黃文雄,謝 健,*，周 娜，程 科，郭亞麗，李 磊，羅小虎，王 宏，戴智華，王 彪

1. 國糧武漢科學(xué)研究設(shè)計(jì)院有限公司 (武漢 430079) 2.武漢輕工大學(xué) (武漢 430023) 3.江南大學(xué) (無錫 214122) 4.衢州市庫米賽諾糧食機(jī)械制造有限公司 (衢州 324000)

大米是我國最重要的口糧，每年大米的消費(fèi)量占我國糧食消費(fèi)總量的60%。但是，大米從生產(chǎn)到擺上餐桌，每一個(gè)環(huán)節(jié)都存在浪費(fèi)。由于消費(fèi)者誤區(qū)，成品糧食過度追求過亮、白、精和低水平粗放加工，既損失營養(yǎng)元素又明顯降低出品率，副產(chǎn)品綜合利用效率低，加工環(huán)節(jié)每年造成糧損失130億斤以上，其中大米占多半。因此，“節(jié)糧減損”成為國家糧食的大政方針，是大米加工未來發(fā)展的新方向。

稻谷加工成大米需要經(jīng)過清理、礱谷、碾米和白米整理、包裝等階段，由于同一品種稻米中，與加工質(zhì)量較好的米相比，碎米經(jīng)濟(jì)效益明顯降低[1]。碾米的增碎率卻占整個(gè)加工過程的60%，成為了產(chǎn)生碎米最多的環(huán)節(jié)，極大地降低了經(jīng)濟(jì)效益。在“節(jié)糧減損”政策下，如何降低碾米設(shè)備的增碎率是亟待解決的問題。

目前，碾米生產(chǎn)存在兩個(gè)主要問題：加工精度不可控，相對(duì)于大米的包裝、碼垛等工序的無人化，碾米中流量和碾白壓力等參數(shù)仍然憑借操作人員的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整，但是由于操作人員的專業(yè)知識(shí)和技術(shù)有限，碾米機(jī)無法根據(jù)進(jìn)口的稻谷特性來實(shí)現(xiàn)快速精準(zhǔn)地調(diào)節(jié)碾米參數(shù)，碾米精度和碎米率等指標(biāo)無法控制；生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)相差大。由于大米加工關(guān)鍵參數(shù)完全靠經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)致企業(yè)不同班組間加工相同原材料時(shí)，產(chǎn)品也會(huì)產(chǎn)生出米率、整米率和單位電耗等指標(biāo)相差過大。因此，上述問題對(duì)碾米機(jī)提出了“精準(zhǔn)智造”的高要求，即達(dá)到碾米過程的精準(zhǔn)控制和智能調(diào)節(jié)的目標(biāo)。

為了滿足“精準(zhǔn)智造”的要求，目前已經(jīng)有公司或?qū)W者在碾米機(jī)的精準(zhǔn)化、智能化和物聯(lián)化做了相關(guān)的研究。中米集團(tuán)將自動(dòng)售貨機(jī)和碾米機(jī)兩者結(jié)合，生產(chǎn)出“智能碾米機(jī)”產(chǎn)品，智能碾米機(jī)是一個(gè)全自動(dòng)化運(yùn)行的設(shè)備，該設(shè)備以智能鮮米終端構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)智能社區(qū)，主打的宣傳賣點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了24 h鮮米的線下“現(xiàn)制現(xiàn)售”。該設(shè)備針對(duì)的是銷售方面的物聯(lián)化和智能化，對(duì)于碾米參數(shù)的精準(zhǔn)控制在體積較小的售貨機(jī)上還沒有實(shí)現(xiàn)。

我國的碾米機(jī)目前均存在智能化程度不高，能耗、損耗嚴(yán)重的問題，這些都成為制約我國大米加工企業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素。大米加工產(chǎn)業(yè)作為傳統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)，解決傳統(tǒng)大米加工過程中三大體系問題，即精準(zhǔn)加工體系、智能化控制體系、云平臺(tái)刻不容緩，攻克在線智能檢驗(yàn)技術(shù)、智能生產(chǎn)控制技術(shù)、云技術(shù)及三大技術(shù)集成應(yīng)用的難題，亟待建立基于“數(shù)字工廠”的新型大米智造協(xié)同集成技術(shù)。

1 云物聯(lián)智能碾米機(jī)協(xié)同制造策略

1.1 結(jié)構(gòu)賦能

傳統(tǒng)碾米機(jī)的碾白室主要核心器件是砂輥或鐵輥，在砂輥或鐵輥磨削工作中，磨具自身具有無彈性、鋒利性低、磨削壓力大的特點(diǎn)，導(dǎo)致糙米增碎率高、電機(jī)功耗大、溫升情況明顯，造成大米產(chǎn)后損失嚴(yán)重以及能源損耗大。目前，基于“表面分層磨削原理”開發(fā)出的“高性能節(jié)能型砂帶碾米機(jī)”，米流被均勻、獨(dú)立地分為12個(gè)碾磨區(qū)域，糙米依靠自重下落，利用米粒與旋轉(zhuǎn)砂帶之間形成的高速線速差進(jìn)行均勻碾磨，糙米被加工時(shí)處于低壓強(qiáng)狀態(tài)，徹底顛覆了已有百年歷史的傳統(tǒng)碾米工藝，進(jìn)一步解決稻米加工行業(yè)長期存在的高增碎、高能耗、高米溫“三高”問題。這種顛覆傳統(tǒng)碾米機(jī)的砂帶式結(jié)構(gòu)，有逐漸取代全國傳統(tǒng)碾米機(jī)的趨勢，符合未來智能碾米的新方向。

