畜禽屠宰加工智能化裝備及技術(shù)研究進(jìn)展

李 君 謝 斌 翟志強(qiáng) 張 鵬 侯松濤

(1. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083；2. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備優(yōu)化設(shè)計(jì)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

中國是肉類生產(chǎn)和消費(fèi)大國，肉品總產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的1/3左右，2019年中國肉類總產(chǎn)量達(dá)7.759×107t[1]。目前，中國大型屠宰加工企業(yè)主要靠引進(jìn)國外的裝備進(jìn)行生產(chǎn)，成本高且受到技術(shù)制約；中小型企業(yè)以半機(jī)械化加工方式為主[2]，屠宰加工裝備及智能化技術(shù)落后，投入人力成本大，且存在衛(wèi)生安全問題。因此，自主研究畜禽屠宰加工智能化技術(shù)，開發(fā)智能化裝備已成為中國畜禽屠宰及肉品加工業(yè)的迫切需要。文章擬介紹國內(nèi)外畜禽屠宰加工相關(guān)企業(yè)，結(jié)合國外龍頭企業(yè)的現(xiàn)有裝備和國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，從屠宰、分割和分級(jí)3個(gè)方面概述國內(nèi)外現(xiàn)有的部分智能化裝備和技術(shù)，為畜禽屠宰加工業(yè)的智能化發(fā)展提供相關(guān)參考和研究信息。

1 畜禽加工企業(yè)現(xiàn)狀

目前，國外技術(shù)和裝備較先進(jìn)的企業(yè)主要集中在丹麥、澳大利亞、荷蘭、美國和德國等國家，主要有德國的Banss公司，荷蘭的Stork公司和Meyn公司，丹麥的SFK公司和Frontmatec公司，奧地利的Voran公司，美國的Jarvis公司，冰島的Marel公司等[2]；中國從事畜禽肉類加工的企業(yè)主要有查維斯機(jī)械制造(北京)有限公司、山東華譽(yù)機(jī)械設(shè)備有限公司、青島建華食品機(jī)械制造有限公司、濟(jì)寧興隆食品機(jī)械制造有限公司、南京市宏偉屠宰機(jī)械制造有限公司、吉林省艾斯克機(jī)電股份有限公司等，這些公司的主要研發(fā)范圍見表1。

2 畜禽屠宰智能化裝備及技術(shù)

2.1 智能化致暈裝備及技術(shù)

2.1.1 裝備 目前致暈的方式主要有電擊致暈、機(jī)械致暈、氣體致暈和電磁力致暈[3]。在禽類致暈方面較多采用水浴式電擊暈，該致暈方式是將家禽倒掛在有動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的鏈條的金屬掛鉤上，待其行進(jìn)至水浴式電擊位置時(shí)，頭部浸入電擊暈機(jī)的正極水槽中(掛鉤帶負(fù)極電)而被擊暈，但這種致暈方式會(huì)使家禽胸肉中出現(xiàn)針狀出血點(diǎn)，且烹調(diào)時(shí)會(huì)變黑，影響肉質(zhì)[4]。冰島Marel公司的水浴電擊暈機(jī)可實(shí)現(xiàn)交流電壓的無級(jí)調(diào)速，并且可根據(jù)活禽尺寸調(diào)整擊暈機(jī)高度，適合所有類型的家禽；其中PureSine型水浴擊暈機(jī)采用純正正弦波電信號(hào)，擊暈過程較為順暢，并可在50～1 500 Hz無級(jí)變頻，實(shí)現(xiàn)擊暈效率和肉質(zhì)的平衡；Marel公司在畜類致暈方面主要采用電擊致暈和CO2致暈系統(tǒng)，每小時(shí)可致暈40～1 600頭豬不等[5]。德國Banss公司用于豬致暈的設(shè)備有Restrainer BRT-HH-T*、Restrainer BRT-2和Restrainer BRT-3，三者均采用高頻恒流致暈技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了輸送機(jī)和致暈設(shè)備之間的同步，且傳動(dòng)裝置位于輸送系統(tǒng)末端，減少了運(yùn)輸部件的磨損并避免了人員傷害，其中Restrainer BRT-3每小時(shí)最高可致暈650頭豬；Banss公司的SOMNIA型CO2致暈系統(tǒng)綜合了歐共體現(xiàn)行的動(dòng)物福利標(biāo)準(zhǔn)和工業(yè)致暈對(duì)肉質(zhì)的要求，在模塊化設(shè)計(jì)中采用靈活的系統(tǒng)配置，且處理系統(tǒng)能夠?qū)Σ煌笮〉娜后w進(jìn)行致暈，每小時(shí)可致暈1 200頭豬[6]。丹麥Frontmatec公司的20509920型致暈箱由配有液壓控制的后門、推桿、地板升降器、頭部固定裝置和側(cè)門組成，液壓控制的升降門確保一次只能有一只動(dòng)物進(jìn)入致暈箱，頭部固定機(jī)構(gòu)可根據(jù)動(dòng)物大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，用來牢固地固定頭部和頸部，動(dòng)物進(jìn)入致暈箱后被推桿和頭部固定機(jī)構(gòu)固定動(dòng)物進(jìn)行致暈，致暈后推桿后移，頭部固定裝置解除固定，側(cè)門打開，地板傾斜，動(dòng)物自動(dòng)出箱，該致暈箱每小時(shí)可致暈100頭小?；?0頭牛[7]；Frontmatec公司CO2致暈系統(tǒng)配備全自動(dòng)趕豬通道，趕豬區(qū)域噪聲低，提高了動(dòng)物福利，豬肉品質(zhì)更高，每小時(shí)可驅(qū)趕145～1 400頭豬不等[8]。

