我國糧食產(chǎn)后領(lǐng)域人工智能技術(shù)的應(yīng)用和展望

吳子丹 張 強,3 吳文福 張忠杰 尹 君, 劉 哲 王小萌,

(吉林大學(xué)1 ，長春 130025) (國家糧食和物資儲備局科學(xué)研究院2,北京 100037) (曼尼托巴大學(xué)3，曼尼托巴 MB R3T 5V6)

人工智能(Artificial intelligence ，AI)是世界上發(fā)展最快的學(xué)科之一。早期的AI技術(shù)多數(shù)屬于機理驅(qū)動類型(Model drive AI)，即通過研究掌握系統(tǒng)的機理，建立數(shù)學(xué)模型，進而依據(jù)機理推理實施AI精準控制或管理優(yōu)化。近十年來AI技術(shù)隨計算機運算速度的提高和通訊技術(shù)的進步，數(shù)據(jù)驅(qū)動型的AI(Data drive AI)技術(shù)發(fā)展迅速[1]。大數(shù)據(jù)挖掘、機器深度學(xué)習(xí)等代表性的技術(shù)，可以在不完全依賴清晰機理的情況下實現(xiàn)控制或管理的優(yōu)化[2]。在AI技術(shù)的推動下，智能制造、智能管理、智慧城市、智慧產(chǎn)業(yè)鏈的新項目層出不窮。在糧食產(chǎn)后領(lǐng)域的AI技術(shù)應(yīng)用，有效提升了產(chǎn)業(yè)的管理水平。在1998年創(chuàng)立并得到大規(guī)模推廣的糧食儲備“四合一”技術(shù)中就包括了機理驅(qū)動AI技術(shù)的應(yīng)用。其中智能糧情監(jiān)測，通過建立倉溫、糧溫的變化規(guī)律模型，配合自動學(xué)習(xí)修正功能，實現(xiàn)了較為準確的儲糧異常報警[3]；智能通風(fēng)控制基于糧食濕熱平衡方程和通風(fēng)“窗口理論”控制模型[4,5]，提高了通風(fēng)效率并且避免了糧堆結(jié)露。這兩項AI應(yīng)用技術(shù)伴隨“四合一”技術(shù)而大面積推廣，對改善國家儲備糧的品質(zhì)發(fā)揮了顯著作用?！八暮弦弧奔夹g(shù)2010年獲得國家科技進步一等獎[6]。2019年10月國務(wù)院發(fā)布的糧食安全白皮書中公布：在中國9.1億t糧食總倉容中應(yīng)用機械通風(fēng)7.5億t，應(yīng)用計算機糧情監(jiān)測6.6億t[7]。這為運用AI技術(shù)提升儲糧管理水平展現(xiàn)良好前景。

糧食產(chǎn)后管理是十分復(fù)雜的體系工程。在機理驅(qū)動AI技術(shù)方面，還有較多的機理模型問題亟待破解；在數(shù)據(jù)驅(qū)動AI技術(shù)方面總體上落后于許多其他行業(yè)的應(yīng)用水平。糧食信息化體系的建設(shè)是AI技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)支撐，但是還存在標準化水平低、“信息孤島”等大量問題。糧食行業(yè)大數(shù)據(jù)挖掘剛剛起步，知識庫比較缺乏。為此，更需要加快從數(shù)字糧食系統(tǒng)建設(shè)向智能糧食和智慧糧食的提升。

1 糧食產(chǎn)后領(lǐng)域AI技術(shù)應(yīng)用的新進展

1.1 基于糧堆多場耦合理論機理驅(qū)動AI技術(shù)

儲糧生態(tài)理論認為糧食儲藏系統(tǒng)是由糧堆內(nèi)外生物體與非生物體相互影響、變化與平衡交織的生態(tài)系統(tǒng)。吳子丹等[8,9]研究了糧堆內(nèi)的溫度場、濕度場、微氣流場、壓力場等物理場和糧食水分分布之間相互耦合關(guān)系，提出了糧堆多場耦合理論，發(fā)現(xiàn)在一定的情況下物理場可先與糧堆局部生物體(糧食籽粒、微生物、害蟲、鼠雀等)發(fā)生耦合，促成該部位生物體的增長和能量、水分、二氧化碳等的釋放，進而又導(dǎo)致糧堆物理場的鏈式反應(yīng)，影響儲糧整體穩(wěn)定性。

張忠杰等團隊研究探討了糧堆溫度場隨季節(jié)和糧層厚度而演變的規(guī)律，以及糧堆微氣流和糧堆空隙水分分壓隨溫度場變化的耦合性[9-12]，王錄民等團隊研究了糧堆由重力和糧食摩擦角共同形成的壓力場變化規(guī)律，進而為研究糧堆孔隙度、密度分布和各向異性規(guī)律提供了支撐[13-15]。

