虚拟现实技术应用于粮情监管的必要性研究

(河南工业大学 河南 郑州 450000)

我国是一个农业大国，粮食问题关乎基本民生，2017年国家密集出台多项文件，推进粮食行业信息化工程，提出用信息化这一关键手段加大粮食行业企业科技含量促进粮食企业转型升级。保障储量质量与粮库作业安全离不开高效可靠的粮情检测与管控。在当前时代背景下，虚拟现实(VR)作为更先进的信息化、数字化技术，成为粮库建设与科技融合的重要入口。VR表现出的沉浸感、交互性和想象性特征，能成为帮助粮库管理人员迅速探索与理解粮情数据做出决策管控行为的新切入点。

一、仓储粮情智能化监管是粮食行业信息化的必经之路

早在2011年，中储粮就提出了早期仓储管理工作的智能化目标，在二到三年内，以分公司为基本单位，逐步实现仓房通风、烘干、气调作业的智能化。智能化粮库建设以“降低劳动强度、降低损失损耗、降低管理成本，提升管理水平、提升经济效益、提升发展质量”为宗旨，基于现代科技与信息技术，改善储粮环境、保证数量质量、便捷数据采集与共享、提高数据利用效率，为保障劳动者生命健康安全、国家财产安全提供技术支持与理论依据。

现阶段粮库智能化建设已有较明确的意义，简而言之，主要是利用了智能传感技术、通讯技术、计算机技术、射频识别技术、自动控制技术和专家决策系统等，在粮食日常仓储管理、粮食购销等方面进行应用，提升粮油仓储业务自动化、信息化和智能化管理水平。①

粮情监控系统作为粮库智能化建设中的重要组成部分，对储粮品控与粮库作业安全有着巨大的影响。粮情监控系统中，通过将温度、湿度及特种气体传感器探头设置在粮库粮垛内，通过有线或无线数据传输，能够及时获得储粮安全方面的各项数据，并利用计算机网络进行分析与处理。得到相关分析数据、图表及图像后，向责任管理员汇报，便于其全面了解储粮状况，加大对储粮温度、湿度和虫害霉变等的监控力度，加强风险预警防控工作，这样才有更多反应与处理的时间，最大限度减小储粮安全问题造成的损失。传统被动、粗放的仓储管理模式，如眼观、手摸和牙咬等，已经显得过于落后，现在要采取粮情监控技术，这样可以全面掌握储粮过程中出现的各种变化，实现了仓储效率与精准度的提升，避免出现储粮风险，减少损失，保证粮食储存的安全性。此外，通过采取粮情监控技术，可以保证智能熏蒸、智能气调及智能通风等系统顺利运行。

2017年中储粮已经完成了所有中央直属粮库智能化管理的建设，通过数百万的传感器，对其管辖下粮库储粮情况的实时观测与数据共享，建成了世界范围内规模最大粮食物联网。截至2019年7月，中储粮智能化粮库系统已覆盖全系统900多个库点。通过传感设备与传输设备对温度、湿度等粮情数据的采集，计算机配合科学的算法对数据进行分析与预警，完成对每栋仓房的实施远程粮情监管。决策的过程就是信息处理的过程，精准高效的粮情管控决策需要以真实可靠的数据信息为依据，粮库管理的智能化就是粮情信息监管的智能化，也是粮食行业信息化的必经之路。

二、粮情远程管控与无人化仓储概念是实现粮库智能管控的阶段性目的

智能化粮库为终能实现“降低劳动强度、降低损失损耗、降低管理成本，提升管理水平、提升经济效益、提升发展质量”的建设宗旨，依靠远程管控实现无人化仓储是重要的发展方向与阶段性目标。无人仓储技术在粮库几乎没有应用，而在发展更为迅速的电商行业应用更为早也更为成熟。

宾夕法尼亚大学工程硕士Frank(2016)提出电商无人仓库，依靠机械代替人力来完成仓储流程中的卸货、存货、提货等各项工作大幅度降低劳动强度提高管理水平。在国内人力成本的提高在无形中加重了企业的仓储成本，为了提高仓储效率，降低仓储成本，不少企业在无人智能化方面下足了功夫。其中最具代表性的就是京东的无人仓库。京东的首个无人仓库也是全球首个全流程无人货仓坐落在上海市嘉定区的仓储楼群，通过智能管控系统、分拣机器人、机械手、全自动打包系统等协同作用。实现了可同时存储商品6万箱的成果。

关于无人化仓储的研究也是当前的理论研究热点，RFID(电子标签)、无线射频等技术的发展给无人仓储提供了强大的助力，苏磊(2018)综合运用RFID编码、关键流程、各系统间的数据交互、用于多线程通信的阻塞并发容器等技术开发了无人仓储信息系统，解决了现代仓储中自动盘点、摆放管理等问题。相比较电商仓储，仓储粮情所需关注的信息并不是依靠电子标签就能完成的，储粮数据规模大、维度多、变化快、关系复杂等特点使得仓储粮情的监管很难脱离人工参与。关于无人粮库的研究在国内非常少，针对仓储粮情维度多变化快的特点天津大学王子琪(2016)深入分析了粮库内温度、湿度、气体浓度等数据对储粮质量的影响及管控作业的要求，在粮情远程监测的技术基础上采用层次化、模块化思想完成了基于模糊控制理论的粮情监管系统的搭建。②相比较模糊控制理论，另一种观点是借由人工参与完成现阶段智能仍无法完成的监管任务，祁应梅(2017)在关于粮库信息化管控的研究中，特别针对粮情监管中粮情数据不全面，储粮状态无法准确识别的问题，引入人工参与，提出了基于人因工程学的信息目标、功能补充、操作流程等一系列界面与功能优化。③

