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科学研究

粮食信息处理与控制教育部重点实验室设有以下研究方向:

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1.粮情信息感知与控制

围绕我国粮食储藏信息化技术发展需求,重点开展了粮仓环境与储粮生态作用机理、储粮状态检测理论和储粮信息智能融合技术等方面的研究与开发,系统化开发了粮情测控有关的软硬件平台,为我国粮食储藏安全提供了必要的技术支撑。该研究方向建有电磁波探测研究室、太赫兹波研究室、粮情测控研究室、工业过程控制研究室,现有研究人员21人,其中教授4人,博士17人。主要建设进展为:

1)针对我国粮食储存特点和监测需求,采用粮情监测层次化网络结构,提出并设计实现了混合型粮仓数据采集网络,设计了粮情监测应用数据交换协议和网络扩展接口标准;构建了粮库粮情监测物联网体系,实现粮情的远程监管,提高了储备粮的管理水平。研究成果网络化多功能粮情监控集成技术和系统研究获河南省科技进步一等奖和中国粮油学会科学技术成果一等奖。

2)针对粮仓压力随机分布而数量难以检测的问题,提出了基于压力传感器网络粮仓底面压力平均值的粮仓储粮数量的计算模型与具体系统标定方法。所提出储粮数量检测方法具有测量精度高、实用性强、检测成本低的特点,可以满足在线实时监测全国粮库储粮数量与分布的实际需求,实现了粮仓数量精确在线检测。该成果获国家发明专利和河南省科技进步三等奖,并与北京航天金泰星测技术有限公司合作进行该技术的工程化实施工作。提出一种基于光纤传感器的粮仓温度和库存监测系统,该监测系统包括驱动器、激光器、耦合器、检测电路、控制器、监控中心和用于分布于粮仓各测点的分布式应变增敏光纤传感器,利用光纤作为粮仓温度和库存信息的传感和传输介质,通过测量光纤沿线的温度及应变分布情况,进行温度和库存的同时监测,该成果获国家发明专利。

3)提出并建立了粮堆湿热传递数学模型、粮堆温度场和湿度场有限元模型,在获得粮情变化规律基础上,提出了粮情传感器网络节点科学的部署规范。建立了粮情智能分析模型,通过分析模拟和仿真手段,预测储粮粮情变化趋势,提前预知粮食霉菌、害虫的产生与生长趋势,消除质变隐患,及早采取防治措施,减少霉菌、害虫造成的粮食减损,减少化学药剂的用量和次数,实现了粮食绿色、生态、安全储藏的精准化管理和智能化控制。

4 研究了电磁波在粮仓多层介质结构中的传播特性和粮堆介电常数的反演模型及算法,开发了基于电磁波探测技术的储粮粮情仓外检测技术,该技术采用介电常数逐层反演算法和电磁波层析成像算法,有效地提升了大型粮堆的快速检测能力,该成果获批国家发明专利2项。

5)基于软件组件和中间件技术,开发了粮情测控开放式软件平台,实现了基于模型的储粮数量检测、测温、测湿、测气、粮情分析、通风控制等功能组件,用户可通过该软件平台,根据需要灵活选择组件方便快速地构建应用系统,也可按扩展接口标准开发新的功能。并实现了基于Web的粮情查询分析远程监管功能。

6)储粮害虫在粮堆的扩散及分布规律研究,重点研究主要储粮害虫在不同温度场、湿度场及不同粮堆中的扩散特性和分布规律,建立了主要储粮害虫的三维扩散及分布模型。提出了一种害虫稀疏表征分类识别方法与分类识别装置,该方法包括对k类害虫进行编号;对包含k类害虫的所有图片进行图像预处理;对预处理后的所有图片进行特征提取:满足约束等距性条件的特征字典的构造;对预处理后的任一待识别图片进行特征提取;求解分类模型;对害虫进行识别等内容。实验表明提出的害虫识别方法准确度高、可靠性与稳定性强,性能优于现有技术。

