智慧餐飲4.0:融合人工智能的未來餐飲發展新方向

吳曉蒙, 李 想, 劉 楠, 褚澤軍, 沈 群, 胡小松,

(1.中國農業大學 食品科學與營養工程學院, 北京 100083; 2.四川旅游學院 烹飪學院,四川 成都 610100; 3.中國人民解放軍陸軍勤務學院 軍需采購系, 重慶 401331;4. 四川成都中農大現代農業產業研究院, 四川 成都 611430)

餐飲業是拉動經濟增長和提高人民生活水平的重要行業,數據顯示,2023年1～4月全國餐飲收入15 888億元,同比增長19.8%[1]。我國餐飲業發展至今經歷了4個典型階段,一是高度依賴人工的傳統餐飲1.0階段,二是基于單機操作的機械化餐飲2.0階段,三是以標準化和數字化為代表的工業化餐飲3.0階段,四是融合了新型食品科學技術與人工智能技術的智慧餐飲4.0階段。我國目前已經步入老齡化社會,餐飲相關的公共衛生服務的進一步完善和老年營養餐服務市場的發展已成為亟待關注的問題[2];因此,多元化、專業化、智能化的智慧餐飲4.0是行業發展的必然趨勢。

1 餐飲業的發展與食品工業息息相關

餐飲業是指通過即時加工制作、商業銷售和服務性勞動等手段,向消費者提供食品、消費場所和設施的食品生產經營行業[3]。餐飲業是促進我國經濟發展、增加就業機會和提高人民生活水平的重要領域。國家統計局數據顯示[4],2022年全國餐飲收入47 645億元,同比增長1.6%。

食品工業是餐飲行業的上游支柱產業,不僅可為餐飲業提供成品、半成品原料,更為其提供了必不可少的技術支撐。2017—2021年間,我國食品工業及餐飲業產值見圖1。2021年我國規模以上食品工業企業總收入10.35萬億元,餐飲業總收入4.68萬億元,兩者共計占國內生產總值的13.14%。食品工業的發展不斷推動餐飲業的轉型升級,二者已深度融合。

圖1 我國食品工業及餐飲業產值Fig.1 Output value of China’s food industry and catering industry

食品工業推動餐飲業的轉型,集中體現在烹飪裝備和相關技術的迭代升級上。我國餐飲業的發展歷程及階段劃分見圖2。傳統餐飲1.0以手工操作為主,全部依靠人工經驗,效率低、勞動強度大、工作環境惡劣、品質不穩定、安全問題頻發。隨著經濟社會的發展及科學技術的進步,20世紀后期,切菜機、和面機等簡單的食品加工機械設備在餐飲行業應用和普及,使我們進入了機械化餐飲2.0時代,提升了部分工作效率,同時也降低了部分勞動強度[5]。隨著中央廚房的出現,建成了集中規模采購、安全生產的綜合系統工程[6],機械化餐飲2.0完成了向以標準化和數字化為代表的工業化餐飲3.0的躍升。如全自動的包餃子生產線[7],從和面到包餃子再到入庫全部自動化控制,極大地提高了工作效率和食品安全水平。工業化餐飲3.0原料標準化、生產程式化,滿足了人民群眾對日常飲食的基本需求。隨著生活水平的提高,消費者對飲食個性化需求不斷增強,并且由于中餐的獨特性,工業化餐飲3.0已無法滿足行業進一步發展的需求,尤其是無法解決食品安全、個性化膳食方面的瓶頸問題,因此行業向著智慧餐飲4.0的轉型升級迫在眉睫。

圖2 我國餐飲業的發展歷程Fig.2 Development history of catering industry

2 智慧餐飲4.0的內涵、構架與外延

智慧餐飲是伴隨新一代信息技術發展而產生的新概念,目前仍在不斷探索發展中,學術界尚無準確定義。本研究認為智慧餐飲概念的內涵應是以滿足餐飲監管者、操作者和消費者三者的需求為主要目標,充分運用信息技術手段,通過體系化設計和集成化部署軟硬件設備,改造完善基礎設施條件,將食品科學技術和人工智能技術運用于餐飲活動的全過程和供應的全鏈條,以達到降低操作者勞動強度、改善消費者就餐體驗、提升監管者管理水平的目的。智慧餐飲4.0的內涵構架與外延見圖3。

圖3 智慧餐飲4.0的內涵、構架與外延Fig.3 Connotation, structure and extension of Smart Catering 4.0

