基于三維仿真的立式糧食筒倉信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

摘? 要：為實(shí)現(xiàn)立式糧食筒倉的數(shù)字化管理，借助激光測(cè)距技術(shù)、三維仿真技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等手段，完成了立式糧食筒倉信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該立式糧食筒倉信息管理系統(tǒng)可對(duì)我國(guó)立體筒倉糧食入倉、出倉提供信息化統(tǒng)計(jì)分析與管理功能，為立體筒倉糧食溫度、濕度、霉變進(jìn)行自動(dòng)化遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為立體筒倉糧食存量的自動(dòng)計(jì)量提供了一套較為可行的信息化管理路徑。

關(guān)鍵詞：三維仿真;激光測(cè)距;立式糧食筒倉;信息化管理

中圖分類號(hào)：TP391.9? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-4706（2022）01-0036-04

Abstract： In order to realize the digital management of stereoscopic grain silos， the stereoscopic grain silo information management system is designed with the help of laser ranging technology， 3D simulation technology， Internet of things technology， communication technology and computer network technology. The stereoscopic grain silo information management system can provide informatization statistical analysis and management functions for grain entering and leaving stereoscopic silos in China's stereoscopic grain silo， and provide a set of feasible informatization management path for the automatic remote real-time monitoring of grain temperature， humidity and mildew in stereoscopic silos， and for the automatic measurement of grain stock in stereoscopic silos.

Keywords： 3D simulation; laser ranging; stereoscopic grain silo; informatization management

0? 引? 言

作為糧食儲(chǔ)運(yùn)的主要方式，立式糧食筒倉具有存儲(chǔ)容積大、占地面積小、進(jìn)出倉便捷的優(yōu)點(diǎn)，為我國(guó)糧食的存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)運(yùn)提供便利。但是，由于立式糧食筒倉高度達(dá)到幾十米，單體筒倉儲(chǔ)量可達(dá)數(shù)千噸乃至上萬噸，在傳統(tǒng)管理模式下，立式糧食筒倉存儲(chǔ)量的盤點(diǎn)、溫度控制、濕度控制、通風(fēng)控制等工作煩瑣、效率低下，甚至盤庫工作人員的安全也存在一定隱患。如何實(shí)現(xiàn)立式糧食筒倉存儲(chǔ)量的即時(shí)盤點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)立式糧食筒倉溫度、濕度、霉變、蟲害的即時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)除濕工作的遠(yuǎn)程控制，是糧食倉管人員和相關(guān)管理機(jī)構(gòu)共同關(guān)注的熱門課題。為此，本文在充分調(diào)研立式糧食筒倉現(xiàn)行管理體制的基礎(chǔ)上，結(jié)合三維仿真技術(shù)、激光測(cè)距技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究進(jìn)展，提出一套基于三維仿真的立式糧食筒倉信息管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)模型，以解決傳統(tǒng)模式下立式糧食筒倉管理的多方面問題，為立式糧食筒倉的信息化管理提供路徑和方法。

1? 立式糧食筒倉信息管理系統(tǒng)需求分析

“十四五”時(shí)期糧食和物資儲(chǔ)備領(lǐng)域?qū)ｍ?xiàng)規(guī)劃指出：“端牢中國(guó)飯碗，守住大國(guó)糧倉，保障國(guó)家糧食安全”是我國(guó)糧食儲(chǔ)備的核心內(nèi)容;推進(jìn)“數(shù)字糧儲(chǔ)”建設(shè)，守住管好“天下糧倉”是保證國(guó)家糧食安全的重要手段。但是，目前我國(guó)糧食儲(chǔ)運(yùn)過程中，信息化建設(shè)及管理水平均有待進(jìn)一步提高，部分糧倉在糧食儲(chǔ)運(yùn)過程中，由于缺乏系統(tǒng)的數(shù)據(jù)支撐，導(dǎo)致糧倉調(diào)運(yùn)不及時(shí)，管理不清晰，導(dǎo)致糧食霉變、遺漏問題時(shí)有發(fā)生，造成大量糧食浪費(fèi)。譬如2017年，河南新野縣中儲(chǔ)糧萬噸糧食被遺忘7年之久，導(dǎo)致部分糧食儲(chǔ)備浪費(fèi);2021年中央紀(jì)委通報(bào)10起糧食“碩鼠”典型案例，由于糧倉信息化管理不完成善，導(dǎo)致虛假糧食儲(chǔ)量腐敗案例屢禁不止;2021年3月，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院根據(jù)部分糧倉數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)糧食全產(chǎn)業(yè)鏈總損耗率約12%，其中糧食霉變、蟲害、濕控、溫控管理不當(dāng)是造成糧食損耗的主要原因。以上分析可以看出，由于主觀或客觀原因的復(fù)雜多樣，我國(guó)糧食儲(chǔ)運(yùn)安全形勢(shì)嚴(yán)峻。為了更好地完成我國(guó)糧食的安全儲(chǔ)備，守住大國(guó)糧倉，最大限度減少由于管理不善對(duì)糧食儲(chǔ)運(yùn)造成的損失，借助信息化的手段，完成糧食儲(chǔ)運(yùn)的全程流程化管理，成為當(dāng)前亟須開展的重要工作。立式糧食筒倉是當(dāng)前我國(guó)糧食儲(chǔ)運(yùn)的主要模式，做好立式糧食筒倉的信息化全流程網(wǎng)絡(luò)化管理，成為解決我國(guó)糧食安全儲(chǔ)運(yùn)的關(guān)鍵。為此，立式糧食筒倉信息管理系統(tǒng)需求總結(jié)為：

