科创中国

行业领域

农、林、牧、渔业

需求背景

2021年2月，中央一号文件发布了题为《中共中央国务院关于全面推进乡村振兴加快农业农村现代化的意见》，“意见”指出要加快推进农业现代化，其中，要“深入开展乡村振兴科技支撑行动。支持高校为乡村振兴提供智力服务。”、“提高农机装备自主研制能力”等。

茶叶作为一种特色农业，在国民经济及城乡一体化、多元化的发展中有着举足轻松的重要作用。加工各大茶类时，都要进行鲜叶的前期处理，如绿茶的摊青、红茶的萎凋等。通过萎凋，茶叶会失去一部分水分，失去部分水分的茶叶由脆硬变得柔软，便于后续将茶叶揉捻成条，同时萎凋也可使茶叶中所含的酶类物质活性增强，促使淀粉、蛋白质、不溶性原果胶等鲜叶中所含的成分发生分解、转化，生成葡萄糖、氨基酸和不溶性果胶等有利于成茶品质的有效物质。

茶鲜叶的萎凋不仅是一个逐步失水的物理变化过程，更是一个复杂的化学变化过程，这两种变化相互联系、相互制约。目前，常用的萎凋形式有：室内自然萎调、日光萎调、热风萎凋等；对应的常用萎凋设备或设施有：日光萎凋设施、乌龙茶做青间、综合做青机、层架式萎凋设备、槽式萎凋设备、连续化萎凋设备等。上述萎凋技术各具特色，然而也存在如下技术问题：

（1）萎凋时间长，效率低，人力物力成本高；

目前，多数茶厂的茶叶萎调通常是以日光萎凋或者吹风（热风）萎凋为主，日光萎凋是将茶叶铺在室外的平地上，通过太阳光的照射使茶叶获得热量，进而使茶叶中的水分蒸发，吹风萎凋是对着需要萎凋的茶叶鼓吹一个风力，使茶叶的水分被风力带走来达到萎凋的目的，这两种方法进行萎凋时，茶叶获得的热量和风力都较小，导致茶叶中的水分蒸发较慢，比较浪费时间；而且茶叶长时间放置于萎凋槽中，与萎凋槽底部接触的茶叶没有直接与太阳光和风直接接触，接收的热量和风力比直接与太阳光和风接触的表层茶叶小，茶叶中蒸发的水分较慢，萎凋槽底部茶叶的水分没有及时蒸发，在氧气缺少的情况下，茶叶会发酵而发黄，影响茶叶成品的色泽；而且传统的日光萎凋和吹风萎凋都需要将茶叶铺在萎凋槽中并铺在地面上，萎凋的茶叶数量较多时，非常的占地；萎凋前和萎凋完成的茶叶都需要人工的铺设和收集，很浪费人力物力。

（2）灵活度低、适用范围窄，无法满足多茶类的加工要求；

 萎凋是红茶、白茶和乌龙茶加工的第一道工序，其中红茶、白茶主要采用日光萎凋设施、层架式萎凋设备、槽式萎凋设备、连续化萎凋设备等，乌龙茶加工则主要采用乌龙茶做青间或综合做青机，大部分设备对于多茶类的加工要求存在一定的局限性。

（3）水分检测大多依靠人工辅助完成，自动化、智能化水平低；

国内外现有的萎凋机基本不具备水分在线检测功能，主要依赖于人工经验判断萎凋叶水分情况，难以做到精准、客观和量化评价。因此，茶产业急需一种萎凋机水分在线感知检测系统，实现机械制茶中萎凋叶水分含量的在线快速检测，提升萎凋机性能及精准掌控萎凋品质，以满足现代名优茶加工的标准化、自动化、智能化加工需求。当前有机构已经研制出基于机器视觉的在线检测系统，但是其主要依靠图像中叶面色泽、外形和纹理等视觉感官特征的变化情况判别水分散失程度，其精确度有待进一步提升。

（4）部分设备设施为需要反复劳力、且为敞开式空间，清洁化生产程度低；

传统的萎凋方式需大量劳动力，不断进行反复搬运，此外，日光萎凋还会受到室外露天摊晒，手工摊收，与竹笪等不洁器械的接触，以及灰尘、蝇虫等不利因素的影响。而其他萎凋方式由于多数不具备密闭空间，亦容易混入灰尘等杂质，无法适应清洁化生产要求。

（5）对于雨水青或水分含量高的鲜叶原料，摊放萎凋加工出的成茶品质低；

对于传统的日光萎凋来说，受气候影响较大，阳光的强弱、晒晾时间的长短、前后收摊若掌握不当，均对茶叶的品质有很大影响，尤其是突遇风雨，损失更大。 特别是遇到雨水天气或雾天，茶青表面附着水分多，若遇上加工旺季，成茶品质低，无法满足客户需求。因此，急需开发一类能满足全天候加工要求的萎凋设备。