表1 各公司的主要研發(fā)范圍

2.1.2 技術(shù) 目前國內(nèi)外在致暈方面的研究集中在提高動(dòng)物福利和減少肉質(zhì)影響兩個(gè)方面。Terlouw等[9]認(rèn)為在屠宰過程中快速誘導(dǎo)昏迷和死亡，同時(shí)避免壓力和疼痛，是動(dòng)物保護(hù)兩個(gè)主要目標(biāo)；Llonch等[10]研究了電流低于1.0 A時(shí)對(duì)羔羊和山羊的電擊效果，發(fā)現(xiàn)0.3，0.5，0.7 A 的電流誘發(fā)的有效致暈效果與電流在1.0 A時(shí)相似；Gerritzen等[11]對(duì)肉雞進(jìn)行了多階段CO2致暈試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)與將肉雞直接置于高濃度CO2中致暈相比，CO2濃度從40%左右分階段逐步增加到高濃度的致暈方式會(huì)減少肉雞的痛苦，提高動(dòng)物福利；張欣等[12]研究了屠宰前不同CO2濃度的混合氣體致暈對(duì)肉鵝肝臟品質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)40% CO2混合氣體(40% CO2+21% O2+39% N2)致暈的肝臟品質(zhì)較好，79% CO2混合氣體(79% CO2+21% O2)致暈的肝臟脂質(zhì)氧化程度最低。

2.2 智能化掏膛裝備及技術(shù)

2.2.1 裝備 目前，冰島Marel公司的Nuova CoreTech核心掏膛機(jī)通過精確定位每只家禽，無需調(diào)整即可準(zhǔn)確掏膛，每臺(tái)掏膛機(jī)帶16或20個(gè)掏膛處理裝置，通過一次性自動(dòng)化操作完整地掏出包括心臟、肺臟、肝臟、禽胗和腸子在內(nèi)的整副內(nèi)臟包，并將其懸掛在背部[13]。荷蘭Meyn公司的新式掏膛機(jī)搭配全自動(dòng)內(nèi)臟在線分揀系統(tǒng)，掏膛機(jī)采用掏膛夾式結(jié)構(gòu)將內(nèi)臟包輸送至內(nèi)臟夾，內(nèi)臟夾夾持內(nèi)臟包通過獸醫(yī)檢驗(yàn)平臺(tái)經(jīng)腸膽自動(dòng)分離機(jī)去除腸，經(jīng)肝臟摘取機(jī)將雞肝完整摘取，再經(jīng)過心肺分離機(jī)和腺胃切割機(jī)進(jìn)行雞心和雞胗的分離和切割，完成全自動(dòng)在線分揀內(nèi)臟的整道工序[14]。

