粮库可信智能关键技术研究与应用

粮食安全是国家安全的重要内容，信息化是全面履行国家粮食和储备安全核心职能的重要基础，对于增强粮食安全和战略应急物资储备安全保障能力、推进粮食购销领域的监管有着不可替代的作用。

粮食流通行业通过二十多年不断发展，目前已经建设成了大量的粮库信息系统，覆盖全国近千个仓库，拥有部署400多万个粮情传感器和8万多个监控摄像机的世界上最大的粮食物联网[1-2]。但是，这些信息系统在数据自动采集、数据可信流通、行为智能识别、数据深度应用等方面还有很大差距。

粮食购销领域监管要求粮库必须提供真实可信的购销数据[3]。随着物联网、移动互联、区块链、云计算、大数据、人工智能等为代表的新一代信息技术的发展，粮库管理从传统以数据联网和管理数据统计分析为特征的“数字粮库”向具有智能控制、专家辅助决策等功能的“智能粮库”推进。

基于粮库信息化现状、存在问题，本文提出了粮库可信智能框架及关键技术，通过智能物联网、大数据、机器视觉、知识图谱等人工智能技术以及区块链技术深度改造粮食出入库、仓储保管，优化粮库安全生产、经营管理等业务流程与技术装备，以期大幅度提高作业效率、降低劳动强度、减少业务风险。

粮库可信智能框架如图1所示。粮库可信智能在区块链、智能物联网（AIoT）、机器视觉、大数据、知识图谱、新型支付、隐私计算等技术的基础上，结合粮库的实际业务需求，针对粮食出入库、仓储保管各环节数据自动采集手段少、人工填报数据多、数据采集工作繁杂、数据易被错填篡改等问题，依托智能物联网（AIoT）研发数据可信智采技术；针对粮库违规作业行为、安全生产风险难以被发现等问题，依托机器视觉研发智能识别技术；针对粮库里有经验的仓储保管人员越来越少，粮食仓储保管风险难以被及时发现，粮食仓储保管成本高，工作强度大，保管粮食质量有待提高等问题，依托大数据研发粮情云图技术；针对粮库精细化、科学储粮的要求越来越高，低碳绿色储粮势在必行，安全生产刚性要求越来越严等情况，依托知识图谱研发粮食仓储知识库；针对粮食收购资金支付较慢、打白条、粮食收购资金被挪用等情况，依托新型支付手段研发可控智付技术；针对粮库业务数据敏感，不愿意共享，数据易被滥用等情况，依托隐私计算研发隐匿共享技术；针对粮食、车辆等实物在粮库内流转路径难以被全程准确跟踪识别，研发实物流智能识别技术；针对粮食出入库、仓储保管、经营管理等业务环节较多，业务流程不透明，容易出现瓶颈和堵点等问题，研发业务流智能优化技术；针对粮食收购资金流转与实物流转在进度、一致性等存在错位，甚至出现粮食收购资金违规流转等问题，研发资金流透明合规技术；针对粮食购销监管、金融机构信贷资金风险管控的信息需求，以及粮食实物资产转变为数字资产，实现业务模式创新的需求，研发可信仓单技术。通过这些技术，可以实现风控预警、政策合规、金融合规、信用资产、数字资产、可信协同等功能。

图1 粮库可信智能框架

粮库可信智能主要包括可信智采、智能识别、粮情云图、知识库、可控智付、隐匿共享、实物流智能识别、业务流智能优化、资金流透明合规、可信仓单等关键技术。

为加快推进建设新一代“智慧粮库系统”，满足粮食购销领域监管的需求，八达岭库在技防技控方面开展了试点。图2所示为新一代智慧粮库系统整体架构。

图2 新一代智慧粮库系统

1.可信智采

可信智采技术主要用来自动、准确、及时采集粮食出入库、仓储保管期间各业务环节的作业数据，比如：质检、称重、粮情检测、清仓查库等，并以加密、不可窃取、不可篡改等可信方式传输、保存、共享，以减少人工采集、录入数据，采用智能物联网（AIoT）、探地雷达、激光雷达、机器视觉等技术，保障采集数据的真实性。

