現(xiàn)代智慧糧庫系統(tǒng)的設計與研究

呂宗旺，吳建軍，孫福艷，馮黎明，賀松杰，李 偉

(1.河南工業(yè)大學 信息科學與工程學院，河南 鄭州 450001；2.鄭州欣優(yōu)恒電子科技有限公司，河南 鄭州 450052；3.北京航天華信科技有限公司，北京 100015)

0 前言

俗話說：民以食為天.糧食是國家的戰(zhàn)略物資和應急物質，安全地儲存糧食是保證國家安全和穩(wěn)定的重要基礎[1-3].糧食的宏觀調控是維護國家糧食安全的主要手段，而糧庫是糧食宏觀調控的基礎，因此，糧庫的智能化控制和精準管理是實現(xiàn)安全高效儲糧的關鍵[4-5].一個健全的智慧糧食系統(tǒng)可以為國家節(jié)約糧食，同時可以在保證糧食安全的情況下，減少人力和物力的投入.

智慧糧庫系統(tǒng)的設計按照總體設計、分步實施的原則進行.

1 系統(tǒng)架構設計

智慧糧庫系統(tǒng)總體上分為3個層面、兩個系統(tǒng)，即：在直屬庫、分公司、總公司3個層面，建設智能糧庫系統(tǒng)（原糧）、糧食遠程監(jiān)管平臺兩個系統(tǒng).在直屬庫層面，建設智能糧庫系統(tǒng)，包括智能出入庫系統(tǒng)、智能儲藏保管系統(tǒng)、智能安防系統(tǒng)、糧庫業(yè)務管理系統(tǒng)；分公司和總公司層面主要建設糧食遠程實時監(jiān)管系統(tǒng)，其中總公司監(jiān)管分公司及其所屬直屬庫，分公司監(jiān)管各直屬庫及其代儲庫點.智慧糧倉系統(tǒng)架構如圖1所示.其內容由4部分組成：一是業(yè)務管理信息系統(tǒng)，包含經營管理、倉儲管理、質量檢驗、查詢統(tǒng)計、質量追溯、遠程監(jiān)管等6個單元；二是以各種傳感器為基礎的數(shù)字化“4合1”倉儲技術集成，包含數(shù)字糧情檢測報告系統(tǒng)、數(shù)字機械通風自控系統(tǒng)、數(shù)字熏蒸濃度預警系統(tǒng)、數(shù)控低溫儲糧系統(tǒng)等4個單元；三是以射頻識別（RFID）技術和智能視頻分析技術為基礎的庫區(qū)自動化作業(yè)及調度管理，包含報港/退港、自動扦樣、地磅自動稱重、出入倉作業(yè)、安全生產監(jiān)管作業(yè)區(qū)域警示及其他作業(yè)控制等6個單元；四是遠程視頻監(jiān)管，包含儲備糧實物監(jiān)管、庫區(qū)安防、視頻會議等3個單元.

2 系統(tǒng)功能設計

該系統(tǒng)從功能上包括遠程監(jiān)控系統(tǒng)、出入庫管理系統(tǒng)、智能通風系統(tǒng)、智能氣調系統(tǒng)、自動蟲害檢測系統(tǒng)、烘干水分在線控制系統(tǒng)、糧庫智能安防系統(tǒng)、糧庫業(yè)務管理系統(tǒng)和智能決策系統(tǒng)以及管理員管理系統(tǒng)等.

2.1 糧食實時遠程監(jiān)管系統(tǒng)

通過各個硬件廠家作統(tǒng)一接口，采集直屬庫糧情數(shù)據(jù)，統(tǒng)一采集接口，統(tǒng)一糧情數(shù)據(jù)轉換格式，統(tǒng)一上傳糧情數(shù)據(jù)，并建設糧情測控遠程監(jiān)管數(shù)據(jù)中心，以實現(xiàn)分公司對直屬庫糧情數(shù)據(jù)的分級管理、遠程集中監(jiān)管的目的.各級管理部門都能查詢所屬庫點的糧情狀況，分公司能及時獲得各級承儲庫的糧情信息.同時建立分公司糧情歷史數(shù)據(jù)庫，為科學儲糧提供數(shù)據(jù)支持及決策依據(jù).

2.2 智能出入庫系統(tǒng)

針對目前糧食出入庫作業(yè)效率低，缺乏監(jiān)管的現(xiàn)狀，使用RFID技術和計算機網絡技術，自動讀取作業(yè)信息，自動進入糧庫業(yè)務管理系統(tǒng)，使得糧食出入庫作業(yè)流程和環(huán)節(jié)清晰可見，使得糧食實物流和糧庫業(yè)務管理系統(tǒng)中的信息流保持高度一致，三賬合一，為精細化管理提供良好的基礎.

智能出入庫系統(tǒng)中，綜合使用RFID、傳感器、智能圖像識別等技術，建立快速登記系統(tǒng)、自動扦樣系統(tǒng)、快速化驗系統(tǒng)、自動稱重系統(tǒng)、出入倉確認系統(tǒng)，自動采集糧庫作業(yè)數(shù)據(jù)，保證糧庫出入庫數(shù)量信息的準確性.在這些數(shù)據(jù)的基礎上，通過管理信息系統(tǒng)實現(xiàn)糧庫實物流、資金流和信息流的統(tǒng)一.

