淺談中央廚房引進(jìn)可行性分析

陳嶸峰 陳鵬程

摘要：社會分工越來越詳細(xì)，部分農(nóng)產(chǎn)品可以由第三方加工，解決標(biāo)準(zhǔn)化和強(qiáng)化的需要，而中央廚房是當(dāng)前高強(qiáng)度、集約化、重復(fù)性餐飲業(yè)的趨勢。在大量食品材料加工過程中，由于低自動化程度設(shè)備和高強(qiáng)度勞動力需求，餐飲業(yè)成品或半成品的中央廚房作為成品和半成品菜肴的加工場所，實現(xiàn)了食品材料預(yù)處理過程的部分自動化。為了達(dá)到食品加工的最佳狀態(tài)，智能加工設(shè)備被認(rèn)為是企業(yè)的最佳選擇。本文綜述了中央廚房的水射流技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)智能分割技術(shù)等配料的分割和烹飪過程、智能烹飪和識別技術(shù)，為烹飪和餐飲行業(yè)實現(xiàn)智能食品加工提供理論依據(jù)。因此高自動化和智能加工設(shè)備的市場前景將更加廣闊，食品材料的智能識別和分類是提高中央廚房食品材料智能預(yù)處理的關(guān)鍵。水果、蔬菜、肉、魚的智能加工不僅減少了設(shè)備的體積，還能使同一設(shè)備能夠切割多種食品材料，而且加工成本也低于自動加工設(shè)備。此外，高光譜神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的結(jié)合也將提高中央廚房的智能化水平，高光譜技術(shù)通過多個傳感器捕獲食品材料的圖像，協(xié)同神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制模塊自適應(yīng)地分離和烹飪食品材料，為進(jìn)一步改進(jìn)工業(yè)機(jī)器人提供了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：中央廚房;農(nóng)產(chǎn)品;智能加工設(shè)備

1 前言

中央廚房的智能加工作為餐飲行業(yè)的新起點，也引起了眾多企業(yè)的關(guān)注。2016年，有人提出了智能廚房模型的框架。多傳感器融合技術(shù)已應(yīng)用于傳感器網(wǎng)絡(luò)、自動機(jī)器人、圖像采集和智能系統(tǒng)設(shè)計等領(lǐng)域，降低了傳感器的處理成本，食品材料，充分利用智能設(shè)備，提高食品材料的自動加工水平。在食品加工過程中，分段是一種根據(jù)預(yù)設(shè)的尺寸和幾何形狀的食品分段技術(shù)，不僅受食品技術(shù)參數(shù)和特性的影響，還受切割機(jī)機(jī)械性能的影響。因此，有必要改進(jìn)分割技術(shù)，描述食品材料的特性。

有人研究了新鮮和冷凍解凍魚樣品大西洋鮭魚，鮭魚鯖魚、紅鯔魚，歐洲鳳尾魚，飛嘴魚和藍(lán)魚，發(fā)現(xiàn)拉曼光譜和化學(xué)特征的識別能力主要是由于不同的魚。不同出口中棕櫚酸、硬脂酸、油酸和油酸的比例不同，導(dǎo)致不同脂肪酸的相關(guān)拉曼光譜強(qiáng)度存在差異，從而使每條魚具有特定的拉曼光譜。在智能分割的過程中，對不同的魚類成分進(jìn)行分類是極其重要的，高光譜成像是一種識別食品材料的方便的手段，可以檢測加工過程中的內(nèi)外質(zhì)量參數(shù)，已應(yīng)用于切割、烹飪、干燥、貯存等食品材料工藝。為了提高水果和蔬菜分類的效率，開發(fā)了一種基于不同尺度的空間光譜聯(lián)合高光譜圖像分類方法和空間增強(qiáng)策略，并提出了一種新的分類器結(jié)合高光譜圖像與卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。此外，為了提高高光譜圖像的分類精度，還對利用光譜空間特征學(xué)習(xí)和波米爾極端學(xué)習(xí)的多特征融合分類方法進(jìn)行了有效的驗證。