7)通过分析粮情测控信息融合系统模型、信息融合层次、系统体系结构,提出了一种分布式粮情信息融合的结构,利用基于Bayes估计理论的Kalman滤波器分布式信息融合方法进行同质传感器信息融合,提出一种基于RBF神经网络与D-S证据理论的信息融合方法进行异质传感器的融合。在此基础上提出一种粮仓智能通风系统及其控制方法,并申报国家发明专利。

8)在粮情感知与控制技术领域,积极服务行业发展,先后制定粮情测控分机、软件、通则、信息交换接口等4项国家标准。

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2.粮食品质信号检测与处理

系统性研究了粮食物理、化学和生物信号的获取与处理方法,建立了粮食使用品质数学模型,发展了粮食品质信号检测与处理的创新性理论及算法,构建了粮食物性检测的数据信息库,为粮食物性识别平台、粮食品质信号检测新技术、新方法的研究与开发提供了的理论基础。该研究方向建有粮食品质检测研究室,现有研究人员14人,其中教授5人,博士11人。主要建设进展为:

1)将信号处理技术引入到小麦品质检测工作中,建立了一种科学、客观、快速检测小麦硬度的新方法。提出的小麦硬度检测方法作用于群体颗粒样本,测量步骤简单,测量一致性较高,并可通过检测散粒体的整体特性直接反映小麦的硬度特性。在检测过程中极大地减小了对小麦颗粒的破损,使得对同批次的小麦样本进行重复试验成为可能。在建立小麦硬度声学检测方法的基础上,成功开发了具有我国自主知识产权的小麦硬度检测仪器,测定结果表明,该仪器达到国内外同类仪器先进水平。研究成果获河南省科技进步二等奖。

2)提出了基于激光超声融蚀机制的小麦硬度测量方法。该方法首先以热传导方程和波动方程的经典理论为基础,建立了脉冲激光作用于小麦表面而激发出超声波场的数值模型;然后利用时频分析技术并通过相关性计算提取了小麦超声纵波信号的过零率、波形指标、脉冲因子以及小波变换的两个特征参数;最后以该5个特征参数为输入,设计了基于BP神经网络的小麦硬度测试模型。通过对20个不同样本小麦硬度的测试,结果表明,该模型预测值的最大相对误差为-2.24%,平均相对误差为0.15%。在此基础上,设计开发了基于激光超声融蚀机制的粮食品质检测系统,该技术以脉冲激光器为激光源、电容超声换能器为接收器件建立检测平台,获取粮食籽粒的超声纵波信号;利用小波包变换技术提取信号的时频特征参数;进而基于最小二乘法建立粮食品质参数的数学模型;以国标为依据,最终实现粮食品质的分级与评价,该技术具有快速、准无损、非接触、抗干扰能力强、效率高、无污染等诸多优点。该技术获国家发明专利。

3)通过测定典型省份小麦、稻谷、玉米的等级及储藏品质等指标,借助于网络和数据库技术,初步建立了适合我国国情的商品粮食品质信息资源综合性数据库。

4)针对微生物及真菌毒素快速检测技术需求,基于太赫兹时域波谱分析(Terahertz Time-Domain SpectroscopyTDS)技术,建立了主要储粮品种的太赫兹波谱库,为开发储粮生物危害物的太赫兹波谱检测技术了奠定基础。

5)利用小麦籽粒内虫害的自发生物光子辐射(BPE)机理,开展小麦籽粒内隐蔽性害虫(着重卵期和幼虫期)生物光子学精准检测的基础理论研究,提出了一种小麦籽粒自发BPEBiophotonEmission,生物光子辐射)信息的特性分析方法,先对幅度随时间变化的小麦籽粒自发BPE时域数据进行数据预处理,剔除数据的奇异值,再计算小麦籽粒自发BPE数据的自相关函数,最后运用相关函数法得到小麦籽粒自发BPE信息的功率谱分布函数,并计算谱边缘频率(SEF)、谱重心频率(SGF)、功率谱熵(PSE)等三个特征参数来描述其功率谱的特性;提出了一种小麦籽粒受激BPEBiophotonEmission,生物光子辐射)信号的频域特性分析方法。对获取的小麦籽粒受激生物光子辐射信号,首先进行一维平稳小波降噪预处理,然后采用傅里叶分析方法对其进行频域特性分析,以达到较为准确、全面地提取小麦籽粒受激BPE信息的目的。通过实施例对本方法的效果进行了检验;结果表明,本方法可以很好地反映小麦籽粒受激生物光子辐射信号的频域特性。研究成果申报国家发明专利2项。

