基于三維仿真的立式糧食筒倉信息管理系統設計研究

摘? 要：為實現立式糧食筒倉的數字化管理，借助激光測距技術、三維仿真技術、物聯網技術、通信技術和計算機網絡技術等手段，完成了立式糧食筒倉信息管理系統設計。該立式糧食筒倉信息管理系統可對我國立體筒倉糧食入倉、出倉提供信息化統計分析與管理功能，為立體筒倉糧食溫度、濕度、霉變進行自動化遠程實時監測，為立體筒倉糧食存量的自動計量提供了一套較為可行的信息化管理路徑。

關鍵詞：三維仿真;激光測距;立式糧食筒倉;信息化管理

中圖分類號：TP391.9? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：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

作為糧食儲運的主要方式，立式糧食筒倉具有存儲容積大、占地面積小、進出倉便捷的優點，為我國糧食的存儲和轉運提供便利。但是，由于立式糧食筒倉高度達到幾十米，單體筒倉儲量可達數千噸乃至上萬噸，在傳統管理模式下，立式糧食筒倉存儲量的盤點、溫度控制、濕度控制、通風控制等工作煩瑣、效率低下，甚至盤庫工作人員的安全也存在一定隱患。如何實現立式糧食筒倉存儲量的即時盤點，實現立式糧食筒倉溫度、濕度、霉變、蟲害的即時監測，實現通風除濕工作的遠程控制，是糧食倉管人員和相關管理機構共同關注的熱門課題。為此，本文在充分調研立式糧食筒倉現行管理體制的基礎上，結合三維仿真技術、激光測距技術、物聯網技術、傳感器技術、通信技術和計算機網絡技術的研究進展，提出一套基于三維仿真的立式糧食筒倉信息管理系統的設計模型，以解決傳統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需求分析

“十四五”時期糧食和物資儲備領域專項規劃指出：“端牢中國飯碗，守住大國糧倉，保障國家糧食安全”是我國糧食儲備的核心內容;推進“數字糧儲”建設，守住管好“天下糧倉”是保證國家糧食安全的重要手段。但是，目前我國糧食儲運過程中，信息化建設及管理水平均有待進一步提高，部分糧倉在糧食儲運過程中，由于缺乏系統的數據支撐，導致糧倉調運不及時，管理不清晰，導致糧食霉變、遺漏問題時有發生，造成大量糧食浪費。譬如2017年，河南新野縣中儲糧萬噸糧食被遺忘7年之久，導致部分糧食儲備浪費;2021年中央紀委通報10起糧食“碩鼠”典型案例，由于糧倉信息化管理不完成善，導致虛假糧食儲量腐敗案例屢禁不止;2021年3月，中國農業科學院根據部分糧倉數據統計分析，發現糧食全產業鏈總損耗率約12%，其中糧食霉變、蟲害、濕控、溫控管理不當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雜多樣，我國糧食儲運安全形勢嚴峻。為了更好地完成我國糧食的安全儲備，守住大國糧倉，最大限度減少由于管理不善對糧食儲運造成的損失，借助信息化的手段，完成糧食儲運的全程流程化管理，成為當前亟須開展的重要工作。立式糧食筒倉是當前我國糧食儲運的主要模式，做好立式糧食筒倉的信息化全流程網絡化管理，成為解決我國糧食安全儲運的關鍵。為此，立式糧食筒倉信息管理系統需求總結為：

（1）需要完成單體立式糧食筒倉進倉量、出倉量、現有糧食儲量的信息數據記錄與動態監測，實時顯示立式糧食筒倉的當前糧食儲量、進倉時間的信息數據。

（2）需要完成單體立式糧食筒倉溫度、濕度、霉變、蟲害的即時監測，借助立式糧食筒倉信息管理系統定時為糧食倉管人員提供糧食儲存狀態的即時信息。

（3）糧食倉管人員通過客戶端（PC端或移動端）實時查詢以上信息，實時統計分析糧食儲備信息，對進倉儲存時間較長的糧食顯示預警信息;對溫度、濕度、霉變等超出警戒值的糧食筒倉發出警報提醒信息。

