基于三维仿真的立式粮食筒仓信息管理系统设计研究

摘  要：为实现立式粮食筒仓的数字化管理，借助激光测距技术、三维仿真技术、物联网技术、通信技术和计算机网络技术等手段，完成了立式粮食筒仓信息管理系统设计。该立式粮食筒仓信息管理系统可对我国立体筒仓粮食入仓、出仓提供信息化统计分析与管理功能，为立体筒仓粮食温度、湿度、霉变进行自动化远程实时监测，为立体筒仓粮食存量的自动计量提供了一套较为可行的信息化管理路径。

关键词：三维仿真;激光测距;立式粮食筒仓;信息化管理

中图分类号：TP391.9           文献标识码：A文章编号：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

作为粮食储运的主要方式，立式粮食筒仓具有存储容积大、占地面积小、进出仓便捷的优点，为我国粮食的存储和转运提供便利。但是，由于立式粮食筒仓高度达到几十米，单体筒仓储量可达数千吨乃至上万吨，在传统管理模式下，立式粮食筒仓存储量的盘点、温度控制、湿度控制、通风控制等工作烦琐、效率低下，甚至盘库工作人员的安全也存在一定隐患。如何实现立式粮食筒仓存储量的即时盘点，实现立式粮食筒仓温度、湿度、霉变、虫害的即时监测，实现通风除湿工作的远程控制，是粮食仓管人员和相关管理机构共同关注的热门课题。为此，本文在充分调研立式粮食筒仓现行管理体制的基础上，结合三维仿真技术、激光测距技术、物联网技术、传感器技术、通信技术和计算机网络技术的研究进展，提出一套基于三维仿真的立式粮食筒仓信息管理系统的设计模型，以解决传统模式下立式粮食筒仓管理的多方面问题，为立式粮食筒仓的信息化管理提供路径和方法。

1  立式粮食筒仓信息管理系统需求分析

“十四五”时期粮食和物资储备领域专项规划指出：“端牢中国饭碗，守住大国粮仓，保障国家粮食安全”是我国粮食储备的核心内容;推进“数字粮储”建设，守住管好“天下粮仓”是保证国家粮食安全的重要手段。但是，目前我国粮食储运过程中，信息化建设及管理水平均有待进一步提高，部分粮仓在粮食储运过程中，由于缺乏系统的数据支撑，导致粮仓调运不及时，管理不清晰，导致粮食霉变、遗漏问题时有发生，造成大量粮食浪费。譬如2017年，河南新野县中储粮万吨粮食被遗忘7年之久，导致部分粮食储备浪费;2021年中央纪委通报10起粮食“硕鼠”典型案例，由于粮仓信息化管理不完成善，导致虚假粮食储量腐败案例屡禁不止;2021年3月，中国农业科学院根据部分粮仓数据统计分析，发现粮食全产业链总损耗率约12%，其中粮食霉变、虫害、湿控、温控管理不当是造成粮食损耗的主要原因。以上分析可以看出，由于主观或客观原因的复杂多样，我国粮食储运安全形势严峻。为了更好地完成我国粮食的安全储备，守住大国粮仓，最大限度减少由于管理不善对粮食储运造成的损失，借助信息化的手段，完成粮食储运的全程流程化管理，成为当前亟须开展的重要工作。立式粮食筒仓是当前我国粮食储运的主要模式，做好立式粮食筒仓的信息化全流程网絡化管理，成为解决我国粮食安全储运的关键。为此，立式粮食筒仓信息管理系统需求总结为：

（1）需要完成单体立式粮食筒仓进仓量、出仓量、现有粮食储量的信息数据记录与动态监测，实时显示立式粮食筒仓的当前粮食储量、进仓时间的信息数据。

（2）需要完成单体立式粮食筒仓温度、湿度、霉变、虫害的即时监测，借助立式粮食筒仓信息管理系统定时为粮食仓管人员提供粮食储存状态的即时信息。

（3）粮食仓管人员通过客户端（PC端或移动端）实时查询以上信息，实时统计分析粮食储备信息，对进仓储存时间较长的粮食显示预警信息;对温度、湿度、霉变等超出警戒值的粮食筒仓发出警报提醒信息。

（4）粮食仓管人员可以通过立式粮食筒仓信息管理系统完成筒仓通风设备、降湿除霉设备的远程化控制。

2  立式粮食筒仓信息管理系统的整体框架设计

为了实现立式粮食筒仓的数字化管理，结合当前激光测距技术、三维仿真技术、物联网技术、通信技术和计算机网络技术的发展状况，本文对立式粮食筒仓信息管理系统的整体框架设计如图1所示，为了完成立式粮食筒仓的信息管理化管理，在传统立式筒仓的基础上，增加多组温度自动监测器和湿度监测器，从多个方位对立式筒仓的温度、湿度进行监测。在立式筒仓的顶部，加装三组全息测量相机和激光测距传感器，相机呈现120度夹角分布，该测量相机可对仓内粮食存储状况、存储高度进行全角度的即时记录，对筒仓内粮食颜色、病虫进行高清拍摄，激光测距传感器对筒仓内粮食表面进行测距。在顶部加装自动控制的排风器，可以根据筒仓粮食温度、湿度等状况自动开启排风降湿作业。在筒仓外壁加装无线连接设备，实现信息无线传输。