吳子丹、張強等團隊參照對物理場的時空描述提出生物場可以表達為生物實體通過能量、物質(zhì)和(或)信息的轉(zhuǎn)換，影響周圍生物和非生物實體的一種能力，以及這種能力在時空中的分布。其中生物對能量的轉(zhuǎn)換能力(即生物利用、轉(zhuǎn)化、耗散能量的能力)可以量化為生物場的場強P，表示為在特定時空范圍內(nèi)單位體積中生物轉(zhuǎn)換能量Q的速率。生物場與環(huán)境物理場的耦合越強，P值越大。而Q又可表示為生物轉(zhuǎn)換的熱能、機械能、化學(xué)能、生物繁殖能和其他轉(zhuǎn)換能的總和。尹君[10]、王小萌[16]對這一概念進行了實驗驗證。進一步證明，要實現(xiàn)生物場的退耦合，必須確保退耦合強度(包括外部干預(yù))大于耦合強度。生物場場強分析為應(yīng)用AI技術(shù)定量分析處理儲糧問題提供了新方法。

1.1.1 糧堆溫度濕度場云圖分析——儲糧安全的AI預(yù)測預(yù)警技術(shù)

吳文福等團隊通過運用糧堆多場耦合理論對儲糧過程中的糧堆溫度場和濕度場云圖進行分析，對不同季節(jié)糧堆可能發(fā)生結(jié)露或出現(xiàn)適合微生物生長(耦合)的區(qū)域、出現(xiàn)時間的進行測算，可以提前兩周到兩個月預(yù)報糧堆結(jié)露和霉變的發(fā)生，促使管理者及早采取精準防治措施[17-20]。

1.1.2 儲備糧庫存監(jiān)管的溫度場云圖指紋掃描技術(shù)

張忠杰、吳文福、吳曉明等團隊通過運用糧堆多場耦合理論建立糧食儲藏中發(fā)熱、霉變、空倉、半倉、異動等管理異常模態(tài)的溫度場云圖特征指紋(圖1)，開發(fā)了儲糧監(jiān)管AI分析軟件[21,22]。2019年結(jié)合國家多部門對儲備糧庫存數(shù)量和質(zhì)量的大檢查，對十余省區(qū)市89多萬組儲備糧糧溫數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)出管理預(yù)警6 000多個，經(jīng)現(xiàn)場驗證正確的占87%。該項AI技術(shù)為糧食庫存監(jiān)管技術(shù)的升級提供了新手段[23]。

圖1 溫度場云圖指紋掃描效果示意圖

1.1.3 糧堆壓力場模型與糧倉實物數(shù)量AI探測儀

王錄民等團隊運用糧堆壓力場分布研究成果，建立了糧堆密度模型[24，25]。通過激光掃描糧堆形狀、計算糧堆體積，結(jié)合密度模型自動測量出糧倉儲糧實物數(shù)量(圖2)，與過稱檢斤對比誤差小于3%，滿足了國家清倉查庫實物檢查的精度要求，提高了庫存檢查的效率。

圖2 庫存糧食數(shù)量AI測量儀在全國庫存大檢查應(yīng)用現(xiàn)場

1.2 儲糧蟲害的機器識別技術(shù)

周慧玲團隊克服了糧堆中捕獲的害蟲圖像像素低和害蟲運動造成的圖像模糊失真問題，在運用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)機器學(xué)習(xí)技術(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合紅外信號的探測分析以強化識別能力，使糧堆害蟲動態(tài)圖像捕捉識別平均準確率達到90%以上[26，27]。

1.3 機理驅(qū)動和數(shù)據(jù)驅(qū)動AI控制技術(shù)分別在糧食干燥中應(yīng)用

糧食干燥過程是一項復(fù)雜的熱質(zhì)傳遞過程，具有大滯后、多干擾、非線性、強耦合和參數(shù)不確定性等特點，用傳統(tǒng)方法控制易發(fā)生過調(diào)、過緩或震蕩，嚴重影響糧食烘干質(zhì)量。必須通過控制器進行預(yù)測、預(yù)判、預(yù)調(diào)，減少烘干偏差。

吳文福等團隊應(yīng)用機理驅(qū)動AI，從微元、微環(huán)境相互影響相互耦合的動態(tài)平衡關(guān)系出發(fā)，定義了絕對水勢、等效積溫等多因子耦合概念和計算方法的基礎(chǔ)上[28-30]，金毅等[31]、陳俊軼等[32]通過多因子可控干燥試驗臺研究了耦合因子對谷物干燥過程水分及品質(zhì)的影響，建立了等效積溫-品質(zhì)工具化圖表；劉哲等[33]實物模擬研究了烘干機各個干燥層面動態(tài)變化規(guī)律，提出了連續(xù)干燥過程“等效積溫窗口理論”測控方法和循環(huán)干燥的“真0.5%”測控方法，并開發(fā)了相應(yīng)機理驅(qū)動 AI控制器以及循環(huán)，使糧食烘干質(zhì)量大幅提高，成功應(yīng)用于多型號的節(jié)能環(huán)保糧食連續(xù)烘干機。

