魚蝦分級技術裝備研究現狀及展望

熊 師，柴長虹，馮云云，衛 強，潘明釗，李永濤

（1.廣東省現代農業裝備研究所，廣東 廣州 510630；2.農業農村部華南現代農業智能裝備重點實驗室，廣東 廣州 510630）

0 引言

我國是水產養殖大國，2022 年中國的水產品總產量達到6 865.9 萬t[1]。隨著“用工難、用工貴”的現狀日益突出，勞動力不足、成本增加、效益下降等成為制約魚蝦養殖產業發展的重要因素。分級是工廠化、規?；a養殖的重要過程，也是水產品初加工的關鍵環節。不同規格大小的水產品不利于持續飼養和標準化出售，對養殖水產品進行定期分級可節省養殖資源投入，提高養殖效率，有利于實現水產品的優質優價。目前魚蝦分級主要從大小、色澤、完整度3 個方面展開[2]：按規格大小分級是最常見的分級標準，將水產品分為不同的規格有利于區分用途和面向不同客戶銷售，且由于魚蝦初加工設備對物料尺寸有要求，統一的尺寸規格有利于后續處理；通過色澤判斷分選出不新鮮甚至腐敗的水產品，可以評價水產品的新鮮度；在捕撈和運輸過程中會出現水產品破損、斷裂等情況，通過完整度分選可以提高產品品質，也有利于后續加工。傳統的分級方式主要依靠肉眼觀察，長時間的疲勞工作會出現判斷不準確甚至判斷錯誤的情況，同時在大小、色澤等方面無法做到更加細致的分類，因此傳統的手工分級作業具有分級精度低、勞動強度大、效率低等缺點，已不能滿足現代水產養殖產業發展的需求。隨著魚蝦分級要求的不斷提高，擺脫對人工篩選的依賴、實現精準高效分級對我國水產養殖降本增效和高質量發展具有重要意義。

目前水產品分級從技術上主要分為3 類：機械分級、傳感器檢測分級和機器視覺分級[3-4]。本文以水產品養殖產量較大的魚蝦為研究對象，對國內外魚蝦分級技術與裝備的發展現狀進行綜述，分析魚蝦分級技術裝備的共性問題和趨勢，以期為我國水產品分級技術與裝備的發展提供借鑒。

1 國內外研究現狀

1.1 機械分級

水產品的機械分級主要根據其外形特征進行區分。國外在魚蝦機械分級研究方面起步較早，技術成熟，已形成了槽式分級、柵格式分級和輥式分級3種類型。

1）槽式分級。MITCHELL 發明了凹槽式分級機[5]，如圖1 所示。對蝦從一側喂入，在輸送器的作用下對蝦沿著凹槽移動，凹槽間隙由小變大。尺寸小的蝦掉入前面的管道，尺寸大的蝦落入后面的管道，實現分級。傾斜擋板式對蝦分級機構也是根據對蝦厚度特征進行分級，其代表產品為Intech 公司開發的CT1014 對蝦分級機[6]，如圖2 所示。該機采用2 個擋板組成V 形結構，擋板底部的縫隙由上至下逐漸增大。2 個擋板形成1 個V 形分級通道，多個通道平行排列增加了機器的處理能力。由于V形縫隙的變化，對蝦在從上向下下滑的過程中落入不同分級區域中。該機可通過改變擋板間縫隙的寬度來設置各分級區間，可實現無工具調節，具有結構簡單、分級精度可控、調節方便的優點。JAMES J.STIPE 發明了1 種階梯式的對蝦分級裝置[7]，該裝置由3 個水平排列的帶式輸送機構組成3 段式階梯結構，每條輸送裝置上設置了V 形定向器。3 種定向器的縫隙寬度從上至下依次減小，按照對蝦厚度的差異可實現3 個級別對蝦的分選。

