虛擬現實技術應用于糧情監管的必要性研究

(河南工業大學 河南 鄭州 450000)

我國是一個農業大國，糧食問題關乎基本民生，2017年國家密集出臺多項文件，推進糧食行業信息化工程，提出用信息化這一關鍵手段加大糧食行業企業科技含量促進糧食企業轉型升級。保障儲量質量與糧庫作業安全離不開高效可靠的糧情檢測與管控。在當前時代背景下，虛擬現實(VR)作為更先進的信息化、數字化技術，成為糧庫建設與科技融合的重要入口。VR表現出的沉浸感、交互性和想象性特征，能成為幫助糧庫管理人員迅速探索與理解糧情數據做出決策管控行為的新切入點。

一、倉儲糧情智能化監管是糧食行業信息化的必經之路

早在2011年，中儲糧就提出了早期倉儲管理工作的智能化目標，在二到三年內，以分公司為基本單位，逐步實現倉房通風、烘干、氣調作業的智能化。智能化糧庫建設以“降低勞動強度、降低損失損耗、降低管理成本，提升管理水平、提升經濟效益、提升發展質量”為宗旨，基于現代科技與信息技術，改善儲糧環境、保證數量質量、便捷數據采集與共享、提高數據利用效率，為保障勞動者生命健康安全、國家財產安全提供技術支持與理論依據。

現階段糧庫智能化建設已有較明確的意義，簡而言之，主要是利用了智能傳感技術、通訊技術、計算機技術、射頻識別技術、自動控制技術和專家決策系統等，在糧食日常倉儲管理、糧食購銷等方面進行應用，提升糧油倉儲業務自動化、信息化和智能化管理水平。①

糧情監控系統作為糧庫智能化建設中的重要組成部分，對儲糧品控與糧庫作業安全有著巨大的影響。糧情監控系統中，通過將溫度、濕度及特種氣體傳感器探頭設置在糧庫糧垛內，通過有線或無線數據傳輸，能夠及時獲得儲糧安全方面的各項數據，并利用計算機網絡進行分析與處理。得到相關分析數據、圖表及圖像后，向責任管理員匯報，便于其全面了解儲糧狀況，加大對儲糧溫度、濕度和蟲害霉變等的監控力度，加強風險預警防控工作，這樣才有更多反應與處理的時間，最大限度減小儲糧安全問題造成的損失。傳統被動、粗放的倉儲管理模式，如眼觀、手摸和牙咬等，已經顯得過于落后，現在要采取糧情監控技術，這樣可以全面掌握儲糧過程中出現的各種變化，實現了倉儲效率與精準度的提升，避免出現儲糧風險，減少損失，保證糧食儲存的安全性。此外，通過采取糧情監控技術，可以保證智能熏蒸、智能氣調及智能通風等系統順利運行。

2017年中儲糧已經完成了所有中央直屬糧庫智能化管理的建設，通過數百萬的傳感器，對其管轄下糧庫儲糧情況的實時觀測與數據共享，建成了世界范圍內規模最大糧食物聯網。截至2019年7月，中儲糧智能化糧庫系統已覆蓋全系統900多個庫點。通過傳感設備與傳輸設備對溫度、濕度等糧情數據的采集，計算機配合科學的算法對數據進行分析與預警，完成對每棟倉房的實施遠程糧情監管。決策的過程就是信息處理的過程，精準高效的糧情管控決策需要以真實可靠的數據信息為依據，糧庫管理的智能化就是糧情信息監管的智能化，也是糧食行業信息化的必經之路。

二、糧情遠程管控與無人化倉儲概念是實現糧庫智能管控的階段性目的

智能化糧庫為終能實現“降低勞動強度、降低損失損耗、降低管理成本，提升管理水平、提升經濟效益、提升發展質量”的建設宗旨，依靠遠程管控實現無人化倉儲是重要的發展方向與階段性目標。無人倉儲技術在糧庫幾乎沒有應用，而在發展更為迅速的電商行業應用更為早也更為成熟。