2.2.2 技術(shù) 家禽掏膛主要有夾取式、挖取式和扒取式3種方式，規(guī)?；a(chǎn)通常采用自動(dòng)取內(nèi)臟聯(lián)合作業(yè)系統(tǒng)和人工輔助流水線生產(chǎn)兩種方式。中國主要在機(jī)器視覺、柔性掏膛和機(jī)械手結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)優(yōu)化幾個(gè)方面進(jìn)行相關(guān)研究。陳艷[15]利用機(jī)器視覺技術(shù)對(duì)家禽胴體和內(nèi)臟整體圖像進(jìn)行分割，對(duì)雞心和雞肝等可食用內(nèi)臟器官進(jìn)行圖像分割、體內(nèi)位置預(yù)測、特征提取和離體識(shí)別，構(gòu)建了家禽機(jī)械手掏膛系統(tǒng)并進(jìn)行試驗(yàn)研究，研究技術(shù)和方法為智能化掏膛提供了技術(shù)支持；陶凱等[16-17]利用機(jī)器視覺定位技術(shù)設(shè)計(jì)了一種家禽屠宰凈膛系統(tǒng)，試驗(yàn)表明，內(nèi)臟平均破損率為23%，平均殘留率為7.63%；熊利榮等[18-19]用壓力傳感器作為觸覺感知系統(tǒng)檢測機(jī)械手對(duì)家禽內(nèi)臟的壓力，實(shí)時(shí)調(diào)整機(jī)械手的凈膛力度，有效降低了內(nèi)臟破損率，提高了掏膛的自動(dòng)化程度；馬朋巍[20]設(shè)計(jì)確定了扒取式家禽取內(nèi)臟機(jī)械手的前端結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)軌跡和控制軌跡，給家禽取內(nèi)臟機(jī)械手的開發(fā)提供了技術(shù)基礎(chǔ)；王猛[21]對(duì)夾取式家禽自動(dòng)掏膛機(jī)械手結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了夾取式自動(dòng)掏膛機(jī)械手和參數(shù)可調(diào)的取內(nèi)臟實(shí)驗(yàn)臺(tái)，并通過正交試驗(yàn)確定了機(jī)械手最優(yōu)運(yùn)動(dòng)參數(shù)；王道路等[22-23]設(shè)計(jì)了夾取式肉鴨掏膛機(jī)械手，由24組夾取式掏膛機(jī)械手組成的掏膛機(jī)最高理論產(chǎn)量可達(dá)5 000只/h，還對(duì)QNZ15型掏膛機(jī)的凸輪從動(dòng)件等進(jìn)行協(xié)調(diào)性設(shè)計(jì)、曲線修正與優(yōu)化等方面的改進(jìn)，改進(jìn)后的平均內(nèi)臟器官數(shù)量完整度為94.5%，內(nèi)臟器官形態(tài)完整度為91.06%。

整體而言，在畜禽致暈方面，國內(nèi)外以電擊致暈和CO2致暈為主，電擊致暈的研究主要圍繞確定合適的致暈電流、電壓等參數(shù)，CO2致暈的研究主要是針對(duì)不同的畜禽種類確定不同的CO2濃度，以期在提高動(dòng)物福利和致暈效率的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步改善肉質(zhì)，尋求動(dòng)物福利、致暈效率和肉質(zhì)之間的平衡；禽類掏膛技術(shù)的研究應(yīng)在保證掏膛速度的同時(shí)，利用現(xiàn)有先進(jìn)技術(shù)進(jìn)一步降低內(nèi)臟器官的破損率。

3 畜禽分割智能化裝備及技術(shù)

3.1 國外

3.1.1 分割裝備 目前，國外的畜禽分割技術(shù)已經(jīng)較為成熟，尤其是在禽類分割方面。其中，冰島Marel公司在禽類胴體分割方面主要裝備性能參數(shù)見表2。在牛羊胴體分割方面，冰島Marel公司的Marel StreamLine剔骨和切割智能化系統(tǒng)，可監(jiān)控、分析和最大化分割剔骨車間產(chǎn)量，剔骨設(shè)備的最低產(chǎn)能為10頭/h左右[27]。

