基于5G技術(shù)糧食園區(qū)應(yīng)用探討

汪海鵬，魏 雷，楊 旭，李燕羽

（1. 四川格瑞良云科技有限公司，四川 成都 610000；2. 國家糧食和物資儲備局科學(xué)研究院，北京 100037）

隨著移動通信技術(shù)的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)與實體經(jīng)濟(jì)的融合拓展到更多的業(yè)務(wù)場景，連接規(guī)模更大，應(yīng)用場景更豐富，為滿足產(chǎn)業(yè)發(fā)展和人們生產(chǎn)生活的需求，一種更能適應(yīng)復(fù)雜場景、傳輸性能更佳的新一代通信大數(shù)據(jù)——5G技術(shù)應(yīng)運而生[1]。數(shù)字農(nóng)業(yè)、數(shù)字糧食的進(jìn)步為海量數(shù)據(jù)的收集、合并和分析提供了平臺，澳大利亞已經(jīng)有很多類似的應(yīng)用案例，如Kirby Smart Farm、Queensland Digital Homestead、Sense-T和Digiscape。這些系統(tǒng)正在澳大利亞農(nóng)業(yè)領(lǐng)域部署，目的是提高生產(chǎn)力和盈利能力，并將農(nóng)業(yè)風(fēng)險降到最低[2-3]。這些應(yīng)用案例主要包含農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的云平臺整合多個農(nóng)場拖拉機(jī)的傳感器信息，通過評估當(dāng)前農(nóng)產(chǎn)品數(shù)量、質(zhì)量和價格，預(yù)測未來市場的走向。同時還通過收集作物的生長狀況、倉儲能力和市場變化信息，來調(diào)整和優(yōu)化物流產(chǎn)能[4]。

全國乃至全球的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)和研究人員對大數(shù)據(jù)及其“革命性”產(chǎn)業(yè)的潛力給予極大的關(guān)注。近年來，關(guān)于大數(shù)據(jù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的潛力有很多的研究報道，通過研究其優(yōu)點和平衡其不足，以便能更好的利用該技術(shù)[3-6]。大數(shù)據(jù)比以往能更大的規(guī)模來提取信息，管理人員能更準(zhǔn)確、及時和針對性的獲取信息，更容易獲得資金和其他社會資源的支持，從而為他們的決策和頂層設(shè)計提供依據(jù)。在我國，隨著適合我國儲糧實際的儲糧智能通風(fēng)[7]、智能糧情監(jiān)測[8]、糧堆多場耦合理論[9]等儲糧基礎(chǔ)理論的逐步建立，多數(shù)糧食園區(qū)的信息化、智能化得到升級改造[10]，通過運用物聯(lián)網(wǎng)、人工智能[11]等技術(shù)采集糧食產(chǎn)后全鏈條的信息[12]，并借助基于部分約束信息的大規(guī)模數(shù)據(jù)集EM 概率聚類算法等對糧食產(chǎn)后大數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘[13]，整合空間數(shù)據(jù)引擎，打造糧食產(chǎn)量、品質(zhì)、價格、庫存量和交易量的大數(shù)據(jù)管理平臺[14]。這些都為5G技術(shù)在糧食園區(qū)應(yīng)用夯實了基礎(chǔ)。

本研究旨在根據(jù) 5G技術(shù)特性和應(yīng)用優(yōu)勢，探討 5G技術(shù)在糧食園區(qū)計重、檢測、運輸、清理、監(jiān)測、作業(yè)控制、安全生產(chǎn)等各項物流技術(shù)、儲藏技術(shù)、監(jiān)控技術(shù)、追溯技術(shù)等可能的應(yīng)用場景，提出基于 5G的糧食園區(qū)將會以全新的面貌為糧食倉儲、糧食加工、糧食運輸各個參與者提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，對保障國家糧食安全和促進(jìn)智慧糧食產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。