賓夕法尼亞大學工程碩士Frank(2016)提出電商無人倉庫，依靠機械代替人力來完成倉儲流程中的卸貨、存貨、提貨等各項工作大幅度降低勞動強度提高管理水平。在國內人力成本的提高在無形中加重了企業的倉儲成本，為了提高倉儲效率，降低倉儲成本，不少企業在無人智能化方面下足了功夫。其中最具代表性的就是京東的無人倉庫。京東的首個無人倉庫也是全球首個全流程無人貨倉坐落在上海市嘉定區的倉儲樓群，通過智能管控系統、分揀機器人、機械手、全自動打包系統等協同作用。實現了可同時存儲商品6萬箱的成果。

關于無人化倉儲的研究也是當前的理論研究熱點，RFID(電子標簽)、無線射頻等技術的發展給無人倉儲提供了強大的助力，蘇磊(2018)綜合運用RFID編碼、關鍵流程、各系統間的數據交互、用于多線程通信的阻塞并發容器等技術開發了無人倉儲信息系統，解決了現代倉儲中自動盤點、擺放管理等問題。相比較電商倉儲，倉儲糧情所需關注的信息并不是依靠電子標簽就能完成的，儲糧數據規模大、維度多、變化快、關系復雜等特點使得倉儲糧情的監管很難脫離人工參與。關于無人糧庫的研究在國內非常少，針對倉儲糧情維度多變化快的特點天津大學王子琪(2016)深入分析了糧庫內溫度、濕度、氣體濃度等數據對儲糧質量的影響及管控作業的要求，在糧情遠程監測的技術基礎上采用層次化、模塊化思想完成了基于模糊控制理論的糧情監管系統的搭建。②相比較模糊控制理論，另一種觀點是借由人工參與完成現階段智能仍無法完成的監管任務，祁應梅(2017)在關于糧庫信息化管控的研究中，特別針對糧情監管中糧情數據不全面，儲糧狀態無法準確識別的問題，引入人工參與，提出了基于人因工程學的信息目標、功能補充、操作流程等一系列界面與功能優化。③

為實現節首所提智能化糧庫的目的，參照電商行業倉儲的發展趨勢，無人化倉儲將成為未來倉儲發展的主流。而糧庫與儲糧的獨特性使其難以脫離人工的參與，借由傳感技術、無線傳輸技術、成像技術的遠程糧情管控為無人化糧庫提供了可能性，這也將成為糧庫智能管控的新的發展方向與階段性目的。

三、虛擬現實技術應用于糧情監管的優勢

為保障糧工生產安全、降低勞動強度，倉儲糧庫迫切需要智能化甚至是無人化，而糧情監管的特殊性又使得人工的參與不可或缺，所以糧情遠程管控就成為了實現智能管控的優選路徑。王藝錦,張元等早在2010年對數字糧庫的展望中就提到了可視化與虛擬現實(VR)技術使我們可以在三維世界中與具有形體的信息進行互動，把人與機器的力量以一種自然的方式加以統一，從而提高生產效率。④VR技術所表現出沉浸性、交互性、構想性⑤與數據可視化具有良好視覺可適性，并為可視化提供了新的可能性。

(一)模擬真實場景與沉浸體驗提高糧情監管效率與體驗

相比較傳統的2D與桌面3D的糧情監管可視化界面，虛擬現實技術來展示糧情有著巨大的優勢。VR技術與HDM設備通過計算機生成的三維虛擬環境為用戶帶來封閉式感官沉浸從而營造心流狀態提高數據檢測效率。陳亞霖(2013)年淺析了其中部分優勢，虛擬現實靠3D模型來傳遞信息，由于Z軸的出現極大的提高了呈現信息的維度；同時三維圖形的立體感和光影效果高于二維圖形，極大提高軟件視覺效果。除此之外，遠程糧情監管一個很重要的問題就是如何快速的將信息圖表與庫中糧情迅速聯系在一起，因此數據呈現的真實感與臨場感就變得十分重要，虛擬現實技術為觀察者提供封閉式的沉浸體驗，還原糧庫的三維數據模型又能形象地展現糧庫的每一個角落，在這樣的環境中觀察者仿佛置身于糧庫之前甚至糧堆之中，得以將眼前的數據迅速與糧情產生對應，從而提高人們的工作效率。

