水果分拣技术的研究现状与发展

龙源期刊网水果分拣技术的研究现状与发展作者：李梅来源：《江苏理工学院学报》2018年第02期摘要：我国作为农业大国，水果产业所占的国际贸易额却一直很低。其主要原因是水果的产后处理能力低下。结合当前国内外水果分拣技术和水果分拣产品的研究现状，提出了我国水果分拣技术发展的方向，一是电子称重、图像识别、近红外光谱分析技术的智能分拣；二是在上料、卸料、分选、装箱、包装、码垛整个过程中实现全面自动化分拣。关键词：水果分拣技术；大小分拣；重量分拣；外部品质分拣；内部品质分拣；分拣产品中图分类号：TS255.35文献标识码：A文章编号：2095-7394（2018）02-00121-04水果产业是我国种植业中的第三大产业，当前我国水果产量每年都在急剧增长。据统计：我国水果产量从2005年的10026万吨增加到了2015年的27381万吨，短短的10年间，水果的总产量竟然增长将近3倍。虽然目前我国水果的总产量很高，水果的品质也因为嫁接等技术的进步有所提升，接近于国际先进水平，但是我国水果的整体竞争力却始终比较低，在国际贸易份额中所占比例始终低于3%。水果的总产量和贸易额之间存在着很大的反差，造成这一现象的根本原因在于我国的水果的商品化產后处理能力低，造成市场核心竞争力较低。水果的市场核心竞争力主要取决于水果品质和水果的产后处理两大因素。当前，我国的水果品质已经接近国际先进水平。造成我国水果国际竞争力低的原因在于我国的水果产后处理能力不足。在上线、清洗、打蜡、烘干、分拣等这些水果产后处理的自动线流程中，除了分拣以外，其他的处理技术一般都是工序的启停等流水线操作，比较容易解决。所以水果的分拣技术才是水果产后处理的关键技术。但是，目前我国的水果检测和分拣技术比较落后，致使我们接近于国际品质的水果没有真正地被分拣出来。这些优质的水果只能以三流水果的价格进行出售，水果的产品附加价值没有得到很好的保证。及时提高我国水果产后处理能力的关键所在就变成了水果的分拣技术的提高。本文在概述研究水果分拣技术的重要意义的同时，分析了当前国内外水果分拣技术及水果分拣产品的研究现状，结合研究现状提出了今后水果分拣技术的发展方向。1国内外水果分拣技术的研究现状根据水果的内外部品质及大小对水果进行分选是目前水果分拣技术的主要依据。这和顾客去市场挑选水果是一样的，总是会首先看水果的大小，看大小是否合适，有超大的、大的、中等的、小的还有过小的等几种规格，然后会挑选水果的色泽也就是其品质，会挑选水果的颜色、外形、外部品质的完整度，等等，最后顾客还会问问店家水果的口感，比如是否酸、甜、涩，等等。水果的分拣也和顾客挑选水果的原则一样，即按照其品质和大小及其不同的规格进龙源期刊网行分拣。因此，按照水果的内外部品质和大小重量进行分拣是当前国内外水果分拣技术的两个主要研究方向。1.1基于大小分拣的水果分拣技术的研究现状依据水果的直径大小对水果进行分拣称为基于大小的分拣技术。在我国市场上经常能见到的基于这种分拣技术的分拣机，如滚筒筛孔式水果大小分拣机和辊带式水果大小分拣机。这类分拣机主要是机械式分拣，它的优点是机械结构简单、价格低廉、分拣速度快，工作效率高，缺点是这种分拣技术在分拣过程中水果在分拣机上受到水果相互之间以及水果与设备之间摩擦力的时间长，水果的外部品质比较容易被破坏，而且当水果的果形不规则的时候，分拣的结果则会存在较大偏差。比如滚筒筛孔式的水果大小分拣机由多个滚筒组成，每个滚筒的直径约为80cm，根据分选的目标要求在每个滚筒上装有相同孔径大小的筛孔，这些滚筒根据筛孔大小的不同由小到大进行有序排列。它的分选原理是不同直径大小的水果在遇到滚筒上大小不一的筛孔时，会先后从对应的筛孔漏下，大的筛孔会使大的直径的水果漏下，小的筛孔会使小直径的水果漏下，从而就达到水果分拣的目的。这类分拣技术主要用于柑橘类水果果实的分拣。