（1）粮食自动扦检技术及设备

基于机器视觉、近红外、智能控制等技术，研发粮食收购自动扦检技术和设备，自动随机确定采样位置，样品自动筛分、自动称重，自动检测杂质、不完善粒、水分、容重等，其中不完善粒可以检测虫蚀粒、发芽粒、赤霉粒、霉变粒等。真正实现粮食收购检测无人值守，自动检测，降低劳动强度，减少甚至杜绝“人情粮”等问题。

（2）芯片级称重防作弊智能采集技术

在地磅称重环节，增加传感器芯片级防伪技术和系统，包括智能传感器、智能仪表、数据安全传输、监管报警等，杜绝称重环节的各类遥控作弊行为，新增车牌识别摄像机、车检线圈、防砸雷达、车辆全周监控识别等，有效避免更多作弊行为。

智能传感器具有破壳检测功能，防止传感器破坏性改装，避免传感器内部加装作弊器行为；智能传感器具有姿态监测功能，一旦出现传感器倾斜角度超过报警限定值，系统自动进行汽车衡巡检预警提醒和故障维修报警。智能仪表具有开盖检测功能，有效监控仪表加装作弊器行为。智能仪表具有自动存储功能，通过预设一个重量阈值，可过滤空车、行人等记录，便于计量稽查。智能传感器至智能仪表之间实现数据安全传输，杜绝数据传输过程中计量数据篡改，有效防止加装作弊器，传输数据在区块链存证。

监管系统采用多数据融合、建模、分析与挖掘等技术，具有异常报警和多方位防作弊功能。系统实时与智能仪表、智能传感器进行握手监听，接收设备状态反馈，监听设备在线，基于历史数据和数学模型，分析每只传感器、同轴传感器、不同位置传感器的数据输出模型变化，异常波动后立即报警并进行应用内推送，实现远程监管；对每只传感器的受力情况进行统计分析预估使用寿命；对设备检修进行流程化管理；数据增加时间戳，确保数据的可追溯性。

（3）新一代粮食数量在线检测技术及设备

研发新一代粮食数量在线检测技术及设备：升级和完善激光雷达技术，实时采集记录每一次粮食体积的变化，以标准平房仓（2000平方米）为例，至少可以扫描1万个点，最多可以达到100万个点，精确测量不规则粮面。在数十年积累的基础上，继续完善和升级经过国务院粮食大清查验证和认可的粮食密度模型，提升粮食数量在线检测的精度。同时具备智能视频监控能力。

（4）无接触无电缆多功能粮情检测（粮食CT）技术与设备

研发无接触无电缆多功能粮情检测（粮食CT）技术与设备，利用大数据、探地雷达等技术，研发革命性多功能粮情检测技术和设备。首先，无需传统的测温电缆，通过对雷达信号的反演来检测粮情数据；其次，不仅能够检测粮堆温度，还能同时检测粮食水分，解决行业一直以来的电缆布设工作繁杂、水分检测困难等问题；第三，不同于测温电缆温度离散检测，通过雷达信号和大数据反演实现连续粮情检测。

图3为可信智采设备的实际应用。粮食自动扦检设备可以无人值守自动监测不完善粒、杂质、水分、容重等物理指标；自动进行粮食等级的判断；系统自动留样包装，喷码标识；避免人情粮；质检数据直接对接出入库系统，检测数据能够汇总和自动传输。避免人员记录手动操录，避免数据录错，确保数据实时在线。

图3 可信智采设备

新一代粮食数量在线检测设备以粮食数量测量与仓内视频监控一体机为核心，联动前端自主研发的仓门状态传感器，实现仓门的开启和关闭状态的智能识别，形成具有仓门状态预警、仓内视频监控、粮食数量实时在线监测的智能联动闭环系统，实现粮食数量实时在线远程智能监控。