丹麥Frontmatec公司引入自動(dòng)化垂直羊肉初級(jí)分割設(shè)備，用以將胴體分割成羊肩、中段和羊腿(羊臀)，系統(tǒng)可自動(dòng)調(diào)整刀具高度進(jìn)行羊腿(羊臀)的切割，分割速度可達(dá)到300～400只/h[28]。該公司還研發(fā)了一系列手動(dòng)、半自動(dòng)和全自動(dòng)原始初級(jí)分割設(shè)備用于分割羊肉，針對(duì)豬肉加工有AiRA機(jī)器人系列產(chǎn)品，包括開恥骨機(jī)器人、開胸腹機(jī)器人、剪頭機(jī)器人、劈半機(jī)器人等，部分分割設(shè)備及性能見表3。

3.1.2 分割技術(shù) 國外早期在切割刀具和切割方式方面的研究較多，Claudon等[32]研究了刀具鋒利度以及切割角度對(duì)分割胴體上肢的影響；還有學(xué)者[33]提出利用高壓水槍切割和氣槍清洗的方式，保證了胴體切割的精度和干凈。近年來在畜禽分割方面的研究主要集中在綜合機(jī)器視覺、圖像信息、激光掃描等技術(shù)，利用機(jī)器人進(jìn)行分割，丹麥Attec公司綜合X射線斷層技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)可將豬胴體分割成前、中、后3段；美國喬治亞州研究院的GTRI機(jī)器人經(jīng)外部測量可精確匹配雞胴體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，且機(jī)器人具有3D意識(shí)，可對(duì)不同形態(tài)、規(guī)格的雞胴體規(guī)劃切割路徑并進(jìn)行精準(zhǔn)切割[34]。

3.2 中國

3.2.1 分割裝備 在分割設(shè)備方面，濟(jì)寧興隆食品機(jī)械制造有限公司在2011年研發(fā)出中國第一臺(tái)豬體自動(dòng)劈半機(jī)TZ-ZPB160，其應(yīng)用雙刀劈切技術(shù)代替鋸割劈半方法，填補(bǔ)了中國豬胴體自動(dòng)劈半技術(shù)的空白[35]；王樹才[36]設(shè)計(jì)了一種家畜胴體多點(diǎn)夾緊分割裝置，可分割具有一定體態(tài)差異的家畜胴體；謝斌[37]設(shè)計(jì)了一種家畜胴體去腿裝置，采用持刀機(jī)器人分割四肢，具有分割精準(zhǔn)快速，肉質(zhì)損耗少的特點(diǎn)；張德權(quán)等[38-39]設(shè)計(jì)了一種羊胴體機(jī)器人自主分割方法及系統(tǒng)，通過采集羊胴體的深度圖像和骨骼圖像擬合出立體圖像模型，獲取初始分割軌跡后模擬分割立體圖像模型并結(jié)合模擬分割后的產(chǎn)品等級(jí)對(duì)初始分割軌跡進(jìn)行調(diào)整，最后輸出最優(yōu)的分割軌跡并控制分割機(jī)器人按該軌跡分割羊胴體；還設(shè)計(jì)了一種羊胴體計(jì)算機(jī)視覺輔助分割系統(tǒng)，包括標(biāo)準(zhǔn)化分級(jí)分割數(shù)據(jù)庫，羊胴體信息數(shù)據(jù)庫及信息錄入、調(diào)取、查詢和匹配等諸多模塊，結(jié)合數(shù)據(jù)庫信息，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化分割，分割準(zhǔn)確率達(dá)到95%；陳軍委[40]設(shè)計(jì)了一種羊胴體分割設(shè)備，包括夾持裝置、吊裝架、掃描裝置、機(jī)械臂自動(dòng)切割系統(tǒng)等，通過機(jī)械臂持刀對(duì)羊胴體進(jìn)行分割保證了分割質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化分割并降低了人工成本。