作為餐飲發展的4.0版本,智慧餐飲的核心有三層構架:一是決策層,需要利用配餐調度、烹飪專家、營養專家等管理系統針對不同用戶、不同場景對餐飲過程進行自學習、自決策;二是功能層,需要對烹飪過程中視覺、觸覺、成熟度等多維信息進行自感知,并利用多功能一體化烹飪裝備針對非標食材、個性需求的復雜烹飪任務進行自適應,實現加工過程柔性調整;三是應用層,需要消費終端具備點餐、取餐、送餐、支付等核心功能,并可以對設備的異常狀態實現自愈合和產供銷一體化的智運維。

此外,還可將智慧餐飲外延出“六化”。1)個性化膳食制作,在中餐標準化技術基礎上,結合數字孿生、人臉識別等技術快速分析顧客歷史行為和個人偏好等信息,推薦并制作符合消費者喜好的個性菜品。2)精準化營養配餐,通過制訂食譜提高配餐的計劃性,對菜肴營養成分進行分析。應用稱重取餐等個體數據采集手段,提高膳食攝入數據采集的精準度并進行智能化評估。3)柔性化烹飪加工,針對非標食材、個性需求的復雜烹飪任務進行分析,并根據食材特征差異進行工藝參數的柔性與自適應調整。4)人性化就餐服務,通過就餐環節人機交互,提高選餐、配餐速度,減少就餐者等待時間,以菜肴評價、點贊等方式收集就餐人員意見,反饋給管理端以便進一步改進。5)可視化運營監管,應用計算機視覺識別、物聯網、傳感器等技術,自動采集餐飲過程信息,建立后廚“明廚亮灶”,實現設備自動化控制,為開展精細管理提供技術手段。6)智能化分析決策,記錄分析餐飲環境數據和運營過程數據,實現集體配餐方案、物料消耗預測、監管重點預警等輔助決策功能。

3 智慧餐飲技術的應用

3.1 智慧餐飲技術在食材智能預處理方面的應用

運用食品科學技術與人工智能技術對食物原料進行預制是提高原料利用率和加工自動化程度的關鍵一步?，F今國內外一般采用多光譜成像技術、近紅外光譜技術和計算機視覺技術[8-10]等技術結合深度學習算法、經典圖像處理等手段[11-12],進行原料的品質分級、安全控制和標準化切割。

3.1.1食品原料品質智能分級

對食品原料的品質信息進行快速無損獲取,是保證食品品質、滿足消費者需要的前提條件。Zhang等[13]將近紅外高光譜成像技術與深度卷積生成對抗神經網絡(DCGAN)結合,對玉米籽粒含油量進行預測,利用DCGAN可以同時對光譜數據和含油量數據進行擴展,增加模型的準確度。Momeny等[14]使用基于深度學習的機器視覺系統檢測藏紅花品質,開發了一種包含Inception-v4卷積神經網絡(LAⅡ-v4 CNN)的學習增強技術,可以非常有效地對藏紅花進行品質分級。孫瀟鵬等[15]使用近紅外透射光譜與機器視覺相結合的方法對蜜柚進行分級檢測。

3.1.2食品原料安全智能控制

在食品加工前對食品原料進行嚴格的把控,是食品安全控制的重要手段。然而傳統技術需要的時間長、費用昂貴、對操作人員要求高,利用了人工智能技術的智慧餐飲可以有效解決這些問題。劉翠玲等[16]建立了基于云計算的食品品質實時在線光譜檢測系統,保障食品安全。此外,周向陽等[17]利用近紅外光譜倍頻區的特征信息,結合差譜及導數處理,對20余種葉菜類蔬菜中有機磷農藥殘留的鑒別進行了系統研究,吻合率高達97.50%。房俊龍等[18]采用計算機視覺技術獲取番茄圖像,并利用遺傳算法的人工神經網絡技術實現番茄生理病害果的自動識別,準確率可達100%。

3.1.3食品原料智能切分

對食品原料進行品質分級與安全控制后,分割也是關鍵的一環。目前,食品切割裝置中的刀片易攜帶腐敗和致病微生物,容易導致交叉污染。中國科學院廣州能源研究所發明的一種利用水射流清洗和切割果蔬的機電設備[19],利用脈沖水射流沖洗掉果蔬表面的灰塵、泥土等,與使用新銳化的刀片切割相比,水刀切割不會改變鮮切菊苣的生理狀況和微生物質量[20]。Wang等[21]利用鹽顆粒作為磨料,采用超高壓磨料水刀切割純肉和骨頭,其效果更優于普通水刀切割。孫鑫[22]基于計算機視覺技術、機器人、運動控制等關鍵技術,構建了面向豬肉胴體自動分割的6-DOF混聯機器人機構,實現了畜禽原料的智能切分。