圖1 智慧糧倉的系統(tǒng)架構

智能糧食倉儲業(yè)務系統(tǒng)通過傳感器網絡等物聯(lián)網技術，遠程實時檢測糧食溫度、濕度、霉變、氮氣、壓力等情況，構建不同的智能控制系統(tǒng)，實現(xiàn)低溫生態(tài)儲糧、降低儲糧能耗和安全生產事故.比如：感知糧食的溫度、濕度及霉變情況等，并通過相應的自動氣調系統(tǒng)，實現(xiàn)智能調節(jié)，減少蟲害污染.通過感知到糧倉內糧食數(shù)量的變化，實現(xiàn)空倉實時監(jiān)測.

2.3.1 智能通風系統(tǒng)

根據(jù)倉內外溫濕度傳感器檢測的結果，遠程自動控制軸流風機、自動倉窗、離心風機、谷物冷卻機、水源熱泵通風設備等進行排積熱通風、降溫通風、降水通風，有效降低通風能耗及成本，提高通風效率和準確度.

該系統(tǒng)是一種信號檢測、傳輸與執(zhí)行機構的控制系統(tǒng).傳輸系統(tǒng)是采用數(shù)字編碼技術和雙向通訊傳輸技術，整個系統(tǒng)能雙向通訊，即上位機與智能通風控制系統(tǒng)互相通訊.根據(jù)糧庫特點在電腦機房安裝計算機和無線模塊，各個倉庫設有控制輔柜，控制輔柜進行檢測糧倉內外溫濕度、風速和雨量，采集后傳輸給上位機，上位機對傳輸來的數(shù)據(jù)進行分析判斷，發(fā)送指令給控制輔柜，控制輔柜控制相應的執(zhí)行機構，從而實現(xiàn)智能通風.在該系統(tǒng)中，一臺主機可以控制多臺控制輔柜.

2.3.2 智能氣調系統(tǒng)

自動氣調管理通過對糧情變化情況的智能化分析，結合糧食儲備過程中的質量檢測情況，通過氮氣儲糧等方式控制糧情變化，改善糧食儲備的生態(tài)環(huán)境，減少蟲害的產生和減緩糧食質量的變化，以更穩(wěn)定的方式進行糧食儲藏.通過智能化的決策分析，產生科學合理的智能化氣調方案，使糧食存儲環(huán)境更加優(yōu)良和穩(wěn)定，提升糧食存儲質量，保證糧食品質.智能化氣調管理應用的研究為糧食儲藏提供了更好、更科學的存儲管理辦法，通過與信息技術的融合，以智能化的方式改善糧食存儲的生態(tài)環(huán)境.

該系統(tǒng)具有對氣調倉進行氮氣濃度自動檢測并保存、倉房氣密性檢測、設備發(fā)生故障時自動提示報警（系統(tǒng)可進行電腦屏幕提示報警、通過移動電話、手機短信向值班人員報警），并顯示發(fā)生故障的設備位置，便于查找檢修，還可以通過移動電話、手機短信向值班人員報告充氮工作進程或使用手機對系統(tǒng)進行遠程遙控等功能.

2.3.3 自動蟲害檢測系統(tǒng)

基于蟲害傳感器以及智能圖像視頻分析技術，自動實時監(jiān)控倉儲糧食蟲情數(shù)量、種類等情況.具體實現(xiàn)方法是當害蟲進入誘捕器后，控制選通器分別選通不同區(qū)域的誘捕器，利用負壓原理，從誘捕器中將害蟲無損害地取出，通過智能圖像視頻分析害蟲的種類，通過光電式傳感器采集害蟲的數(shù)量，從而對整個糧倉的害蟲分布以及害蟲未來的發(fā)展趨勢進行準確的預測并提出準確的防治措施或建議，減少因蟲害造成糧食損失，確保儲糧安全.

2.3.4 烘干在線水分控制系統(tǒng)

系統(tǒng)通過傳感器檢測到熱風溫度、進出糧的水分和溫度、烘干塔排糧速度，根據(jù)不同糧食品種的烘干控制模型，對變頻器發(fā)出信號，控制排糧輪的轉速從而控制排糧速度，控制出糧的水分含量，降低烘干能耗.

由于大量的糧食要流過水分檢測傳感器，水分感應器應該采用不銹鋼材質，與常規(guī)臺式檢測儀相比，使用壽命長，調試更簡便.

