文/ 李功燕 中國科學(xué)院微電子研究所

李 鮮 浙江大學(xué)

張 慜 江南大學(xué)

朱 壹 江西綠萌科技控股有限公司

許紹云 中國科學(xué)院微電子研究所

在果蔬店和各大超市里，整整齊齊、分門別類地擺放著的大小一致、品質(zhì)相同、顏色接近的新鮮果蔬，牽動著人們的味蕾。但在享用美味水果和蔬菜時，你是否想過這個問題：枝頭上的水果和田間的蔬菜很難做到大小和品質(zhì)相同，那么該如何快速地給這些果蔬分級，讓它們整齊地“排排坐”？有些水果外表沒什么問題，可是內(nèi)部的果肉很可能已經(jīng)出現(xiàn)了損傷，這種問題又該如何避免呢？以上問題看似很小，影響卻是巨大的。中國是世界上最大的果蔬生產(chǎn)國，年產(chǎn)果蔬達(dá)到 10 億噸左右，輻射帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值超過 3 萬億元。然而長期以來，我國一直重采前生產(chǎn)、輕采后處理，采后處理率約為 30%，遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家 70% 的水平，而這導(dǎo)致的直接后果就是果蔬產(chǎn)地采后腐爛損耗高達(dá)30% 以上，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

因此，果蔬采摘后，首先要按照色澤、大小、損傷度等內(nèi)外部品質(zhì)進(jìn)行分級處理，這樣可以從源頭上剔除殘次品，延長儲存保鮮時間，進(jìn)而提高果蔬產(chǎn)品的附加值。但是如此大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)顯然不能依靠效率低下的人工分級，智能化技術(shù)的發(fā)展提供了一個更具優(yōu)勢的解決方案。

在這方面，由中國科學(xué)院微電子研究所的科研人員領(lǐng)銜的項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)長期立足于果蔬采后處理領(lǐng)域，主導(dǎo)或參與了國內(nèi)大多數(shù)的果蔬智能化品質(zhì)分級處理相關(guān)工程建設(shè)。2018 年，針對我國保鮮技術(shù)落后、采后生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)體系和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)缺乏、相關(guān)國產(chǎn)裝備研發(fā)嚴(yán)重滯后等問題，中國科學(xué)院微電子研究所牽頭承擔(dān)了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“優(yōu)質(zhì)果蔬智能化品質(zhì)分級技術(shù)裝備研發(fā)”項(xiàng)目， 計(jì)劃研發(fā)具有國際一流水準(zhǔn)、適合國內(nèi)產(chǎn)業(yè)需求的優(yōu)質(zhì)果蔬智能化品質(zhì)分級處理技術(shù)與成套裝備，以期達(dá)到提升果蔬品質(zhì)和附加值、降低腐爛率、延長保鮮時間的目的；并由此建立具有大規(guī)模推廣意義的優(yōu)質(zhì)果蔬采后品質(zhì)分級處理工藝流程的行業(yè)規(guī)范、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，研制完成相關(guān)的自動化成套裝備。 項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)選擇產(chǎn)業(yè)影響較大、產(chǎn)量較高的柑橘、蘋果和番茄作為主要研究對象，以內(nèi)外部品質(zhì)高效分級為核心，重點(diǎn)在果蔬內(nèi)外品質(zhì)在線無損檢測技術(shù)、果蔬自動化分級和包裝關(guān)鍵裝置及成套裝備、果蔬節(jié)能高效預(yù)冷和工業(yè)化智能儲藏成套裝備、鮮切果蔬品質(zhì)與營養(yǎng)保持工藝及設(shè)備、智能化果蔬分級成套技術(shù)裝備集成及示范等方面開展攻關(guān)。目前，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)已解決 3 項(xiàng)果蔬內(nèi)外品質(zhì)在線檢測關(guān)鍵技術(shù)，研制完成工業(yè)化智能控溫控濕設(shè)備、綠色高效保鮮設(shè)備、多通道精確自動分級裝置、自動分級機(jī)械系統(tǒng)、果蔬熱激保鮮裝備樣機(jī)和三維規(guī)格切制裝置樣機(jī)等裝備，并在云南玉溪開展了褚橙自動分選應(yīng)用示范工程建設(shè)工作，建成了99畝示范選果廠。

無損檢測果蔬的內(nèi)外部品質(zhì)

顏色鮮紅、沒有傷疤和蟲蛀的大蘋果可以賣得貴一點(diǎn)；個頭小、表面坑洼、 顏色不夠鮮紅的蘋果，價格自然就更低一些。要想將這兩種價格不同的蘋果進(jìn)行分級，就需要對其內(nèi)外部品質(zhì)進(jìn)行無損檢測，并實(shí)現(xiàn)在線快速分選，進(jìn)而有效地提高附加值。

