一种六堡茶多模态微生态定向发酵仓及其控制方法与流程

本发明涉及茶叶发酵装备、食品发酵过程控制和农产品加工智能装备，更具体的说是涉及一种六堡茶多模态微生态定向发酵仓及其控制方法。

背景技术：

1、六堡茶属于后发酵茶，其核心品质形成高度依赖渥堆发酵阶段的湿热转化、微生物代谢及茶坯内含物的变化。发酵过程中，堆温、含水率、氧气及二氧化碳浓度、相对湿度、物料厚度、翻堆时机、补水方式及通风状态等因素，均直接决定了最终成品的陈香、槟榔香、醇厚感、汤色及洁净度。

2、传统六堡茶发酵主要依赖师傅凭经验“看堆、摸堆、闻香”及翻堆判断。这种方式虽在小规模生产中具备灵活性，但在批量化、标准化及跨季节生产中存在显著的不稳定性。人员经验差异、仓内不同位置的热湿分布不均以及茶坯批次差异，均可能导致发酵不足、发酵过度、局部闷酸、酒精气、霉变风险或品质偏离。

3、现有温湿度控制设备通常仅对整仓环境进行平均化控制，缺乏对料层局部状态的识别。然而，六堡茶堆体内部存在显著的空间异质性：靠近风道、门体、顶部、底部、边角及中心区域的温湿变化并不一致。若仅依据单点温湿度或整仓平均值进行控制，难以及时发现局部缺氧、水分偏高或升温过快等问题。

4、此外，现有发酵设备的补水与通风执行粒度较粗。一次性整仓补水易导致表层过湿而内部补水不足；整仓通风则可能使局部茶坯失水过快。六堡茶发酵更适合基于分区状态的差异化处理，即针对不同层、列或料框区域，分别调节送风、排湿及微雾补水。

5、当堆芯温度快速升高时，传统处理通常依赖人工翻堆或散堆。该方式响应慢、劳动强度高，且在堆体较深或仓内空间受限时，难以及时处理局部过热区域。若采用普通硬质搅拌机构，又易破坏茶坯条索、造成碎茶增加或影响后续品质。因此，亟需一种柔性散堆结构，既能在过热时快速松散料层，又能最大程度避免对茶叶造成机械损伤。

6、同时，鉴于茶叶风味形成具有滞后性，仅凭实时温湿度无法直接判断品质参数的达标情况。因此，需综合图像、近红外、气体、重量变化、传感器曲线、人工感官评价及质检数据等多源信息，建立能够反映风味品质、微生态活性及异常风险的指标体系，从而将经验性判断转化为可显示、可追溯、可复现的工艺决策。

7、纵观现有技术，主要存在四类局限：第一类设备采用整仓温湿度控制，仅关注仓内空气环境，无法识别单个料框或相邻分区的堆芯差异；第二类设备依赖单点或少量传感器监测，难以同步获取堆表与堆芯数据，无法准确判断局部过热、缺氧或水分不均；第三类设备虽包含翻堆或搅拌机构，但多为硬质翻动或整体翻堆，难以兼顾快速散热与保持茶叶条索完整性；第四类数字化系统虽涉及数据采集、微生物监测或数字孪生显示，但通常停留在表项展示或报警层面，缺乏将数据输出直接转化为分区风阀、喷头、排湿及柔性散堆机构动作的闭环控制机制。

8、上述现有技术还普遍缺乏与六堡茶渥堆工艺相匹配的fqi、mai、rsi三类指标联动机制。即使个别方案能采集相关数据，也鲜少将风味接近度、微生态活性及异常风险同时纳入决策框架，且缺乏人工确认与plc安全联锁优先级的分层控制机制。

9、另一方面，现有的翻堆或搅拌装置即使能改变堆体状态，也往往未将茶叶条索完整性、低速限扭、插入深度限制及分区风湿联动作为统一设计目标，难以同时满足快速降温与降低破碎率的双重要求。特别是在中试或规模化生产中，若缺乏明确的传感器布点规则、相邻分区差异判定阈值及表项校准机制，设备难以形成可验证、可复制的技术效果。

10、因此，亟需一种涵盖发酵仓结构、分区执行机构、传感器布点、三指数规则计算、人工确认及plc安全联锁的综合技术方案，以全面提升六堡茶发酵的批次稳定性、风险预警能力及品质复现能力。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种六堡茶多模态微生态定向发酵仓及其控制方法，通过多层分区独立管控、多模态感知反馈与智能指数化决策，实现六堡茶的微生态定向发酵。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种六堡茶多模态微生态定向发酵仓，包括：保温发酵仓体和设置于所述保温发酵仓体内的多层分区料框、分区环境调节机构、复合感知机构、柔性散堆搅拌机构和工业控制柜；