2.智能识别

研发粮库大脑的智能视频分析技术和系统，自动识别粮食作业风险和安全隐患，并及时预警，改变过去摄像机录像、人工查看识别的高强度工作模式。本系统采用两种方式，即智能视频分析算法、算法定义的摄像机，前者在边缘AI服务器上独立部署粮库大脑的智能视频分析算法，后者将部分算法内嵌在摄像机。智能视频分析算法主要有：车辆车牌和车型识别分析、边界入侵、烟火监测报警、仓门异动检测、粮面异动检测、粮面虫害实时分析、视频遮挡实时监测、报警、粉尘环境视频增强、黑暗环境视频增强、人员倒地检测报警、抽烟监测、不戴安全帽监测等几十个算法，粮库大脑实时获取摄像头数据进行智能分析，如发现异常情况形成预警信息，将异常现象视频截取图片及视频片段，并将预警信息、视频信息等推送给管理人员。

智能化试点通过AI智能算法实现动态轮巡，自动识别粮食作业风险和安全隐患。同时，在库区24小时无死角监控的基础上，加入车牌和车型识别分析、烟火监测报警、粮面虫害实时分析、视频遮挡实时监测、规范配戴安全帽监测等多个算法，实时获取摄像头数据并进行智能分析，生成异常预警信息，自动截取异常画面和视频片段，及时推送至管理人员，将安全隐患扼杀在萌芽期。粮库智能识别架构图如图4所示。

图4 粮库智能识别架构图

3.粮情云图

研发粮库大脑的粮情智能分析技术和系统：基于大数据等技术，对储粮粮情数据（温度、湿度、水分、露点等）进行多维（主视截面、侧视截面、俯视截面、对角线截面等）、多参数（绝对值、梯度、历史相关性等）、多粒度（点、线、面、体）分析，根据粮食仓储保管知识库，给出储粮粮情当前状态（正常、临界和危险）和判断依据，特别是异常粮情的位置，以及处置建议，并相应给出粮情处置的推荐工艺。

如图5所示，实时粮情云图既可展示廒间不同界面的实时粮情也可以展示相同界面的历史粮情，并提供自动播放功能；并根据云图的不同特征进行分析判断，实现对“新入粮”“突变”“发热”“结露”等储粮模态的自动辨识，为发现库存粮食变动、结露等现象提供预警，实现对储粮全过程的数量监管和质量安全管理。

图5 粮情云图

4.知识库

集成国内知名储粮粮情工艺专家的专业知识，建立储粮粮情分析决策知识库系统、储粮工艺分析控制知识库系统等基础专家知识库，对接入系统的多维储粮粮情数据（温度、湿度、水分、露点等）进行多维、多参数、多粒度分析，给出储粮粮情当前状态、并提供早期预测预警预报和决策处理意见；对执行的储粮工艺进行实时分析、推演以及预测并对相应设备进行精准控制。相关研发系统将行业知识、专家知识建立温度、水分、霉变、虫害、通风、控温、气调、熏蒸等知识库（如图6），并智能分析粮情现状，自动识别储粮风险因素，并给出处置建议以及详细工艺。

图6 知识库

5.可控智付

粮食收购支付给卖粮人的资金，首先要有完整的粮食入库信息，包括登记、扦样、质检、称重、值仓等信息，并且在区块链上存证，通过区块链智能合约验证支付凭证完备，并且合规，才能进入结算支付环节；资金支付过程中，通过网银直连、数字人民币等新型支付手段，在区块链智能合约的约定下，自动判断支付资金流向是否合规，快速支付卖粮资金。

可控智付系统将粮食出入库数据通过区块链存证，并通过区块链智能合约验证合规后，自动快速地支付粮食资金，如图7所示。

图7 可控智付

6.隐匿共享

粮库中粮食出入库、仓储保管、安全生产、经营管理等各方面数据非常敏感、重要，甚至有些数据非常机密，需要妥善保管、审慎处理；但是，按照相关政策，相关数据还要跟上级单位、主管部门进行上报、共享；另外，粮库还要跟相关合作伙伴，比如质检机构、交易平台、供应商等交换和共享部分数据。在这些场景下，基于区块链的隐私计算技术，粮库的数据不用发送给相关单位，而是一直保留在粮库，外部单位需要了解粮库的相关情况时，通过区块链的隐私计算技术，在不用获得粮库具体数据的情况下，就能得到他们问题的结论，从而既能让数据不出粮库，又能对外实现信息交换，实现隐匿共享。