表2 冰島Marel公司禽類胴體分割裝備

表3 丹麥Frontmatec公司畜類胴體分割裝備

3.2.2 分割技術(shù) 目前中國主要利用機(jī)器視覺和機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行分割。楊華[41]進(jìn)行了禽類胴體分割3P_2R混聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)研究，通過機(jī)器視覺和機(jī)器人技術(shù)，結(jié)合采集的圖像信息驅(qū)動(dòng)機(jī)器人持刀運(yùn)動(dòng)，完成禽胴體的自動(dòng)分割；孫鑫[42]進(jìn)行了豬胴體分割的6-DOF混聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與軌跡規(guī)劃，綜合采集的圖像信息和豬肉胴體分割工藝，控制機(jī)器人末端刀具的六自由度運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)豬肉胴體的精確分割；杜宇[43]設(shè)計(jì)了一種豬腹剖切機(jī)器人系統(tǒng)，可在屠宰生產(chǎn)線上進(jìn)行豬胴體劈開恥骨、剖切豬腹操作，實(shí)現(xiàn)豬腹剖切自動(dòng)化；王鶴[44]設(shè)計(jì)的機(jī)器人系統(tǒng)能夠順利劈開恥骨和豬腹，并且不會(huì)對(duì)內(nèi)臟造成損傷，工藝性和實(shí)用性較強(qiáng)；Cong等[45]基于雙目視覺建立了豬腹部切割機(jī)器人系統(tǒng)，用于引導(dǎo)機(jī)器人完成腹部切割操作，效果較為理想。此外，Liu等[46]對(duì)機(jī)器人腹部剖切的軌跡規(guī)劃進(jìn)行研究，將從圖像中識(shí)別到的豬腹部曲線擬合為五次樣條曲線，在腹膜腔不被破壞的約束下，通過對(duì)比幾種優(yōu)化算法，提出了基于遺傳算法的最優(yōu)截面軌跡規(guī)劃方法。

目前，國內(nèi)外關(guān)于豬胴體剖腹和劈半的研究較多，劈半鋸和劈半機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)較為成熟；關(guān)于禽類分割的裝備和技術(shù)也較為成熟，并且分割效率和分割后的肉質(zhì)較好；但關(guān)于牛羊分割的研究還不成熟，研究技術(shù)也沒有很好地應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，因此應(yīng)增加有關(guān)牛羊胴體分割的技術(shù)和裝備的研究。分割技術(shù)的研究應(yīng)朝著融合多種技術(shù)的機(jī)器人智能化分割逐步深入，利用機(jī)器視覺和機(jī)器人技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，通過圖像、切割工藝和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃多種信息，控制末端持刀切割胴體；并應(yīng)增強(qiáng)研究院所和屠宰加工企業(yè)之間的聯(lián)系與合作，進(jìn)一步提高研究技術(shù)的實(shí)用性，促進(jìn)中國發(fā)分割技術(shù)和裝備的協(xié)同快速發(fā)展。

4 畜禽分級(jí)智能化裝備及技術(shù)

4.1 國外

4.1.1 分級(jí)裝備 目前，丹麥Frontmatec公司的pH*K21可準(zhǔn)確快速地在線測定豬、羊、牛肉中的pH值[47]；NitFomTM將碘值和單分子脂肪酸等脂肪肉質(zhì)性狀的分析直接引入刺殺車間，可以對(duì)碘值和脂肪酸進(jìn)行實(shí)時(shí)分級(jí)，生產(chǎn)線速度可達(dá)到1 350頭胴體/h，并且保證了極高的精度[48]。冰島Marel公司的SmartWeigher智能稱重機(jī)將重量信息與基于自動(dòng)視覺技術(shù)的質(zhì)量評(píng)估進(jìn)行結(jié)合，每個(gè)整只產(chǎn)品都會(huì)被加上帶有質(zhì)量信息的“標(biāo)記”(在后續(xù)工序中使用)，以便根據(jù)規(guī)格確定產(chǎn)品的最優(yōu)分配；IRIS自動(dòng)質(zhì)量分級(jí)系統(tǒng)，通過稱重及影像技術(shù)可以在最高的加工速度下對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行分級(jí)，并將所有組織部位正確分配到分割線[49]。冰島Marel公司還有定制式分級(jí)機(jī)、SensorX SmartSort和SmartLine分級(jí)機(jī)等一系列分級(jí)(配重)系統(tǒng)，可自動(dòng)分選或配合人工進(jìn)行分級(jí)分選，設(shè)備可獨(dú)立工作也可并入完整包裝線，實(shí)現(xiàn)高速準(zhǔn)確地對(duì)禽類胴體產(chǎn)品進(jìn)行分級(jí)[50]。