4、所述多层分区料框，用于将茶坯的发酵空间划分为多个发酵管理区，每一个发酵管理区对应设置所述分区环境调节机构和复合感知机构；其中安装有所述柔性散堆搅拌机构的发酵管理区作为可散堆发酵管理区，未安装有所述柔性散堆搅拌机构的发酵管理区作为非散堆发酵管理区；

5、所述分区环境调节机构，用于对各个发酵管理区进行独立的送风、排湿、补水或加热调节；

6、所述复合感知机构，用于采集相应发酵管理区内六堡茶的发酵状态数据；其中发酵状态数据包括：温度、湿度、气体成分、图像和近红外；

7、所述工业控制柜分别与所述分区环境调节机构、复合感知机构和柔性散堆搅拌机构电连接；

8、所述工业控制柜被配置为：依据感知数据计算fqi品质接近指数、mai微生态活性指数和rsi异常风险指数，查询控制建议映射表生成分区控制建议；所述分区控制建议经人工确认且满足plc安全联锁条件后，转换为执行输出驱动对应的分区环境调节机构或柔性散堆搅拌机构动作，并记录执行结果与状态反馈。

9、进一步地，所述分区环境调节机构包括：分区送风及排湿系统和分区微雾补水系统；

10、所述分区送风及排湿系统包括：送风总管、与各发酵管理区对应的分区送风支路和分区电动风阀、回风排湿通道和排湿口；

11、所述送风总管分流连接至多个分区送风支路，每一分区送风支路对应一个发酵管理区；

12、所述分区电动风阀设于每一分区送风支路上；

13、所述回风排湿通道设置在回风侧，连接至排湿口；

14、所述分区微雾补水系统包括：微雾补水总管和与各发酵管理区对应的分区微雾喷头；

15、所述微雾补水总管连接至各发酵管理区对应的分区微雾喷头；

16、所述微雾补水总管的管路上设有补水阀或计量泵，用于控制向分区微雾喷头的供水通断或流量。

17、进一步地，所述复合感知机构包括：复合传感器阵列、图像采集器、近红外采集器和称重底座；

18、所述复合传感器阵列包括：堆表深度传感器和堆芯深度传感器；

19、所述堆表深度传感器和堆芯深度传感器，分别用于采集发酵茶堆的堆表和堆芯的温度、相对湿度、茶坯水分、氧气、二氧化碳、挥发性有机化合物及压力差数据；

20、所述图像采集器，用于采集茶坯表面色泽、料层平整度及结块状态；

21、所述近红外采集器，用于采集茶坯的近红外反射特征和近红外主成分得分；

22、所述称重底座，用于采集茶坯重量数据；

23、所述堆表深度传感器设置于距茶坯表面20-50mm的位置，所述堆芯深度传感器设置于距茶坯表面150-300mm的位置或设置于料层厚度的1/2-2/3处；每层料框设置不少于4组传感器布点。

24、进一步地，所述柔性散堆搅拌机构包括：减速驱动组件、低速驱动轴、柔性圆角拨片、限扭保护件和位置限位件；

25、所述减速驱动组件包括：驱动电机和减速器，设于可散堆发酵管理区的分区料框外侧，并固定在分区料框侧壁或与分区料框连接的安装支架上；

26、所述驱动电机的输出端与减速器的输入端传动连接，减速器的输出端通过限扭保护件与低速驱动轴的一端传动连接；

27、低速驱动轴沿分区料框的横向布置并伸入茶坯料层上方或内部；

28、所述多个柔性圆角拨片固定连接于低速驱动轴位于分区料框内的轴段上，并沿低速驱动轴的轴向间隔、周向交错设置，使低速驱动轴转动时带动柔性圆角拨片对茶坯进行翻动；

29、所述位置限位件设置于分区料框侧壁或低速驱动轴的安装支架上，并与低速驱动轴的安装部限位配合；

30、所述低速驱动轴的转速范围为2-30rpm，所述限扭保护件的保护扭矩范围为0.5-8n·m，所述位置限位件用于限制柔性圆角拨片的插入深度不超过料层厚度的三分之二。