圖1 凹槽式分級機

為減小魚體與機械結構件的摩擦，降低分級機對魚體的損傷，FAIVRE 公司開發了Helios 系列魚類分級機，如圖3 所示。該機采用V 形槽式結構，V槽縫隙逐漸增大，不同厚度的魚體在V 槽的支撐下向前運動，從不同的位置落下實現分級。為降低活魚分級過程中離水時間較長對魚類活性的損害，VAKI 公司開發了回轉式的活魚分級機，如圖4 所示。該機用于鮭魚、鱒魚、尖吻鱸等活魚及魚苗的高速分級適用于0.2～200 g 的魚，分級效率高達6 000 kg/h。該機通過分魚轉盤轉動的方式使轉盤底下的分級擋板在不同相位開啟不同大小的縫隙，相應大小的魚苗從對應的縫隙滑入集魚斗中。該分級機以圓形結構代替了傳統的長條形分級設備，使分級機的體型小型化，分級過程中魚體與機械結構的摩擦接觸少，同時分級全程都是不離水狀態，實現了低損傷活魚分級，但是這種回轉式結構更適合平扁體型的魚種。

圖3 Helios 系列魚類分級機

2）柵格式分級。圖5 所示為Shrimp Grader RS 24 小型柵格式對蝦分級機[8]。該機為雙層柵格式結構，對蝦在1 個工作循環中可以被分類2 次，通過調整柵格的空間大小可以達到控制分級精度的目的。該機具有結構緊湊、幾乎無噪音、高容量和運行可靠性高的特點。如圖6 所示，SMG100 對蝦分選機采用篩網式的多級滾筒結構，主要用于分離對蝦和其它漁獲物，同時可以分選出小尺寸的蝦和消費級對蝦[9]。該機三滾筒組合式的分選設計具有創新性，主要由內滾筒、外滾筒和蟹筒組成，由于該機主要用于對蝦的粗分選，因此分級精度低。JOHNSON 研制了鋁制剛性格柵用于分離鮭魚，通過柵格式地拉網魚分成2 級，體型大的魚置于網面上，體型小的魚則從格柵中落下，實現魚類的大批量2 級分級。

圖5 Shrimp Grader RS 24小型柵格式對蝦分級機

圖6 SMG100 對蝦分選機

3）輥式分級。英國APOLLO 公司研發了輥式分級機，該機通過相鄰輥軸間隙不同的方式實現不同厚度魚體的分級。意大利SNC 公司開發的輥軸式魚類分級機，可將水抽取至輥軸上提供潤滑，減小魚體與輥軸的摩擦以降低魚苗損傷，適用于1.3～65 g 的魚苗。丹麥IRAS 公司分別以直徑60、76、100 mm 作為3 種輥軸的設計參數，通過階梯排布的方式開發了階梯式輥軸結構的魚分級機。魚體沿著傾斜排布的輥軸下滑，實現4 級分級。輥式分級是目前使用最多的魚類分級結構，但該結構存在魚體堵塞下滑通道，造成魚體損傷的問題。

國內魚類分級在上世紀大多采用柵格式分級，其中包括振動式篩網分級和水中篩網分級。分級篩網結構簡單，屬于簡易機械，但使用繁瑣。使用過程中需要多人配合操作和整理，會出現魚苗卡住等魚體損傷的情況，同時分級精度較低，費時費力。因此隨著產業規模的擴大，柵格式分級在我國的應用逐漸減少。近幾年，國內學者洪揚等為解決活魚分級方面的瓶頸問題，對回轉結構的槽式活魚分級設備進行了設計、優化和試驗研究。

中國在魚蝦分級方面的研究以輥式結構為主，在國外技術的基礎上進行結構改進和優化，并適應了國內的生產需要。我國最早的輥式對蝦分級機由孫平設計[10]，如圖7 所示。分級裝置由1 組或多組錐形輥傾斜排列。錐形輥間隙的寬度從上至下逐漸增大，物料從對應的輥間隙落入漏斗中，實現厚度分級。濟晗科技公司針對魚蝦的分級需求，分別開發了魚類自動分級生產線和對輥式對蝦分級機[11]。魚類自動分級生產線基于輥軸式結構，可以實現清洗、雜魚次魚分選以及機械分級的功能，處理能力為5～15 t/h。對輥式蝦分級機如圖8 所示，可以實現多通道5 個梯次的分級作業。在結構參數優化方面，對輥式機械分級主要采用直徑逐漸減小的圓柱輥平行排列、逆向旋轉的結構，通過調節對輥間距的方法適應分級精度和物料規格的變化[12]?？椎聞偟壤蒙蓉悮らL作為分級特征，設計深淺不一的螺旋槽以改進分級輥結構，實現扇貝的4 級分級[13]。李影欣等采用正交試驗獲得了雙輥式對蝦分級裝置的最優參數[14]。依靠純機械結構的輥式分級裝置存在操作不便、適應能力差的問題，為此，在輥式分級機的基礎上設計了分級控制系統[15]，通過PLC 控制步進電機，達到調控輥軸間隙的目的。通過在觸摸屏上輸入參數的方式，實現對對蝦分級機的有效控制，人機界面的設計使對蝦分級技術更加自動化。

