少,如何以合適的鮮煙葉素質(zhì)參數(shù)來直接指導(dǎo)、制定烘烤工藝,是實現(xiàn)烘烤工藝智能化需要解決的第二個問題。

3 烤房自動化控制技術(shù)發(fā)展

近年來,生物質(zhì)能源的技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用發(fā)展迅速,已經(jīng)在生物質(zhì)發(fā)電、生物質(zhì)沼氣、生物質(zhì)鍋爐、生物質(zhì)柴油等領(lǐng)域取得了顯著成效[35–38]。在煙葉烘烤方面,對利用電能、太陽能、生物質(zhì)等清潔能源替代煤炭進(jìn)行了多方面的嘗試,并取得了一些階段性的結(jié)果[39–41]。經(jīng)過幾年的探索和研究,突破了生物質(zhì)燃燒結(jié)渣自動清除、焦油多次燃燒、進(jìn)料自動添加、熱交換利用效率大幅提高等一個個技術(shù)難題,開發(fā)出了適用于密集烤房煙葉烘烤的設(shè)備—“生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)供熱成套設(shè)備”[42]。2018年全國開始生物質(zhì)燃燒機(jī)的推廣應(yīng)用,這為密集烤房遠(yuǎn)程精準(zhǔn)控溫提供了條件。

隨著我國對農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的加速推進(jìn)、和人工智能技術(shù)的流行,烤煙的智能烘烤技術(shù)也逐漸成為各省煙草研究所的研究熱點。如何將煙葉烘烤脫離人的主導(dǎo),從而降低烘烤環(huán)節(jié)人力、物力的消耗,尤其是避免技術(shù)人員對煙葉烘烤特性的判斷差異所造成的烘烤事故,我國的研究人員對此已經(jīng)進(jìn)行過一些研究。在2008年,鄭州煙草研究院的研究人員設(shè)計出一種烘烤過程煙葉狀態(tài)的圖像采集裝置[43],該裝置實現(xiàn)了煙葉烘烤過程中狀態(tài)的遠(yuǎn)程觀測。在其之后,機(jī)器視覺技術(shù)在煙葉烘烤中的應(yīng)用也取得了一些進(jìn)展,鮑安紅等[44]提出了一種基于機(jī)器視覺的無曲線烤煙烘烤模式,對圖像采集設(shè)備輸出的煙葉烤中動態(tài)圖片進(jìn)行人工判斷,從而對烘烤策略進(jìn)行調(diào)整,實現(xiàn)了烤房溫濕度遠(yuǎn)程調(diào)控。近幾年,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器視覺在煙葉烘烤方面的應(yīng)用逐漸走向成熟,研究人員成功利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、近紅外相機(jī)、重力傳感器等技術(shù)、設(shè)備對烘烤過程中的煙葉進(jìn)行了實時動態(tài)檢測,并且可以將實時數(shù)據(jù)上傳至云端[45–46],趙虎開發(fā)了烤房溫濕度無線傳輸設(shè)備,可實現(xiàn)與現(xiàn)有烤房部分控制器的融合,通過手機(jī)可實時查看烤房溫濕度情況,當(dāng)實際溫濕度與目標(biāo)溫濕度發(fā)生偏差時可發(fā)出報警[47]。

盡管上述設(shè)備、技術(shù)應(yīng)用不斷成熟,實際烘烤作業(yè)仍依賴技術(shù)人員的經(jīng)驗來實現(xiàn)對烘烤方案的調(diào)控,但如果這些技術(shù)得到推廣,將在短時間內(nèi)形成一個集煙葉狀態(tài)、烘烤工藝、烤后質(zhì)量為一體的龐大數(shù)據(jù)庫,在大數(shù)據(jù)的加持下,機(jī)器自我學(xué)習(xí)、不斷優(yōu)化烘烤工藝將會實現(xiàn)。同時,這些技術(shù)、設(shè)備也可實現(xiàn)烘烤過程中煙葉變化預(yù)警:當(dāng)設(shè)備識別到煙葉即將脫水超標(biāo)與變黃不匹配或煙葉發(fā)生褐變時,通過自身通訊模塊為烘烤技術(shù)人員發(fā)出預(yù)警。因此,實現(xiàn)烘烤工藝智能化需要解決的第三個問題便是:建立煙葉烘烤數(shù)據(jù)庫,將機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用于煙葉烘烤工藝優(yōu)化,從而可以通過自身的溫濕度控制功能適時調(diào)控烤房的溫濕度環(huán)境,在煙葉烘烤過程中實時監(jiān)測、預(yù)警機(jī)制的加持下,使烘烤過程的煙葉變黃程度和干燥程度充分協(xié)調(diào)進(jìn)行。

4 展望

經(jīng)過近幾年的高速發(fā)展,互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)經(jīng)歷了計算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)三個明顯發(fā)展階段,現(xiàn)正整合向大數(shù)據(jù)分析及信息集成方向發(fā)展。Zigbee、wifi、gprs、3G、4G等通信技術(shù)都已趨向穩(wěn)定成熟,同時,智能手機(jī)在近幾年已經(jīng)大量普及,以上,為烤煙控制儀信息化提供了強(qiáng)大的技術(shù)平臺和應(yīng)用基礎(chǔ)。

在歷經(jīng)數(shù)年建設(shè)煙葉烤房設(shè)施已日趨規(guī)范的今天,實現(xiàn)煙葉自動烘烤智能烘烤的基礎(chǔ)條件已經(jīng)具備,圖像識別技術(shù)實現(xiàn)煙葉變黃和干燥程度自動檢測以及物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)條件也已經(jīng)成熟,已經(jīng)到了實現(xiàn)煙葉智能烘烤,改變傳統(tǒng)靠“眼看手摸心中想”等經(jīng)驗判斷方法的時候。