（4）糧食倉管人員可以通過立式糧食筒倉信息管理系統完成筒倉通風設備、降濕除霉設備的遠程化控制。

2? 立式糧食筒倉信息管理系統的整體框架設計

為了實現立式糧食筒倉的數字化管理，結合當前激光測距技術、三維仿真技術、物聯網技術、通信技術和計算機網絡技術的發展狀況，本文對立式糧食筒倉信息管理系統的整體框架設計如圖1所示，為了完成立式糧食筒倉的信息管理化管理，在傳統立式筒倉的基礎上，增加多組溫度自動監測器和濕度監測器，從多個方位對立式筒倉的溫度、濕度進行監測。在立式筒倉的頂部，加裝三組全息測量相機和激光測距傳感器，相機呈現120度夾角分布，該測量相機可對倉內糧食存儲狀況、存儲高度進行全角度的即時記錄，對筒倉內糧食顏色、病蟲進行高清拍攝，激光測距傳感器對筒倉內糧食表面進行測距。在頂部加裝自動控制的排風器，可以根據筒倉糧食溫度、濕度等狀況自動開啟排風降濕作業。在筒倉外壁加裝無線連接設備，實現信息無線傳輸。

根據以上裝置設計，立式糧食筒倉信息管理系統規劃設計如圖2所示。立式糧食筒倉信息管理系統借助溫度監測器、濕度監測器、激光測距傳感器、測量相機等裝置對立式筒倉各項實時信息進行記錄，并把記錄結果實時反饋至立式糧食筒倉信息管理系統;系統在接收到相關數據之后，會根據輸入信息進行信息處理和比對。系統管理人員對各項輸入數據進行統一管理，系統工作人員可以通過電腦端和移動端，對采集的立式筒倉糧食存儲數據進行查詢、統計，當溫度或濕度超過警戒線時會發出報警信息，也可以自動激發排風裝置、除霉殺菌裝置等，對立式筒倉進行自動化智能處理。

3? 立式糧食筒倉信息管理系統的功能模塊設計

根據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的功能模塊主要包括系統功能設置模塊、系統用戶管理模塊、糧食進倉控制模塊、糧食出倉控制模塊、倉儲統計分析模塊、倉儲監測預警模塊、倉儲自動化控制模塊等，如圖3所示。

具體模塊設計為：

（1）系統功能設置模塊設計。該模塊主要完成立式糧食筒倉信息的設置，比如設置序號1#筒倉、2#筒倉、3#筒倉的接口信息，實現系統對筒倉各項信息數據的采集;完成系統數據的備份、預警臨界值的設置、系統模塊的個性化定制等。

（2）系統用戶管理模塊設計。該模塊主要完成系統管理人員的設置、系統工作人員用戶等級和管理權限的設置，系統登錄日志的記錄等。

（3）糧食進倉控制模塊。該模塊主要記錄進倉糧食的時間、人員、單據、品質等級、重量，以及糧食進倉的其他需要標注的信息。測量相機會同步記錄進倉前的影像信息和進倉后的影像信息。

（4）糧食出倉控制模塊。該模塊主要記錄出倉糧食的時間、人員、單據、品質等級、重量，以及糧食出倉的其他需要標注的信息。測量相機會同步記錄出倉前的影像信息和出倉后的影像信息。

（5）糧食統計分析模塊。系統會根據立式糧食筒倉進倉和出倉影像信息，借助三維仿真模型，完成立式糧食筒倉存儲糧食立式形狀的仿真模擬，并根據激光測距傳感器測量結果和仿真模擬出的立式形狀，計算實時糧食儲存量。該計算結果與原庫存量、現糧食庫存量、入庫量或出庫量進行核對，計算誤差值，為庫存盤點提供支撐。三維仿真的立式糧食筒倉計量方法將在下節詳細介紹。

（6）倉儲監測預警模塊。立式筒倉設置多點溫度自動監測器、濕度監測器、激光測距傳感器、測量相機，記錄立式倉儲的實時溫度、濕度、影像，并根據這些信息的統計趨勢。并以圖形的樣式展現立式筒倉的實時狀況。當監測信息達到預警閾值時，系統會發出預警信息，根據設置，當監測信息達到一定閾值時，系統也可以自動觸發自動排風除霉裝置。