目前，肉制品的加工已經(jīng)實現(xiàn)了一定程度的自動化，而豬肉、牛肉、羊肉的自動加工水平相對較高。餐飲業(yè)的發(fā)展食品加工過程已經(jīng)完成了從手動操作到機(jī)器自動加工的轉(zhuǎn)變，然而，隨著食品工業(yè)與餐飲工業(yè)的融合，需要采用更專業(yè)的自動化和智能設(shè)備來生產(chǎn)和提供市場所需的餐飲食品。有很多智能的食品加工設(shè)備，如烹飪機(jī)器人加工肉類和蔬菜，但中國菜多樣，主要的烹飪方法是炒、炒、燉、煮、蒸、烤，一些不太智能的烹飪設(shè)備不能完全捕捉中國菜的烹飪精髓，而食材的混合和熱量是烹飪的烹飪精髓。因此，不同的菜肴可以通過改變配料類型和加熱強(qiáng)度來結(jié)合起來。雖然在小餐館，廚師負(fù)責(zé)烹飪菜肴，但對于餐飲行業(yè)如企業(yè)員工食堂餐、高校、軍隊、鐵路、醫(yī)院餐、航空餐、社區(qū)等，卻難以保證食品標(biāo)準(zhǔn)。

為了提高菜肴的自動化加工水平，許多研究人員開發(fā)了一些半自動或全自動的烹飪設(shè)備，在智能烹飪機(jī)上取得了突破。2009年，日本學(xué)者青山、大澤木和中村提出了一種新的智能烹飪支持系統(tǒng)的設(shè)計思路，通過控制交互再現(xiàn)模型（IRM）和IRM調(diào)節(jié)系統(tǒng)的輸出，再現(xiàn)了烹飪支持系統(tǒng)與用戶之間的理想交互。到2013年，水田、普拉蒂維、尤迪斯塔里、欣達(dá)和杜維使用系統(tǒng)開發(fā)生命周期方法設(shè)計了具有物理設(shè)計引擎和用戶界面的烹飪系統(tǒng)。2018年還有物聯(lián)網(wǎng)和云服務(wù)來協(xié)助烹飪，可以實現(xiàn)智能人機(jī)交互，今天，隨著自動化技術(shù)和智能技術(shù)的不斷提高，對學(xué)術(shù)設(shè)備，如熟練的廚師來完成復(fù)雜的烹飪動作的需求正在增加，傳感器技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和人工智能技術(shù)正在被應(yīng)用于智能廚房。

2 食品分割與識別技術(shù)

2.1果蔬水噴射切割

在切割果蔬的過程中，一般采用皮帶切割裝置。旋轉(zhuǎn)葉片會產(chǎn)生微生物的交叉污染，微生物可能會粘在葉片上，將被微生物嚴(yán)重污染的蔬菜傳播給污染較小的蔬菜。因此，葉片需要定期進(jìn)行清洗和磨砂處理，以確保產(chǎn)品質(zhì)量的一致性。此外，在果蔬分段加工前，可以利用超聲溶解細(xì)胞的作用來降低果蔬表面微生物的含量，降低分段過程中交叉感染的風(fēng)險。在大多數(shù)情況下，在切割過程中會導(dǎo)致表皮細(xì)胞破裂，在切割表面暴露新的細(xì)胞表面，從而導(dǎo)致不同的生理反應(yīng)。例如，褐變、呼吸變化和紋理特性進(jìn)一步增加了微生物的接觸面積，通過成像技術(shù)與反向傳播人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，可以實現(xiàn)在線檢測和控制。許多水果和蔬菜都是用成像技術(shù)加工的，然而，與葉片切割相比，高壓水噴射技術(shù)加工的產(chǎn)品機(jī)械沖擊較小，它不僅避免了表皮細(xì)胞在壓力下的惡化，而且具有無菌的特性，可以永久更新切割培養(yǎng)基。此外，水射流技術(shù)在加工過程中是安全的，可以切割不同厚度的食物，目前已成功用于切割水果、蔬菜、魚和肉類。水噴射切割和新葉片切割可以取代葉片切割，避免了加工過程中葉片更換的中斷和微生物交叉污染。為了改進(jìn)水噴射切割技術(shù)卡雷諾-奧萊朱亞、霍法克和亨塞爾利用壓力傳感器和圖像采集技術(shù)分析甜瓜和蘋果的興趣面積，水噴射技術(shù)通過圖像采集的二階偏導(dǎo)數(shù)獲得了顯著的效果，特別是對稱性較好。為了研究不同類型的水果和蔬菜，后期采用模糊控制器的機(jī)器設(shè)計，調(diào)整水壓、切削方向、噴嘴與水果和蔬菜之間的距離、切削速度。