周曉光團隊研究了數(shù)據(jù)驅(qū)動AI技術(shù)可應(yīng)用自動尋找優(yōu)化控制算法[34-36](圖3)。其中運用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法與改進粒子群算法的支持向量機模型結(jié)合，解決小樣本、非線性和高維數(shù)不易收斂難題；運用模糊、遺傳、免疫算法和逆模型等算法相結(jié)合，提高全局搜索能力和實現(xiàn)控制參數(shù)滾動優(yōu)化，避免陷入局部最優(yōu)。比同類烘干系統(tǒng)提升效率20%以上。

圖3 烘干機個性化優(yōu)化的數(shù)字驅(qū)動AI控制算法示意圖

1.4 大米產(chǎn)業(yè)鏈5T管理中的AI技術(shù)應(yīng)用

糧食產(chǎn)業(yè)鏈管理的提升，需要AI技術(shù)和AI管理的高度融合，解決多系統(tǒng)耦合下復(fù)雜管理決策問題。吳文福等[37,38]將優(yōu)質(zhì)粳稻收儲過程劃分為收割、田場、干燥、收倉、倉儲的5個作業(yè)時期，通過實驗測定籽粒成熟曲線、籽粒田間感染微生物曲線、機械干燥等效積溫品質(zhì)曲線、環(huán)境溫濕籽粒爆腰曲線、倉儲稻谷等效積溫品質(zhì)曲線等，建立相應(yīng)的以時間、溫度等為主要指標的感知、追溯、管控、預(yù)警等結(jié)合區(qū)塊鏈和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的5T管理AI系統(tǒng)和標準體系[39]，為吉林大米創(chuàng)立優(yōu)勢品牌發(fā)揮了良好作用。

1.5 庫存識別代碼與糧食流通防偽追溯及大數(shù)據(jù)挖掘

摻雜使假是糧食管理難點，很多防偽技術(shù)并不能防止系統(tǒng)性的渠道造假。為此國家糧食部門制定了《庫存糧食識別代碼》行業(yè)標準，提出了去中心化授碼、分布式信息存儲、碼隨糧走的管理方法[40]。運用庫存識別代碼具有編碼唯一性、可認證、可追朔、可關(guān)聯(lián)、能防偽的特點，在山東、江蘇等省糧食部門支持下開展了試點。建立了儲糧大數(shù)據(jù)資源池，不僅為管理部門和社會提供防偽追朔信息，而且通過大數(shù)據(jù)挖掘和推送糧食收購、流量、流向、質(zhì)量、價格等管理部門和市場經(jīng)營者都需要的高價值信息[41]。

1.6 糧食知識庫的開發(fā)

知識庫是AI技術(shù)和建立專家系統(tǒng)的重要支撐。糧食知識庫的建立是一個系統(tǒng)工程，近年來新填補的空白有：通過糧食庫存檢查實踐建立了全國倉儲糧食儲藏溫度場特征參數(shù)及監(jiān)管策略應(yīng)用關(guān)鍵參量數(shù)據(jù)手冊[42-47]，建立了糧食機械通風(fēng)知識數(shù)據(jù)庫[48-52]、農(nóng)戶儲糧知識庫軟件[46]和儲糧螨類防治知識庫[53]。