4? 基于三維仿真的立式糧食筒倉計量設計

在傳統模式下，立式糧食筒倉計量采取人工賬簿與生產系統結合的統計模式。在糧食進倉時，由筒倉作業人員記錄進倉糧食的時間、品質、重量及相關審驗單據等信息;糧食出倉時，同樣記錄以上信息，并把所有進倉糧食減去出倉糧食作為當前倉儲糧食。在傳統模式下，由于頻繁進倉和出倉過程中的誤差，導致當前倉儲糧食實際存量和賬簿統計數據誤差逐步增大;同時，當出現倉儲實際存量與賬簿統計數據差距較大時，也難以追蹤具體什么原因導致實際倉儲糧食不符，給相關管理人員帶來一定管理風險。

為了解決傳統筒倉管理計量的各種問題，本文提出基于三維仿真的立式糧食筒倉計量設計方法，旨在完成立式筒倉糧食進倉、出倉的即時影像記錄，并借助影像數據實現筒倉糧食存量的三維仿真和自動計量。本方法中，首先借助安裝在筒倉頂部的三部激光測距傳感器、全息相機裝置，記錄入（出）倉前后的影像信息和激光測距信息，借助軟件模塊將激光測距傳感器記錄的數據進行合成加工，最終生成筒倉糧食的即時三維模型，完成立式糧食筒倉存儲糧食立式形狀的仿真模擬。2017年，四川大學電子信息學院李玲玲、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應的點云數據矩陣，并對深度圖像進行增強、二值化、目標提取等預處理，定位出目標物體。然后，通過像素點的統計和點云數據的處理得到目標物體的面積、高度，最后由面積和高度完成目標物體的體積計算。經驗證，這種方法的體積測量誤差控制在3%以內，滿足實時性的誤差要求。本文將借鑒該方法，根據仿真模擬出的糧食立式形狀，計算實時糧食的體積，繼而根據標準密度值計算出即時的糧食儲存量。該計算結果與原存儲量、現糧食存儲量、進倉量或出倉量進行核對，計算誤差值，為庫存盤點提供支撐。同時高清的影像資料也可以幫助倉管人員了解筒倉內糧食表面的霉變、病腐等狀況，便于筒倉糧食信息的即時監測。如圖4所示，左圖為實驗倉儲原有的糧食倉儲立式圖像，右圖為一批糧食進倉后的糧食倉儲立式圖像，借助本方法，可以計算出原有糧食的即時體積、該批糧食進倉后的倉儲體積，兩者體積之差即糧食倉儲立式圖像為本次進倉糧食的體積。

5? 系統硬件設計和軟件設計

本課題主要目標是實現筒倉信息的全流程化管理和筒倉的自動化遠程控制，為筒倉糧食儲運信息的記錄、盤點，為倉儲糧食的調度和監督巡檢提供較為全面的數據支撐。在該信息管理體系中，溫度自動化測量、濕度的即時性測量、霉變和蟲腐等遠程測量都已經具有較為成熟元件設備。所以，本課題的核心問題是如何解決立筒倉內部物料體積的測量問題。為此，筆者借鑒了基于Kinect 2.0深度圖像的快速體積測量的方法，并把該方法應用于立式筒倉中糧食體積的測量。在具體測量過程中，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量。借助測量相機和激光測距傳感器，測量筒倉中糧食上方不同位置到激光測距傳感器的距離，借助三維模擬，形成糧食三維圖像數據，并以此計算出當前的倉儲體積。Kinect 2.0預覽版的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間來取得Depth信息，把筒倉劃分為若干近似圓柱體（當劃分量足夠大時，可以把不規則形狀看作近似圓柱體），然后借助體積計算公式：v=s×h，計算出這些圓柱體的體積，累加后即為筒倉內糧食體積。筒倉內糧食體積乘以糧食密度即為總重量。

由于糧食倉儲進倉和出倉信息量不大，在軟件設計上，選擇JSP+servlet+完成軟件設計，數據庫構建選擇mysql。軟件設計過程中，按照功能模塊逐個實現軟件編碼，數據采集借助物聯網技術從各傳感器中獲得，借助算法完成筒倉糧食即時信息。網絡系統通過無線收發器，控制安裝在立筒倉上的多個測量設備，并獲取測量的結果，從而完成筒倉內糧食存儲狀況的監控和管理。筒倉信息管理系統與無線收發器相連，將收集到的數據進行可視化處理，以圖形化、表格化的方式展現給筒倉管理人員使用。立體筒倉信息管理系統軟件運行界面如圖5所示。至此，借助本文提出的立式糧食筒倉信息管理系統，完成筒倉糧食信息的進倉、出倉、存儲自動計量、遠程監視與遠程操作管理等，為筒倉信息化管理提供一套較為可行的方案。