3.2 智慧餐飲技術在智能烹飪方面的應用

烹飪是餐飲行業中最為重要的環節,是復雜而有規律地將食材轉化為食物的加工過程。智能烹飪能夠實現菜肴的自動制作,提高烹飪效率,降低制作成本,同時確保食品的安全、質量和品質。智能加工技術和設備的搭配組合,可以實現食物的標準化生產,重構餐飲產業生態,達到快速、標準化運營的目的,對整個餐飲業的發展有重大影響。

3.2.1數字化烹飪關鍵技術

中餐的烹飪過程涉及炒、煎、煮、烤、蒸等多元化的烹飪技藝。其中,炒是中餐最具代表性的特征烹飪技術,但是炒菜過程異常復雜,因此傳統烹飪中菜肴的質量主要取決于廚師的技藝水平。烹飪數字化是通過邀請各菜系烹飪大師為烹飪機器人提供菜肴烹飪樣本,將他們的烹飪經驗數據化,擴建數據庫,完善機器人菜譜,以實現烹飪品種多樣化。張貴元等[23]采用了閉環設計方案,設計了一種應用于烹飪機器人的液態調料自動添加系統,實現液態調料的快速精確添加,減少了掀蓋時鍋內熱量的散失以及溫度控制的誤差。趙庭霞[24]構建了烹飪爆炒過程熱/質傳遞全局數學模型并對豬里脊肉爆炒過程開展數值模擬,研究了爆炒過程中烹飪品質隨傳遞特征的變化規律,實現了同時模擬溫度及各組分全局變化。在傳感器-算法系統基礎上采集手工烹飪數據,可構建出能夠映射手工烹飪數據的烹飪機器人實體裝備及控制軟件,完成廣譜的烹飪廚藝數字孿生和烹飪程序信息數據庫建立[25]。

3.2.2菜肴品質智能感知與擬人控制

盡管智能烹飪機器人已經能夠利用烹飪數字化制備標準化的菜肴,但是由于烹飪數據庫來自經驗數據,且中餐具有食材廣泛性以及烹飪復雜性的特點,設備對烹飪過程中火候、產品品質等關鍵指標的控制仍舊不足,無法實現實時動態和智能化調整。因此,需要更多基于多維傳感和控制的技術來實現智能感知與擬人控制。He等[26]發明了一種結合了紅外陣列傳感器與濕度傳感器的智能微波爐,具備除霜和再熱的智能控制功能,可以一鍵加熱或解凍不同食物。Abdanan[27]設計了基于圖像處理的智能烤箱,可以通過實時監測烘焙產品的顏色和紋理特征,動態調節和優化烹飪溫度和時間,大大節約了能耗并提高了產品質量。

3.2.3烹飪設備自主清潔

烹飪后的自主清潔是最后一個關鍵步驟,有利于菜肴連續加工過程中的品質控制。Vong[28]將食品進料、食品放置和設備清潔集成于一個加工系統,在菜肴烹飪完成后,機器會自動將烹飪容器旋轉至清洗室進行清洗,最終實現高效烹飪。李東煒等[29]也設計了采用可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)控制的清洗烹飪機器人內腔的壁面自動清洗機構,具有高可靠性、強抗干擾、安裝簡單、維修擴展方便等優點。

