基于5G技術糧食園區應用探討

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研究院，北京 100037）

隨著移動通信技術的發展，互聯網與實體經濟的融合拓展到更多的業務場景，連接規模更大，應用場景更豐富，為滿足產業發展和人們生產生活的需求，一種更能適應復雜場景、傳輸性能更佳的新一代通信大數據——5G技術應運而生[1]。數字農業、數字糧食的進步為海量數據的收集、合并和分析提供了平臺，澳大利亞已經有很多類似的應用案例，如Kirby Smart Farm、Queensland Digital Homestead、Sense-T和Digiscape。這些系統正在澳大利亞農業領域部署，目的是提高生產力和盈利能力，并將農業風險降到最低[2-3]。這些應用案例主要包含農業領域的云平臺整合多個農場拖拉機的傳感器信息，通過評估當前農產品數量、質量和價格，預測未來市場的走向。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，來調整和優化物流產能[4]。

全國乃至全球的農業產業和研究人員對大數據及其“革命性”產業的潛力給予極大的關注。近年來，關于大數據在農業領域應用的潛力有很多的研究報道，通過研究其優點和平衡其不足，以便能更好的利用該技術[3-6]。大數據比以往能更大的規模來提取信息，管理人員能更準確、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計提供依據。在我國，隨著適合我國儲糧實際的儲糧智能通風[7]、智能糧情監測[8]、糧堆多場耦合理論[9]等儲糧基礎理論的逐步建立，多數糧食園區的信息化、智能化得到升級改造[10]，通過運用物聯網、人工智能[11]等技術采集糧食產后全鏈條的信息[12]，并借助基于部分約束信息的大規模數據集EM 概率聚類算法等對糧食產后大數據進行挖掘[13]，整合空間數據引擎，打造糧食產量、品質、價格、庫存量和交易量的大數據管理平臺[14]。這些都為5G技術在糧食園區應用夯實了基礎。

本研究旨在根據 5G技術特性和應用優勢，探討 5G技術在糧食園區計重、檢測、運輸、清理、監測、作業控制、安全生產等各項物流技術、儲藏技術、監控技術、追溯技術等可能的應用場景，提出基于 5G的糧食園區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質的服務，對保障國家糧食安全和促進智慧糧食產業發展具有重要意義。

1 5G技術在糧食園區中應用的優勢分析

隨著信息技術的升級發展，通信手段的更新換代，根據傳輸技術和特征特性等，分成不同時代（表 1）。日前，工信部已經給四家運營商頒發了5G牌照，這標志著中國正式進入5G商用元年。“5G+糧食”將如何改變我們的未來，主要體現在以下幾方面的優勢。

表1 3G、4G和5G時代展望比較

1.1 傳輸速度快

目前制定的標準 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”，網速是4G的10倍以上。5G高速的帶寬特性不僅實現糧油園區收購、倉儲、加工和成品銷售各個流動環節的互聯，同時將“靜態”糧情數據及時傳輸給倉儲保管員和各個管理層級，在線實時監管儲糧質量及數量。特別是在安全生產方面，5G的高網速優勢有助于發現問題點，并能夠以視頻或圖片的形式迅速實時傳遞到對應部門，起到快速定位的作用，將隱患控制在發展期。

1.2 泛在能力高

網絡泛在能力包括網絡廣泛覆蓋和縱深覆蓋兩種，是5G能夠廣泛應用在糧食園區中的前提。糧食園區由于其業務經營和用地特性，銷售經營主要供應市區，儲存和加工環節一般均在城市郊區，而其收購業務主要在城鎮農村地區包括偏遠山區。網絡信號不理想，這些節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、泛在能力更強的網絡通信技術，基本保證了糧食園區各個鏈條的通訊暢通，實現糧食經濟人或農戶到糧食園區的無縫對接。

1.3 傳輸低時延

根據官方預測未來 5G的最低時延可能達到1 ms，甚至有可能更低。由于糧食園區勞動力老齡化，導致糧食園區管理者和科技人員都將未來寄托到糧面翻糧和平整機、無人搬運、自動裝卸、智能通風、富氮低氧保糧殺蟲、環流熏蒸等技術。5G的低時延，滿足這些作業環節對安全性和可靠性的要求，使得糧食園區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控和跟蹤到糧食園區中每一個因素，終端數量將會膨脹。未來園區內能接入到網絡終端的包括：稱重設備、檢測設備、倉儲設備、輸送設備、安防設備和生產設備等，真正使得糧食信息化走向全面智能化。同時，5G與物聯網的完美融合也是促進糧食園區智能化的一個重要原因，通過讓每一個應用網絡體系按需接入到整體系統中，從而提高服務質量。