1 5G技術(shù)在糧食園區(qū)中應(yīng)用的優(yōu)勢分析

隨著信息技術(shù)的升級發(fā)展，通信手段的更新?lián)Q代，根據(jù)傳輸技術(shù)和特征特性等，分成不同時代（表 1）。日前，工信部已經(jīng)給四家運營商頒發(fā)了5G牌照，這標(biāo)志著中國正式進(jìn)入5G商用元年?！?G+糧食”將如何改變我們的未來，主要體現(xiàn)在以下幾方面的優(yōu)勢。

表1 3G、4G和5G時代展望比較

1.1 傳輸速度快

目前制定的標(biāo)準(zhǔn) 5G基站檢測的帶寬峰值要求高于20 Gb/s，相對4G來說是一次“階梯性變革”，網(wǎng)速是4G的10倍以上。5G高速的帶寬特性不僅實現(xiàn)糧油園區(qū)收購、倉儲、加工和成品銷售各個流動環(huán)節(jié)的互聯(lián)，同時將“靜態(tài)”糧情數(shù)據(jù)及時傳輸給倉儲保管員和各個管理層級，在線實時監(jiān)管儲糧質(zhì)量及數(shù)量。特別是在安全生產(chǎn)方面，5G的高網(wǎng)速優(yōu)勢有助于發(fā)現(xiàn)問題點，并能夠以視頻或圖片的形式迅速實時傳遞到對應(yīng)部門，起到快速定位的作用，將隱患控制在發(fā)展期。

1.2 泛在能力高

網(wǎng)絡(luò)泛在能力包括網(wǎng)絡(luò)廣泛覆蓋和縱深覆蓋兩種，是5G能夠廣泛應(yīng)用在糧食園區(qū)中的前提。糧食園區(qū)由于其業(yè)務(wù)經(jīng)營和用地特性，銷售經(jīng)營主要供應(yīng)市區(qū)，儲存和加工環(huán)節(jié)一般均在城市郊區(qū)，而其收購業(yè)務(wù)主要在城鎮(zhèn)農(nóng)村地區(qū)包括偏遠(yuǎn)山區(qū)。網(wǎng)絡(luò)信號不理想，這些節(jié)點的信息就容易缺失，從而無法保障糧食資金和管理的安全性。相比4G，5G是一項覆蓋更全面、泛在能力更強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，基本保證了糧食園區(qū)各個鏈條的通訊暢通，實現(xiàn)糧食經(jīng)濟(jì)人或農(nóng)戶到糧食園區(qū)的無縫對接。

1.3 傳輸?shù)蜁r延

根據(jù)官方預(yù)測未來 5G的最低時延可能達(dá)到1 ms，甚至有可能更低。由于糧食園區(qū)勞動力老齡化，導(dǎo)致糧食園區(qū)管理者和科技人員都將未來寄托到糧面翻糧和平整機(jī)、無人搬運、自動裝卸、智能通風(fēng)、富氮低氧保糧殺蟲、環(huán)流熏蒸等技術(shù)。5G的低時延，滿足這些作業(yè)環(huán)節(jié)對安全性和可靠性的要求，使得糧食園區(qū)中很多無人操作成為可能。

1.4 海量接入特性

5G海量接入特性使得管理者能監(jiān)控和跟蹤到糧食園區(qū)中每一個因素，終端數(shù)量將會膨脹。未來園區(qū)內(nèi)能接入到網(wǎng)絡(luò)終端的包括：稱重設(shè)備、檢測設(shè)備、倉儲設(shè)備、輸送設(shè)備、安防設(shè)備和生產(chǎn)設(shè)備等，真正使得糧食信息化走向全面智能化。同時，5G與物聯(lián)網(wǎng)的完美融合也是促進(jìn)糧食園區(qū)智能化的一個重要原因，通過讓每一個應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)體系按需接入到整體系統(tǒng)中，從而提高服務(wù)質(zhì)量。