（1）需要完成單體立式糧食筒倉進(jìn)倉量、出倉量、現(xiàn)有糧食儲(chǔ)量的信息數(shù)據(jù)記錄與動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)顯示立式糧食筒倉的當(dāng)前糧食儲(chǔ)量、進(jìn)倉時(shí)間的信息數(shù)據(jù)。

（2）需要完成單體立式糧食筒倉溫度、濕度、霉變、蟲害的即時(shí)監(jiān)測(cè)，借助立式糧食筒倉信息管理系統(tǒng)定時(shí)為糧食倉管人員提供糧食儲(chǔ)存狀態(tài)的即時(shí)信息。

（3）糧食倉管人員通過客戶端（PC端或移動(dòng)端）實(shí)時(shí)查詢以上信息，實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)分析糧食儲(chǔ)備信息，對(duì)進(jìn)倉儲(chǔ)存時(shí)間較長(zhǎng)的糧食顯示預(yù)警信息;對(duì)溫度、濕度、霉變等超出警戒值的糧食筒倉發(fā)出警報(bào)提醒信息。

（4）糧食倉管人員可以通過立式糧食筒倉信息管理系統(tǒng)完成筒倉通風(fēng)設(shè)備、降濕除霉設(shè)備的遠(yuǎn)程化控制。

2? 立式糧食筒倉信息管理系統(tǒng)的整體框架設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)立式糧食筒倉的數(shù)字化管理，結(jié)合當(dāng)前激光測(cè)距技術(shù)、三維仿真技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，本文對(duì)立式糧食筒倉信息管理系統(tǒng)的整體框架設(shè)計(jì)如圖1所示，為了完成立式糧食筒倉的信息管理化管理，在傳統(tǒng)立式筒倉的基礎(chǔ)上，增加多組溫度自動(dòng)監(jiān)測(cè)器和濕度監(jiān)測(cè)器，從多個(gè)方位對(duì)立式筒倉的溫度、濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在立式筒倉的頂部，加裝三組全息測(cè)量相機(jī)和激光測(cè)距傳感器，相機(jī)呈現(xiàn)120度夾角分布，該測(cè)量相機(jī)可對(duì)倉內(nèi)糧食存儲(chǔ)狀況、存儲(chǔ)高度進(jìn)行全角度的即時(shí)記錄，對(duì)筒倉內(nèi)糧食顏色、病蟲進(jìn)行高清拍攝，激光測(cè)距傳感器對(duì)筒倉內(nèi)糧食表面進(jìn)行測(cè)距。在頂部加裝自動(dòng)控制的排風(fēng)器，可以根據(jù)筒倉糧食溫度、濕度等狀況自動(dòng)開啟排風(fēng)降濕作業(yè)。在筒倉外壁加裝無線連接設(shè)備，實(shí)現(xiàn)信息無線傳輸。