2 討論和展望

2.1 關(guān)于AI技術(shù)應(yīng)用概念的統(tǒng)一問題

針對在糧食產(chǎn)后領(lǐng)域存在對AI技術(shù)的一些概念應(yīng)用混雜的情況，在2019年10月在長春召開的首次以智慧糧食為主題的國際研討會上，國內(nèi)主要涉糧院校所的學(xué)者和與會的國際糧食AI專家都認為，界定糧食產(chǎn)后領(lǐng)域AI技術(shù)的概念十分必要，建議劃分為3個層次的概念：1)數(shù)字糧食系統(tǒng)(Digtal Cereal System ,DCS)包括糧食產(chǎn)后各個環(huán)節(jié)中的傳感采集、檢測采集、管理采集、網(wǎng)絡(luò)采集等數(shù)據(jù)的收集、傳輸過程，以及數(shù)據(jù)的分類、分析、統(tǒng)計、對比等數(shù)據(jù)處理和自動報表生成等過程的單一系統(tǒng)或系統(tǒng)組合。2)智能糧食系統(tǒng)(Intelligence Cereal System,ICS)在數(shù)字糧食系統(tǒng)(DCS)基礎(chǔ)上，具有AI推理功能(機理驅(qū)動AI、數(shù)據(jù)驅(qū)動AI或混合雙驅(qū)動AI)，還可包括專家輔助決策功能(智識庫)，形成的控制優(yōu)化或管理優(yōu)化的單一系統(tǒng)或系統(tǒng)組合。3)智慧糧食系統(tǒng)(Smart Cereal System, SCS)包括多個不同糧食流通環(huán)節(jié)的智能糧食系統(tǒng)(ICS)和糧食流通大數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)，共同構(gòu)成具有區(qū)域特性或產(chǎn)業(yè)鏈特性的糧食監(jiān)測、追溯、監(jiān)管、控制、管理、服務(wù)等整體功能優(yōu)化的組合AI系統(tǒng)。

2.2 關(guān)于蟲霉危害和儲糧質(zhì)量定量預(yù)測問題

糧堆當中生物場耦合強度偏高的位置，不僅是蟲霉滋生的位置，也是儲糧質(zhì)量劣變較快的位置，必然是儲糧管理的重點位置。需要根據(jù)糧堆多場在空間上的連續(xù)性、時間軸上的周期性、多場耦合的協(xié)調(diào)性原理，進一步研究糧堆不同時間空間的有效積溫積濕規(guī)律、物理場與生物場的耦合規(guī)律，為預(yù)測和評估儲糧管理提供AI技術(shù)新手段。

2.3 展開機理與數(shù)據(jù)雙驅(qū)動AI的研究

機理驅(qū)動 AI的優(yōu)點是：可準確體現(xiàn)自然規(guī)律，較易實現(xiàn)總體優(yōu)化設(shè)計；缺點是：機理研究難度較大，有時不能滿足差別機型的個性要求。數(shù)據(jù)驅(qū)動AI的優(yōu)點是：可在機理不詳時用“黑匣子”找出優(yōu)化方式，可準確體現(xiàn)個性差異；缺點是：有時容易陷入局部最優(yōu)，不能確保模型通用性。因此，需要展開優(yōu)勢互補的機理和數(shù)據(jù)雙驅(qū)動AI研究。例如在糧食干燥控制方面，可由機理驅(qū)動AI實現(xiàn)同類機型的總體優(yōu)化，再由數(shù)據(jù)驅(qū)動機器學(xué)習(xí)進行個性優(yōu)化，接通控制模型與設(shè)備個性貼合的最后一公里。在儲糧通風(fēng)自控方面，由機理驅(qū)動AI歸納糧食溫濕水平衡耦合規(guī)律，再由數(shù)據(jù)驅(qū)動AI使貼近每個糧倉通風(fēng)特性，解決保水和控溫雙目標難以同時實現(xiàn)的難題。在糧情測控方面，由機理驅(qū)動AI歸納全國各地區(qū)規(guī)律，再由數(shù)據(jù)驅(qū)動AI自學(xué)習(xí)使吻合每個糧倉特點，實現(xiàn)糧倉各個點位安全性的準確測報。

2.4 期待機器識別技術(shù)的新突破

目前糧食儲備企業(yè)大量采用視頻監(jiān)控系統(tǒng)，但存在無效信息充斥的弊端，還有許多漏洞，如人為“誤用”監(jiān)控設(shè)備、“雷擊損壞”、“熏蒸腐蝕失效”、圖像替代、屏蔽作弊等等。如何運用AI技術(shù)識別違規(guī)和欺詐行為，是機器識別技術(shù)在糧食流通管理中的一個現(xiàn)實課題。儲糧溫度場云圖已成為新的圖像數(shù)據(jù)資源，如何運用各種異常特征云圖圖像快速判斷管理中問題，是亟待開發(fā)的技術(shù)。在低像素和動態(tài)環(huán)境下準確識別蟲霉鼠雀危害，還需要圖像識別技術(shù)的升級和與不同傳感技術(shù)的結(jié)合。

2.5 盡快突破大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用的障礙

建立全國性的糧食大數(shù)據(jù)資源池的關(guān)鍵是如何突破“信息孤島”。應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)進行追蹤溯源和防偽的關(guān)鍵是如何建立用戶聯(lián)盟。已經(jīng)實現(xiàn)去中心化、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、分布儲存和體系開放的庫存識別代碼，仍是一個突破糧食信息互聯(lián)互通障礙的簡單易行手段。期待基于庫存識別代碼的糧食大數(shù)據(jù)挖掘，為糧食流通的庫存管理、物流、市場、質(zhì)量追溯等提供實質(zhì)的應(yīng)用。