Оптические технологии сортирования семенного картофеля

Сергей Банадысев, руководитель селекционной программы ООО «Дока – Генные Технологии»

Оптическая (фотоспектрометрическая, цифровая) сортировка – наиболее прогрессивная технология автоматической классификации и разделения разнокачественного сырья любой природы, в том числе овощей, фруктов, орехов, зерна и т.д. по различным параметрам качества, таким как размер, цвет, форма и наличие дефектов на поверхности. Цифровые системы фотосепарации начинают играть важнейшую роль на всех этапах цепочки производства и поставок картофеля – от сельхозпредприятия до завода по глубокой переработке и международных рынков – благодаря точному обнаружению, классификации и сортировке. Оптическое оборудование уже более 15 лет обязательно используется в промышленной переработке картофеля и при мойке столового картофеля премиум-качества, поскольку на порядок повышает производительность и эффективность, сокращает количество отходов и обеспечивают стабильное качество продукции.

Успех освоения этой технологии в промышленной переработке обусловлен повышением однотипности оцениваемого продукта после мойки и очистки кожуры, сравнительной дешевизной фотоспектральных камер видимого спектра (от 380 до 750 нанометров), что позволяет однотипный после мойки или после очистки от кожуры продукт оценивать весьма эффективно. Выделять примеси в однотипной массе сравнительно просто. Современное оборудование отбраковывает единичные ломтики чипсов или дольки фри с отклонениями по цвету и даже малозаметными повреждениями.

Семенной картофель не моют. Весь урожай посадочного материала длительно хранится, как правило, в одной партии после первичной очистки от примесей. На семенных клубнях всегда есть пыль или прилипшая почва. Подобрать автоматические алгоритмы сканирования и выделения повреждений, примесей на основе визуальной оценки, т.е. в видимом спектре, в таком разнокачественном продукте оказалось непросто. Первые промышленные (не лабораторные прототипы) оптические сортировки семенного картофеля   изготовила голландская фирма Miedema в 2011 году, этот принцип конструкции до сих пор используется в машинах моделей SG 400 и SG 600 фирмы Gejo Grading в сотрудничестве с   Biijlsma Hercules.

Довольно долго сдерживающим фактором использования технологии было несовершенство фотоспектральных камер, их высокая стоимость, недостаточная мощность и гибкость программного обеспечения, предопределявших низкую производительность и недостаточную адаптацию настроек к разнообразным внешним параметрам партий семенного картофеля многочисленных сортов, выращиваемых в различных почвенно-климатических условиях.

Переход на принципиально более высокий уровень качества и производительности произошел в начале 20-х годов, когда благодаря развитию микропроцессорной элементной базы появились более мощные фотоспектральные камеры различных диапазонов (от нижнего ИК до верхнего УФ-спектров), а также мощные и быстродействующие алгоритмы обработки больших массивов данных, которые сейчас принято обозначать как Искусственный Интеллект (AI). Что позволило, например, голландской фирме Flikweert Vision Technologies в 2022-23 годах начать серийное производство модели Quality Grader. Эта модель, специально разработанная для семеноводов, впервые продемонстрировала эффективность легко настраиваемого, обучаемого программного обеспечения и высокой производительности цифровой оптической обработки информации.

Машины подобного класса, которые имеются практически у всех производителей оптических сортировщиков по картофелю, обеспечивают реальную производительность не менее 5 тонн в час с доведением качества семенного материала до требований стандарта за один проход в круглосуточном режиме и с необходимостью привлечения всего одного-двух человек на подачу и отвоз картофеля и дополнительную инспекцию. Такие параметры достаточно привлекательны, поэтому с 2024 года началось быстрое внедрение фотосепарации в семеноводческую отрасль, несмотря на высокую стоимость оборудования (порядок озвучиваемых цен – больше 200 тыс. евро). Во многих странах мира уже используется более 400 Quality Grader. Начато серийное производство внешне схожего оборудования других производителей (например, Schouten, Skals), предлагаются и другие типы конструкции. В 2025 году представлены первые серийные фотосепараторы марки EKSLi российского производства (ООО «Прогресс», г. Москва).

Оптический принцип сортировки семенного картофеля становится таким же общепринятым, как и в производстве картофелепродуктов и мытого столового картофеля. Цифровые сортировщики картофеля в настоящее время доступны в нескольких конфигурациях, каждая из которых адаптирована под конкретные потребности и масштабы производства. Сочетание компьютерного зрения, искусственного интеллекта и высокоскоростной механотроники обработки позволяет точно и быстро оценивать и распределять многие десятки тысяч клубней картофеля в час.

Основные технологии фотоспектрометрической сортировки семенного картофеля:

1. Машины для сортировки по размеру на конвейерных лентах. Эта высокопроизводительная система оптической сортировки использует передовые алгоритмы компьютерного зрения и обработки изображений для измерения и классификации картофеля по физическим размерам по мере его продвижения по конвейерной ленте (фото 4). Достигается точная сортировка по размеру (например, мелкий, средний, крупный), сокращается объем ручного труда и количество ошибок персонала. Идеально подходит для массовой обработки на упаковочных предприятиях столового картофеля.

