Технологии за визуална инспекция на опаковки в ХВП

• Контролът на качеството в хранително-вкусовите производства винаги е бил критична задача
  
  
• След пандемията безкомпромисната безопасност на хранителните продукти, излизащи от поточната линия, е по-важна от всякога
  
  
• Решенията за визуална инспекция на опаковки непрекъснато се развиват и усъвършенстват по отношение на точността, степента на автоматизация, скоростта и интелигентните функции

Контролът на качеството в хранително-вкусовите производства винаги е бил критична задача за предприятията от сектора, но след пандемията безкомпромисната безопасност на хранителните продукти, излизащи от поточната линия, е по-важна от всякога. Решенията за визуална инспекция на опаковките в този ключов отрасъл на индустрията непрекъснато се развиват и усъвършенстват по отношение на точността при детекция на дефекти, степента на автоматизация, скоростта и интелигентните функции.

Експертите прогнозират почти двоен ръст на глобалния пазар на системи за инспекция на опаковки само за десетилетие – от малко над 534 млн. щатски долара през 2024 г. до близо 989 млн. през 2034 г. Компютърното зрение, сензорните технологии, AI платформите, машинното, дълбокото и периферното самообучение, IoT и облачните изчисления са само част от авангардните иновации, които дефинират продуктовата еволюция в сегмента през последните години. Сред тенденциите при опаковъчните решения са умните опаковки (smart packaging), термочувствителните елементи, устойчивите и биоразградими материали, интелигентните формати и технологии при маркирането и идентификацията (например QR кодове, RFID и NFC тагове), мобилните приложения, добавената и виртуалната реалност и др.

Специфики на приложенията

Необходимостта от подобрени опаковки на хранителните продукти в наши дни е в синхрон с все по-строгите стандарти и регулации за безопасност, гарантирането на правилно и сигурно съхранение и проследимост по време на целия цикъл от производството до крайния потребител, предотвратяването на разваляне на изделията, както и на загубите и разхищенията на храна и ресурси. Производителите на опаковки в наши дни обаче са изправени едновременно пред две напълно противоречащи си предизвикателства. От една страна стремежът към превенция на бъдещи глобални заплахи от ранга на Covid-19 води до по-широко потребление на пластмасови опаковки, прибори за еднократна употреба и индивидуално опаковани в найлон или фолио продукти, които масовият клиент счита за по-безопасни. От друга страна светът е устремен към устойчивост, а свръхупотребата на пластмаса би могла да причини сериозна екологична катастрофа с огромни мащаби и последствия. Подобна двуполюсна динамика на пазара на опаковъчни решения мотивира разработчиците на системи за визуална инспекция да усъвършенстват възможностите им така, че да позволят успешно управление и на двата аспекта на тази хранителна дилема.

Наред с технологиите за пакетиране, запечатване и етикетиране, системите за визуална инспекция на опаковки в ХВП имат ключова роля в осигуряването на безкомпромисна гаранция, че даден продукт е едновременно свеж, вкусен и безопасен. Нарушаването на целостта на опаковката може да доведе до замърсяване или разваляне на храната, до загуба на аромати, вкус или ценни хранителни вещества, до съсипване на други продукти в близост и т. н. Опаковките имат не само защитна, но и отчетлива имиджова и рекламна функция, като спомагат за по-лесна разпознаваемост на продукта, за идентифициране на принадлежността му към даден бранд или производител, както и за осигуряване на естетична визия, атрактивна за потребителите. Не на последно място – наличието на коректни атрибути на опаковката, като състав, срок на годност, баркод, партиден номер и др., са задължително и подлежащо на инспекция условие за това продуктът да е проследим, за да напусне фабриката и да стигне до рафта в магазина и от там до трапезата.

