智能扦樣和檢驗(yàn)系統(tǒng)在智慧糧庫(kù)建設(shè)中的應(yīng)用

王超群

（中糧貿(mào)易有限公司, 北京 100005）

我國(guó)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國(guó)，也是糧食消費(fèi)大國(guó)，也是典型的糧食儲(chǔ)備大國(guó)，糧食安全始終是關(guān)系我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)穩(wěn)定和國(guó)家自立的全局性重大戰(zhàn)略問題[1]。根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局官方數(shù)據(jù)，2021年全國(guó)夏收糧食產(chǎn)量1.5×1011kg，全國(guó)秋收糧食產(chǎn)量5.1×1011kg，全年糧食產(chǎn)量共計(jì)6.8×1011kg，其中，稻谷產(chǎn)量2.1×1011kg，比上年增加1×109kg，增長(zhǎng) 0.5%；小麥產(chǎn)量 1.4×1011kg，比上年增加2.7×109kg，增長(zhǎng)2.0%；玉米產(chǎn)量2.7×1011kg，比上年增加1.2×109kg，增長(zhǎng)4.6%[2]。

糧食行業(yè)在收購(gòu)、烘干、儲(chǔ)存、銷售、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)上，具有其特殊性。然而，國(guó)內(nèi)大部分基層糧庫(kù)存在倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)施水平不高、原糧收儲(chǔ)方式不精細(xì)、傳統(tǒng)扦樣和檢驗(yàn)工作效率低等問題，影響糧食儲(chǔ)存安全精細(xì)化管理提升。推進(jìn)“機(jī)械化換人、自動(dòng)化減人、信息化管理、智能化管控”的智慧糧庫(kù)建設(shè)對(duì)保障糧食儲(chǔ)存安全具有重要意義。其中，扦樣和檢驗(yàn)在糧食收購(gòu)過程中尤為關(guān)鍵，是糧食質(zhì)量的“準(zhǔn)入關(guān)”，扦樣樣品的代表性、檢驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)性與準(zhǔn)確性決定糧食質(zhì)量，同時(shí)糧食質(zhì)量直接影響后續(xù)糧食烘干質(zhì)量、糧食儲(chǔ)存安全。因此，結(jié)合糧食收購(gòu)的特點(diǎn)，如何提升樣品的真實(shí)性、代表性和檢驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性一直以來(lái)是糧食行業(yè)重點(diǎn)研究的課題。

1 傳統(tǒng)扦樣和傳統(tǒng)檢驗(yàn)存在的問題

1.1 基層糧庫(kù)現(xiàn)狀

1.1.1 市場(chǎng)化程度低

目前國(guó)內(nèi)糧庫(kù)主要是以國(guó)有為主，受體制和機(jī)制約束，糧庫(kù)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)意識(shí)不足和競(jìng)爭(zhēng)能力不強(qiáng)，無(wú)論是糧庫(kù)管理人員還是基層員工，普遍缺乏參與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)、追求更高利潤(rùn)的動(dòng)力和能力。糧庫(kù)盈利模式以糧食收儲(chǔ)，獲得倉(cāng)儲(chǔ)保管費(fèi)用，盈利水平較低[3]。

1.1.2 糧庫(kù)人員少，勞務(wù)用工成本增加

糧庫(kù)日常管理人員較少，一般為30～50人。傳統(tǒng)糧食行業(yè)主要承擔(dān)糧食購(gòu)銷、烘干、儲(chǔ)存，糧食季節(jié)性特別強(qiáng)，主要為夏糧收購(gòu)（南方區(qū)域，時(shí)間主要集中6月–8月）和秋糧收購(gòu)（黑龍江、吉林、遼寧、內(nèi)蒙古等區(qū)域，時(shí)間主要集中11月–3月），用工季節(jié)性強(qiáng)，需要聘用大量的勞務(wù)作業(yè)人員，進(jìn)出倉(cāng)作業(yè)、糧食烘干等勞動(dòng)強(qiáng)度大，越來(lái)越少人愿意從事糧庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，基層糧庫(kù)面臨勞務(wù)工人“用工荒”問題；同時(shí)隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，社會(huì)整體工資不斷增長(zhǎng)，糧庫(kù)用工成本不斷上升。

1.1.3 缺乏糧食扦樣和檢驗(yàn)專業(yè)人才

有的糧庫(kù)地處偏遠(yuǎn)、工作環(huán)境較差、交通不便等因素造成糧庫(kù)無(wú)法吸引和留住優(yōu)秀專業(yè)人才，尤其在扦樣、檢驗(yàn)、安全管理等方面專業(yè)人才日益缺乏。以檢驗(yàn)員為例，糧食檢驗(yàn)對(duì)檢驗(yàn)員自身檢驗(yàn)技術(shù)、手法、方法、檢驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)、責(zé)任心等方面都有非常高的要求，需要專業(yè)性強(qiáng)和工作經(jīng)驗(yàn)豐富的專業(yè)化人才方可勝任。