1.5 服務(wù)的切片化

糧食園區(qū)應(yīng)用場景多而雜，比如終端設(shè)備涵蓋計重、檢測、運輸、清理、監(jiān)測、作業(yè)控制、安全生產(chǎn)等各項電子應(yīng)用設(shè)備，品種繁多，對網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的兼容性要求非常高。由于 5G具有網(wǎng)絡(luò)切片化功能，使得糧食園區(qū)應(yīng)對在倉儲、加工和運輸需求時只需要以業(yè)務(wù)切片的方式為其調(diào)整屬性，就能靈活地實現(xiàn)各模塊的業(yè)務(wù)功能。因此，5G可以廣泛滿足糧食園區(qū)中各種不同業(yè)務(wù)需求。

2 基于5G網(wǎng)絡(luò)在糧食園區(qū)應(yīng)用場景展望

利用 5G結(jié)合人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等先進(jìn)技術(shù)，賦能糧食園區(qū)安全、作業(yè)、管理、經(jīng)營和服務(wù)環(huán)節(jié)，打造管理數(shù)據(jù)化，應(yīng)急主動化、設(shè)備智能化、服務(wù)精準(zhǔn)化的未來糧食園區(qū)（圖 1），解決傳統(tǒng)糧食園區(qū)長期面臨的“服務(wù)體驗差、綜合安防弱、運營效率低、管理成本高、業(yè)務(wù)創(chuàng)新難”等痛點[15]。

圖1 5G技術(shù)在糧食園區(qū)的應(yīng)用場景

2.1 5G推進(jìn)四項糧油儲藏新技術(shù)智能化

四項儲糧新技術(shù)指的是糧情測控系統(tǒng)、儲糧機(jī)械通風(fēng)、谷物冷卻儲糧和磷化氫環(huán)流熏蒸四項技術(shù)的綜合集成[16]。以四川為例，充分發(fā)揮以低溫技術(shù)領(lǐng)頭的四項儲糧新技術(shù)優(yōu)勢，逐步實現(xiàn)少用藥、不用藥，向綠色儲糧技術(shù)發(fā)展。

盡管傳統(tǒng)糧油倉儲行業(yè)技術(shù)在新時代成長迅速，但依然存在一些問題沒有得到解決。傳統(tǒng)的四項儲糧新技術(shù)之間存在信息孤島，他們信息存儲和傳遞需要人工判斷后再做出合適處理。該過程需要對涉及糧情、出入庫臺賬、品質(zhì)季報等大數(shù)據(jù)及安全存儲技術(shù)進(jìn)行分析研究，可以借助區(qū)塊鏈技術(shù)維護(hù)信息的安全傳輸。但區(qū)塊鏈技術(shù)對大數(shù)據(jù)的實時、高效和可靠的記錄和傳輸，離不開高效快速通信技術(shù)的支持，5G技術(shù)作為其記錄和傳輸通信方式是最佳選擇，保證整體的效率。