Пазарът предлага огромно разнообразие от сензори, лазерни и рентгенови системи, камери, технологии за обработка на изображения, специализиран софтуер и цялостни платформи за дву- и триизмерна визуализация с цел проверка на изрядността на опаковките. Сред тях са както специализирани решения, например за консерви, буркани, бутилки, пластмасови контейнери, тарелки, картонени кутии, пликове, паучове и т. н., така и по-универсални и широкообхватни като приложение системи. Изборът на подходяща технология и дизайн на решението е свързан пряко с особеностите на конкретното производство или линия и със спецификите на изделието и опаковката. От значение е дали продуктът е твърда храна, насипна (прахообразна, гранулирана и др.) субстанция или пък течност (например сос), дали опаковката е изработена от пластмаса, фолио, стъкло, метал, картон или друг материал, дали е твърда или гъвкава, прозрачна, лъскава и т. н.

Днес ходът на еволюцията при качествения контрол на опаковките в хранително-вкусовата промишленост достига пореден ключов етап – от популярното в миналото директно инспектиране, извършвано от опитни специалисти по управление на качеството, през индиректните проверки за дефекти посредством технически средства и инструменти, като увеличителни стъкла и камери, до автоматизираната визуална инспекция с помощта на конвенционално машинно зрение, което открива предварително програмирани ефекти. Четвъртата технологична революция в областта на компютърното зрение е опосредствана от изкуствения интелект, дълбокото и периферно самообучение.

Функции, предимства и ключови технологии

Основни функции на системите за автоматизирана визуална инспекция (AVI), които в наши дни са задължителен елемент от оборудването на опаковъчните машини и линии, са детекция на разнообразни проблеми с опаковките и/или продуктите преди, по време на и след пакетиране. Такива са например козметични и функционални дефекти (пукнатини, разкъсвания, пробиви, течове, вдлъбнатини, замърсявания и т. н.), некоректно затваряне или запечатване, липсващи визуални или функционални елементи, неправилно ориентиране на продукта, липсващ индивидуален пакет в групова/вторична опаковка, неправилно позициониране или ориентиране на етикети, баркодове и други сервизни атрибути, качество и четимост на надписите, кодовете и маркировките, наличие на замърсители или чужди тела, препълване, недостатъчно запълване и др.

В динамичното хранително-вкусово производство днес все по-търсени са решенията за машинно зрение, които позволяват високоскоростна инспекция в реално време на опаковките директно върху поточната линия – сензори и четци за фиксиран монтаж и цялостни системи за 2D и 3D визуализация. Допълнителна мощ и ефективност на тези платформи осигурява изкуственият интелект, който им позволява да се самообучават и оптимизират с времето, да анализират огромни масиви от данни, бързо да се адаптират към нови продукти, дефекти и формати на опаковките, да откриват тенденции и модели, както и да осъществяват значително по-точна и надеждна детекция.

Ползите от интегрирането на усъвършенствана технология за машинно зрение в дадено производствено или опаковъчно приложение (като алтернатива на човешкия фактор при инспекцията или на по-стара генерация система) са безспорни. Сред тях са: повишена ефективност, оптимизиран качествен контрол, свеждане до минимум на брака и загубите, икономии на разходи в дългосрочен план и т. н.
Сред ключовите технологии, на които залагат модерните системи за визуална инспекция, са оптичното разпознаване на символи (OCR), обработката на изображения и машинното самообучение. OCR инструментите са важно средство за проверка и верифициране на етикети и маркировки, съдържащи текст, числа и символи.

Обработката на дву- и триизмерните изображения, заснети чрез сензори или камери за машинно зрение, е критична за детекцията на различни визуални дефекти. Тази технология използва комбинация от разпознаване на модели, цветови анализ, машинно самообучение, периферни изчисления, базирани на правила (rule-based) и други типове инструменти, за да гарантира навременно и прецизно откриване на проблеми с опаковките.
Алгоритмите с машинно самообучение все по-често се прилагат за комплексна детекция на дефекти във взискателни приложения, като използват за база модели, извлечени от анализа на гигантски обеми информация. Т. нар. конволюционни невронни мрежи (CNN) например се считат за истинска революция във визуалната инспекция и машинното зрение, тъй като могат да откриват трудно забележими за човешкото око проблеми, като леки отклонения в цветовите нюанси, малки ъгли на изкривяване при подравняване на етикетите и др. Сред иновативните им функции е дори прогнозирането на потенциални проблеми с пакетиращата линия и идентифицирането на възможни дефекти във връзка с даден опаковъчен формат, материал, продукт и т. н.