1.5 服務的切片化

糧食園區應用場景多而雜，比如終端設備涵蓋計重、檢測、運輸、清理、監測、作業控制、安全生產等各項電子應用設備，品種繁多，對網絡通信技術的兼容性要求非常高。由于 5G具有網絡切片化功能，使得糧食園區應對在倉儲、加工和運輸需求時只需要以業務切片的方式為其調整屬性，就能靈活地實現各模塊的業務功能。因此，5G可以廣泛滿足糧食園區中各種不同業務需求。

2 基于5G網絡在糧食園區應用場景展望

利用 5G結合人工智能、物聯網、大數據、云計算等先進技術，賦能糧食園區安全、作業、管理、經營和服務環節，打造管理數據化，應急主動化、設備智能化、服務精準化的未來糧食園區（圖 1），解決傳統糧食園區長期面臨的“服務體驗差、綜合安防弱、運營效率低、管理成本高、業務創新難”等痛點[15]。

圖1 5G技術在糧食園區的應用場景

2.1 5G推進四項糧油儲藏新技術智能化

四項儲糧新技術指的是糧情測控系統、儲糧機械通風、谷物冷卻儲糧和磷化氫環流熏蒸四項技術的綜合集成[16]。以四川為例，充分發揮以低溫技術領頭的四項儲糧新技術優勢，逐步實現少用藥、不用藥，向綠色儲糧技術發展。

盡管傳統糧油倉儲行業技術在新時代成長迅速，但依然存在一些問題沒有得到解決。傳統的四項儲糧新技術之間存在信息孤島，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、品質季報等大數據及安全存儲技術進行分析研究，可以借助區塊鏈技術維護信息的安全傳輸。但區塊鏈技術對大數據的實時、高效和可靠的記錄和傳輸，離不開高效快速通信技術的支持，5G技術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AR技術在糧食園區中應用

糧食園區中重點工作倉儲、加工、出入庫等工種的特殊性和專業性，要達到手摸牙咬判斷糧食水分，光腳踩糧面尋找糧堆發熱點等這些專業保管員技能，對于新進的員工和大學畢業生必須有老員工的傳幫帶方式，才能進入工作的角色。特別是一些安全生產操作環節，如糧食倉儲加工作業中環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，都需要進行上崗培訓。通過把這些應用場景植入到 AR技術用于員工培訓，不僅能大大降低培訓成本，還更具有專業性、通用性和可操作性。在日常的糧情查看工作環節，AR技術可以在視覺環境中使用箭頭導航糧庫保管員到具體的位置，然后系統會顯示需要進行檢查的環節，根據提示保管員可以輕松完成具體操作。同時，對于成品糧或應急儲備包裝糧物流倉庫，AR技術還可以幫助保管員查看倉庫三維布局然后進行調整設計，提高倉房空間的利用率，保證物流作業的暢通。在糧食出入庫過程中，有了 AR技術和后臺運算的支撐，入糧和出糧環節可以優化運輸的配載和裝載順序，實現更高效、準確地糧食出入庫流程。因此，AR技術對于糧食園區來講是一種非常重要的輔助設備，能夠引導工作人員高效地完成糧食倉儲、加工、運輸任一環境下的工作。但是目前 AR技術沒有在生產實踐中得到很好地應用和推廣，其中跨脖子的技術主要是現有通信帶寬的不支持。隨著 5G時代的到來，特別是在大規模MIMO技術支持下，通信更穩定，結合 5G對移動邊緣計算的支撐，使得AR這種高效能視覺應用技術在糧食園區的落地成為可能。

2.3 5G推進糧食園區進一步節能減排

由于 5G通信其高帶寬和海量接入的特性，集數據采集、能耗動態管理、能耗大數據可視化、預警告警監測、能耗分析、APP為一體的節能減排綜合能效監測管理系統，能夠充分滿足糧食園區能源應用過程的數據通信和控制需求。在糧食園區應用場景中，5G將用電檢測和智能控制技術結合，使得用電供給智能化。糧食園區中糧食倉儲、糧食加工、糧食出入庫等作業環節的用電再分配技術和用電數據分析控制技術具有更多的智能性[17]。

5G高效率的數據通信，可以及時調整各用電終端的負荷，可對糧食園區倉儲、加工、運輸等環節的電能負荷嚴格把關控制。用電終端節點信息采集依賴于 5G將數據秒級上傳，與遠程計電終端數據同步，實現高效能源計算。同時 5G可對各種能源型式進行網絡接入融合，從而可以實現各種新能源應用于糧食園區。基于 5G的糧食園區智能電網控制技術能夠為糧食園區各環節節省資源成本，從而實現糧食園區進一步節能減排。