(二)自然交互助力構建信息思維實現糧情精準管控

倉儲糧情不僅在物理維度上有巨大的體量，還包括有溫度、濕度、水分、氣密、蟲害等多項需要測量與測算的數據。要精準而多角度地完成糧情管控，傳統2D或靜態3D的監管模式需要經由復雜的操作來完成且角度有很大局限性。VR通過物化信息的方式實現自然交互性，幫助人通過觀察數據關系理解事物的本質，建立信息思維。依靠HDM設備與手持設備自由變換角度，快速實現從宏觀到微觀的觀察，甚至可以進入糧堆內部精確觀察部分糧情細節，為更為準確的管控決策提供保障，進一步實現糧情智能化管控。

(三)低認知阻力增益構想性實現糧情推算預測

除數據維度與體量之外，倉儲糧情的數據關系相較其他類別倉儲信息更為復雜而多變，這也使得糧情數據挖掘更為困難。要通過挖掘如此大體量高緯度的數據從而發現深層次數據規律，完成相應的推算與預測，進一步迭代優化糧情管控的時效性與可靠性，就需要對數據的檢索、選擇、語義的縮放、關聯等交互行為更加流暢。VR的構想性通過仿真景象與自然交互降低認知阻力，提高人們認知、處理、分析復雜數據的能力和效率。可將無形的數據化為看得見摸得著的形體，使觀察者可以運用與生俱來的能力與方式來分析處理數據，在提高數據挖掘效率實現數據預測的同時創造新的可能性。

四、虛擬現實應用于智能化糧情監管的局限性及展望

虛擬現實技術發展至今已經應用到許多領域，而在信息可視化尤其是糧情監管領域卻少有關注。不僅因為糧食行業本身沒有走在信息化智能化的前沿，虛擬現實技術本身作為糧情監管信息可視化的載體也存在著一些局限性，隨著技術的發展與研究的推進這些局限性將會有所改善，卻是我們現在不得不面對的。

(一)用戶對傳統信息交互模式的依賴

在各種局限中，最重要的一點是人們對傳統信息交互模式的依賴以及對陌生行為的抵觸限制了虛擬現實信息可視化的推廣。人們最早從紙張中獲取信息，由平面中的文字與符號對應自身符號空間知識與記憶再還原出真實的模型，所以信息交互一度是要經過培訓的，直到信息圖表的出現打開了可視化大門，運用更加通用的符號以求讓所有人都能看得懂。這種抽象符號與信息轉化的交互模式根深蒂固以至于當信息以更加自然的方式出現在我們眼前時很難接受。同時也有部分研究認為虛擬現實沉浸式的體驗不適用于可視化與數據挖掘這樣高精度的操作，這在前文中探討過，感官沉浸配合自然交互可提升對數據觀察活動的主控感從而營造心流集中注意力從而提高效率。為迎合用戶對傳統信息交互模式的依賴，引導其接受并適應新的信息交互模式，目前的糧情監管系統設計需一定程度上延用傳統的信息交互模式，并在核心功能部分發揮虛擬現實優點采用數據全景與自然交互。同時，通過界面友好與信息優化的設計理念，為用戶打造一個過渡的信息交互體驗。

(二)自然交互對操作精度的限制

更加自然的交互方式往往意味著犧牲了交互操作的部分精度。這是在交互發展歷程中不可避免地，比如，觸控交互方式之所以還沒有代替鼠標鍵盤就是因為在像素級別的精密操作中鼠標還是有絕對優勢的。VR設備中常用的手柄在做此類精密操作時更顯得無力。應對此類問題，最直接的方法就是借由人機工程學的相關原理，對信息進行更加規范的設計，將UI元素視覺尺度設計為可以被更有效地識別和操作，必要的時候借助磁性追蹤等輔助操作方法，降低操作難度。視覺設計的方法雖然有效但并不治本，優化交互體驗需要從更頂層的高度出發那就是用戶需求，參照梁又照(2009)的使用情境導向設計方法，通過對用戶使用情境的了解、觀察和預想還原情境，分析其中每一步驟的訴求并得出哪些交互操作是必不可少的，哪些是可以簡化甚至由計算機完成的，對糧情監管作業流程進行行為設計。