2.2冰水切肉

一般來說，自動切肉的工業(yè)化比較難以實現(xiàn)。當(dāng)?shù)镀偷谰弑黄热肴鈺r，由于較低的彈性模量，會導(dǎo)致更大的順應(yīng)性和變性，因此支柱的切割速度沒有控制，容易發(fā)生不希望的變性效果，如產(chǎn)品切割精度不足、切割面不規(guī)則等。雖然泰勒和坦普勒開發(fā)的機(jī)器人機(jī)械手采用氣動切割技術(shù)來適應(yīng)綿羊和羊尸體加工的肉類順應(yīng)性，但目前的肉類加工主要使用冷凍肉。當(dāng)機(jī)器人操作切割器加工肉時，它會在刀和肉之間的界面處產(chǎn)生機(jī)械阻抗以及切割指令，雖然可以控制混合阻抗和切割位置，但由傳感器獲得的機(jī)械阻抗信息需要被人識別。所以應(yīng)用前景不是很大。

2.3 Fish3D定點切割

在魚類加工過程中，需要處理規(guī)模和碎片。近年來，魚類的加工主要涉及機(jī)器人、智能傳感器和末端效應(yīng)器，并與可見/核磁共振、可見/近紅外、平面和計算機(jī)斷層成像技術(shù)協(xié)調(diào)，可以優(yōu)化和自動分類魚類。在對規(guī)模的研究中，有一種由布曼、馬爾克斯、祖林和祖加馬默德設(shè)計的新型魚骨分離器，帶有小洞的旋轉(zhuǎn)桶用于對魚體施加循環(huán)擠壓和剪切作用，迫使魚通過小洞，而骨頭、鱗片和魚皮仍留在桶的外面，不僅達(dá)到了除骨的目的，而且達(dá)到了除骨的效果。當(dāng)用魚骨分離器處理鯉魚的頭部和內(nèi)臟時，其加工能力約為每小時80公斤肉末，如果考慮到魚的大小、厚度和骨骼結(jié)構(gòu)，加工能力也會發(fā)生變化，為了實現(xiàn)有效的魚分割，機(jī)器必須在固定的點對魚進(jìn)行分割，常見的魚類分割是基于3D切割，包括基于刀的系列產(chǎn)品和基于水射流的數(shù)據(jù)系統(tǒng)。

通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識別，確定鮭魚魚頭的最優(yōu)點，發(fā)現(xiàn)刀的位置在兩個半毫米范圍內(nèi)，為魚的自動切割機(jī)器人的發(fā)展提供了理論基礎(chǔ)。Bond?等人（2011）開發(fā)了一種基于三維機(jī)器視覺系統(tǒng)技術(shù)的魚分割機(jī)器人。

2.4高光譜組合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能分割

目前，中央廚房食品分類，蔬菜、肉類、水產(chǎn)品等農(nóng)產(chǎn)品需要人工分類，以采用適當(dāng)?shù)募庸し椒?。為了實現(xiàn)食品的智能識別和分類，可以采用高光譜識別技術(shù)，并調(diào)整食用材料的切割點，采用了傳感技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以減少人工操作。由于每種食品材料中含有的化合物類型不同，光譜的特征區(qū)域也會有所不同。如果是同一種食品材料，也可以根據(jù)光譜指紋區(qū)化合物的不同振動收縮率來區(qū)分。這是因為通過點對點空間模式、傅里葉變換成像、逐線掃描空間或波長調(diào)諧濾波器方法，可以收集包含電磁光譜波譜范圍、成像模式和成像系統(tǒng)參數(shù)的三維圖像高光譜，該圖像由數(shù)百個每個空間物體的連續(xù)離散頻譜組成。并利用圖像信息覆蓋可見光和近紅外波段信息（黃，萬，Zhang，&Zhu，2013）。它不僅為物體提供了完整的波長信息（Liu，Sun，&Zeng，2014），還提供了物體軸的成像光強(qiáng)度、軸軸和三維信息的波長（Tao&Peng，2014）。圖像中的每個像素都顯示了空間位置的物體結(jié)構(gòu)或吸光散射特性。T