1.2基于重量分拣的水果分拣技术的研究现状利用杠杆原理对水果的重量进行分拣的分拣机是早期的机械秤称重式分拣机。机械秤称重式分拣机由移动托盘（相当于移动秤）和数个固定秤组成，移动托盘和固定秤相当于可绕支点转动的两根杠杆，平时处于锁定状态。每个固定秤上砝码重量各异。当载有水果的移动托盘移动至固定秤时，移动托盘右端与固定秤左端处于结合状态，如果此时移动托盘上水果重量所产生的力矩大于固定秤的力矩，则水果被倾斜而出，完成水果分拣作业[1]。这种机械式水果重量分拣机虽然对水果的外部品质的损伤较小，但是其受到各种外界因素的影响较大，产生的误差有可能会造成分拣精度的降低。随着近年来科学技术的进步以及各个学科之间的相互渗透，当前国内外专家成功研制了电子称重式分选机。使用传感器来采集水果的重量信息是电子称重式分拣机的特点，它将传感器采集来的水果的信息输出至微机控制系统，由系统对传感器采集来的信号进行采样、放大等处理，最后由微机控制系统发出指令去控制相应的执行部件进行动作，达到精确分拣水果重量的目的。王新亭等[2]根据现有的电子称重式分选机系统，改良系统的测控部分，使用单片机进行控制。这种控制方式具有更高精度和更高的控制灵活度，在实际中具有更广的应用前景。国外的电子称重式分选机已经较为成熟，比较好的有美国AUTOLINE公司和以色列ESHETEILON公司生产的。这些电子称重式分选机具有较为成熟的检检测技术和较高的工作效率，另外，其分选精度也很高。但是这些设备却难以在我国推广使用，主要是因为它的价格比较高，而且操作过程较为复杂。1.3基于外部品质分拣的水果分拣技术的研究现状龙源期刊网根据水果的外部因素进行分拣是基于外部品质分拣的水果分拣技术。水果的外部品质主要表现在水果的大小、形状、色泽等外部因素。目前这种基于外部品质分拣的水果分拣方法主要有光电色泽法和计算机图像处理法。水果的外部颜色的差异导致其在被一定光照射的时候反射回来的光的波长不同，这是光电色泽法分拣水果外部品质的依据。根据绿色和红色苹果的反射光强的不同，且绿色苹果比红色苹果反射光强度大的原理，可以把苹果分为全绿果、半绿果和全红果等级别。与光电色泽法只能处理水果某一方面的信息相比，计算机图像处理分拣法就可以同时分析水果的多种品质。它以CCD摄像头捕捉水果图像，再根据捕获的图像对水果的尺寸大小、果形情况、果实的成熟度以及果实的表面损伤度进行一次性检测，测得的具体数据，根据测得数据进行判断。这种分拣技术的自动化程度比较高，是分拣技术发展的趋势，但是其也有一些难题需要攻克，比如说信息处理的速度太慢，需要处理的信息的数据量很大，需要处理的时间会很长，实时系统难以完成，等等。1.4基于内部品质分拣的水果分拣技术的研究现状水果的酸甜可口程度、软硬程度、是否有内部缺陷等是水果内部品质的因素所在。目前，主要是采用破坏性的实验对水果进行内部品质的检测。检测硬度的方法主要有变形法和声学法。但是这两种方法中无论哪一种都有一定的缺陷，比如变形法仅可以测量水果的部分硬度情况，声学法却在噪音等环境下无法实施。既可以检测水果的糖度又可以检测水果的硬度的方法是近红外线法和核磁共振法。因为水果的内部成分的差异，导致水果对不同波长的近红外线光的反射和吸收的程度也不同，进而产生光谱也不同，通过分析这些光谱的情况就可以分析出糖度和硬度状况，这就是近红外线法进行内部品质分拣的依据。李光梅等[3]在检测水果糖度和硬度的内部品质时使用了近红外分光法，实验结果表明：近红外分光法在检测出水果糖度、酸度的同时还检测出了水果的内部缺陷，达到了对水果内部品质进行在线检测的要求。2国内外水果分拣技术产品状况2.1国外公司产品状况國外水果分拣技术的发展较为先进，他们很早就开始对水果分拣技术进行研究并对研究成果进行产品化。早在1995年，美国人就研制出主要用于苹果分拣处理的基于计算机视觉的高速高频水果分级系统Merling。