1.1.4 傳統(tǒng)扦樣和傳統(tǒng)檢驗(yàn)易受到“人為因素”干擾，影響糧食質(zhì)量

由于扦樣和檢驗(yàn)的特殊性，以玉米檢驗(yàn)為例，容重、水分、雜質(zhì)、霉變等關(guān)鍵指標(biāo)直接關(guān)系到糧食等級(jí)和價(jià)格，傳統(tǒng)扦樣方式和傳統(tǒng)檢驗(yàn)方式易受到“人為因素”干擾，易發(fā)生扦樣樣品不能真實(shí)、準(zhǔn)確的反映整車糧食質(zhì)量和檢驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確、檢驗(yàn)數(shù)據(jù)“失真”事件[4-5]。

1.2 傳統(tǒng)扦樣存在問題

傳統(tǒng)扦樣是由扦樣人員登上爬梯，操作扦樣機(jī)插入糧食內(nèi)部對(duì)售糧車輛進(jìn)行取樣，然后通過管道將樣品傳輸至檢驗(yàn)室。存在扦樣隨意性強(qiáng)、扦樣人員專業(yè)能力不足、扦樣樣品代表性不足、工作效率低等突出問題。

1.2.1 扦樣人員專業(yè)能力不足，扦樣樣品代表性不足

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《糧食、油料檢驗(yàn) 扦樣、分樣法》（GBT 5491—1985）對(duì)糧食散裝扦樣方法、包裝扦樣方法、流動(dòng)糧食扦樣方法等進(jìn)行規(guī)定，但是針對(duì)散糧農(nóng)用車、散糧卡車的扦樣點(diǎn)位、數(shù)量并無(wú)明確規(guī)定。在進(jìn)行散糧車輛扦樣時(shí)，扦樣人員專業(yè)能力不足、缺乏工作經(jīng)驗(yàn)，易發(fā)生點(diǎn)位分布不合理、樣品數(shù)量不足、扦樣方式錯(cuò)誤等情形，導(dǎo)致樣品代表性不足，直接影響糧食檢驗(yàn)結(jié)果指標(biāo)的準(zhǔn)確性[6]。

1.2.2 傳統(tǒng)扦樣隨意性強(qiáng)

扦樣人員因受到重復(fù)勞動(dòng)、身體疲勞、心理、現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境等影響，易發(fā)生扦樣不到車廂底部、未覆蓋車輛四周邊角處、扦樣點(diǎn)位數(shù)不足等不合規(guī)操作情形，導(dǎo)致扦樣樣品無(wú)法真實(shí)、準(zhǔn)確的反饋糧食質(zhì)量和等級(jí)；其次，扦樣人員易受場(chǎng)外因素影響，在扦樣過程中人為故意違規(guī)操作；再次，售糧人員易摸清扦樣人員扦樣習(xí)慣，在車廂底部、車廂四周等不易觸及部位放置不合格糧食，均給糧庫(kù)造成了比較嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[7-8]。

1.2.3 傳統(tǒng)扦樣存在安全風(fēng)險(xiǎn)，工作效率低

傳統(tǒng)扦樣機(jī)是由扦樣人員登上移動(dòng)爬梯操作扦樣機(jī)，爬梯高3～5 m，冬季嚴(yán)寒、暴風(fēng)暴雪天氣，夏季高溫多雨等極端天氣較多，重復(fù)勞動(dòng)且勞動(dòng)強(qiáng)度大，作業(yè)頻繁，極易發(fā)生高處墜落事故風(fēng)險(xiǎn)[9-11]。

傳統(tǒng)扦樣機(jī)完成散糧車輛時(shí)間需8～12 min/車，工作效率低，影響糧庫(kù)整體收購(gòu)。

1.3 傳統(tǒng)檢驗(yàn)現(xiàn)狀存在問題

傳統(tǒng)檢驗(yàn)是檢驗(yàn)員通過容重器、水分儀、烘箱、感官判別等方式對(duì)糧食水分、雜質(zhì)、容重、不完善粒、霉變、熱損傷等指標(biāo)進(jìn)行檢驗(yàn)[12]，獲得檢測(cè)結(jié)果，對(duì)照表1中《玉米質(zhì)量等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》[13]判定糧食等級(jí)，確定糧食收購(gòu)價(jià)格。