4.1.2 分級(jí)技術(shù) 國外在畜禽分級(jí)技術(shù)方面的研究較為深入，研究方法比較多樣化，Barbin等[51-52]對(duì)豬肉樣品進(jìn)行近紅外高光譜圖像采集，從豬腰眼區(qū)域提取光譜信息，采用數(shù)學(xué)預(yù)處理方法，研究光譜變化對(duì)豬肉品質(zhì)性狀預(yù)測的影響，并提出了一種基于主成分分析待測樣本分?jǐn)?shù)圖像生成待測樣本分類圖的算法，結(jié)果表明高光譜成像技術(shù)可以快速評(píng)價(jià)豬肉品質(zhì)，在對(duì)不同等級(jí)豬肉進(jìn)行無損分類方面具有較大潛力； Elmasry等[53]利用近紅外區(qū)高光譜成像系統(tǒng)非接觸測量新鮮牛肉表面顏色、pH值和嫩度，結(jié)果表明用高光譜成像技術(shù)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的色度計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)pH電極和通用試驗(yàn)機(jī)分別測量顏色、pH值和嫩度是可行的； Andersen等[54]應(yīng)用拉曼光譜、近紅外光譜和熒光光譜預(yù)測豬腰長肌肉質(zhì)，研究證實(shí)拉曼光譜提供的信息適用于分析復(fù)雜的生物系統(tǒng)；Kipper等[55]對(duì)雙能X射線吸收(DXA)設(shè)備進(jìn)行不同的軟件設(shè)置，以評(píng)估豬胴體及其粗切割的解剖組織成分，試驗(yàn)表明DXA是一種有效的胴體評(píng)估工具；Taheri-Garavand等[56]總結(jié)了計(jì)算機(jī)視覺在魚類、畜類和禽類的肉質(zhì)評(píng)價(jià)方面的研究進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)機(jī)器視覺憑借計(jì)算機(jī)技術(shù)和高速處理算法，未來會(huì)成為食品質(zhì)量檢測的必要手段，并且在手機(jī)上使用；Brethour[57]研究發(fā)現(xiàn)在飼養(yǎng)牛期間，利用超聲檢測技術(shù)估計(jì)背膘厚和大理石紋進(jìn)行胴體品質(zhì)預(yù)測是可行的。

4.2 中國

4.2.1 分級(jí)裝備 近幾年，中國在分級(jí)裝備方面的研究也日益深入，閆忠心[58]設(shè)計(jì)了肉類智能分級(jí)系統(tǒng)用于解決現(xiàn)有人工肉類分級(jí)檢測方式中誤差大、效率低的問題；賈淵[59]設(shè)計(jì)了一種基于圖像處理的豬肉外在品質(zhì)在線分級(jí)裝置，可應(yīng)用于屠宰行業(yè)或是食品檢驗(yàn)部門，實(shí)現(xiàn)在線檢測以及與后續(xù)工段連接；陳林[60]設(shè)計(jì)了一種近紅外在線肉品分級(jí)自動(dòng)檢測裝置，能夠?qū)崟r(shí)采集肉品光譜信息并轉(zhuǎn)換為肉類指標(biāo)，再與肉類品質(zhì)分級(jí)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行分級(jí)匹配后輸出肉類等級(jí)；郭楠等[61]開發(fā)了一套氣動(dòng)式羊胴體自動(dòng)分級(jí)系統(tǒng)，可在線將羊胴體自動(dòng)分成4～8個(gè)等級(jí)，實(shí)現(xiàn)每班生產(chǎn)1 000～2 000只肉羊。