根据以上装置设计，立式粮食筒仓信息管理系统规划设计如图2所示。立式粮食筒仓信息管理系统借助温度监测器、湿度监测器、激光测距传感器、测量相机等装置对立式筒仓各项实时信息进行记录，并把记录结果实时反馈至立式粮食筒仓信息管理系统;系统在接收到相关数据之后，会根据输入信息进行信息处理和比对。系统管理人员对各项输入数据进行统一管理，系统工作人员可以通过电脑端和移动端，对采集的立式筒仓粮食存储数据进行查询、统计，当温度或湿度超过警戒线时会发出报警信息，也可以自动激发排风装置、除霉杀菌装置等，对立式筒仓进行自动化智能处理。

3  立式粮食筒仓信息管理系统的功能模块设计

根据立式粮食筒仓信息管理的需要，立式粮食筒仓信息管理系统的功能模块主要包括系统功能设置模块、系统用户管理模块、粮食进仓控制模块、粮食出仓控制模块、仓储统计分析模块、仓储监测预警模块、仓储自动化控制模块等，如图3所示。

具体模块设计为：

（1）系统功能设置模块设计。该模块主要完成立式粮食筒仓信息的设置，比如设置序号1#筒仓、2#筒仓、3#筒仓的接口信息，实现系统对筒仓各项信息数据的采集;完成系统数据的备份、预警临界值的设置、系统模块的个性化定制等。

（2）系统用户管理模块设计。该模块主要完成系统管理人员的设置、系统工作人员用户等级和管理权限的设置，系统登录日志的记录等。

（3）粮食进仓控制模块。该模块主要记录进仓粮食的时间、人员、单据、品质等级、重量，以及粮食进仓的其他需要标注的信息。测量相机会同步记录进仓前的影像信息和进仓后的影像信息。

（4）粮食出仓控制模块。该模块主要记录出仓粮食的时间、人员、单据、品质等级、重量，以及粮食出仓的其他需要标注的信息。测量相机会同步记录出仓前的影像信息和出仓后的影像信息。

（5）粮食统计分析模块。系统会根据立式粮食筒仓进仓和出仓影像信息，借助三维仿真模型，完成立式粮食筒仓存储粮食立式形状的仿真模拟，并根据激光测距传感器测量结果和仿真模拟出的立式形状，计算实时粮食储存量。该计算结果与原库存量、现粮食库存量、入库量或出库量进行核对，计算误差值，为库存盘点提供支撑。三维仿真的立式粮食筒仓计量方法将在下节详细介绍。

（6）仓储监测预警模块。立式筒仓设置多点温度自动监测器、湿度监测器、激光测距传感器、测量相机，记录立式仓储的实时温度、湿度、影像，并根据这些信息的统计趋势。并以图形的样式展现立式筒仓的实时状况。当监测信息达到预警阈值时，系统会发出预警信息，根据设置，当监测信息达到一定阈值时，系统也可以自动触发自动排风除霉装置。

4  基于三维仿真的立式粮食筒仓计量设计

在传统模式下，立式粮食筒仓计量采取人工账簿与生产系统结合的统计模式。在粮食进仓时，由筒仓作业人员记录进仓粮食的时间、品质、重量及相关审验单据等信息;粮食出仓时，同样记录以上信息，并把所有进仓粮食减去出仓粮食作为当前仓储粮食。在传统模式下，由于频繁进仓和出仓过程中的误差，导致当前仓储粮食实际存量和账簿统计数据误差逐步增大;同时，当出现仓储实际存量与账簿统计数据差距较大时，也难以追踪具体什么原因导致实际仓储粮食不符，给相关管理人员带来一定管理风险。