（6）部分设备设施产量低，萎凋不均匀，无法适应连续化生产要求。

为了促进传统萎凋制作方式的机械化，业界专家曾发明室内热风萎凋等装置，将茶叶平摊于竹笪或网带上，层层搭架于室内，通过管道向室内输送热风进行萎凋。另一种形式是采用槽式热风萎凋。但是其产量低，且热风萎凋的茶叶，叶张皱缩，色泽青绿，过几天即变枯黄，色香味不正或带有涩味。此外，管道输送热风萎凋，室内各处温度不匀，萎凋程度不一，造成茶叶品质不一致。 茶叶的摊放、收摊，都还要手工操作，不能达到自动化、连续化的生产要求。

综上，本团队经多年调研和深入研究提出如下研究问题：

1. 如何开发一种能同时满足红茶、白茶、乌龙茶、绿茶等全茶类萎凋或摊放的设备？

2. 如何提高萎凋设备在线水分检测、上下料、萎凋时间和程度等模块的智能化控制水平？

3. 如何使萎凋设备能满足全天候、连续化、规模化、清洁化、标准化的加工要求？
    

需解决的主要技术难题

我国是茶树的起源地，是世界最大的产茶国。茶产业是我国传统特色优势产业，是“一带一路”国家战略中的传统优势特色外向型产业，是健康中国 2030 战略中的生态健康产业。萎凋或摊放是绿茶、红茶、白茶和乌龙茶等茶类加工的第一道工序，在萎凋摊放过程中需要用到一定的设备设施辅助完成。早在2015年，国务院就提出了中国版“工业***”规划，并且明确聚焦绿色升级、智能制造、高端装备创新三大方向。2021年2月，中央一号文件发布了题为《中共中央国务院关于全面推进乡村振兴加快农业农村现代化的意见》，“意见”指出要“提高农机装备自主研制能力”等。现有萎凋设备主要分为萎凋槽、萎凋房和多层连续萎凋机，其中萎凋槽、萎凋室多用于单机作业，而多层连续萎凋机、萎凋房嵌套萎凋机用于连续化生产线作业，自动化、智能化生产线加工是茶叶加工业发展的趋势。近年来，中国农业科学院茶叶研究所、安徽农业大学等科研院所已联合湘丰、佳友、绿峰等茶叶机械公司研制出多层连续萎凋机、萎凋房嵌套式萎凋机等萎凋装置，均体现了一定的设备优越性。然而，随着传感器技术、能源再利用技术等现代化技术的发展，萎凋设备的智能化水平有待更进一步提升。

期望实现的主要技术目标

为了解决传统室内吹风萎凋萎凋不均的问题，福建白茶山茶叶有限公司的曾兴开发出了结合室内萎凋和日光萎凋各自优势的复式萎凋，在一定程度上提高了萎凋均匀度和在制品的品质，然而存在产量低下的问题。山东农业大学王玉亮等开发了一种智能化层架式茶鲜叶萎凋摊晾设备，大大减少了场地使用面积和空间，同时提高了产量，而随着茶产业进入规模化发展时期，其无法较好满足解决连续化生产加工要求。为此，近年来各式多层连续萎凋机也陆续崭露头角。然而，多层连续萎凋机均采用框架式多层结构设计，由于热空气密度较小，进入萎凋机后迅速向上部运动，易造成层间温差，致使萎凋叶失水程度不均，产生红叶、焦叶或萎凋不足等现象。目前，大部分萎凋或摊放设备主要依靠人工进行在制品的含水率或萎凋适度判断，主要依赖于人工判断，此方法易受光线、经验、主观心理、视觉和触觉生理等因素影响，同时对相近的颜色、外形特征人眼虽能分辨出细微的差异，但很难明确具体的量级，且人对颜色和纹理的描述是定性的，故难以实现对萎凋水分的精准、标准和客观评价。为此，新疆石河子大学的梁高震开发了一种基于计算机视觉的在线检测系统，但是其主要依靠图像中叶面色泽、外形和纹理等视觉感官特征的变化情况判别水分散失程度，其精确度有待进一步提升。

重要意义：新型快速茶叶萎凋机研发成功后，在性能上，可以提高设备功率，提高摊叶面积，提高温度调节范围和准确度，提高装备智能化水平，减少加工时间，最终提高成茶品质；在科技发展上，通过先进传感器和节能减排技术的应用，为茶叶加工注入更多高新技术含量，为茶产业升级做好带头示范作用。

推广应用后，能改进茶叶加工工艺，提高名优茶品质。茶叶销售价可提10～15%，年可增加茶叶产值1500万元左右。更重要的是以后可以发展批量生产中高档茶叶，茶叶大户的经济效益会翻倍增加。所以该产品的开发应用，改变了过去由于受自然环境天气的影响，青叶没有萎凋或萎凋不到位产生青叶资源浪费的现象，可以提高生产效率，降低茶农的劳动强度，提高茶叶加工过程中的自动化、智能化程度，为国家所倡导的关心三农，提高农业生产效益，改善农民生产条件，改善生活质量作出贡献。

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