随着科学技术的进步，最新利用杠杆原理的新型电子测量仪器可以用来检测水果的重量，Decco型分级机就是这样一种按重量分级的果实分级机产品。它是由美国Penwalt公司研制生产的。利用机器视觉水果分拣设备在美国研发使用的也比较早，比如美国俄勒冈州的AlleElectronics公司的“Inspecttronic”装置和Autoline公司的Model6型机器视觉水果分级机。这两种设备都可以利用CCD摄像机对水果的形状大小、尺寸大小、颜色状态等进行分拣。在水果分拣技术上，日本人也不甘落后，他们首先研制出了传感器，这些传感器通过可见光和近红外线来测定梨、苹果成熟度，然后又一种选果装置，这种选果装置能够快速判别水果成熟度和色泽，而且他们还将这些测定梨、苹果成熟度的传感器和能够快速判别水果成熟度和色泽的选果装置应用在自动化的水果分拣、包装生产线上，这种生产线具有高度自动化的特点，也实现了对水果的无损分拣[4]。龙源期刊网国内公司产品状况相较于国外的水果分拣技术产品，国内的产品就落后很多，大多数产品还都限于机械分级阶段，主要用来对水果的大小和重量进行分拣。比如：滚筒筛孔式水果大小分拣机和辊带式水果大小分拣机。6GF-1.0型水果大小分级机属于辊带式水果大小分拣机，或称间隙式水果分拣机。分拣时，由于分级辊和输送带的运动形式不同，使得直径小于辊与输送带之间间隙的水果掉入水果槽。基于重量进行分拣的分拣机比较有代表性的是GXJ-W系列卧式果蔬分选机。它是由山东省栖霞茂源机械设备公司生产的，能够根据水果的重量对苹果等类似球形的水果进行分级[5]。在我国，目前较为先进的水果分拣产品比如机器视觉的水果分拣技术基本还都处于实验室阶段。国内厂商如果要对水果进行高质量的检测，大多数都需要引进国外的针对大农场生产所设计的水果品质自动检测生产线设备。但是国内和国外的农业模式不同，我国的农业生产模式大多是小农户生产，这些进口设备在实际检测中并不实用。2004年，浙江大学课题组研究出一套基于计算机视觉系统的水果品质智能化实时检测与分级生产线。该生产线通过先进的水果输送系统、精确的高速分级机构和完善的自动控制系统等机构对水果的多种品质进行分拣，包括水果的大小、形状、颜色以及内部缺陷等，真正实现了检测指标的多元化[6]。3结语综上所述，水果分拣技术目前在国内外都得到了一定程度的发展，整体上国外的水果分拣技术比国内的要先进，但是，国外水果分选机的价格比较昂贵，使得国内厂家无法真正使用。近年来，国内的水果分拣技术也得到了一定程度的发展，产品化也有了一定的规模，但是目前还无法开展大规模的推广应用。目前市场上的水果分拣机都只是采用某一单一形式的分拣，分拣的目标过于单一，对水果的多个品质指标进行检测时，处理速度较慢。如何在一条生产线上完成两种或两种以上水果规格的分拣，对水果品质进行精细分拣，这是目前国内学者需要继续研究的难题。结合当前国内外的水果分拣技术和我国目前多是利用重量和大小分级设备进行分级的机械分级法的现状，笔者认为在现有国内国外的水果分拣技术研究成果的基础上，探索新的理论和方法，实施水果的智能分拣和自动分拣将是我国水果分拣技术的发展方向。所谓智能分拣就是指通过电子称重、图像识别、近红外光谱分析等现代化技术对水果的内外部品质进行分拣，而自动分拣就是指水果在整个分拣过程中全面实施自动化，包括上料、卸料、分选、装箱、包装、码垛等。加大水果智能分拣和自动分拣技术的研究力度并将这些新技术应用于实际生产中，将对我国水果产后处理能力提升起到非常重要的作用，必然能够降低目前水果分拣产业工人的劳动强度，提高我国水果的整体国际竞争力，创造出巨大的经济效益和社会效益。参考文献：[1]韩东海.水果品质机械化分选是产业兴旺的关键[OL].（2018-03-20）[2018-03-25]（http：//？articleId=ff8080816222ced901