为了解决传统筒仓管理计量的各种问题，本文提出基于三维仿真的立式粮食筒仓计量设计方法，旨在完成立式筒仓粮食进仓、出仓的即时影像记录，并借助影像数据实现筒仓粮食存量的三维仿真和自动计量。本方法中，首先借助安装在筒仓顶部的三部激光测距传感器、全息相机装置，记录入（出）仓前后的影像信息和激光测距信息，借助软件模块将激光测距传感器记录的数据进行合成加工，最终生成筒仓粮食的即时三维模型，完成立式粮食筒仓存储粮食立式形状的仿真模拟。2017年，四川大学电子信息学院李玲玲、王正勇、卿粼波和成都西图科技有限公司何海波提出了基于Kinect 2.0深度图像的快速体积测量的方法，该方法使用Kinect 2.0深度传感器获得深度图像及对应的点云数据矩阵，并对深度图像进行增强、二值化、目标提取等预处理，定位出目标物体。然后，通过像素点的统计和点云数据的处理得到目标物体的面积、高度，最后由面積和高度完成目标物体的体积计算。经验证，这种方法的体积测量误差控制在3%以内，满足实时性的误差要求。本文将借鉴该方法，根据仿真模拟出的粮食立式形状，计算实时粮食的体积，继而根据标准密度值计算出即时的粮食储存量。该计算结果与原存储量、现粮食存储量、进仓量或出仓量进行核对，计算误差值，为库存盘点提供支撑。同时高清的影像资料也可以帮助仓管人员了解筒仓内粮食表面的霉变、病腐等状况，便于筒仓粮食信息的即时监测。如图4所示，左图为实验仓储原有的粮食仓储立式图像，右图为一批粮食进仓后的粮食仓储立式图像，借助本方法，可以计算出原有粮食的即时体积、该批粮食进仓后的仓储体积，两者体积之差即粮食仓储立式图像为本次进仓粮食的体积。

5  系统硬件设计和软件设计

本课题主要目标是实现筒仓信息的全流程化管理和筒仓的自动化远程控制，为筒仓粮食储运信息的记录、盘点，为仓储粮食的调度和监督巡检提供较为全面的数据支撑。在该信息管理体系中，温度自动化测量、湿度的即时性测量、霉变和虫腐等远程测量都已经具有较为成熟元件设备。所以，本课题的核心问题是如何解决立筒仓内部物料体积的测量问题。为此，笔者借鉴了基于Kinect 2.0深度图像的快速体积测量的方法，并把该方法应用于立式筒仓中粮食体积的测量。在具体测量过程中，首先借助影像资料完成筒仓粮食立式图形的模拟，然后，借助Kinect 2.0完成筒仓粮食立式模拟图形体积的测量。借助测量相机和激光测距传感器，测量筒仓中粮食上方不同位置到激光测距传感器的距离，借助三维模拟，形成粮食三维图像数据，并以此计算出当前的仓储体积。Kinect 2.0预览版的Depth传感器，采用的是“Time of Flight（TOF）”的方式，通过从投射的红外线反射后返回的时间来取得Depth信息，把筒仓划分为若干近似圆柱体（当划分量足够大时，可以把不规则形状看作近似圆柱体），然后借助体积计算公式：v=s×h，计算出这些圆柱体的体积，累加后即为筒仓内粮食体积。筒仓内粮食体积乘以粮食密度即为总重量。

由于粮食仓储进仓和出仓信息量不大，在软件设计上，选择JSP+servlet+完成软件设计，数据库构建选择mysql。软件设计过程中，按照功能模块逐个实现软件编码，数据采集借助物聯网技术从各传感器中获得，借助算法完成筒仓粮食即时信息。网络系统通过无线收发器，控制安装在立筒仓上的多个测量设备，并获取测量的结果，从而完成筒仓内粮食存储状况的监控和管理。筒仓信息管理系统与无线收发器相连，将收集到的数据进行可视化处理，以图形化、表格化的方式展现给筒仓管理人员使用。立体筒仓信息管理系统软件运行界面如图5所示。至此，借助本文提出的立式粮食筒仓信息管理系统，完成筒仓粮食信息的进仓、出仓、存储自动计量、远程监视与远程操作管理等，为筒仓信息化管理提供一套较为可行的方案。

6  结  论

立式粮食筒仓是当前我国粮食储运的主要模式，在信息技术和网络技术逐步成熟的今天，推行立式粮食筒仓的信息化管理，实时监测粮食储备信息成为解决我国粮食安全储运的关键。本文研究的难点是筒仓粮食储运的自动化计量，为了完成该项任务，在筒仓顶部安装三套测量相机和激光测距传感器，设备夹角为120度，借助三个角度的测量，可以获得更为精准的采集数据并计算筒仓内粮食的体积，同时温度和湿度测量仪也分别安装在筒仓的底部、中部和顶部，并按照一定时间间隔把筒仓内空气温度和湿度测量数据返回至筒仓信息管理系统。借此系列测量数据，为筒仓粮食的信息化、网络化、自动化管理提供支撑，为筒仓粮食的远程化盘点、计量和监测提供路径，为我国立式筒仓粮食的安全管理提供理论参考。

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作者简介：钟益彬（1973.10—），男，汉族，广东深圳人，硕士研究生，研究方向：粮食筒仓类、输送设备类研究。