4.2.2 分級(jí)技術(shù) 中國在畜禽分級(jí)方面的研究主要集中在計(jì)算機(jī)視覺、近紅外光譜等技術(shù)。韓宏宇[62]結(jié)合采集的生產(chǎn)線環(huán)境下的豬胴體圖片，構(gòu)建了二進(jìn)制格式的豬胴體圖像數(shù)據(jù)集，設(shè)計(jì)了基于AlexNet的豬胴體圖像分級(jí)模型CNN-P，對(duì)豬胴體圖像等級(jí)的識(shí)別效果可以達(dá)到92.7%；吳貴茹[63]通過工業(yè)攝像機(jī)采集牛胴體眼肌切面圖像，利用色差法對(duì)有效眼肌區(qū)域進(jìn)行分割和信息提取，建立了預(yù)測胴體產(chǎn)肉量的回歸模型，在胴體四分體時(shí)就可預(yù)測出胴體產(chǎn)肉量并對(duì)胴體產(chǎn)肉量等級(jí)進(jìn)行評(píng)定；伍學(xué)千等[64-65]構(gòu)建了豬品質(zhì)等級(jí)的計(jì)算機(jī)視覺檢測硬件系統(tǒng)和肉品質(zhì)等級(jí)評(píng)定軟件系統(tǒng)，并提出了一種改進(jìn)的分水嶺算法用來去除背最長肌與周圍肌肉組織之間的粘連；李明靜[66]建立了一套牛肉胴體等級(jí)的計(jì)算機(jī)視覺檢測系統(tǒng)，利用機(jī)器視覺技術(shù)檢測牛肉大理石花紋來評(píng)判牛胴體質(zhì)量等級(jí)，準(zhǔn)確率為84.9%；劉曉曄[67]利用便攜式紅外光譜儀進(jìn)行普通公牛肉與淘汰母牛肉鑒別、牛肉品質(zhì)參數(shù)定量以及嫩度在線分級(jí)的研究，建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，結(jié)果表明近紅外光譜技術(shù)能夠進(jìn)行肉質(zhì)鑒別；謝新月[68]基于光譜特性提出了小波變換與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方法用于識(shí)別肉品種類及新鮮度，并驗(yàn)證了方法的有效性；姜新華等[69]提出一種稀疏核典型相關(guān)分析方法和多指標(biāo)光譜特征提取方法，并驗(yàn)證了高光譜成像與多指標(biāo)的快速檢測羊肉新鮮度的可行性；陳麗[70]利用近紅外光譜分析進(jìn)行羊胴體分級(jí)，建立了羊胴體分級(jí)評(píng)定方法，通過試驗(yàn)建立了肌肉顏色標(biāo)準(zhǔn)板、脂肪顏色標(biāo)準(zhǔn)板和大理石花紋標(biāo)準(zhǔn)板，并在此基礎(chǔ)上建立了羊肉質(zhì)量分級(jí)圖示。趙杰文等[71-72]利用嗅覺可視化技術(shù)對(duì)豬肉的新鮮度進(jìn)行了檢測和等級(jí)評(píng)判，為豬肉新鮮度無損檢測提供了一種新方法；Nassy等[73]利用X射線斷層掃描技術(shù)，檢測胴體瘦肉、肥肉和骨3個(gè)主要組分，用來虛擬分割胴體以進(jìn)行分級(jí)，進(jìn)一步提高了豬肉品質(zhì)評(píng)估的精度。

綜上所述，國外的畜禽胴體分割分級(jí)技術(shù)歷史悠久，主要是利用近紅外高光譜成像、計(jì)算機(jī)視覺、拉曼光譜、計(jì)算機(jī)斷層掃描和超聲波檢測等技術(shù)，這些技術(shù)都可以進(jìn)行肉質(zhì)檢測、分類或分級(jí)，但是部分技術(shù)會(huì)對(duì)肉品造成一定程度的損壞，或者無法在準(zhǔn)確率和成本之間達(dá)到平衡。中國的肉質(zhì)分級(jí)(分類)技術(shù)在近幾十年也得到了飛速發(fā)展，雖然不及國外的技術(shù)和設(shè)備先進(jìn)，但也有較大的進(jìn)步，目前主要是利用機(jī)器視覺技術(shù)和紅外光譜等技術(shù)對(duì)肉類進(jìn)行質(zhì)量檢測、分類和分級(jí)等，部分新技術(shù)也在研究中，但是也僅限于試驗(yàn)研究，并沒有將研究技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中。整體來看，未來關(guān)于肉質(zhì)檢測、分類或分級(jí)的研究可以將多種技術(shù)融合，取長補(bǔ)短，盡可能在無損肉質(zhì)和保證成本的基礎(chǔ)上，提高準(zhǔn)確性及速度，并將研究成果轉(zhuǎn)化為實(shí)際裝備投入生產(chǎn)使用。