圖7 錐形輥對蝦分級結構

圖8 對輥式對蝦分級機

綜上所述，柵格式分級主要用于水產品粗分選，雖然分級效率高，但分級精度低、損傷大；槽式分級主要采用V 形槽結構，通過改變槽底部縫隙的寬度來設置各分級區間，整體結構簡單、分級精度可控、調節方便；輥式分級主要采用對輥逆向旋轉的結構，具有分級精度可控、效率高的特點。

1.2 傳感器檢測分級

傳感器檢測分級主要是以魚蝦質量的差異作為主要的區別特征，分級裝置一般通過獲取單只魚蝦質量的方式進行分級。

日本橫崎制作所研發的DLS2000～7000 型斗式質量分級機采用質量傳感器檢測料斗的質量變化[16]，進而間接獲取每個料斗上的物料質量。根據傳感器檢測分級標準，使料斗在經過對應的儲料池時下翻，物料沿著料斗下滑落入儲料池中。該斗式質量分級機如圖9 所示，采用循環運動的料斗式結構，使物料順序完成質量檢測和分級工序。該機的處理能力可達到9 000 個/h，可檢測2～200 g 質量范圍的對象，適合魚、蝦、扇貝、牡蠣、干海參等物料的分選。該機裝備了半自動的控制系統，可以在觸摸屏上設置料斗的循環速度，實現分選速度的控制。由于采用物料質量檢測傳感器，因此該分級機具有分級精度高的優點，但仍需要人工逐只喂料。JAY INSTRUMENTS &SYSTEMS PVT.LTD.研發了雙線式對蝦分級機，可以實現雙通道流水線式的分級作業。該分級機通過布置在輸送帶底部的稱重傳感器檢測每只對蝦的重量和位置，然后由撥動機構將對蝦推入兩側的料槽中。該機的質量檢測范圍為3～600 g，檢測精度為0.5～1 g，最大速度為600 只/min。LIZOTTE公司開發的蝦分級機根據精確檢測單個對蝦重量的原理進行分級作業[17]，如圖10 所示。通過傳感器檢測喂料輸送帶上通過的對蝦重量和對蝦位置，然后根據分級模型驅動不同分級位上的撥片轉動，通過撥片彈射的方式將對蝦從側面推入對應的分級輸送槽內。該精確分級系統不僅可以實現對蝦重量的分級，而且可以挑選出缺陷蝦、低品質蝦和異物。

圖9 DLS2000～7000 型斗式質量分級機

圖10 蝦分級機（LIZOTTE 公司開發）

國外企業在魚蝦傳感器檢測分級技術的研究已較為成熟，開發了多種傳感器檢測分級設備。國內在引進斗式傳感器檢測分級機的基礎上，進行了技術消化和改進，但原創性技術研究較少?？傮w來看，水產品傳感器檢測分級機具備較高的自動化水平，集成了物料檢測與控制系統，具有分級精度高、無損分級的優點。但是傳感器檢測分級機為單只順序分級的模式，在上料過程中要求物料單只有序放置，喂料環節仍需要人工操作，整體作業效率不高。