表1 玉米質(zhì)量等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（GB1353—2018）Table 1 Quality grade standard of Maize （GB1353—2018）

1.3.1 檢驗(yàn)難度大，對(duì)檢驗(yàn)員依賴程度高

以玉米檢驗(yàn)為例，糧食收購(gòu)指標(biāo)主要有水分、雜質(zhì)、容重、不完善粒、霉變粒、熱損傷粒等指標(biāo)，無(wú)差別分樣、雜質(zhì)篩分等操作要求高，檢驗(yàn)指標(biāo)多、難度較大，檢驗(yàn)技術(shù)要求較高，尤其是不完善粒、霉變粒、熱損傷粒等指標(biāo)由檢驗(yàn)員進(jìn)行人工感官判別，需要高水平、經(jīng)驗(yàn)豐富的檢驗(yàn)員進(jìn)行操作，對(duì)檢驗(yàn)員依賴性程度高。

1.3.2 傳統(tǒng)檢驗(yàn)重復(fù)性較差，不同檢驗(yàn)員檢驗(yàn)結(jié)果差異性大

以玉米檢驗(yàn)為例，不完善粒、霉變粒、熱損傷粒等需要檢驗(yàn)員進(jìn)行人工感官判別，相同檢驗(yàn)員檢測(cè)相同樣品因疲勞程度不同、心理狀態(tài)不同、不同時(shí)間等狀態(tài)下得到的檢驗(yàn)結(jié)果很可能不同，人工檢測(cè)重復(fù)性較差；同時(shí)，不同檢驗(yàn)員檢測(cè)同一份樣品因?qū)I(yè)背景、對(duì)標(biāo)準(zhǔn)理解、檢驗(yàn)尺度、工作經(jīng)驗(yàn)、檢驗(yàn)?zāi)芰褪址ǖ炔煌那闆r下得到的檢驗(yàn)結(jié)果很可能不同[14-15]。水分、雜質(zhì)、容重三個(gè)指標(biāo)是通過檢驗(yàn)員直接接觸樣品，操作水分儀、篩分儀、容重器進(jìn)行檢測(cè)，但檢驗(yàn)員有時(shí)候受到場(chǎng)外因素影響，易導(dǎo)致檢驗(yàn)結(jié)果“失真”和檢驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確，不僅造成糧庫(kù)經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)不利于后期糧食烘干、糧食儲(chǔ)存[16-17]。

1.3.3 傳統(tǒng)檢驗(yàn)工作效率較低，人工成本高

因檢驗(yàn)指標(biāo)較多，需要檢驗(yàn)的樣品多，傳統(tǒng)檢驗(yàn)需要2～4名檢驗(yàn)員同時(shí)進(jìn)行操作，完成單輛散糧卡車檢驗(yàn)需要 15～20 min，工作效率低，檢驗(yàn)工作重復(fù)性高，檢驗(yàn)員易疲勞，影響糧庫(kù)整體收購(gòu)效率。

2 智能扦樣和智能檢驗(yàn)系統(tǒng)的應(yīng)用

借鑒無(wú)人工廠經(jīng)驗(yàn)，探索在糧庫(kù)建立智能扦樣系統(tǒng)和智能檢驗(yàn)系統(tǒng)，與糧庫(kù)數(shù)字化管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，通過現(xiàn)代化信息技術(shù)手段，旨在減少和避免扦樣和檢驗(yàn)過程中的重復(fù)勞動(dòng)，提高扦樣和檢驗(yàn)工作效率，不僅減少和避免人為干預(yù)，進(jìn)一步提高糧庫(kù)智能化水平。

2.1 智能扦樣系統(tǒng)

智能扦樣系統(tǒng)由智能扦樣機(jī)+PLC控制柜組成，利用預(yù)先內(nèi)置在控制柜中的程序，實(shí)現(xiàn)了智能識(shí)別車輛信息、自動(dòng)扦樣等智能化功能。