Пазарни и технологични тенденции

Визуалната инспекция е един от най-бързо развиващите се сегменти при технологиите за хранително-вкусовата промишленост. Най-значимата тенденция, както неколкократно бе споменато и по-горе, е навлизането на изкуствения интелект. AI базираните платформи за машинно зрение са способни да откриват и най-трудните за детекция с просто око дефекти, като фини драскотини, погрешно отпечатани символи, малки нарушения в целостта на опаковките, пропуски при запечатването и др. Предимство е възможността да се разучават и откриват огромен набор от вариации на даден дефект. Чрез машинно самообучение системите могат да придобият способности да намират нови типове проблеми с течение на експлоатацията си, да извършват анализ в реално време на работата на опаковъчните машини и линии, както и да смекчават и елиминират различни причини за нежелани престои. Незабавната обратна връзка позволява навременни корекции в работните параметри и минимизиране на прекъсванията и загубите.

Посредством изкуствен интелект визуалната инспекция може да бъде дори изцяло автоматизирана, така че да не изисква човешка намеса. Това намалява разходите за труд и оптимизира производителността. Индустриални и колаборативни роботи с усъвършенствани 3D системи за визуализация с AI все по-често се използват в опаковъчния бранш, за да извършват високоскоростен качествен контрол при необходимост от преместване, завъртане, препозициониране и инспектиране от повече ъгли на изделията и опаковките.

Друга ключова тенденция е свързана със значително подобряване на системите за машинно зрение на ниво устройство. С непрекъснатата миниатюризация и усъвършенстване на електронните устройства сензорите и камерите за визуална инспекция стават все по-компактни и същевременно по-мощни, отличават се с все по-богат функционален инструментариум, по-висока скорост и по-добра резолюция. 3D визуализацията и многоъгловата обработка (multiangle inspection) позволяват прецизна инспекция и детекция на дефекти дори при контейнери и опаковки с неправилна форма и сложен, нестандартен дизайн.

Съществено влияние върху по-нататъшното развитие на технологиите в сегмента оказват и IoT и Industry 4.0 концепциите. Данните се превръщат в основен ресурс на качествения контрол, а събирането и обработката им в реално време, както и отдалеченият мониторинг позволяват непрекъснато повишаване на степента на автоматизация, дистанционно управление и прогнозна поддръжка на опаковъчното оборудване. Нови възможности възникват с навлизането на добавената, разширената и смесена реалност при технологиите за визуална инспекция. Чрез тях стават възможни офлайн симулации, детайлно предварително конфигуриране и тестване, както и обучение на оператори за работа с комплексни производствени и опаковъчни системи.

Все по-голяма популярност набират т. нар. мултисензорни системи, които комбинират машинно зрение, лазерна, рентгенова и инфрачервена технология за детекция в единна платформа. С подобно решение може да бъде извършван задълбочен многослоен анализ, който включва откриване на външни и вътрешни дефекти по продуктите и опаковките.

Ключова функция на системите за визуална инспекция, която става все по-важна на фона на високите стандарти в съвременната индустрия, е проверката и верифицирането на етикети, баркодове и други атрибути за идентификация и проследимост. Използването на все по-разнообразен микс от кодове и маркировки от производителите на хранителни продукти, включително QR символики, NFC и RFID тагове и др., разкрива поле за развитие на хибридни системи за разчитане, съвместими с повече от една основна технология. Сегментът предлага комбинирани скенери и четци, подходящи както за гъвкаво и удобно ръчно сканиране на опаковките с преносимо устройство (включително и чрез мобилни приложения за смартфони и таблети), така и за стационарен монтаж на високоскоростни поточни линии.

Допълнителни възможности възникват при интеграция на специализиран софтуер по модела “as-a-service” (като услуга) – без необходимост от инвестиция в закупуване на комплексни и скъпи решения с широка функционалност, но с възможности за използване на персонализирани комбинации от функционални модули срещу достъпна абонаментна такса.