3.粮食信息传输

围绕我国粮食购、销、存等过程中信息传输技术、信息安全技术发展的实际需求,重点开展了粮食信息传输标准化体系、粮食仓容信息无线监测、数字粮食信息安全、计量管理控制系统等方面的基础理论与应用技术研究,为我国粮食信息化管理提供了必要技术保障。该研究方向建有物联网技术研究室、宽带通信技术研究室、嵌入式系统研究室,现有研究人员12人,其中教授5人,博士11人。主要建设进展为:

1)重点研究面向智慧粮库的物联网数据交换标准、通讯接口和接口协议,实现粮食监控设备的标准化通讯和数据交换,为建立粮食信息传输标准化体系奠定了基础。

2)开发了基于北斗卫星定位技术的粮食物流信息采集系统。利用北斗卫星定位、无线通信、地理信息和RFID 等技术,开发了满足粮食行业物流需求的物流信息服务示范系统,建立了基于北斗卫星定位的粮食物流系统信息服务系列规范,进行粮食物流的全程跟踪与追溯。

3)提出了一种粮食仓容信息无线监测系统、监测方法及组网方法,包括基于CAN总线的仓内粮情数据采集子系统、基于Zigbee的粮仓粮情数据传输子系统、基于GPRS的粮库粮情数据传输子系统和中心服务器子系统,将基于CAN总线的有线数据采集网络与无线数据传输网络相结合,既发挥了有线网络供电简便、数据传输可靠性高的优点,又发挥无线传输网络无需布线、低成本、低功耗的优点;将ZigBee短距离无线通信与GPRS远距离无线通信相结合,能够优势互补,实现大距离范围内的粮库粮情监测。

4)重点研究了面向核心应用的数字粮食信息安全,粮食数据存储、访问与传输安全体系。研究了云式存储技术、数据库集群技术、访问鉴权机制、公钥加密技术在粮食数据安全中的应用。基于二维离散动力系统的空间混沌序列的产生及特性分析获国家自然科学基金资助,研究成果基于XML的密钥管理系统研究与设计获河南省科技进步二等奖。

5)针对粮食加工过程中的高精度计量的实际需求,开发了基于嵌入式网络化的远程粮食计量管理控制系统,实现了实时、本异地出入库连续计量和在线监测;采用浮点运算和神经网络误差自修正算法,提高了计量精度和工作可靠性,降低了粉状物料在线连续计量工作误差;采用模块化设计,实现了落差自整正、误差修正、故障诊断、超差报警等功能;采用以太网替代传统的工业控制网络,实现了计量远程控制与全厂粮食加工自动化系统的集成。该系统获中国粮油学会科学技术三等奖。

4.粮食信息融合与决策支持

围绕粮食信息化发展和“智慧粮库”建设需求,紧密结合云计算、大数据、决策支持系统等下一代信息技术研究趋势,开展了粮食流通智能决策、粮库智能通风、应急需求预测等方面的研究与开发,为粮食宏观管理、科学决策和合理利用提供必要的技术服务。该研究方向建有智能信息处理研究室、3S技术研究室,现有研究人员15人,其中教授6人,博士12人。主要建设进展为:

1)针对对粮食物流经营企业物流配送中存在的流通效率低、成本高、灵活性不强等问题进行研究,综合利用智能决策、GIS以及物流管理等信息技术,构建了高效、智能、可视化粮食物流信息服务系统。包括(a)建立动态调度VRP模型。根据运输条件和客户需求,在考虑配送效率和利用率的前提下,引入惩罚成本、客户满意度、软时间窗口等约束条件,建立了易于扩充的VRP基本模型;建立车辆的动态VRP模型。结合道路拥塞、车辆损坏、客户需求变化等各类突发性事件的判断,以对VRP基本模型影响最小为前提,构建了粮食物流配送动态VRP模型。针对模型求解的复杂性、时效性以及求解时间与最优结果满意度之间的矛盾,提出了一种更忠实于真实蚁群行为的改进蚁群算法实现了模型求解;(b)基于GIS技术基础平台的搭建。利用GIS技术实现配送过程的可视化、地图化,构筑具有数据采集、分发、共享、处理、分析、存储的机制的粮食物流配送信息操作平台;(c)提供通用化的、产品化的信息化解决方案。粮食物流配送基础业务流程被分解成由发货、配载、动态调度这三个原子流程,实现了粮油配送企业内部业务流程的通用化。该成果获河南省科技进步二等奖。