根據(jù)以上裝置設(shè)計(jì)，立式糧食筒倉信息管理系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)如圖2所示。立式糧食筒倉信息管理系統(tǒng)借助溫度監(jiān)測(cè)器、濕度監(jiān)測(cè)器、激光測(cè)距傳感器、測(cè)量相機(jī)等裝置對(duì)立式筒倉各項(xiàng)實(shí)時(shí)信息進(jìn)行記錄，并把記錄結(jié)果實(shí)時(shí)反饋至立式糧食筒倉信息管理系統(tǒng);系統(tǒng)在接收到相關(guān)數(shù)據(jù)之后，會(huì)根據(jù)輸入信息進(jìn)行信息處理和比對(duì)。系統(tǒng)管理人員對(duì)各項(xiàng)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，系統(tǒng)工作人員可以通過電腦端和移動(dòng)端，對(duì)采集的立式筒倉糧食存儲(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、統(tǒng)計(jì)，當(dāng)溫度或濕度超過警戒線時(shí)會(huì)發(fā)出報(bào)警信息，也可以自動(dòng)激發(fā)排風(fēng)裝置、除霉殺菌裝置等，對(duì)立式筒倉進(jìn)行自動(dòng)化智能處理。

3? 立式糧食筒倉信息管理系統(tǒng)的功能模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)立式糧食筒倉信息管理的需要，立式糧食筒倉信息管理系統(tǒng)的功能模塊主要包括系統(tǒng)功能設(shè)置模塊、系統(tǒng)用戶管理模塊、糧食進(jìn)倉控制模塊、糧食出倉控制模塊、倉儲(chǔ)統(tǒng)計(jì)分析模塊、倉儲(chǔ)監(jiān)測(cè)預(yù)警模塊、倉儲(chǔ)自動(dòng)化控制模塊等，如圖3所示。

具體模塊設(shè)計(jì)為：

（1）系統(tǒng)功能設(shè)置模塊設(shè)計(jì)。該模塊主要完成立式糧食筒倉信息的設(shè)置，比如設(shè)置序號(hào)1#筒倉、2#筒倉、3#筒倉的接口信息，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)筒倉各項(xiàng)信息數(shù)據(jù)的采集;完成系統(tǒng)數(shù)據(jù)的備份、預(yù)警臨界值的設(shè)置、系統(tǒng)模塊的個(gè)性化定制等。

（2）系統(tǒng)用戶管理模塊設(shè)計(jì)。該模塊主要完成系統(tǒng)管理人員的設(shè)置、系統(tǒng)工作人員用戶等級(jí)和管理權(quán)限的設(shè)置，系統(tǒng)登錄日志的記錄等。

（3）糧食進(jìn)倉控制模塊。該模塊主要記錄進(jìn)倉糧食的時(shí)間、人員、單據(jù)、品質(zhì)等級(jí)、重量，以及糧食進(jìn)倉的其他需要標(biāo)注的信息。測(cè)量相機(jī)會(huì)同步記錄進(jìn)倉前的影像信息和進(jìn)倉后的影像信息。

（4）糧食出倉控制模塊。該模塊主要記錄出倉糧食的時(shí)間、人員、單據(jù)、品質(zhì)等級(jí)、重量，以及糧食出倉的其他需要標(biāo)注的信息。測(cè)量相機(jī)會(huì)同步記錄出倉前的影像信息和出倉后的影像信息。

（5）糧食統(tǒng)計(jì)分析模塊。系統(tǒng)會(huì)根據(jù)立式糧食筒倉進(jìn)倉和出倉影像信息，借助三維仿真模型，完成立式糧食筒倉存儲(chǔ)糧食立式形狀的仿真模擬，并根據(jù)激光測(cè)距傳感器測(cè)量結(jié)果和仿真模擬出的立式形狀，計(jì)算實(shí)時(shí)糧食儲(chǔ)存量。該計(jì)算結(jié)果與原庫存量、現(xiàn)糧食庫存量、入庫量或出庫量進(jìn)行核對(duì)，計(jì)算誤差值，為庫存盤點(diǎn)提供支撐。三維仿真的立式糧食筒倉計(jì)量方法將在下節(jié)詳細(xì)介紹。

（6）倉儲(chǔ)監(jiān)測(cè)預(yù)警模塊。立式筒倉設(shè)置多點(diǎn)溫度自動(dòng)監(jiān)測(cè)器、濕度監(jiān)測(cè)器、激光測(cè)距傳感器、測(cè)量相機(jī)，記錄立式倉儲(chǔ)的實(shí)時(shí)溫度、濕度、影像，并根據(jù)這些信息的統(tǒng)計(jì)趨勢(shì)。并以圖形的樣式展現(xiàn)立式筒倉的實(shí)時(shí)狀況。當(dāng)監(jiān)測(cè)信息達(dá)到預(yù)警閾值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出預(yù)警信息，根據(jù)設(shè)置，當(dāng)監(jiān)測(cè)信息達(dá)到一定閾值時(shí)，系統(tǒng)也可以自動(dòng)觸發(fā)自動(dòng)排風(fēng)除霉裝置。