如图8所示，粮库数据通过区块链存证，无法篡改，并且通过区块链隐私计算，以可用不可见的方式对外提供数据共享。

图8 隐匿共享

7.实物流智能识别

基于粮库在关键位置部署的智能摄像机，以及后台的AI服务器，粮库智能机器视觉算法，自动识别车牌号、车辆特征，自动调整摄像机焦距，让自动拍照的图片、视频中车辆既能够完整，又能够尽可能大，充满整个画面，让人看得更清楚。在此基础上，智能分析算法将同一车辆在不同环节的视频、图片关联、拼接在一起，构建车辆在粮库库区所有路径，实物流清晰可见。

通过机器视觉等人工智能技术自动识别运粮车辆在粮库的轨迹路线，自动识别过程中风险因素，并及时预警（如图9）。

图9 实物流智能识别示意图

8.业务流智能优化

基于物联网、人工智能等研发粮食出入库作业移动管控技术及系统，进一步提升出入库作业效率，为卖粮农户、经纪人、司机、客户等提供深度精细服务；研发粮食出入库防作弊技术及系统，筑牢防治出入库腐败的“铜墙铁壁”。

（1）合同收购预约功能。售粮企业可以在线上进行预约委托入库，一次完成多个入库司机的预约，司机到库点之后直接刷身份证就可以自助完成入库登记，领取售粮卡等工作。

（2）深度便民服务功能。通过智能卡实现外网的惠三农和内网的出入库系统的信息流打通，以短信推送和广播形式，将出入库关键环节的业务数据及时发送给司机；司机入库后可以实时获取售粮的进度信息、检化验、称重等信息，实现便民卖粮、节约排队等候时间，提高司机的送粮体验。

运粮车辆入门登记时，利用内嵌智能视频分析算法的智能摄像机不仅识别车牌号码，还要识别车辆车型；同一车辆在一天内多次进入粮库执行出入库作业时，及时推送预警信息，实现对“转圈粮”的预防预警功能；通过大数据技术对接全国粮食出入库数据，进行大数据分析，识别卖粮车辆是否近期在全国其它粮库有出库作业，运送粮食品质是否一致，粮食等级是否一致等，及时发现转圈粮隐患；通过智能多头扦样设备，实现动态多头自动随机取样，无需人工干预扦样点，自动分样，扦样效率大大提高，有效避免卖粮作弊的可能性；通过量具天眼的人工智能识别算法，将没有计算机通讯接口的检化验设备检测出的结果自动识别出来，并自动记录到出入库系统，避免人工录入检化验结果造成的劳动强度大、易出错等问题，同时充分利用已有设备，保护投资；在地磅称重环节，增加传感器芯片级防伪技术和系统，杜绝称重环节的各类遥控作弊行为，新增车牌识别摄像机、车检线圈、防砸雷达、车辆全周监控识别等，有效避免更多作弊行为。

卖粮人可在线预约，关联合同、司机、车辆等信息，方便快捷；合同

和业务进度随时掌上可查（如图10），优化体验；同时预约出入库、多次预约出库、入库，系统都会推送提示关注可能发生转圈粮的风险，帮助守好粮库第一道关口。

图10 业务流智能优化

9.资金流透明合规

通过区块链智能合约技术，将粮食收购资金支付规则，编写为智能合约，自动判断结算支付所需资料是否完整、合规，支付对象是否合规等，结算支付过程相关数据也在区块链存证，让粮库资金流向清晰可见，并且不可篡改。通过区块链智能合约自动验证并执行粮食收购资金结算支付过程，既能够满足合规要求，又能够加快资金支付进度，提高助农惠农水平。

10.可信仓单

将每一辆车入库、出库所有环节的业务数据，以及粮食仓储保管全过程数据上链存证，通过传感器直采数据并且上链，粮库大脑的智能视频分析算法识别出风险隐患和违规行为，自动上链，尽可能减少上链数据中人工录入数据的比例，通过对单仓粮食的完整生命周期的数据追溯拉通，从入库到保管再到出库中所有的出入库记录、质检记录、每一天的照片记录，在线检测的粮食数量信息及变化曲线，形成电子仓单并实时同步到分公司和集团，实现柔性穿透式监管。