2.4 5G推進糧食園區安防監控系統升級

受限于 4G帶寬資源有限，干擾因素多，而視頻信號數據量大，實時性要求高等問題。5G作為穩定的高帶寬通信技術，將推進糧食園區安防監控系統升級和無線化，從而使得糧食園區安防監控系統具有安裝方便、靈活性強、性價比高等特點。從而可以通過穩定帶寬將糧食園區各個環節中出現的問題以視頻或者圖像等數據形式及時反饋到數據中心。

5G通過云解決方案或移動監控解決方案將會使得園區安防監控這一核心的環節變得更加高效智能。園區管理層不僅可以查看糧食物流傳輸路徑，還可以監控糧食狀況和進行統計分析。各個節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程指令。因此，5G能夠使得園區安防從出入庫、倉儲到加工等環節都能夠全面、立體、及時的監控。相比于傳統的安防系統，5G通信技術能夠將大量的硬件終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，形成一體化監控體系。尤其利用 5G可以使園區安防監控系統升級融合 AR技術，將大幅度提升安防系統的智能化、可視化水平。

2.5 5G推進無人運輸技術在糧食園區中的應用

具有切片技術和低時延特性，5G一直被認為是無人駕駛全面商用的契機。糧食園區中輸運設備、出入庫設備、清理除雜設備、加工配送設備品類繁多。可以展望所有設備的無人駕駛的全自動化控制。各個設備內置中央處理器，可以自主控制輸運設備、出入庫設備、清理除雜設備、加工配送進行加減速、轉彎、臨時制動等操作，完全可以脫離保管員，所有數據計算都是通過網絡遠程操控[18]。全自動化控制的園區設備相比傳統，可緩解園區面臨保管員老齡化等實際問題，利用計算機進行運輸路徑的規劃和決策，利用智能計算完成對臨時環境的分析，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，可以使得輸運設備、出入庫設備、清理除雜設備、加工配送設備能夠突破非視距感知、數據信息即時共享等技術的智慧化進程瓶頸，助力實現糧食園區功能設備等全自動化運行和智能化管理的局面。

3 5G網絡在糧食園區中應用將具有良好的接入特性和智慧特性

糧食園區下一步將面向智慧化發展，各個環節之間靈活兼容性強，5G使得糧食園區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略物資，其數量和質量的真實性對保障國家安全有至關重要的意義，每年國家都需要花費大量的人力、物力和財力進行清倉查庫。因此，管理部門對實時在線可視具有很強要求，把糧食園區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用的形式。5G的按需組網、控制轉發分離、網絡異構靈活以及具有適應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可視化智慧管理體系中充當傳輸層的通信方式。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據收集智能硬件的數據安全傳輸，保證數據的可靠性和實時性要求更高。園區的可視化智慧管理體系利用 5G的高質量通信實現了糧情數據全程數據精準可視化，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變，糧食園區的分品種儲存將成為一個發展趨勢，對于產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，從而實現從農田到餐桌的可追溯性。糧食園區智慧化追溯體系是基于 5G海量連接和遠程實時的特性，利用分布式多節點的信息共享鏈的多層基礎架構物聯網，使用大量終端智能自底向上讀取糧食收儲、倉儲、加工、運輸行徑過程數據的記錄，實現園區全程糧油的追蹤和溯源。同時，邊緣服務器可以使用 5G網絡收集糧食園區管理和業務終端的數據，數據中心通過匯聚信息，面上應用會根據數據信息繪制出園區可視化場景，給糧食園區管理層和用戶提供精準決策。

4 基于5G糧食園區的未來

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中能夠作為很多應用場景的數據傳輸媒介。例如倉儲、加工環節將會從智慧特性出發，收購、物流、倉儲、加工、經銷商各環節之間將建造共享短鏈式高效的鏈接體系。5G作為高質量的通信數據載體，高效地匯聚物聯網、人工智能、大數據云計算和區塊鏈技術，滿足糧食園區中的各種作業需求。

5G對于糧食園區進一步智能化絕對是千載難逢的契機。基于 5G網絡的糧食園區發展依賴于信息產業的升級與技術的發展，各種應用倉儲加工工藝升級需求就會得到很大的釋放。5G網絡的高帶寬、低時延以及海量接入和其他許多優勢不僅使得人工智能等前沿技術融入糧食園區成為可能，同時也使得糧食園區管理、業務、傳統工藝技術互相直接通信更加多元性和高效性。

5 總結與展望

5G將會在商業領域開始萌芽，各行各業開始逐步引入5G應用。2020年5G逐步將會進入民營時代，全民將會有機會享受 5G通信技術的服務。糧食園區是一個傳統的存在，也是與許多行業一樣都站在起跑線上，5G能夠使糧食園區與當前熱點計算機和物聯網技術緊密結合，支撐園區繁多的功能和提供無差錯的服務，也將賦予糧油行業價值延伸的能力。基于 5G的糧食園區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質的服務，對保障國家糧食安全和促進智慧糧食產業發展具有重要意義。

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