2.1.1 網(wǎng)格劃分分區(qū)設(shè)點(diǎn)、具備隨機(jī)性，扦樣樣品具有代表性

智能扦樣系統(tǒng)內(nèi)置控制程序中根據(jù)散糧車型大小（卡車、農(nóng)用車等）設(shè)定扦樣點(diǎn)位數(shù)量，扦樣機(jī)自帶攝像頭自動(dòng)掃描糧面，將散糧糧面水平方向、垂直方向進(jìn)行網(wǎng)格式劃分為若干等分，然后在網(wǎng)格中進(jìn)行點(diǎn)位隨機(jī)確定，同時(shí)規(guī)則設(shè)定任意兩個(gè)點(diǎn)位不會(huì)在相同水平方向、垂直方向上。以某糧庫(kù)為例，圖1中系統(tǒng)將卡車水分方向（長(zhǎng)15 m）和垂直方向（3 m）通過智能網(wǎng)格劃分，分成同樣大小的等份，在扦樣程序根據(jù)網(wǎng)格劃分結(jié)果設(shè)定大型卡車按13個(gè)點(diǎn)進(jìn)行分區(qū)設(shè)點(diǎn)，每次扦樣點(diǎn)位均不相同，智能扦樣機(jī)在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下根據(jù)程序計(jì)算點(diǎn)位進(jìn)行隨機(jī)扦樣。扦樣點(diǎn)位分區(qū)設(shè)置不僅滿足《糧食、油料檢驗(yàn) 扦樣、分樣法》等國(guó)家規(guī)范要求，點(diǎn)位選擇具有隨機(jī)性，糧食樣品具有代表性，能夠真實(shí)準(zhǔn)確的反應(yīng)整車糧食質(zhì)量。

圖1 糧面網(wǎng)格劃分和扦樣點(diǎn)位選擇Fig.1 Mesh division of grain surface and selection of grain sample points

2.1.2 無(wú)人值守、自助操作、扦樣效率高

農(nóng)民通過自助機(jī)終端制卡，通過智能扦樣系統(tǒng)自助刷卡，“一鍵啟動(dòng)”售糧扦樣，自動(dòng)送樣至化驗(yàn)室，自動(dòng)分樣，無(wú)需人員操作，實(shí)現(xiàn)“去人為化”，系統(tǒng)記錄和顯示每次扦樣點(diǎn)位。目前機(jī)械手式單扦智能扦樣系統(tǒng)和軌道式六扦智能扦樣系統(tǒng)應(yīng)用廣泛（圖2～3所示）。

圖2 機(jī)械手式單扦智能扦樣系統(tǒng)Fig.2 Manipulator type intelligent inspection system

可扦樣玉米、小麥、稻谷、大豆等常規(guī)品種，可扦樣干糧、潮糧、結(jié)冰凍糧等。

圖3 軌道式六扦智能扦樣機(jī)Fig.3 Rail-type intelligent inspection system

扦樣效率提升至3 min/車，較傳統(tǒng)扦樣機(jī)節(jié)約時(shí)間約70%，提升糧食收購(gòu)整體效率；扦樣設(shè)備無(wú)人值守，較傳統(tǒng)扦樣設(shè)備減少1名扦樣人員，節(jié)約人工成本，同時(shí)，能夠有效避免人員登高取樣導(dǎo)致的高處墜落生產(chǎn)安全事故。

2.2 智能檢驗(yàn)系統(tǒng)

智能檢驗(yàn)系統(tǒng)是將水分儀、容重器、篩分器、成像技術(shù)等集成為封閉式一體化設(shè)備，自動(dòng)將樣品進(jìn)行篩分，傳輸裝置將樣品傳送至不同指標(biāo)檢測(cè)通道，每一個(gè)通道檢測(cè)不同指標(biāo)，最后將檢測(cè)指標(biāo)自動(dòng)傳輸至人機(jī)交互系統(tǒng)中，全過程人員無(wú)需操作、無(wú)需接觸樣品、封閉檢驗(yàn)，自動(dòng)檢驗(yàn)水分、容重、雜質(zhì)、不完善粒、霉變粒、熱損傷、蟲蝕粒、生霉粒等指標(biāo)（玉米為例，智能檢驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成圖4所示），自動(dòng)判定糧食等級(jí)和對(duì)應(yīng)價(jià)格，檢驗(yàn)結(jié)果與糧庫(kù)收購(gòu)系統(tǒng)互聯(lián)互通[13,18-22]。

圖4 智能檢驗(yàn)系統(tǒng)Fig.4 The intelligent inspection system of maize

2.2.1 智能檢驗(yàn)系統(tǒng)的主要程序

（1）糧食樣品先進(jìn)入滾筒篩→經(jīng)過篩分→分離出雜質(zhì)、破碎粒和完整粒→分別稱重→自動(dòng)獲得雜質(zhì)指標(biāo)和破碎粒指標(biāo)→雜質(zhì)和破碎粒等自動(dòng)排入到廢料回收罐中；

（2）完整粒玉米經(jīng)過傳輸→水分分析儀→容重器→自動(dòng)獲得水分指標(biāo)和容重指標(biāo)；

（3）完整粒玉米經(jīng)過傳輸→霉變分析儀→玉米樣本逐粒清晰成像，采用 AI智能算法→與玉米不完善粒數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)→獲得霉變粒、熱損傷、蟲蝕粒、生霉粒、并肩雜質(zhì)（圖5所示）。