可信仓单出入库、仓储保管、安全生产等关键数据通过区块链存证（如图11）；所有上链数据通过传感器直采、智能算法识别，尽量规避人工录入；第三方质检数据可在线共享、验证，无需线下传递纸质报告，无需担心数据篡改；为各方监管提供真实依据；与网上交易系统对接，让客户更信任，方便融资。

图11 可信仓单

八达岭直属库引入新一代智慧粮库系统，通过新系统的实施，八达岭库在安全、效率和监管三个方面都取得了显著的提升（如图12所示）。安全事故的减少、作业效率的提高、管理成本的降低以及监管能力的增强，都为粮库的稳定运营和粮食安全提供了有力保障。通过以上系统的实施，证明了该系统的可靠性。

图12 智慧粮库系统应用成效

1.监管提升

新一代智慧粮库系统通过智能化手段实现对粮食存储和作业过程的动态监管，通过自动化技术，减少了作业过程中的人工参与，有效解决了人情粮问题。通过可视化技术，可以直观地了解粮库的运营状况，提升管理效率；同时通过大数据智能分析技术，对粮食购销、存储等作业过程进行智能分析，有效解决了转圈粮问题。通过账目和实物的实时同步管理，确保了数据的准确性，同时通过可信仓单智能分析防作弊等手段，有效解决了部分徇私舞弊问题。

2.安全提升

对比试点应用前后发现可以在以下几个方面保障作业安全。

粮面异动预警与数量在线监测：通过智能视频监控系统，粮库能够实时监测粮面情况，一旦发现异动，系统会自动预警。这种自动化的监控方式极大地提高了粮食存储的安全性，有效预防了粮食损失和盗窃问题。

烟火监测预警：通过在粮库安装烟火监测系统，能够及时检测到火源和异常高温，预防火灾事故的发生，保障了人员和粮食的安全。

不带安全帽、人员抽烟、倒地预警：通过智能视频分析，系统能够识别工作人员是否遵守安全规范，如未戴安全帽、违规抽烟等行为，及时发出预警，增强了作业现场的安全管理。

周界入侵检测与陌生人识别：系统能够监测到未授权人员的入侵行为，并通过陌生人识别技术提高安全防范能力，使得库区安全得到加强。

粮情云图智能分析：通过粮情云图，对库存粮食变动、结露等现象提供预警，实现对储粮全过程的数量监管和质量安全管理。

通过以上几个方面，有效保障了粮库内的数量安全、作业安全、质量安全以及库区安全。

3.效率提升

经过部署智慧粮库系统，效率方面得到了有效提升（如图13）。扦样检验时间由原来的30分钟每车减少到平均5分钟每车，扦样检验时间较原来减少83%，提升了扦样检验效率，各个作业环节的人数也相应减少，如检验员由原来的2个减少为1个，节省了人力，达到了降本增效的目的。此外，通过实施预约制，有效降低了司机排队入库的时间，从而提升了效率。同时，通过自动化技术，实现了无人值守的自动过磅，通过智能化的质检系统，实现了粮食出入库的自动化管理，使得库管员的巡查时间由原来的30分钟每仓减少到平均10分钟每仓，单次巡查时间减少67%，大大提高了作业效率。

图13 效率提升结果

粮库可信智能技术突破出入库作业效率不高，为农服务不够精细，仓储作业劳动强度大、不够精准，营私舞弊，转圈粮等行业难题。本文通过构建新一代智能、可信、可控、安全的粮库信息系统，以粮库大脑、可信仓单为核心，提升了粮食出入库作业效率，为卖粮农户、司机、客户提供深度、精细服务，大幅度降低粮情测控劳动强度，提高粮情分析的准确性和预测性，更加精准地进行仓储保管作业，实质性提质增效，构建起粮食购销腐败“技防技控”的铜墙铁壁。