1.3 機器視覺分級

機器視覺技術具有非接觸性和最少侵損性的特點，已廣泛用于水產品品質檢測及產品分級[18-19]，因此在魚蝦分級環節中采用機器視覺技術是合適的選擇。

國外已將機器視覺分級技術應用于對蝦的分揀生產，其工作過程主要是采用機器視覺系統獲取對蝦的圖像信息，然后通過圖像處理的方法獲取對蝦外輪廓特征，以此作為分級判斷依據，然后由執行機構完成整個分級過程，具有準確、高效的特點。POONNOY 等采用機器視覺系統研究壽司蝦的重量測定方法[20]，通過回歸模型預測壽司蝦投影面積與體重的相關關系。LAITRAM MACHINERY 公司采用激光掃描手段和智能識別算法，研制了智能激光分揀機[21]，如圖11 所示，平鋪式的蝦仁輸送能夠為激光掃描識別系統提供良好條件，通過算法優化提高了分選成功率。

圖11 智能激光分揀機

機器視覺分級的重點是準確檢測水產品的規格信息，國內學者在這方面做了較多前沿性探索。張雪琪設計了一種基于機器視覺技術的魚類體征識別系統[22]，通過改進Canny 算法提高魚類圖像檢測的效率，為魚類視覺分選提供了技術支持。羅艷等將機器視覺技術應用于對蝦規格檢測[23]，提出了一種基于對蝦圖像主骨架線預測對蝦長度規格的方法。劉子豪等設計了基于機器視覺的對蝦自動分選設備，如圖12 所示，該設備主要由機架、上料機構、圖像采集模塊、圖像處理模塊和分選系統組成，試驗表明平均處理量為2.37 只/s。張偉等探究了基于機器視覺的多目標缺損對蝦在線檢測方法[24-25]，搭建了對蝦在線識別與剔除系統，實現了對蝦的自動化分選。王陽等設計了用于小龍蝦的機器視覺分級算法[26]，實現生命狀態、殘缺度以及尺寸共3 個指標的檢測，試驗表明算法識別準確度達到97%。

機器視覺技術在形狀、大小、顏色等外觀信息方面準確識別的優勢可以為水產品分級提供更多數據支撐，目前國內在水產品機器視覺分級方面仍處于研究探索階段，在分級可靠性和效率方面還有待提高。

2 魚蝦分級技術裝備發展面臨的瓶頸

通過對魚蝦分級技術裝備的研究現狀分析發現，在規?；聂~蝦分級生產中機械分級設備仍然占據主流位置。對比機械分級的3 種類型發現：槽式分級主要是設計凹槽或擋板等機械結構實現對魚蝦的側向支撐，通過開槽寬度的變化使魚蝦在自身重力作用下進行分離，達到分級的目的，整體結構簡單、分級精度可控、調節方便；柵格式分級是一種簡單高效的分級方式，利用篩網上的柵格大小進行分級，其結構簡單、分級量大，但分級精度有限，易造成魚蝦劃傷和擠壓損傷，主要用于水產品粗分選；輥式分級基于水產品厚度差異的特征進行分級，主要采用對輥逆向旋轉的結構，在原理和結構上與槽式分級相似，具有分級精度高、效率高的特點。因此，在魚蝦的機械分級方面，基于魚蝦的外形結構特征，采用不同的結構設計可以實現機械化的高效分級，但是魚蝦損傷、自動化水平較低仍是共性問題。

傳感器檢測分級技術采用逐個稱量的方式進行精準分級，利用傳感器感知技術和自動控制技術分別實現準確的物料質量獲取和自動化的分選控制，通過搭建分選測控系統達到了魚蝦自動化分級的目的。相對于機械結構的分級，依靠重量傳感器感知的手段能夠達到更高精度的分級效果，自動控制的分級執行機構對魚蝦的接觸力小，基本不會造成魚蝦的機械損傷，具備高精度、低損傷的分級優勢，因此傳感器檢測分級技術更適合現代化流水線分級作業。但是逐個稱量的工作模式需要有序上料單只放置，目前仍然依賴人工上料，其工作效率取決于人工上料的速度，因此上料環節制約了傳感器檢測分級機的工作效率。