為此，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)以不同果蔬的內(nèi)外部品質(zhì)特征為研究對象，進(jìn)行了多項(xiàng)研究工作：研發(fā)稱重傳感器及其外圍電路的非線性溫度漂移補(bǔ)償方法和重量傳感信號振動干擾的抑制方法， 可以實(shí)現(xiàn)高精度在線稱重；研究雙彩色（RGB）相機(jī)分頻段立體視覺系統(tǒng)，可以獲得不同果蔬表面的最佳多光譜圖像，并通過對兩臺相機(jī)獲取的圖像進(jìn)行匹配，獲得果蔬表面多光譜信息以及視差估計(jì)，從而檢測色澤、 大小、形狀、體積和平滑度等外部品質(zhì)， 進(jìn)而結(jié)合重量實(shí)現(xiàn)密度檢測；基于深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立表面瑕疵感官鑒評模型，可以智能分辨果蔬的品相。 此外，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)還選擇合適的譜段，檢測紅外透射、反射光譜特征，建立不同果蔬含糖量、含酸量、浮皮、褐變、果肉損傷、空心等內(nèi)部品質(zhì)的紅外光譜模型。通過這一系列研究工作，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)最終將建立一套高性能在線果蔬內(nèi)部、 外部品質(zhì)檢測技術(shù)體系，掌握相關(guān)關(guān)鍵共性技術(shù)。

項(xiàng)目實(shí)施兩年多以來，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)結(jié)合果蔬稱重過程的動態(tài)、持續(xù)特征，設(shè)計(jì)了基于高速DSP處理器的果蔬重量傳感硬件系統(tǒng)；構(gòu)建了稱重系統(tǒng)環(huán)境溫度的實(shí)時采集方案，制定了溫度漂移曲線，設(shè)計(jì)了傳感器非線性溫度漂移補(bǔ)償方法。為了提升瑕疵檢測效果，還基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計(jì)出臍橙果梗、臍部檢測方法，為臍橙瑕疵檢測提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)依據(jù)。

通過對果蔬圖像采集過程進(jìn)行研究，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了雙啞鈴型滾子實(shí)現(xiàn)果蔬定向旋轉(zhuǎn)，改進(jìn)并完善了蘋果圖像采集方案；設(shè)計(jì)了加工喂料、輸送、 旋轉(zhuǎn)、采集、篩選機(jī)構(gòu)，建立了多源信息融合分級架構(gòu)；采用立體視覺成像結(jié)合三維重建技術(shù)，以獲取蘋果的外觀品質(zhì)。此外，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)還針對不同果蔬構(gòu)建了不同部位內(nèi)部品質(zhì)的無損檢測模型；面向水果外表糖度、 內(nèi)心糖度、整體糖度，以及水果陽面糖度、陰面糖度和整體糖度，分別構(gòu)建了光譜檢測模型，分析影響內(nèi)部品質(zhì)的檢測手段和檢測因素。

果蔬的自動化分級和包裝

研發(fā)果蔬自動化分級和包裝裝備需要考慮果蔬本身是否易受機(jī)械損傷、果杯的大小，以及果蔬的清洗、打蠟和殺菌保鮮等問題，同時還要研究規(guī)格切制裝備，以解決鮮切果蔬的市場需求。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)以不同果蔬的分級、清洗、熱激保鮮、打蠟、規(guī)格切制、包裝及配套自動化裝備為研究對象，研制單動力雙速高壓高效果蔬清洗裝備、可顯著降低果蔬采后腐爛率的智能熱激保鮮設(shè)備和水循環(huán)設(shè)備、高通量無接觸靜電打蠟裝置、 基于三維規(guī)格切制模式的多功能規(guī)格切制裝置、適應(yīng)不同果蔬特點(diǎn)的多通道品質(zhì)分選系統(tǒng)、柔性果蔬輸送單元及卸果裝置、全自動入料卸垛裝備、全自動果蔬裝箱機(jī)等裝備。最終的目標(biāo)是研制出性能優(yōu)良、自動化程度高的分級和包裝關(guān)鍵裝置及成套裝備，掌握相關(guān)關(guān)鍵共性技術(shù)，突破制約果蔬分級包裝產(chǎn)業(yè)發(fā)展關(guān)鍵環(huán)節(jié)自動化裝備的瓶頸問題，推動優(yōu)質(zhì)果蔬分級包裝產(chǎn)業(yè)優(yōu)化升級。