2)结合粮食收购业务流程,开发了粮食综合业务管理系统,实现了粮食收发管理的办公自动化和信息化。包括建立了粮食收发管理工作流模型;将价格计算和相关款项结算业务逻辑与普通事务性功能模块以松耦合方式实现,保证了系统良好的适用性和可维护性;集成了多种型号地磅功能,实现了称重自动化。该项目成果规范了粮食综合业务工作流程,有效提高粮食收购业务管理水平,保障粮食收购专项资金安全。该成果获河南省科技进步三等奖。

3)储粮机械通风专家系统研究。利用储粮机械通风决策知识,运用计算机软件工程、专家系统理论的设计思想与方法,开发了储粮通风机械专家系统,对系统的人机接口、知识表达、知识获取、知识库建立、推理控制策略与机制等关键技术进行研究和实现。在知识表达中提出知识分类的概念,大大提高了系统的推理速度、减少了规则搜索范围。

4)针对我国粮情测控系统监测信息不完整、自动化程度低、控制手段不足等问题,结合现代测控技术、模式识别技术等,开发了基于生态环境控制的新一代安全储粮智能监系统,实现了储粮生态环境参数(温湿度、大气湿度、天气状况、原粮信息等)检测功能和储粮状态分析功能; 基于数字化、自动控制和数据远程传输的思想,建立储粮生态环境与粮食品质变化、害虫产生之间的关系模型,通过储粮生态环境的监测与控制,实现粮食品质与害虫的有效控制。该成果获中国粮油学会科学技术三等奖。

5)针对粮食应急数量预测、粮食应急点选址及粮食应急调度优化等问题,基于智能信号处理算法和电子地图技术,研究开发了区域粮食应急系统,实现了应急粮食需求预测、应急点选择、出救点选择、应急粮食调度、应急方案生成和应急方案评价等功能,可有效推动应急工作智能化,提高应急效应效率。结合地理信息系统,基于模糊聚类方法,建立了粮食应急需求模型,开发了粮食应急需求预测子系统,实现了对待救援区域的信息查询和统计;基于粒子群优化算法和GIS技术,建立了基于粒子群优化的带障碍约束的空间聚类算法的应急粮库选址模型,为应急粮库建设地址提供决策支持;针对粮食应急调度问题,建立了适应多应急点、多出救点的多目标优化模型,基于蚁群算法,开发了粮食应急调度技术,有效解决了多目标、多约束的粮食应急调度问题。该成果获中国粮油学会科学技术三等奖。

6)结合我国粮食行业信息化建设的需要,构建基于网格技术的新一代粮食行业信息化平台,实现行业相关信息的存储、共享、管理和服务等功能,主要包括(a)建立了粮食信息服务网格资源共享模型。基于网格技术,实现对粮食信息资源的有效整合;(b)开发了粮食信息咨询数据库,建立适合粮食行业应用特点的数据存储模型,制定多层次、多维度信息的数据存储方案;(c)建立了粮食信息检索系统,实现了对海量的粮食专业领域数据库的快速、准确的访问,为用户提供了高质量的信息检索和咨询服务;(d)建立网格任务最优调度子系统,提出一种基于蚁群算法优化的网格任务调度算法 (ACO-GTM),从而提高了网格资源调度的负载均衡性能;(e)建立以用户为中心的网格计算资源组合分配模型,采用基于组合拍卖模型的计算资源分配算法,使得网格计算资源在短时间内被合理分配,达到快速有效的资源优化分配目标。




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