(三)復雜信息輸入能力較低

VR難以實現對復雜信息的輸入，如漢字檢索等。在VR糧情監管交互界面設計中，原則上盡量用選擇操作代替輸入，針對無法避免的輸入也要做到盡量簡化。比如在糧溫數據模型中需要刷選特定區域的數據來進行深鉆和縮放，比較方便的做法是將模型按需求切塊并從中選取目標范圍，如果真的需要自定義刷選某個區域則可用到信息簡化法，根據格式塔原理簡化原則，圓心可以簡化為兩個信息圓心和半徑，方形只需確定兩個點就能確定位置與尺寸，貝塞爾線條僅需錨點和抓手就能確定任意形態的曲線，借由類似方法便可以在空間中用盡量簡便的操作進行自定義框選，滿足不同層次的信息交互需求。

(四)人工操作主觀性對糧情監管的影響

在完成經由人工參與的無人化糧庫階段目標后，提高糧情監管效率同時保障糧情信息準確安全，實現更高效的溝通與管理機制就成為之后智能化糧庫的發展方向，一定程度地去中心化管理將是重要手段。比如，糧庫數據的一部分測算值所需借助的參數具有一定地方性，用中心化的權威數值進行測算往往是不科學的，通過去中心化，在一定程度上弱化寡頭權威，保留地方糧情數據個性，保障糧情數據的準確性。由前文所說智能化糧情監管暫時離不開人工，在必要的人工參與情況下，引入區塊鏈技術，實現信息采集、處理與傳遞效率地公開透明，同時完成信息加密，有效規避觀察者主觀行為對監管結果的影響，保障糧情數據地真實可靠與安全。信息監管的“去中心化”，同時也可助力糧庫管理的“扁平化”，實現低層級數的穿透式管理，提高溝通效率。

此外，關于當前的虛擬現實HDM設備體驗不佳以至長時間使用引起是不是的反應也不在少數，而且虛擬現實設備配合能完成圖形渲染的計算機價格昂貴不宜廣泛普及。這些問題將隨著設備的輕量化、高清化、廉價化以及新交互設備、新優化模式的研發而逐步解決。

小結

2020年是“十三五”規劃的收官之年，作為重點工程的糧食行業信息化的重要工作之一就是提升安全監測質量預警能力。⑥虛擬現實技術所表現的沉浸性、構想性、交互性特點為實現經由人工參與的糧情數據遠程智能化監管這一階段性目標提供了方向與動力，其所表現的局限性則需要運用各跨域學科的方法解決。虛擬現實技術并非一種需求而是一種趨勢，其背后是人對拓展認知能力的更原始的需要，利用虛擬現實技術進行糧情信息監管拓寬了虛擬現實的應用領域也優化了糧情監管作業的效率與體驗。

【注釋】

①淺析智能化糧庫的建設與應用現狀.張家德;王福彬;張強;王乃東;莫菊;張力學.《食品安全導刊》.2017-10-25.

②王子琪.無人值守糧食倉儲監控管理系統[D].天津大學,2017.

③祁應梅.糧庫信息化管控系統的設計與應用[D].浙江大學,2017.

④王藝錦,張元,廉飛宇,付麥霞,余章明.數字糧庫的展望[J].電子質量,2010(12):44-46.

⑤趙沁平.什么是“虛擬現實+”?[N].中華讀書報,2016-03-30(017).

⑥國家糧食與物資儲備局(原國家糧食局)糧食行業信息化“十三五”發展規劃.2016-12-30(20-21).