Первоначально машины обеспечивали только определение размера и формы. Сейчас, как правило, оснащаются дополнительными системами выявления дефектов. Такой тип оборудования требует высоких первоначальных инвестиций для полной автоматизации и больших помещений. Чаще всего применяется на упаковочных предприятиях и для сортировки по размеру.

2.  Системы светлого поля / контрастной подсветки. В этом методе используется контролируемое освещение – сверху (светлое поле) или сзади (контрастная подсветка) – для подсветки картофеля при его прохождении через зону контроля (фото 5). Камеры высокого разрешения, как правило, в сочетании с камерами видимого спектра света и определенных участков ИК-диапазона, фиксируют возникающие тени или особенности прохождения излучения, чтобы выявить внутренние и внешние дефекты. Эффективно определяются гниль, внутренние повреждения и пустоты в сердцевине, обнаруживаются   прорастание и поверхностные дефекты.  Это неразрушающий и высокочувствительный метод, который дополняет другие оптические методы. Он менее эффективен при работе с потоком картофеля, количество дефектных клубней в котором превышает 25% от общего их количества, требует точной калибровки освещения и тщательного ухода за оптическими компонентами, поэтому чаще всего используется только для выявления дефектов в процессе контроля качества.

3. Многоцветные (мультиспектральные) камеры анализируют едва заметные изменения цвета кожуры картофеля с помощью светофильтров, настроенных на определенную длину волны. Чаще всего используют ближний инфракрасный спектр (БИК, NIR). Это позволяет точно определить степень зрелости, позеленения (выработки хлорофилла) и изменения цвета, вызванного болезнью или повреждением. Отличаются чрезвычайно точной дифференциацией по цвету, обеспечивают выявление ранних признаков позеленения.

4. Комбинированные гибридные системы. Современные сортировки высокого класса объединяют несколько технологий, таких как определение размера, подсветка и многоцветная визуализация (фото 7).Эти гибридные системы обеспечивают комплексный анализ размера, формы, цвета, внешнего и внутреннего качества для максимальной точности сортировки. Так достигается комплексная оценка качества, минимизация отходов за счет точного отбраковывания, настраиваемая логика сортировки в соответствии с особенностями партии и целями подготовки, высокая производительность при минимальных простоях. Это самый дорогой вариант, требует квалифицированных операторов и технического обслуживания. Оборудование занимает много места и потребляет больше энергии. Пока такие системы доступны только очень крупным перерабатывающим предприятиям, экспортным терминалам и в комплексном производстве продуктов питания.

Критерии оценки фотоспектрометрических технологий сортирования семенного картофеля. Производительность и функциональность оптического сортировщика картофеля зависят от ряда важнейших конструктивных и эксплуатационных параметров (табл.1).

Таблица 1. Основные технологии оптической сортировки картофеля

Производительность сортировки – один из главных показателей эффективности работы машины. Большинство оптических сортировщиков картофеля на окончательной стадии выделения дефектов могут обрабатывать от 2000 до 10 000 килограммов в час, в зависимости от размера модели, конфигурации конвейера и сложности критериев оценки.  Первичное оптическое разделение только клубней по размеру или отделение примесей инородных тел, комков почвы, камней осуществляется с очень высокой производительностью – 100 тонн в час и даже больше.

Причем количество необходимых для круглосуточной оптической сортировки работников уменьшается на порядок, т.е. в 10 раз. И работа выполняется с постоянной производительностью и качеством, что также весьма тяжело достигается при большом количестве работников (зачастую временно привлекаемых) в традиционных способах первичной очистки и финишной сортировки.

Выбор оптимальной мощности обеспечивает унификацию и интеграцию с процессами на предыдущих (мойка, очистка от кожуры) и последующих (упаковка, хранение) этапах технологического процесса предреализационной подготовки продукции без узких мест и простоев.

Современные фотосепараторы обеспечивают точность классификации выше 98% при выявлении дефектов картофеля (например, гниль, позеленение, надрезы), недоразвитых клубней и сортовых примесей. Такой высокий уровень точности сокращает количество отходов, повышает однородность продукции и способствует позиционированию на рынке в качестве премиального продукта. На точность могут влиять условия освещения, чистота поверхности картофеля и калибровка программного обеспечения. В этих машинах используются передовые оптические системы анализа картофеля в режиме реального времени. Это, прежде всего, мультиспектральное сканирование: камеры высокого разрешения видимого и инфракрасного спектра делают несколько десятков снимков для определения цвета, формы и выявления поверхностных дефектов каждого клубня.

Это основной тип оптических сортировок семенного картофеля, который обеспечивает выявление наиболее распространенных внешних дефектов: механические повреждения; проявления парши обыкновенной и серебристой, ризоктонии, антракноза, проволочника; гниль; неправильная форма; примеси других сортов и посторонние включения (камни, комки, мусор).

Полный текст статьи опубликован в журнале «Картофельная система» №2, 2026. Заказать журнал можно по адресу: deminann@gka-atm.ru