3.3 智慧餐飲技術在消費端的應用

智慧餐飲技術在消費端的應用主要有3個方面:餐廳智能管理、就餐體驗數字化及智能售賣終端應用(圖4)。

圖4 智慧餐飲技術實現智能就餐Fig.4 Smart catering technologies for smart dining experience

3.3.1智能點餐、取餐、送餐關鍵技術

智慧餐飲4.0在消費端的應用主要體現在餐廳的智能管理中,具體分為智能點餐、智能送餐和智能取餐3個環節。

智慧餐廳通過SAAS(software as a service)模式,將用戶瀏覽、預訂、預點餐、就餐和支付的整個餐飲流程一體化[30],并可采用協同過濾推薦算法[31-32]、自然語言處理[33]、人臉識別[34]等技術,實現對顧客身份信息的快速識別,以及對歷史行為和個人偏好等信息的精準分析,不僅可以推薦最合適的餐廳,還可以幫助顧客更快速地找到自己喜歡的菜品或推薦相似的菜品,進而為用戶提供個性化的產品或向顧客服務推薦。而對于諸如老年人等特殊人群,智慧餐飲系統能夠從飲食管理、營養評估與健康管理等方面,全方位進行膳食結構優化,引導老年人合理膳食[35]。在中國農業大學改造升級的智慧餐廳,師生進門取托盤后進行標識與信息綁定,便可根據自己需求,自由搭配菜品,使攝入的營養物質更加多樣、均衡,取餐過程中,屏幕實時顯示取餐分量與金額,取餐結束后的云端無感支付提高了就餐整體體驗。

智能點餐系統可實現消費者的自助點餐,如馮毅[36]基于機器學習有機融入關聯度預測算法、協同過濾推薦算法等設計了一套智能點餐系統,并可根據消費者口味推薦針對性菜品。智能送餐需要使用送餐機器人接收用戶給予的目標指令,快速高效做出反應,規劃合理路徑,到達送餐地點。武啟明[37]通過對路徑規劃算法進行分析,并融合優化A*算法和并行TEB算法進行路徑規劃,實現了送餐機器人的合理路徑規劃。智能取餐主要是使用取餐機器人代替人眼實現菜品的識別和選取。汪聰[38]基于機器視覺技術結合傳統圖像識別技術與深度學習圖像識別技術,設計了一種菜品智能識別系統,通過對工業相機拍攝的圖片進行處理,利用圖像處理技術對菜品區域進行檢測定位,實現了菜品種類及所在區域的有效識別,提升了機器人取餐的準確性。

此外,智慧餐廳還可根據就餐數據,進行就餐人數的預測,及時補充菜品、調整食譜等,提升就餐人員的就餐體驗,降低餐廳的管理成本,促進餐飲企業提高銷售量和客戶滿意度。

3.3.2數字化就餐體驗

隨著互聯網和大數據的發展,服務行業與移動網絡的聯系更加緊密,智慧餐廳逐漸發展壯大。在傳統的就餐方式以外,還可以采用多感官協同的方式豐富顧客的用餐體驗,提高過程的趣味性[39]。智慧餐廳可以通過VR(virtual reality)、AR(augmented reality)等技術將交互性嵌入就餐環境中,將氣、聲、景融入用餐過程,從視覺、聽覺、觸覺等多個感官層面提升空間的環境氛圍,滿足消費者的用餐審美體驗與情感需求[40]。例如在智慧餐廳的就餐區被360度環繞立體投影包圍,在白云藍天中吃著熱乎的火鍋,耳邊回蕩著舒緩的音樂,通過聲光電科技帶來“沉浸式”火鍋就餐新體驗。采用VR技術,通過虛擬點餐[41]、多元環境模擬、廚房模擬[42]等功能,在豐富用戶用餐體驗的同時,提高餐廳的運營效率。在點餐系統中設計AR交互點餐、用戶口碑評價,可以更直觀地呈現餐品,并為顧客和餐廳提供更具參考價值的餐品評價體系。

3.3.3智能售賣終端技術升級

智能售賣終端作為新型售賣方式,正在成為一種蓬勃發展的新興服務方式,在人們的生活中占據越來越重要的地位,也是未來智能化生活的潮流。相較于傳統的人工服務就餐店,智能售賣終端無就餐時間限制。此外,智能售賣終端體積較小,可安置在任何有電力供應的地點,擴大了服務區域。

一般來講,智能售賣終端應包含以下7個模塊[43]:1)儲存[冷藏(凍)];2)加工(復熱);3)包裝;4)遞送;5)人機交互界面;6)遠程通信;7)自潔殺菌。陳付磊等[44]基于STM32單片機控制,使煎餅馃子機器實現從原料面糊到加熱至熟,加蛋、加調料,放置油條或者馃子,最后折疊裝袋的全自動化過程。使用ESP8266物聯網鏈接云服務器,實現煎餅馃子機器從制作到販售的一體化過程。張坦[45]通過研究面條成型方式、設計關鍵機構型式,對面條售賣機內部機械結構進行方案創新與設計,實現面條的自動定量制作與煮制撈取。張操等[46]研制了一種新型三明治自動制作與售賣系統,融合PLC、多電機協同、WiFi通信、多點通信總線(multi-drop bus,MDB)等技術,實現觸摸屏自助選餐、自動投幣找零及移動支付、溫濕度控制、傳動機構故障診斷、上位機和手機App遠程監控等功能,完成自動點餐及售賣。智能售賣作為傳統餐廳堂食模式的重要補充,迎合了新時代人們零散化的就餐時間、多樣化的就餐模式、快節奏的就餐需求,具有良好的發展前景。