4? 基于三維仿真的立式糧食筒倉計(jì)量設(shè)計(jì)

在傳統(tǒng)模式下，立式糧食筒倉計(jì)量采取人工賬簿與生產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)合的統(tǒng)計(jì)模式。在糧食進(jìn)倉時(shí)，由筒倉作業(yè)人員記錄進(jìn)倉糧食的時(shí)間、品質(zhì)、重量及相關(guān)審驗(yàn)單據(jù)等信息;糧食出倉時(shí)，同樣記錄以上信息，并把所有進(jìn)倉糧食減去出倉糧食作為當(dāng)前倉儲(chǔ)糧食。在傳統(tǒng)模式下，由于頻繁進(jìn)倉和出倉過程中的誤差，導(dǎo)致當(dāng)前倉儲(chǔ)糧食實(shí)際存量和賬簿統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)誤差逐步增大;同時(shí)，當(dāng)出現(xiàn)倉儲(chǔ)實(shí)際存量與賬簿統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)差距較大時(shí)，也難以追蹤具體什么原因?qū)е聦?shí)際倉儲(chǔ)糧食不符，給相關(guān)管理人員帶來一定管理風(fēng)險(xiǎn)。

為了解決傳統(tǒng)筒倉管理計(jì)量的各種問題，本文提出基于三維仿真的立式糧食筒倉計(jì)量設(shè)計(jì)方法，旨在完成立式筒倉糧食進(jìn)倉、出倉的即時(shí)影像記錄，并借助影像數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)筒倉糧食存量的三維仿真和自動(dòng)計(jì)量。本方法中，首先借助安裝在筒倉頂部的三部激光測(cè)距傳感器、全息相機(jī)裝置，記錄入（出）倉前后的影像信息和激光測(cè)距信息，借助軟件模塊將激光測(cè)距傳感器記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行合成加工，最終生成筒倉糧食的即時(shí)三維模型，完成立式糧食筒倉存儲(chǔ)糧食立式形狀的仿真模擬。2017年，四川大學(xué)電子信息學(xué)院李玲玲、王正勇、卿粼波和成都西圖科技有限公司何海波提出了基于Kinect 2.0深度圖像的快速體積測(cè)量的方法，該方法使用Kinect 2.0深度傳感器獲得深度圖像及對(duì)應(yīng)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)矩陣，并對(duì)深度圖像進(jìn)行增強(qiáng)、二值化、目標(biāo)提取等預(yù)處理，定位出目標(biāo)物體。然后，通過像素點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)和點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理得到目標(biāo)物體的面積、高度，最后由面積和高度完成目標(biāo)物體的體積計(jì)算。經(jīng)驗(yàn)證，這種方法的體積測(cè)量誤差控制在3%以內(nèi)，滿足實(shí)時(shí)性的誤差要求。本文將借鑒該方法，根據(jù)仿真模擬出的糧食立式形狀，計(jì)算實(shí)時(shí)糧食的體積，繼而根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)密度值計(jì)算出即時(shí)的糧食儲(chǔ)存量。該計(jì)算結(jié)果與原存儲(chǔ)量、現(xiàn)糧食存儲(chǔ)量、進(jìn)倉量或出倉量進(jìn)行核對(duì)，計(jì)算誤差值，為庫存盤點(diǎn)提供支撐。同時(shí)高清的影像資料也可以幫助倉管人員了解筒倉內(nèi)糧食表面的霉變、病腐等狀況，便于筒倉糧食信息的即時(shí)監(jiān)測(cè)。如圖4所示，左圖為實(shí)驗(yàn)倉儲(chǔ)原有的糧食倉儲(chǔ)立式圖像，右圖為一批糧食進(jìn)倉后的糧食倉儲(chǔ)立式圖像，借助本方法，可以計(jì)算出原有糧食的即時(shí)體積、該批糧食進(jìn)倉后的倉儲(chǔ)體積，兩者體積之差即糧食倉儲(chǔ)立式圖像為本次進(jìn)倉糧食的體積。

5? 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)