5 總結(jié)與展望

5.1 總結(jié)

(1) 目前國內(nèi)外在研究畜禽致暈方面主要以電擊致暈和CO2致暈為主，現(xiàn)有致暈方式產(chǎn)生的致暈效果能夠滿足屠宰過程的基本要求，但會(huì)對(duì)畜禽的部分器官或肉質(zhì)等在一定程度上造成損害，或者無法較好地保證動(dòng)物福利；在掏膛方面主要是結(jié)合機(jī)器視覺技術(shù)或壓力傳感器，利用機(jī)械手進(jìn)行柔性掏膛，但是也會(huì)存在內(nèi)臟損傷和殘留，這也是目前掏膛技術(shù)亟需攻克的一個(gè)難關(guān)。

(2) 在畜禽肉類分割方面，應(yīng)用較為廣泛是半劈鋸或者帶有圓形切刀的分割設(shè)備，這類設(shè)備一般與人工配合使用；研究較多的是通過機(jī)器視覺(計(jì)算機(jī)視覺)進(jìn)行圖像采集和分割，依據(jù)切割工藝，規(guī)劃出分割的運(yùn)動(dòng)軌跡，然后控制末端帶有分割刀具的機(jī)器人進(jìn)行分割。機(jī)器人分割融合了多種技術(shù)，智能化程度較高，大量減少人工參與，但機(jī)器人柔性切割的水平和切割的準(zhǔn)確性有待提高。

(3) 在畜禽肉分級(jí)方面，主要有計(jì)算機(jī)視覺、近紅外紅光譜成像、計(jì)算機(jī)斷層掃描和超聲波檢測等技術(shù)，用于檢測肉質(zhì)的各種評(píng)價(jià)指標(biāo)(新鮮度、含水量、脂肪含量等)，進(jìn)行肉質(zhì)評(píng)價(jià)、分類或分級(jí)，但現(xiàn)有技術(shù)都存在一些弊端，如對(duì)肉質(zhì)產(chǎn)生一定的損傷，效率不高或者無法在檢測成本和準(zhǔn)確度之間達(dá)到平衡等。

5.2 展望

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)存的問題會(huì)得到進(jìn)一步解決，未來畜禽屠宰加工業(yè)會(huì)向著智能化飛速發(fā)展，主要體現(xiàn)在智能化技術(shù)提升、智能化裝備升級(jí)、屠宰加工一體化生產(chǎn)線和在線監(jiān)測系統(tǒng)。智能化技術(shù)提升主要包括單一技術(shù)提升和多技術(shù)融合，通過改進(jìn)現(xiàn)有研究技術(shù)硬件和軟件存在的問題進(jìn)行技術(shù)升級(jí)，通過多種技術(shù)相互配合，取長補(bǔ)短，進(jìn)行智能化技術(shù)提升。智能化裝備升級(jí)主要包括將現(xiàn)有的部分智能化技術(shù)應(yīng)用到原有設(shè)備上使之更加智能化，以及將智能化技術(shù)落地并轉(zhuǎn)化成可以用于實(shí)際生產(chǎn)加工的裝備，讓技術(shù)真正為生產(chǎn)服務(wù)，促進(jìn)屠宰加工裝備的智能化升級(jí)。屠宰加工一體化生產(chǎn)線和在線監(jiān)測系統(tǒng)將屠宰加工的各個(gè)過程銜接起來，建立各個(gè)過程之間的聯(lián)系，做到生產(chǎn)加工的連續(xù)可控，并通過完善的在線監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)從待宰到售賣每一個(gè)過程可追溯，確保肉類食品的衛(wèi)生安全。