目前，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)已研制完成果蔬前置輸送裝置，實(shí)現(xiàn)了果蔬在線高速、穩(wěn)定輸送，有效提升了果蔬前處理和多通道分級銜接精準(zhǔn)度；對卸果裝置（包括設(shè)計(jì)果杯本體、活動鏈接件、果杯底座以及三者之間的連接關(guān)系）進(jìn)行了研制， 可實(shí)現(xiàn)果蔬 360 °自旋轉(zhuǎn)、無損傷下線等功能；研制了自動分級機(jī)械系統(tǒng)，采用電機(jī)作為主驅(qū)動鏈傳動，設(shè)計(jì)多通道高性能分選系統(tǒng)組成機(jī)械單元，同時研究了各機(jī)械單元集成方案。

與此同時，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)還完成了水殺菌和熱激保鮮樣機(jī)制作，以不同品種的柑橘為研究對象，在不同溫度、pH值、殺菌液濃度的試驗(yàn)條件下，進(jìn)行水殺菌和熱保鮮處理，貯藏于常溫開放環(huán)境， 記錄其在貯藏過程中的生理變化和腐爛情況，結(jié)合試驗(yàn)條件及記錄數(shù)據(jù)，確定了水循環(huán)殺菌和熱處理防腐保鮮最優(yōu)條件和參數(shù)，建立了數(shù)據(jù)模型。 針對果蔬不同形狀多功能規(guī)格切制要求，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)還提出了三維規(guī)格切制模式，研究了切片刀、圓盤刀和橫切刀空間分布技術(shù)與滾筒、圓盤刀和橫切刀轉(zhuǎn)速耦合控制技術(shù)，創(chuàng)制了果蔬規(guī)格切制機(jī)，實(shí)現(xiàn)了果蔬切片、絲和塊的規(guī)格切制。

果蔬的預(yù)冷和貯藏

果蔬采后需要及時進(jìn)行預(yù)冷和貯藏，部分果蔬在運(yùn)輸途中必須選擇冷鏈運(yùn)輸才能保證其品質(zhì)。為此，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)根據(jù)不同果蔬的特性，研制移動式高效預(yù)貯 / 預(yù)冷系統(tǒng)，并通過高精度實(shí)時傳感檢測技術(shù)，動態(tài)監(jiān)控并調(diào)節(jié)果蔬所處環(huán)境，使果蔬能在品質(zhì)最佳條件下被貯藏。目前，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)已開發(fā)完成具有高相變潛熱、相變溫度可調(diào)、無毒無害、成本低廉的復(fù)合相變蓄冷材料，研制了參數(shù)可調(diào)工業(yè)化智能控溫控濕設(shè)備，采用熱平衡法對各過程進(jìn)行分析，構(gòu)建了果蔬采后預(yù)冷品質(zhì)安全的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。

未來，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)將通過研究不同品種果蔬在不同預(yù)冷參數(shù)條件下預(yù)冷速率、預(yù)冷均勻性、預(yù)冷品質(zhì)的差異，建立基于預(yù)冷速率、預(yù)冷均勻性、預(yù)冷品質(zhì)的多尺度預(yù)冷效果評價體系，開展產(chǎn)地低碳節(jié)能快速預(yù)冷裝備和儲運(yùn)一體化設(shè)備研制，探索建立產(chǎn)地預(yù)冷智能化保鮮新模式，促進(jìn)現(xiàn)代化冷鏈物流的發(fā)展。

鮮切果蔬的品質(zhì)與營養(yǎng)保持

果蔬按品質(zhì)分級后，一般會根據(jù)市場需求選擇合適等級的果蔬鮮切后進(jìn)入商品化流通。為了達(dá)到控制鮮切果蔬品質(zhì)和延長保鮮期的目的，需要掌握鮮切果蔬的品質(zhì)變化規(guī)律和營養(yǎng)保持技術(shù)。 這方面的重點(diǎn)研究工作包括：分析優(yōu)質(zhì)特色果蔬采后代謝及切后品質(zhì)變化規(guī)律；開展加壓惰性氣體處理、低壓靜電場處理等新型綠色高效保鮮設(shè)備研制及其保鮮關(guān)鍵技術(shù)研究；研發(fā)天然納米保鮮劑 / 保鮮膜協(xié)同加壓惰性氣體處理、低壓靜電場處理協(xié)同微真空貯藏等新型協(xié)同保鮮關(guān)鍵技術(shù)，并揭示不同協(xié)同保鮮關(guān)鍵技術(shù)調(diào)控鮮切果蔬品質(zhì)與營養(yǎng)保持及其貨架期延長的保鮮機(jī)理；創(chuàng)制適用于不同優(yōu)質(zhì)特色果蔬切后保鮮的協(xié)同保鮮關(guān)鍵技術(shù)。