本課題主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)筒倉信息的全流程化管理和筒倉的自動(dòng)化遠(yuǎn)程控制，為筒倉糧食儲(chǔ)運(yùn)信息的記錄、盤點(diǎn)，為倉儲(chǔ)糧食的調(diào)度和監(jiān)督巡檢提供較為全面的數(shù)據(jù)支撐。在該信息管理體系中，溫度自動(dòng)化測(cè)量、濕度的即時(shí)性測(cè)量、霉變和蟲腐等遠(yuǎn)程測(cè)量都已經(jīng)具有較為成熟元件設(shè)備。所以，本課題的核心問題是如何解決立筒倉內(nèi)部物料體積的測(cè)量問題。為此，筆者借鑒了基于Kinect 2.0深度圖像的快速體積測(cè)量的方法，并把該方法應(yīng)用于立式筒倉中糧食體積的測(cè)量。在具體測(cè)量過程中，首先借助影像資料完成筒倉糧食立式圖形的模擬，然后，借助Kinect 2.0完成筒倉糧食立式模擬圖形體積的測(cè)量。借助測(cè)量相機(jī)和激光測(cè)距傳感器，測(cè)量筒倉中糧食上方不同位置到激光測(cè)距傳感器的距離，借助三維模擬，形成糧食三維圖像數(shù)據(jù)，并以此計(jì)算出當(dāng)前的倉儲(chǔ)體積。Kinect 2.0預(yù)覽版的Depth傳感器，采用的是“Time of Flight（TOF）”的方式，通過從投射的紅外線反射后返回的時(shí)間來取得Depth信息，把筒倉劃分為若干近似圓柱體（當(dāng)劃分量足夠大時(shí)，可以把不規(guī)則形狀看作近似圓柱體），然后借助體積計(jì)算公式：v=s×h，計(jì)算出這些圓柱體的體積，累加后即為筒倉內(nèi)糧食體積。筒倉內(nèi)糧食體積乘以糧食密度即為總重量。

由于糧食倉儲(chǔ)進(jìn)倉和出倉信息量不大，在軟件設(shè)計(jì)上，選擇JSP+servlet+完成軟件設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)庫構(gòu)建選擇mysql。軟件設(shè)計(jì)過程中，按照功能模塊逐個(gè)實(shí)現(xiàn)軟件編碼，數(shù)據(jù)采集借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)從各傳感器中獲得，借助算法完成筒倉糧食即時(shí)信息。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通過無線收發(fā)器，控制安裝在立筒倉上的多個(gè)測(cè)量設(shè)備，并獲取測(cè)量的結(jié)果，從而完成筒倉內(nèi)糧食存儲(chǔ)狀況的監(jiān)控和管理。筒倉信息管理系統(tǒng)與無線收發(fā)器相連，將收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理，以圖形化、表格化的方式展現(xiàn)給筒倉管理人員使用。立體筒倉信息管理系統(tǒng)軟件運(yùn)行界面如圖5所示。至此，借助本文提出的立式糧食筒倉信息管理系統(tǒng)，完成筒倉糧食信息的進(jìn)倉、出倉、存儲(chǔ)自動(dòng)計(jì)量、遠(yuǎn)程監(jiān)視與遠(yuǎn)程操作管理等，為筒倉信息化管理提供一套較為可行的方案。

6? 結(jié)? 論

立式糧食筒倉是當(dāng)前我國(guó)糧食儲(chǔ)運(yùn)的主要模式，在信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)逐步成熟的今天，推行立式糧食筒倉的信息化管理，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)糧食儲(chǔ)備信息成為解決我國(guó)糧食安全儲(chǔ)運(yùn)的關(guān)鍵。本文研究的難點(diǎn)是筒倉糧食儲(chǔ)運(yùn)的自動(dòng)化計(jì)量，為了完成該項(xiàng)任務(wù)，在筒倉頂部安裝三套測(cè)量相機(jī)和激光測(cè)距傳感器，設(shè)備夾角為120度，借助三個(gè)角度的測(cè)量，可以獲得更為精準(zhǔn)的采集數(shù)據(jù)并計(jì)算筒倉內(nèi)糧食的體積，同時(shí)溫度和濕度測(cè)量?jī)x也分別安裝在筒倉的底部、中部和頂部，并按照一定時(shí)間間隔把筒倉內(nèi)空氣溫度和濕度測(cè)量數(shù)據(jù)返回至筒倉信息管理系統(tǒng)。借此系列測(cè)量數(shù)據(jù)，為筒倉糧食的信息化、網(wǎng)絡(luò)化、自動(dòng)化管理提供支撐，為筒倉糧食的遠(yuǎn)程化盤點(diǎn)、計(jì)量和監(jiān)測(cè)提供路徑，為我國(guó)立式筒倉糧食的安全管理提供理論參考。

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作者簡(jiǎn)介：鐘益彬（1973.10—），男，漢族，廣東深圳人，碩士研究生，研究方向：糧食筒倉類、輸送設(shè)備類研究。