2.4 糧庫智能安防系統(tǒng)

糧庫安防系統(tǒng)主要包括視頻監(jiān)控、防盜報警、門禁管理、數(shù)字巡更、短信報警等子系統(tǒng)，利用RFID、智能視頻分析等技術，在作業(yè)人員進入倉內時，通過巡檢系統(tǒng)或視頻偵測分析系統(tǒng)，自動在屏幕上分析出作業(yè)人員的實際位置，并在地圖上可以展示倉內人員的當前位置，如果配備上相應的移動設備，通過右鍵菜單即可查詢作業(yè)人員信息，當前正在執(zhí)行任務的工作情況，查看現(xiàn)場人員的反饋信息，并可與現(xiàn)場人員進行消息互動，下達新的工作任務等，對糧庫違反操作規(guī)程、危險源、火災、非法入侵等現(xiàn)象將自動提示或報警，將安全事故控制在萌芽狀態(tài).

2.5 糧庫業(yè)務管理系統(tǒng)

糧庫業(yè)務管理系統(tǒng)為糧庫的經營管理、質量管理、糧食出入庫、倉儲保管等提供信息化支持，實現(xiàn)糧食購銷計劃、合同執(zhí)行、品質檢驗、倉儲保管、作業(yè)調度、藥品監(jiān)管等功能的計算機管理.

糧庫三維可視化管理系統(tǒng)：對糧庫的辦公樓、平房倉、地磅房等進行三維建模，構建與糧庫實際場景完全相同的三維可視化虛擬糧庫.用戶可以通過在虛擬場景里漫游、拖動等方式查看各平房倉的實際倉儲情況、出入庫記錄、糧情、通風記錄、熏蒸記錄等，可以點擊辦公室查看各科室正在辦理的業(yè)務數(shù)據(jù)、統(tǒng)計報表等；用戶還可以點擊虛擬場景中的攝像頭，實時查看攝像頭的監(jiān)控畫面.

2.6 智能決策系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要有糧情預警、智能通風、糧庫應急預案管理、糧庫布點規(guī)劃和應急糧源調度等決策功能.

糧情預警：該系統(tǒng)分為害蟲預警、空倉預警、高溫預警等3個模塊；在三維模式實時展現(xiàn)糧堆的溫度場、濕度場等儲糧的生態(tài)環(huán)境指標，動態(tài)展示糧堆生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展和變化情況的基礎上，研究糧堆環(huán)境和糧食品質可視化仿真技術，構建糧堆生態(tài)仿真系統(tǒng)模型，以預測儲糧質量變化趨勢；根據(jù)仿真運行結果，結合專家診斷系統(tǒng)，對糧堆實施干預預警措施，保證儲糧質量安全.

智能通風：該系統(tǒng)可自動根據(jù)歷史資料建立糧溫預測模型，并自動根據(jù)最新資料對原有模型進行修正等功能.智能通風系統(tǒng)為用戶提供一個通風設備的遠程控制操作平臺，能夠根據(jù)糧食品種、氣象條件、糧情信息和通風目的進行通風方式的輔助決策.智能通風自動檢測通風過程中的糧情狀態(tài)，提供降溫通風、降水通風、調質通風和排熱換氣通風等多種通風模式的輔助決策，根據(jù)用戶預設好的通風糧情條件，自動判斷是否執(zhí)行和終止通風.從而實現(xiàn)通風設備和設施的智能控制，提高通風效率和精度，降低通風管理成本.

糧庫應急預案管理：將預先制定的災害（自然災害、火情等）應急預案錄入系統(tǒng)，當災害發(fā)生時，根據(jù)災害類別、級別等信息，調出相應的應急預案，以圖文并茂的形式進行展現(xiàn)，便于應急處置.

糧庫布點規(guī)劃：通過分析某地區(qū)的產量，現(xiàn)有庫容，糧庫位置、交通等參數(shù)，給出糧庫布點規(guī)劃方案建議.

應急糧源調度：在發(fā)生自然災害或其他災害時，給出災害位置，顯示出災害地周邊糧源情況，主要包括庫存、品種、交通等情況，給出糧源調度建議方案.

3 結束語

數(shù)字智慧糧庫的構建將會使糧庫的信息管理互享、糧情的檢測等變得方便快捷，為安全儲糧提供強有力的科技支撐，同時也為國家糧食管理部門提供一個糧食政策的決策支持平臺.但是，現(xiàn)在智慧糧庫系統(tǒng)的構建還面臨著許多的難題，如各種實際模型的建立、數(shù)據(jù)處理的可靠性等，因此智慧糧食系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運行還需要一個長期過程.

［1］ 王藝錦，張元，廉飛宇，等.數(shù)字糧庫的展望［J］.綠色質量觀察，2010（12）:44-46.

［2］ 彭泓，汪玉鳳.糧倉溫濕度智能控制系統(tǒng)［J］.中國科技信息，2006（24）:41-43.

［3］ 陳得民，張元，李鵬，等.傳感器網絡在糧食平房倉中的應用［J］.河南工業(yè)大學學報:自然科學版，2009，30（2）:69-72.

［4］ 蘇寶平，全力.新型糧倉溫濕度智能化測控系統(tǒng)［J］.農機化研究，2004（2）：221-223.

［5］ 陳得民，張元，廉飛宇，等.糧庫專用壓力傳感器的研制［J］.河南工業(yè)大學學報:自然科學版，2008，29（6）:65-68.