为实现节首所提智能化粮库的目的，参照电商行业仓储的发展趋势，无人化仓储将成为未来仓储发展的主流。而粮库与储粮的独特性使其难以脱离人工的参与，借由传感技术、无线传输技术、成像技术的远程粮情管控为无人化粮库提供了可能性，这也将成为粮库智能管控的新的发展方向与阶段性目的。

三、虚拟现实技术应用于粮情监管的优势

为保障粮工生产安全、降低劳动强度，仓储粮库迫切需要智能化甚至是无人化，而粮情监管的特殊性又使得人工的参与不可或缺，所以粮情远程管控就成为了实现智能管控的优选路径。王艺锦,张元等早在2010年对数字粮库的展望中就提到了可视化与虚拟现实(VR)技术使我们可以在三维世界中与具有形体的信息进行互动，把人与机器的力量以一种自然的方式加以统一，从而提高生产效率。④VR技术所表现出沉浸性、交互性、构想性⑤与数据可视化具有良好视觉可适性，并为可视化提供了新的可能性。

(一)模拟真实场景与沉浸体验提高粮情监管效率与体验

相比较传统的2D与桌面3D的粮情监管可视化界面，虚拟现实技术来展示粮情有着巨大的优势。VR技术与HDM设备通过计算机生成的三维虚拟环境为用户带来封闭式感官沉浸从而营造心流状态提高数据检测效率。陈亚霖(2013)年浅析了其中部分优势，虚拟现实靠3D模型来传递信息，由于Z轴的出现极大的提高了呈现信息的维度；同时三维图形的立体感和光影效果高于二维图形，极大提高软件视觉效果。除此之外，远程粮情监管一个很重要的问题就是如何快速的将信息图表与库中粮情迅速联系在一起，因此数据呈现的真实感与临场感就变得十分重要，虚拟现实技术为观察者提供封闭式的沉浸体验，还原粮库的三维数据模型又能形象地展现粮库的每一个角落，在这样的环境中观察者仿佛置身于粮库之前甚至粮堆之中，得以将眼前的数据迅速与粮情产生对应，从而提高人们的工作效率。

(二)自然交互助力构建信息思维实现粮情精准管控

仓储粮情不仅在物理维度上有巨大的体量，还包括有温度、湿度、水分、气密、虫害等多项需要测量与测算的数据。要精准而多角度地完成粮情管控，传统2D或静态3D的监管模式需要经由复杂的操作来完成且角度有很大局限性。VR通过物化信息的方式实现自然交互性，帮助人通过观察数据关系理解事物的本质，建立信息思维。依靠HDM设备与手持设备自由变换角度，快速实现从宏观到微观的观察，甚至可以进入粮堆内部精确观察部分粮情细节，为更为准确的管控决策提供保障，进一步实现粮情智能化管控。

(三)低认知阻力增益构想性实现粮情推算预测

除数据维度与体量之外，仓储粮情的数据关系相较其他类别仓储信息更为复杂而多变，这也使得粮情数据挖掘更为困难。要通过挖掘如此大体量高纬度的数据从而发现深层次数据规律，完成相应的推算与预测，进一步迭代优化粮情管控的时效性与可靠性，就需要对数据的检索、选择、语义的缩放、关联等交互行为更加流畅。VR的构想性通过仿真景象与自然交互降低认知阻力，提高人们认知、处理、分析复杂数据的能力和效率。可将无形的数据化为看得见摸得着的形体，使观察者可以运用与生俱来的能力与方式来分析处理数据，在提高数据挖掘效率实现数据预测的同时创造新的可能性。

四、虚拟现实应用于智能化粮情监管的局限性及展望

虚拟现实技术发展至今已经应用到许多领域，而在信息可视化尤其是粮情监管领域却少有关注。不仅因为粮食行业本身没有走在信息化智能化的前沿，虚拟现实技术本身作为粮情监管信息可视化的载体也存在着一些局限性，随着技术的发展与研究的推进这些局限性将会有所改善，却是我们现在不得不面对的。