3 食物配料的智能烹飪

3.1

全自動機(jī)器人技術(shù)中國菜的傳統(tǒng)烹飪技術(shù)一直都是由專業(yè)廚師來實施的。一道高質(zhì)量的菜肴必須以可控的方式烹飪，并必須控制溫度。動力學(xué)分析、工作空間分析、速度分析、熱分析、運(yùn)動分析等特點與機(jī)器人操作時機(jī)器人的自由度密切相關(guān)。一般來說，中國的自動烹飪機(jī)器人由人機(jī)界面、材料進(jìn)出口機(jī)構(gòu)、罐體運(yùn)動機(jī)構(gòu)、視覺單元和覆蓋機(jī)構(gòu)組成經(jīng)過加工，盤子是在中央廚房生產(chǎn)，它們必須標(biāo)準(zhǔn)化。而菜肴的標(biāo)準(zhǔn)化必須符合原料和烹飪技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化要求。但原材料的來源、運(yùn)輸、加工和儲存都難以達(dá)到統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。因此，一個廚師很難意識到每道菜都是按照烹飪技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行加工的，這是受到廚師的客觀因素和主觀因素的影響。此外，中國食品的制造過程也很復(fù)雜，各種烹飪技術(shù)在菜肴的加工過程中往往會相互交叉和整合。烹飪機(jī)器人臂和操作系統(tǒng)的研發(fā)為烹飪機(jī)器人提供了基礎(chǔ)和技術(shù)支持，實現(xiàn)烹飪技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化原則。

3.2智能傳感和烹飪識別

在智能烹飪系統(tǒng)的研究中，Logan，Carr，Baker應(yīng)用無線電收發(fā)機(jī)和計算機(jī)應(yīng)用程序自動處理烹飪食物，整個烹飪設(shè)備使用了體積傳感器、氣味傳感器、多個傳感器、粘度傳感器、壓力傳感器、鹽水傳感器的溫度梯度傳感器等，可以對整個烹飪過程進(jìn)行自動監(jiān)控和調(diào)節(jié)。由于無線通信收發(fā)器，烹飪設(shè)備可以通過藍(lán)牙、射頻、近場和紅外線相互通信，使計算機(jī)應(yīng)用程序可以將烹飪食譜和烹飪過程的具體指令實時傳輸?shù)脚腼冊O(shè)備。為了模擬廚師的烹飪操作，由計算機(jī)化機(jī)器人準(zhǔn)備的食物，Oleynik（2018）發(fā)明了一個涉及機(jī)器人和人工智能的烹飪機(jī)器人，使用一個多模擬器傳感系統(tǒng)，包括環(huán)境傳感器、幾何傳感器、3D傳感器和人體運(yùn)動捕捉系統(tǒng)。該智能烹飪機(jī)器人可用于觀察和監(jiān)控廚師在準(zhǔn)備特定菜肴過程中進(jìn)行的一系列微操作，然后將一臺或多臺計算機(jī)轉(zhuǎn)換為可讀指令并存儲，智能機(jī)器人可進(jìn)行烹飪操作。此外，基于電磁加熱渦流和電磁感應(yīng)加熱的原理，徐和賀（2018）發(fā)明了可編程控制自動烹飪機(jī)器上，由于三維環(huán)繞半球的形成，加熱溫度場具有類似于傳統(tǒng)流式廚房的效果，提供了加熱盤，并很好地實現(xiàn)了加熱溫度的智能控制。此外，用烹飪機(jī)編寫的烹飪食譜程序可以應(yīng)用于虛擬烹飪機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)終端和云服務(wù)平臺，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和信息共享，實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)管理?？梢钥闯觯腼兪匙V和計算機(jī)程序的執(zhí)行是智能烹飪的必要條件，而烹飪機(jī)器人識別烹飪程序，則是智能烹飪的前提。

4結(jié)論

中央廚房是一個統(tǒng)一分布的食品飲料廠標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)、大型管理、集中采購。目前正處于發(fā)展初期，缺乏高自動化和智能處理設(shè)備。雖然出現(xiàn)了少量的烹飪機(jī)器人等智能設(shè)備，但利用率低，生產(chǎn)能力過剩。由于對原材料、半成品和成品的供應(yīng)日益進(jìn)行細(xì)分，中央廚房的智能加工設(shè)備的前景非常廣闊。本文所涉及的智能機(jī)器人模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，作為模糊邏輯控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制相結(jié)合的技術(shù)，結(jié)合高光譜技術(shù)和三維頂點分割技術(shù)，應(yīng)用于中央廚房智能設(shè)備的研究和開發(fā)，希望將中央廚房從自動處理向智能加工轉(zhuǎn)向智能處理。從水射流切割到冰水射流切割，對該技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，提高了切割質(zhì)量，但在器件調(diào)節(jié)與分割參數(shù)收集之間的自我調(diào)節(jié)率有待進(jìn)一步提高。只有通過放大傳感器陣列，完善模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，才能實現(xiàn)更高的智能化。此外，高光譜成像所需的圖像數(shù)據(jù)庫相對較大，數(shù)據(jù)操作和處理速度也影響設(shè)備與食品材料之間的信息反饋。因此，中心廚房配料的細(xì)分和烹飪設(shè)備的研發(fā)。

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