目前，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)已完成低壓靜電場保鮮處理設(shè)施、加壓惰性氣體保鮮處理裝置的安裝與調(diào)試，分別探討了低壓靜電場處理、加壓惰性氣體處理的保鮮關(guān)鍵技術(shù)及其保鮮機(jī)理；研制了新型天然納米保鮮劑 / 保鮮膜，并探討了其保鮮工藝及保鮮機(jī)理，為提升果蔬的保鮮期提供了保證。

智能化果蔬分級成套技術(shù)裝備集成及示范

要全面建立高性能的果蔬采后智能化品質(zhì)分級處理裝備體系，重點(diǎn)在于設(shè)計(jì)合理的系統(tǒng)體系框架，以實(shí)現(xiàn)成套設(shè)備之間的無縫聯(lián)動功能。為了提高系統(tǒng)的可靠性、可擴(kuò)展性和可維護(hù)性，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)摒棄了集中式的設(shè)計(jì)方式，轉(zhuǎn)而采用模塊化、分布式的設(shè)計(jì)理念，將整個測控系統(tǒng)分成多個相對獨(dú)立的子模塊，采用分布式嵌入式控制系統(tǒng)、工業(yè)以太網(wǎng)總線和控制器局域網(wǎng)（CAN）總線通信技術(shù)、集中式軟件管理系統(tǒng)等相結(jié)合的體系框架，以實(shí)現(xiàn)各個功能模塊的硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)，制定即插即用的高層協(xié)議，以實(shí)現(xiàn)成套設(shè)備之間的無縫聯(lián)動，為行業(yè)規(guī)范、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的建立奠定了扎實(shí)基礎(chǔ)。

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)針對果蔬分級成套裝備系統(tǒng)硬件進(jìn)行了設(shè)計(jì)開發(fā)?；诟咚?CCD 相機(jī)、多核DSP 處理板卡設(shè)計(jì)了圖像采集與智能處理硬件模塊，實(shí)現(xiàn)了圖像的實(shí)時采集和處理；設(shè)計(jì)了重量傳感采集電路、DSP+FPGA 處理板卡以及重量采集處理與分選硬件模塊，實(shí)現(xiàn)了對重量傳感信號進(jìn)行采集處理，進(jìn)而確定果蔬分選等級；構(gòu)建了由電磁閥控制器、電磁閥驅(qū)動板組成的卸果控制與貼標(biāo)硬件模塊，用于在果蔬到達(dá)指定登記通道出口時控制電磁閥擊打果杯，使果蔬有序滾入包裝臺。

基于以上研究成果，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在云南實(shí)建果業(yè)有限公司開展了褚橙自動分選應(yīng)用示范工程建設(shè)工作，完成了示范基地和廠區(qū)的前期準(zhǔn)備工作，建成99畝示范選果廠，采后處理中心面積達(dá)1.6萬平方米，儲藏冷庫可容納褚橙2萬噸。 示范選果廠對原料、輔料、包裝材料和成品等進(jìn)行嚴(yán)格質(zhì)量把控，以確保分選系統(tǒng)的實(shí)施有效性，前景一片光明。

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)立足農(nóng)業(yè)應(yīng)用，廣泛吸收其他學(xué)科的成熟技術(shù)成果，采用理論研究和實(shí)驗(yàn)分析相結(jié)合、從典型到通用逐漸推進(jìn)的研究策略，可以顯著提升我國在果蔬多源信息融合分級、果蔬預(yù)冷 / 儲藏、果蔬品質(zhì)與營養(yǎng)保持等方面的技術(shù)研究水平，所取得的諸多研究成果相當(dāng)于為果蔬產(chǎn)業(yè)配備了“火眼金睛”， 可以讓各類水果按照不同的級別進(jìn)行自動分選。

未來，研究團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)前行，進(jìn)一步完善各項(xiàng)成果，最終將建設(shè)一條性能優(yōu)良、自動化程度高、業(yè)務(wù)流程規(guī)范的優(yōu)質(zhì)果蔬采后智能化品質(zhì)分級處理流水線，并通過示范應(yīng)用基地的建設(shè)，形成具有大規(guī)模推廣意義的優(yōu)質(zhì)果蔬采后品質(zhì)分級處理工藝流程的行業(yè)規(guī)范、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) , 使這一決定果蔬“命運(yùn)”的關(guān)鍵一步更為精準(zhǔn)高效。屆時，無論是櫻桃和葡萄，還是西瓜和榴蓮，都可以輕松地通過分選、輸送和保存等一整套流程進(jìn)入我們的生活，并更持久地保留美好滋味。 放眼到整個果蔬產(chǎn)業(yè)，我國果蔬產(chǎn)業(yè)將創(chuàng)造更大的價值，國際市場競爭力將大大增強(qiáng)，我們期待這一天早日到來。