2.2 5G推進(jìn)AR技術(shù)在糧食園區(qū)中應(yīng)用

糧食園區(qū)中重點工作倉儲、加工、出入庫等工種的特殊性和專業(yè)性，要達(dá)到手摸牙咬判斷糧食水分，光腳踩糧面尋找糧堆發(fā)熱點等這些專業(yè)保管員技能，對于新進(jìn)的員工和大學(xué)畢業(yè)生必須有老員工的傳幫帶方式，才能進(jìn)入工作的角色。特別是一些安全生產(chǎn)操作環(huán)節(jié)，如糧食倉儲加工作業(yè)中環(huán)流熏蒸過程中如何判斷熏蒸程度和效果，糧情測控傳感器和電纜是否正常，糧食加工過程中器械是否順利等問題，都需要進(jìn)行上崗培訓(xùn)。通過把這些應(yīng)用場景植入到 AR技術(shù)用于員工培訓(xùn)，不僅能大大降低培訓(xùn)成本，還更具有專業(yè)性、通用性和可操作性。在日常的糧情查看工作環(huán)節(jié)，AR技術(shù)可以在視覺環(huán)境中使用箭頭導(dǎo)航糧庫保管員到具體的位置，然后系統(tǒng)會顯示需要進(jìn)行檢查的環(huán)節(jié)，根據(jù)提示保管員可以輕松完成具體操作。同時，對于成品糧或應(yīng)急儲備包裝糧物流倉庫，AR技術(shù)還可以幫助保管員查看倉庫三維布局然后進(jìn)行調(diào)整設(shè)計，提高倉房空間的利用率，保證物流作業(yè)的暢通。在糧食出入庫過程中，有了 AR技術(shù)和后臺運算的支撐，入糧和出糧環(huán)節(jié)可以優(yōu)化運輸?shù)呐漭d和裝載順序，實現(xiàn)更高效、準(zhǔn)確地糧食出入庫流程。因此，AR技術(shù)對于糧食園區(qū)來講是一種非常重要的輔助設(shè)備，能夠引導(dǎo)工作人員高效地完成糧食倉儲、加工、運輸任一環(huán)境下的工作。但是目前 AR技術(shù)沒有在生產(chǎn)實踐中得到很好地應(yīng)用和推廣，其中跨脖子的技術(shù)主要是現(xiàn)有通信帶寬的不支持。隨著 5G時代的到來，特別是在大規(guī)模MIMO技術(shù)支持下，通信更穩(wěn)定，結(jié)合 5G對移動邊緣計算的支撐，使得AR這種高效能視覺應(yīng)用技術(shù)在糧食園區(qū)的落地成為可能。

2.3 5G推進(jìn)糧食園區(qū)進(jìn)一步節(jié)能減排

由于 5G通信其高帶寬和海量接入的特性，集數(shù)據(jù)采集、能耗動態(tài)管理、能耗大數(shù)據(jù)可視化、預(yù)警告警監(jiān)測、能耗分析、APP為一體的節(jié)能減排綜合能效監(jiān)測管理系統(tǒng)，能夠充分滿足糧食園區(qū)能源應(yīng)用過程的數(shù)據(jù)通信和控制需求。在糧食園區(qū)應(yīng)用場景中，5G將用電檢測和智能控制技術(shù)結(jié)合，使得用電供給智能化。糧食園區(qū)中糧食倉儲、糧食加工、糧食出入庫等作業(yè)環(huán)節(jié)的用電再分配技術(shù)和用電數(shù)據(jù)分析控制技術(shù)具有更多的智能性[17]。

5G高效率的數(shù)據(jù)通信，可以及時調(diào)整各用電終端的負(fù)荷，可對糧食園區(qū)倉儲、加工、運輸?shù)拳h(huán)節(jié)的電能負(fù)荷嚴(yán)格把關(guān)控制。用電終端節(jié)點信息采集依賴于 5G將數(shù)據(jù)秒級上傳，與遠(yuǎn)程計電終端數(shù)據(jù)同步，實現(xiàn)高效能源計算。同時 5G可對各種能源型式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)接入融合，從而可以實現(xiàn)各種新能源應(yīng)用于糧食園區(qū)?；?5G的糧食園區(qū)智能電網(wǎng)控制技術(shù)能夠為糧食園區(qū)各環(huán)節(jié)節(jié)省資源成本，從而實現(xiàn)糧食園區(qū)進(jìn)一步節(jié)能減排。

2.4 5G推進(jìn)糧食園區(qū)安防監(jiān)控系統(tǒng)升級

受限于 4G帶寬資源有限，干擾因素多，而視頻信號數(shù)據(jù)量大，實時性要求高等問題。5G作為穩(wěn)定的高帶寬通信技術(shù)，將推進(jìn)糧食園區(qū)安防監(jiān)控系統(tǒng)升級和無線化，從而使得糧食園區(qū)安防監(jiān)控系統(tǒng)具有安裝方便、靈活性強(qiáng)、性價比高等特點。從而可以通過穩(wěn)定帶寬將糧食園區(qū)各個環(huán)節(jié)中出現(xiàn)的問題以視頻或者圖像等數(shù)據(jù)形式及時反饋到數(shù)據(jù)中心。