1.2 檢測與數(shù)據(jù)賦能

在線檢測是大米質(zhì)量實(shí)時(shí)跟蹤反饋的最佳方法，對(duì)關(guān)鍵信息進(jìn)行在線傳感檢測，取代人工測量，是實(shí)現(xiàn)碾米機(jī)智能感知的基礎(chǔ)，大量的數(shù)據(jù)為后續(xù)控制策略中的“離線學(xué)習(xí)”和“在線學(xué)習(xí)”提供依據(jù)。

傳統(tǒng)大米的品質(zhì)檢測以離線方式居多，滿足不了實(shí)時(shí)調(diào)整的要求。碾米機(jī)需要檢測的參數(shù)分為輸入和輸出信息。輸入信息包括傳感器直接采集的數(shù)據(jù)、經(jīng)驗(yàn)豐富的操作工提供的數(shù)據(jù)、原料商提供的稻谷數(shù)據(jù)(稻谷品種，未熟粒率、性質(zhì))等，輸出信息是與出料口大米相關(guān)的信息，包括達(dá)標(biāo)率、碾米率、增碎率等。輸出信息的獲取大多采用圖像識(shí)別的方式進(jìn)行大米在線外觀檢測，在線獲取圖像的方式目前有兩種，一種是采用頻閃儀對(duì)高速流動(dòng)的米粒進(jìn)行圖像處理，該方法不會(huì)干擾米粒的流動(dòng)，但獲取清晰圖像的難度較大，對(duì)圖像處理能力提出了較高要求。另外一種是目前已經(jīng)投入使用的在線分流方式，周期性地抽取米樣后送入固定容器中拍照識(shí)別，在控制取樣周期的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)大米品質(zhì)的在線檢測。

1.3 大數(shù)據(jù)云平臺(tái)智能協(xié)同策略

智能協(xié)同控制策略的核心目的是及時(shí)匹配來自不斷變化的原料以保證碾米的指標(biāo)最優(yōu)問題。這里智能協(xié)同包含兩個(gè)方面含義：多級(jí)智能協(xié)同和云智能協(xié)同。

1.3.1多級(jí)智能協(xié)同

一臺(tái)碾米機(jī)的碾米效果往往存在碎米率高的問題，為了進(jìn)一步降低碎米率，可以采取多臺(tái)碾米機(jī)協(xié)同逐級(jí)(一般2-4級(jí))輕碾，上一臺(tái)碾米機(jī)的輸出作為下一臺(tái)碾米機(jī)的輸入。取各道碾米機(jī)下的工藝檢測數(shù)據(jù)，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、判斷、推理、形成決策和產(chǎn)生控制動(dòng)作，既有對(duì)各道碾米機(jī)獨(dú)立的分析、決策和控制，也有對(duì)整個(gè)碾米機(jī)群智能控制器的決策和控制，每臺(tái)碾米機(jī)根據(jù)來料原料特點(diǎn)進(jìn)行任務(wù)分配，使得整個(gè)碾米工序在保證生產(chǎn)效率條件下充分滿足碾米目標(biāo)達(dá)標(biāo)率和保持最小的增碎率[2]。

1.3.2云智能協(xié)同

單工廠碾米機(jī)群的訓(xùn)練數(shù)據(jù)為機(jī)器學(xué)習(xí)提供的數(shù)據(jù)量有限，特別是機(jī)群初始工作階段并不能提供足夠的數(shù)據(jù)，為了獲得更多訓(xùn)練數(shù)據(jù)，基于大數(shù)據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的云協(xié)同提供了很好的解決方案。碾米機(jī)作為物聯(lián)終端連入工業(yè)云服務(wù)器，實(shí)時(shí)上傳當(dāng)前傳感器狀態(tài)和輸出大米的品質(zhì)，建立云數(shù)據(jù)庫，經(jīng)過機(jī)器學(xué)習(xí)的最優(yōu)化后下發(fā)控制參數(shù)，使整個(gè)碾米機(jī)群的整體碾米效果達(dá)到一致且最優(yōu)。

碾米機(jī)群具有多輸入和多輸出變量，它們之間是強(qiáng)耦合非線性的關(guān)系，在物聯(lián)網(wǎng)云端可以考慮使用迭代學(xué)習(xí)控制技術(shù)，如深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、基于模式識(shí)別的自適應(yīng)學(xué)習(xí)技術(shù)等，通過歷史操作數(shù)據(jù)測的誤差來修正控制參數(shù)，使得下一次任務(wù)的輸出不斷優(yōu)化，如此不斷重復(fù)，達(dá)到精準(zhǔn)碾磨的效果。

2 結(jié)論

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的大方向，對(duì)于大米加工而言，碾米機(jī)的精準(zhǔn)控制是實(shí)現(xiàn)不同品質(zhì)谷物適度加工的重要方法。自動(dòng)化和智能化是碾米機(jī)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制的核心。本文給出了一種基于大數(shù)據(jù)的碾米機(jī)精準(zhǔn)智造策略，為未來碾米機(jī)的智能化和自動(dòng)化提供一種思路。

通過碾米設(shè)備的精準(zhǔn)化、智能化、物聯(lián)化的進(jìn)一步普及和完善，高性能、低能耗的智能碾米機(jī)很快進(jìn)入稻谷加工的行業(yè)。