3.4 智慧餐飲技術在管理系統方面的應用

機關、高校食堂等集體膳食單位通常采用餐飲管理信息系統制訂食譜,通過就餐人數計算用料量,生成采購計劃,提升膳食計劃性,控制成本?；诖髷祿腿斯ぶ悄芩惴ǖ闹腔鄄惋嫻芾硇畔⒖梢跃C合膳食營養知識、個人點菜信息和就餐評價信息,提高食譜的適用性;也可將就餐記錄和個人健康檔案相結合,提高配餐的科學性和針對性。大數據智能引擎產品基于用戶屬性數據、口味偏好數據、行為軌跡數據等建立綜合概率匹配算法,對海量數據進行多維度交互式異構分析,動態建立餐飲場景下的用戶行為預測模型及產品傾向性數據模型,實現知識圖譜和用戶畫像標簽,為大型餐廳實現智慧管理提供技術支撐。智能配餐系統采用了改進的加權隨機抽樣算法智能化選取不同種類的食物,利用多元線性回歸模型及優化求解算法,通過反饋機制自動判別配餐結果的合理性并進行修正,保證了配餐質量和飲食的均衡性[47]。結合多目標規劃模型和改進遺傳算法設計的新型智能化營養配餐系統,做到了多營養平衡[48]。

此外,在原料供應環節,通過專業采購網絡平臺組織采購,實時掌握物資供應狀態。在物資驗收和出入庫環節,多采用電子秤稱重記錄方式,以拍照、視頻方式記錄驗收過程,運用二維碼、視覺識別等技術自動獲取物資信息,提高物資管理的準確性。通過在餐廳、后廚、庫房等區域建立網絡化視頻監控系統,掌握運行過程信息,并運用物聯網傳感器監控水、電、燃氣、溫濕度等環境狀態。食品藥品監管部門也建立了餐飲監管平臺,采用傳感器、物聯網等手段將食品留樣、餐具消毒等食品安全記錄納入管理,提升餐飲業整體質量及安全水平。

4 總結與展望

當今食品工業與餐飲業的深度融合,促進了傳統餐飲1.0向基于單元操作的機械化餐飲2.0和基于標準化、數字化的工業化餐飲3.0升級。近年來,隨著人工智能等技術在食品生產及餐飲業中的應用,餐飲業向著多元化、專業化、智能化的方向發展,為向智慧餐飲4.0轉型奠定了基礎。智慧餐飲4.0相關的智慧餐飲技術見圖5。例如采用協同過濾推薦算法、自然語言處理、人臉識別等技術,可以對消費者身份信息快速識別,提供個性化的產品或服務推薦;通過VR、AR等技術,提升了空間的環境氛圍,建立了多感官的用戶體驗。全面推進我國智慧餐飲4.0發展,促進現代農業、先進制造業、現代服務業深度融合,推動一二三產業協同發展,助力鄉村振興,是時代發展的必然趨勢。

圖5 基于智慧餐飲技術的智慧餐飲4.0的轉型升級Fig.5 Transformation and upgrading of Smart Catering 4.0 based on technology smart catering

餐飲轉型升級的背后是相關科學技術的發展與進步,同時也是中華飲食文化的傳承與創新。五千年的中華文明產生了底蘊深厚的中國飲食文化,國人對美食有著極高的要求,因此餐飲業的轉型升級還應滿足飲食文化的需求。打造具有我國特色的智慧餐飲4.0,不僅是滿足人民群眾對于美食的高要求和對美好生活的向往的重要手段,更是傳承并弘揚中華優秀傳統文化、助力“健康中國2030”戰略實施的重要抓手。未來餐飲的發展方向一定是以健康為導向、以美味為基礎、以文化為內核。食品科技工作者以及餐飲行業從業者要“樹立大食物觀”,積極探索智慧餐飲4.0的科學發展途徑,擔負起時代賦予的神圣使命。