依靠機器視覺技術可快速識別水產品大小、色澤等多種信息，可拓寬分級依據，有利于實現水產品的高傳感器檢測分級。相對于傳感器檢測分級，機器視覺分級技術能夠實現無接觸式的信息采集，可進一步降低分級過程對魚蝦的損傷。同時通過圖像處理算法能夠同時獲取多個物料的信息，大大提高分級系統的感知效率，利用視覺識別與定位技術能夠準確引導執行機構完成分級動作，不需要單只上料，因此機器視覺分級技術在分級精度、分級效率及物料損傷方面更具發展前景。但是目前由于技術原因，在無序上料情況下系統響應時間較長，整體分級效率不高。機器視覺分級由于技術復雜、設備昂貴等因素，在國內魚蝦分級環節還未見規?；膽?。

整體來看，國外魚蝦分級裝備的研究起步早、涉及種類多、技術成熟，各類分級設備已經實現了產業應用。國內在魚、蝦、貝等水產品的分級技術方面進行了相應研究，在輥式分級技術裝備的研制方面已較為成熟，機器視覺分級技術的研究也走在了前列。但是通過上述分析，國內魚蝦分級技術裝備還存在如下問題：

1）傳感器檢測分級技術和機器視覺分級技術因水產品活性保持、個體重疊及跳動、分布不均勻等問題以及技術復雜、成本高等局限，很難用于活魚活蝦的分級?，F階段國內分級常用設備為輥軸結構的分級機，在活魚的分級作業中存在魚體損傷、分級下滑通道堵塞的問題，還無法作為魚苗分級的理想設備，魚苗分級過程的魚體損傷對分級質量影響巨大，市場上缺乏魚苗低損傷分級裝備。

2）傳感器檢測分級設備仍然依賴人工上料，導致整體作業效率不高，同時增加了勞動強度和人力成本。對于機器視覺分級而言，無序的上料增加了分級的復雜性，影響了分級效率。因此，缺乏單只有序上料裝置是魚蝦分級的重要問題。

3）國內魚蝦分級機的應用以輥式結構為主，總體處于機械化作業水平，依賴人工操作和控制。機械化設備不能有效獲取運行狀態信息，無法根據作業工況實時調控運行參數，影響設備的高效運行。因此自動化水平低是水產品分級裝備發展中需要面對的問題。

4）國內魚蝦機器視覺分級技術目前處于試驗研究階段，識別準確率、分選效率等技術指標還有待提高，在多目標識別定位、執行機構快速響應等方面存在需要突破的關鍵技術。

3 總結與展望

分級是水產品規?；B殖和高品質加工的重要環節，隨著水產品分級需求的增加以及分級品質的提升，擺脫對人工的依賴、實現水產品精準高效分級對我國水產養殖降本增效具有重要意義。通過從機械分級、傳感器檢測分級和機器視覺分級3 個方面綜述國內外魚蝦分級技術的研究現狀，可以看到魚蝦分級技術與裝備已取得較大的研究進展，在基于物料外形特征的機械分級技術和基于傳感器檢測的傳感器檢測分級技術方面已實現了成熟應用。根據魚蝦分級技術裝備研究現狀分析，結合國內水產養殖與加工業實際需求，建議魚蝦分級技術與裝備研究重點圍繞以下4 個方向展開。

1）研發魚苗自適應低損分級關鍵技術與裝備。分析外力約束對魚體姿態保持與分級過程的影響，揭示魚苗在分級過程中的姿態變化規律和運移機理，提出魚苗在非離水條件下的低損傷分級方法，研發魚苗自適應分級裝備。

2）研發魚蝦單只有序上料裝置。單只有序上料是影響傳感器檢測分級設備工作效率的關鍵因素，通過分析魚蝦的外形結構特征，探究魚蝦粘連特性和有序分離規律，提出魚蝦逐個分離有序輸送方法，開發實用的單只有序上料裝置，實現與傳感器檢測分級設備的配套。

3）提升魚蝦分級裝備自動化水平。針對分級過程的作業參數調控需求，開發自動化分級監控系統，實現對輸送速度、輥距、傾角、噴淋流量等參數的精準調控，以提高水產品分級過程的自動化水平和分級質量。

4）突破魚蝦機器視覺分級關鍵技術。機器視覺分級是水產品智能化分級的重要發展方向，未來應重點研究基于深度學習的多目標準確識別定位算法和高效的分級執行控制系統，提高機器視覺分級技術的可靠性。