5G通過云解決方案或移動監(jiān)控解決方案將會使得園區(qū)安防監(jiān)控這一核心的環(huán)節(jié)變得更加高效智能。園區(qū)管理層不僅可以查看糧食物流傳輸路徑，還可以監(jiān)控糧食狀況和進(jìn)行統(tǒng)計分析。各個節(jié)點的工作人員包括運輸人員可以通過共享信息平臺及時了解目的物糧油的實際狀況和接受遠(yuǎn)程指令。因此，5G能夠使得園區(qū)安防從出入庫、倉儲到加工等環(huán)節(jié)都能夠全面、立體、及時的監(jiān)控。相比于傳統(tǒng)的安防系統(tǒng)，5G通信技術(shù)能夠?qū)⒋罅康挠布K端信息無縫接入整個 5G通信平臺中，同時可以隨意剔除和變整，形成一體化監(jiān)控體系。尤其利用 5G可以使園區(qū)安防監(jiān)控系統(tǒng)升級融合 AR技術(shù)，將大幅度提升安防系統(tǒng)的智能化、可視化水平。

2.5 5G推進(jìn)無人運輸技術(shù)在糧食園區(qū)中的應(yīng)用

具有切片技術(shù)和低時延特性，5G一直被認(rèn)為是無人駕駛?cè)嫔逃玫钠鯔C(jī)。糧食園區(qū)中輸運設(shè)備、出入庫設(shè)備、清理除雜設(shè)備、加工配送設(shè)備品類繁多?？梢哉雇性O(shè)備的無人駕駛的全自動化控制。各個設(shè)備內(nèi)置中央處理器，可以自主控制輸運設(shè)備、出入庫設(shè)備、清理除雜設(shè)備、加工配送進(jìn)行加減速、轉(zhuǎn)彎、臨時制動等操作，完全可以脫離保管員，所有數(shù)據(jù)計算都是通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程操控[18]。全自動化控制的園區(qū)設(shè)備相比傳統(tǒng)，可緩解園區(qū)面臨保管員老齡化等實際問題，利用計算機(jī)進(jìn)行運輸路徑的規(guī)劃和決策，利用智能計算完成對臨時環(huán)境的分析，顯得更加安全和高效。5G作為新一代高效性能的移動通信技術(shù)，可以使得輸運設(shè)備、出入庫設(shè)備、清理除雜設(shè)備、加工配送設(shè)備能夠突破非視距感知、數(shù)據(jù)信息即時共享等技術(shù)的智慧化進(jìn)程瓶頸，助力實現(xiàn)糧食園區(qū)功能設(shè)備等全自動化運行和智能化管理的局面。

3 5G網(wǎng)絡(luò)在糧食園區(qū)中應(yīng)用將具有良好的接入特性和智慧特性

糧食園區(qū)下一步將面向智慧化發(fā)展，各個環(huán)節(jié)之間靈活兼容性強(qiáng)，5G使得糧食園區(qū)具有良好的接入特性和智慧特性。

3.1 可視化智慧管理體系

儲糧作為國家重要戰(zhàn)略物資，其數(shù)量和質(zhì)量的真實性對保障國家安全有至關(guān)重要的意義，每年國家都需要花費大量的人力、物力和財力進(jìn)行清倉查庫。因此，管理部門對實時在線可視具有很強(qiáng)要求，把糧食園區(qū)打造成管理全面感知、全局覆蓋以及全程控制的智能可視化應(yīng)用的形式。5G的按需組網(wǎng)、控制轉(zhuǎn)發(fā)分離、網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)靈活以及具有適應(yīng)于嵌入式通信的移動邊緣計算等特征，使得其可以在糧食園區(qū)可視化智慧管理體系中充當(dāng)傳輸層的通信方式。特別是新型清倉查庫手段的提升[19]，對于底層糧情傳感器和數(shù)據(jù)收集智能硬件的數(shù)據(jù)安全傳輸，保證數(shù)據(jù)的可靠性和實時性要求更高。園區(qū)的可視化智慧管理體系利用 5G的高質(zhì)量通信實現(xiàn)了糧情數(shù)據(jù)全程數(shù)據(jù)精準(zhǔn)可視化，為管理層提供了實時界面，對于保證儲糧安全性有著至關(guān)重要的意義。