圖5 玉米不完善粒樣本分析結(jié)果Fig.5 The analysis result of unsound kernels of maize

（4）檢驗(yàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳至糧庫(kù)收購(gòu)系統(tǒng)中，檢驗(yàn)結(jié)果同步顯示到服務(wù)大廳的顯示屏幕中，售糧人員可根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果決定是否售糧。

2.2.2 智能檢驗(yàn)系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

（1）檢驗(yàn)人員不接觸樣品，無(wú)需人員干預(yù)，有效解決基層糧庫(kù)檢驗(yàn)專業(yè)人才緊缺問題，減少和避免糧食檢驗(yàn)對(duì)檢驗(yàn)員的依賴性。

（2）檢驗(yàn)結(jié)果重復(fù)性可靠、穩(wěn)定。樣品與不完善粒數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)和分析，檢驗(yàn)結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)化，檢驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確，糧食檢驗(yàn)數(shù)據(jù)全流程可追溯。

（3）降低人工成本。減少2～4名檢驗(yàn)員，大大降低糧庫(kù)成本費(fèi)用。

（4）檢驗(yàn)效率高。連續(xù)工作情況下，單輛散糧卡車檢驗(yàn)時(shí)間為 5～8 min，工作效率較傳統(tǒng)檢驗(yàn)方法提升超70%。

3 結(jié)論

（1）通過智能扦樣系統(tǒng)應(yīng)用，覆蓋 100%散糧卡車區(qū)域，確保樣品的代表性，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人值守目標(biāo)。

（2）通過智能檢驗(yàn)系統(tǒng)使用，全自動(dòng)封閉檢驗(yàn)，自動(dòng)生成水分、容重、雜質(zhì)、不完善粒、霉變粒、熱損傷等指標(biāo)，檢驗(yàn)結(jié)果可靠，實(shí)現(xiàn)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)化。

（3）應(yīng)用智能扦樣系統(tǒng)和智能檢驗(yàn)系統(tǒng)，全過程無(wú)需人員干預(yù)，解決了糧庫(kù)季節(jié)性用工荒問題和缺乏檢驗(yàn)專業(yè)技術(shù)人員難題。

（4）應(yīng)用智能扦樣系統(tǒng)和智能檢驗(yàn)系統(tǒng)，在入庫(kù)收購(gòu)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)從扦樣、化驗(yàn)、檢斤的過程一體化、操作自動(dòng)化和智能化，整個(gè)過程用時(shí)10～15 min，工作效率提升75%左右，ROE可達(dá)10%以上，數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳至糧庫(kù)收購(gòu)管理系統(tǒng)，扦樣、檢驗(yàn)、檢斤等環(huán)節(jié)無(wú)人操作，取得良好效果。

（5）應(yīng)用智能化扦樣系統(tǒng)和智能化檢驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)扦樣、檢驗(yàn)兩個(gè)傳統(tǒng)人工實(shí)施環(huán)節(jié)由智能化設(shè)備代替，技術(shù)方法可行，適用性強(qiáng)。全過程做到陽(yáng)光透明，解決農(nóng)民“賣糧慢”“賣糧難”問題，讓農(nóng)民賣“明白糧”“舒心糧”，讓糧庫(kù)“干凈收糧”“收干凈糧”。

4 展望

（1）隨著智能化扦樣設(shè)備、檢驗(yàn)設(shè)備廣泛應(yīng)用。筆者迫切希望相關(guān)政府部門、行業(yè)主管部門等能夠就完善散糧智能扦樣、智能檢驗(yàn)等方面相關(guān)法規(guī)及標(biāo)準(zhǔn)。

（2）打造智慧型糧庫(kù)是糧食企業(yè)未來(lái)必經(jīng)之路，智能扦樣系統(tǒng)、智能檢驗(yàn)系統(tǒng)僅僅是糧庫(kù)眾多環(huán)節(jié)中兩項(xiàng)內(nèi)容，糧食數(shù)量在線監(jiān)測(cè)、自動(dòng)化出入倉(cāng)、智能烘干系統(tǒng)、智能安防系統(tǒng)、智能糧情系統(tǒng)等技術(shù)已逐步成熟和投入使用，在降低糧食損耗，科學(xué)、高效、低能耗、綠色儲(chǔ)糧保糧，保障糧食數(shù)量真實(shí)準(zhǔn)確等方面將會(huì)變得更加智慧化。