31、进一步地，所述工业控制柜包括：工业计算单元、plc安全控制模块、工艺参数与表项存储模块和通信网关与数据追溯模块；

32、所述工业计算单元，用于依据感知数据计算fqi品质接近指数、mai微生态活性指数和rsi异常风险指数，并查询控制建议映射表生成分区控制建议；

33、所述工艺参数与表项存储模块，用于存储目标工艺-品质参数表、指标权重表、控制建议映射表和plc安全阈值；

34、所述plc安全控制模块，用于接收人工确认信号并执行安全联锁判断，在人工确认信号有效且安全联锁满足条件时将分区控制建议转换为执行输出；其中，plc安全联锁的优先级高于工业计算单元输出的分区控制建议；当待判断工艺参数位于安全区间但超出允许区间时，不将分区控制建议转换为执行输出，仅生成报警提示；当待判断工艺参数超出安全区间时，禁止对应自动执行动作；

35、所述通信网关与数据追溯模块，用于记录批次数据、推荐动作、人工确认记录、plc执行结果和执行状态反馈。

36、进一步地，所述保温发酵仓体外壁与所述工业控制柜之间设置有仓体-控制柜防水接线盒及线槽组件；

37、所述仓体-控制柜防水接线盒及线槽组件包括：设置于保温发酵仓体外壁和控制柜侧的进线端；

38、所述复合感知机构、分区环境调节机构及柔性散堆搅拌机构的信号线、驱动线、反馈线和安全联锁线均经所述仓体-控制柜防水接线盒及线槽组件接入所述工业控制柜。

39、本发明还提供了一种应用于六堡茶多模态微生态定向发酵仓的控制方法，所述方法包括：

40、s1、通过复合感知机构实时采集相应发酵管理区内六堡茶的发酵状态数据；所述发酵状态数据包括：温度、湿度、气体成分、图像和近红外数据；

41、s2、依据感知数据计算fqi品质接近指数、mai微生态活性指数和rsi异常风险指数；

42、s3、查询控制建议映射表，根据计算结果生成分区控制建议；

43、s4、对所述分区控制建议进行人工确认，并判断是否满足plc安全联锁条件；

44、s5、若人工确认通过且满足plc安全联锁条件，则将分区控制建议转换为执行输出，驱动对应的分区环境调节机构执行独立的送风、排湿、补水或加热调节动作，或驱动柔性散堆搅拌机构在可散堆发酵管理区内执行搅拌动作；

45、s6、记录执行结果与状态反馈。

46、进一步地，所述fqi的计算公式为：

47、fqi=100*(w1c+w2a+w3t+w4m+w5n+w6q)；

48、式中，c为色泽接近度，a为voc香气向量接近度，t为近红外滋味校准接近度，m为茶坯水分适宜度，n为近红外成熟度接近度，q为历史质检匹配度；c、t、m、n均为目标区间型适宜度参数，a按当前voc向量与目标voc向量的加权距离换算，q按当前批次特征向量与历史合格批次均值向量的加权距离换算；w1、w2、w3、w4、w5、w6为权重系数且和为1。

49、进一步地，所述mai的计算公式为：

50、mai=100*(v1r+v2w+v3o+v4g+v5v+v6b)；

51、其中，r为堆芯升温速率适宜度，w为单位时间含水率变化适宜度，o为单位时间氧气消耗特征，g为单位时间二氧化碳生成特征，v为单位时间voc变化特征，b为微生态校验特征；各分量归一化至0-1；当未接入校验数据时，b项权重按比例分配至其他项。

52、进一步地，所述rsi的计算公式为：

53、rsi=100*max(e,h,lr,gc,vr,s,d)；

54、其中，e为过热风险，h为过湿风险，lr为缺氧风险，gc为co2积累风险，vr为异常voc风险，s为传感器失效风险，d为执行机构异常风险；各单项风险值根据参数偏离目标区间或安全区间的程度换算为0-1。

55、根据本发明提供的具体实施例，本发明相对于现有技术具有以下技术效果：

56、本发明通过多层分区料框与柔性散堆搅拌机构的协同设计，实现了发酵空间的灵活划分及散堆茶叶的均匀翻动与通气，显著提升了发酵环境的适应性与转化效率；结合复合感知机构获取的多维状态数据，工业控制柜能够基于fqi、mai及rsi指数对发酵过程进行智能化的精准解析与定向调控，并通过人工确认与plc安全联锁双重保障机制，有效规避了异常风险，实现了从环境参数到微生态活性的全流程数字化、精细化管理，从而确保了六堡茶发酵品质的稳定性与可控性，大幅提高了生产的自动化与安全水平。