3.2 智慧化追溯體系

隨著消費者從吃得飽到吃得好過程的轉(zhuǎn)變，糧食園區(qū)的分品種儲存將成為一個發(fā)展趨勢，對于產(chǎn)地的可追溯性要求提出了新的要求，同時還包括加工過程的溯源，從而實現(xiàn)從農(nóng)田到餐桌的可追溯性。糧食園區(qū)智慧化追溯體系是基于 5G海量連接和遠(yuǎn)程實時的特性，利用分布式多節(jié)點的信息共享鏈的多層基礎(chǔ)架構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)，使用大量終端智能自底向上讀取糧食收儲、倉儲、加工、運輸行徑過程數(shù)據(jù)的記錄，實現(xiàn)園區(qū)全程糧油的追蹤和溯源。同時，邊緣服務(wù)器可以使用 5G網(wǎng)絡(luò)收集糧食園區(qū)管理和業(yè)務(wù)終端的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)中心通過匯聚信息，面上應(yīng)用會根據(jù)數(shù)據(jù)信息繪制出園區(qū)可視化場景，給糧食園區(qū)管理層和用戶提供精準(zhǔn)決策。

4 基于5G糧食園區(qū)的未來

5G由于低時延、高帶寬以及海量連接的特性使得其在糧食園區(qū)中能夠作為很多應(yīng)用場景的數(shù)據(jù)傳輸媒介。例如倉儲、加工環(huán)節(jié)將會從智慧特性出發(fā)，收購、物流、倉儲、加工、經(jīng)銷商各環(huán)節(jié)之間將建造共享短鏈?zhǔn)礁咝У逆溄芋w系。5G作為高質(zhì)量的通信數(shù)據(jù)載體，高效地匯聚物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)云計算和區(qū)塊鏈技術(shù)，滿足糧食園區(qū)中的各種作業(yè)需求。

5G對于糧食園區(qū)進(jìn)一步智能化絕對是千載難逢的契機(jī)。基于 5G網(wǎng)絡(luò)的糧食園區(qū)發(fā)展依賴于信息產(chǎn)業(yè)的升級與技術(shù)的發(fā)展，各種應(yīng)用倉儲加工工藝升級需求就會得到很大的釋放。5G網(wǎng)絡(luò)的高帶寬、低時延以及海量接入和其他許多優(yōu)勢不僅使得人工智能等前沿技術(shù)融入糧食園區(qū)成為可能，同時也使得糧食園區(qū)管理、業(yè)務(wù)、傳統(tǒng)工藝技術(shù)互相直接通信更加多元性和高效性。

5 總結(jié)與展望

5G將會在商業(yè)領(lǐng)域開始萌芽，各行各業(yè)開始逐步引入5G應(yīng)用。2020年5G逐步將會進(jìn)入民營時代，全民將會有機(jī)會享受 5G通信技術(shù)的服務(wù)。糧食園區(qū)是一個傳統(tǒng)的存在，也是與許多行業(yè)一樣都站在起跑線上，5G能夠使糧食園區(qū)與當(dāng)前熱點計算機(jī)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)緊密結(jié)合，支撐園區(qū)繁多的功能和提供無差錯的服務(wù)，也將賦予糧油行業(yè)價值延伸的能力?；?5G的糧食園區(qū)將會以全新的面貌為糧食倉儲、糧食加工、糧食運輸各個參與者提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，對保障國家糧食安全和促進(jìn)智慧糧食產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。

備注：本文的彩色圖表可從本刊官網(wǎng)（http://lyspkj.ijournal.cn/ch/index.axpx）、中國知網(wǎng)、萬方、維普、超星等數(shù)據(jù)庫下載獲取。