(一)用户对传统信息交互模式的依赖

在各种局限中，最重要的一点是人们对传统信息交互模式的依赖以及对陌生行为的抵触限制了虚拟现实信息可视化的推广。人们最早从纸张中获取信息，由平面中的文字与符号对应自身符号空间知识与记忆再还原出真实的模型，所以信息交互一度是要经过培训的，直到信息图表的出现打开了可视化大门，运用更加通用的符号以求让所有人都能看得懂。这种抽象符号与信息转化的交互模式根深蒂固以至于当信息以更加自然的方式出现在我们眼前时很难接受。同时也有部分研究认为虚拟现实沉浸式的体验不适用于可视化与数据挖掘这样高精度的操作，这在前文中探讨过，感官沉浸配合自然交互可提升对数据观察活动的主控感从而营造心流集中注意力从而提高效率。为迎合用户对传统信息交互模式的依赖，引导其接受并适应新的信息交互模式，目前的粮情监管系统设计需一定程度上延用传统的信息交互模式，并在核心功能部分发挥虚拟现实优点采用数据全景与自然交互。同时，通过界面友好与信息优化的设计理念，为用户打造一个过渡的信息交互体验。

(二)自然交互对操作精度的限制

更加自然的交互方式往往意味着牺牲了交互操作的部分精度。这是在交互发展历程中不可避免地，比如，触控交互方式之所以还没有代替鼠标键盘就是因为在像素级别的精密操作中鼠标还是有绝对优势的。VR设备中常用的手柄在做此类精密操作时更显得无力。应对此类问题，最直接的方法就是借由人机工程学的相关原理，对信息进行更加规范的设计，将UI元素视觉尺度设计为可以被更有效地识别和操作，必要的时候借助磁性追踪等辅助操作方法，降低操作难度。视觉设计的方法虽然有效但并不治本，优化交互体验需要从更顶层的高度出发那就是用户需求，参照梁又照(2009)的使用情境导向设计方法，通过对用户使用情境的了解、观察和预想还原情境，分析其中每一步骤的诉求并得出哪些交互操作是必不可少的，哪些是可以简化甚至由计算机完成的，对粮情监管作业流程进行行为设计。

(三)复杂信息输入能力较低

VR难以实现对复杂信息的输入，如汉字检索等。在VR粮情监管交互界面设计中，原则上尽量用选择操作代替输入，针对无法避免的输入也要做到尽量简化。比如在粮温数据模型中需要刷选特定区域的数据来进行深钻和缩放，比较方便的做法是将模型按需求切块并从中选取目标范围，如果真的需要自定义刷选某个区域则可用到信息简化法，根据格式塔原理简化原则，圆心可以简化为两个信息圆心和半径，方形只需确定两个点就能确定位置与尺寸，贝塞尔线条仅需锚点和抓手就能确定任意形态的曲线，借由类似方法便可以在空间中用尽量简便的操作进行自定义框选，满足不同层次的信息交互需求。

(四)人工操作主观性对粮情监管的影响

在完成经由人工参与的无人化粮库阶段目标后，提高粮情监管效率同时保障粮情信息准确安全，实现更高效的沟通与管理机制就成为之后智能化粮库的发展方向，一定程度地去中心化管理将是重要手段。比如，粮库数据的一部分测算值所需借助的参数具有一定地方性，用中心化的权威数值进行测算往往是不科学的，通过去中心化，在一定程度上弱化寡头权威，保留地方粮情数据个性，保障粮情数据的准确性。由前文所说智能化粮情监管暂时离不开人工，在必要的人工参与情况下，引入区块链技术，实现信息采集、处理与传递效率地公开透明，同时完成信息加密，有效规避观察者主观行为对监管结果的影响，保障粮情数据地真实可靠与安全。信息监管的“去中心化”，同时也可助力粮库管理的“扁平化”，实现低层级数的穿透式管理，提高沟通效率。

此外，关于当前的虚拟现实HDM设备体验不佳以至长时间使用引起是不是的反应也不在少数，而且虚拟现实设备配合能完成图形渲染的计算机价格昂贵不宜广泛普及。这些问题将随着设备的轻量化、高清化、廉价化以及新交互设备、新优化模式的研发而逐步解决。

小结

2020年是“十三五”规划的收官之年，作为重点工程的粮食行业信息化的重要工作之一就是提升安全监测质量预警能力。⑥虚拟现实技术所表现的沉浸性、构想性、交互性特点为实现经由人工参与的粮情数据远程智能化监管这一阶段性目标提供了方向与动力，其所表现的局限性则需要运用各跨域学科的方法解决。虚拟现实技术并非一种需求而是一种趋势，其背后是人对拓展认知能力的更原始的需要，利用虚拟现实技术进行粮情信息监管拓宽了虚拟现实的应用领域也优化了粮情监管作业的效率与体验。

【注释】

①浅析智能化粮库的建设与应用现状.张家德;王福彬;张强;王乃东;莫菊;张力学.《食品安全导刊》.2017-10-25.

②王子琪.无人值守粮食仓储监控管理系统[D].天津大学,2017.

③祁应梅.粮库信息化管控系统的设计与应用[D].浙江大学,2017.

④王艺锦,张元,廉飞宇,付麦霞,余章明.数字粮库的展望[J].电子质量,2010(12):44-46.

⑤赵沁平.什么是“虚拟现实+”?[N].中华读书报,2016-03-30(017).

⑥国家粮食与物资储备局(原国家粮食局)粮食行业信息化“十三五”发展规划.2016-12-30(20-21).