6? 結? 論

立式糧食筒倉是當前我國糧食儲運的主要模式，在信息技術和網絡技術逐步成熟的今天，推行立式糧食筒倉的信息化管理，實時監測糧食儲備信息成為解決我國糧食安全儲運的關鍵。本文研究的難點是筒倉糧食儲運的自動化計量，為了完成該項任務，在筒倉頂部安裝三套測量相機和激光測距傳感器，設備夾角為120度，借助三個角度的測量，可以獲得更為精準的采集數據并計算筒倉內糧食的體積，同時溫度和濕度測量儀也分別安裝在筒倉的底部、中部和頂部，并按照一定時間間隔把筒倉內空氣溫度和濕度測量數據返回至筒倉信息管理系統。借此系列測量數據，為筒倉糧食的信息化、網絡化、自動化管理提供支撐，為筒倉糧食的遠程化盤點、計量和監測提供路徑，為我國立式筒倉糧食的安全管理提供理論參考。

參考文獻：

[1] 楊濤.遼寧糧食倉儲信息化發展問題研究 [J].農業科技與裝備，2020（6）：65-66.

[2] 路達，滕奇志，卿粼波，等.基于激光測距的中小型貨物三維體積掃描 [J].微型機與應用，2015，34（23）：83-86+90.

[3] 李遠征.自主研發糧食筒倉散裝計量控制管理系統 [J].糧食流通技術，2014（1）：38-42.

[4] 楊雷東，吳炳方，李強子，等.糧倉儲糧數量探測新方法探討 [J].糧食儲藏，2010，39（5）：49-54.

[5] 李秀華.基于激光測距技術的糧食數量檢測關鍵技術研究 [D].長春：吉林大學，2014.

[6] 郭海霞，王建國，劉坤.糧食就倉干燥技術可有效提高糧食存儲質量 [J].中國食品工業，2021（24）：127-128.

[7] 鄭成明，高天佑.青島港糧食筒倉新工藝應用研究 [J].港工技術，2021，58（5）：13-17.

[8] 胡天山.糧食倉儲損耗的原因及對策分析 [J].現代食品，2021（19）：8-10.

[9] 于飛，劉明芹，趙丹瑞，等.新型糧食干燥倉自動控制系統開發 [J].農機化研究，2021，43（6）：95-99+104.

[10] 李玲玲，王正勇，卿粼波，等.基于Kinect 2.0深度圖像的快速體積測量 [J].微型機與應用，2017，36（7）：35-38+42.

[11] 周峰.基于三維激光掃描技術的倉儲散糧堆體積測量系統研究 [D].長春：吉林大學，2015.

[12] 王海波，張德津，何莉.大型露天料場激光測量方法研究 [J].中國激光，2013，40（5）：189-196.

[13] 宋鋒，歐陽小露，洪維暉，等.糧食倉儲信息化系統互聯互通及運用探索 [J].糧油倉儲科技通訊，2021，37（2）：1-2+4.

[14] 雷超祥，成盼.“互聯網+糧食安全”信息化創新應用實踐 [J].糧油倉儲科技通訊，2019，35（6）：5-6+16.

[15] 葉維林，蔡軍，鄭珂，等.糧食倉儲信息化集成關鍵技術及應用 [Z/OL].[2021-11-24].https：//kns.cnki.net/kcms/detail/detail.aspx？dbcode=SNAD&dbname=SNAD&filename=SNAD000001701500&uniplatform=NZKPT&v=TjRX_0fSS4vc3XR8YEdEhgLKEvrECDgD1bgam0EKWHpR94NJY93yZh9Zk0AkEkd-zRdeoFKm8mo%3d.

[16] 趙銘琿，畢婧.信息化技術在糧食倉儲物流領域的創新應用對策分析 [J].信息系統工程，2015（5）：113.

[17] 張錫賢，孫茍大，朱慶鋒.糧食倉儲物流企業中信息化技術的全面應用 [J].糧油倉儲科技通訊，2012，28（4）：54-56.

[18] 王金奎，商永輝.信息化技術在糧食倉儲管理中的應用 [J].糧油食品科技，2012，20（1）：63-64.

作者簡介：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、輸送設備類研究。