陳傳波,王 力,侯少帥,張 晨

1.無錫中糧工程科技有限公司 (無錫 214035) 2.中國儲(chǔ)備糧管理集團(tuán)有限公司江蘇分公司 (南京 210000)

隨著國內(nèi)糧食現(xiàn)代物流技術(shù)的不斷更新,便于實(shí)現(xiàn)糧食機(jī)械化進(jìn)出倉的筒倉在近幾年得到了大力發(fā)展,這種倉型具有存儲(chǔ)容積大,占地面積小、機(jī)械化自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn),不僅廣泛應(yīng)用于中轉(zhuǎn)庫,也越來越多的應(yīng)用于儲(chǔ)備庫中。但是筒倉也有很多不足之處,例如:糧堆高度過高,工人倉頂作業(yè)危險(xiǎn);倉內(nèi)空間有限且屬于20區(qū),對機(jī)電設(shè)備和工人操作都有著非常嚴(yán)格的要求;受雜質(zhì)、水分、進(jìn)出糧作業(yè)等因素影響,倉內(nèi)糧堆狀態(tài)不確定,快速準(zhǔn)確獲得筒倉內(nèi)糧食數(shù)量和糧堆形狀較為困難,這對糧食的數(shù)量的監(jiān)測及儲(chǔ)存安全都有著重要影響,數(shù)量真實(shí)、存儲(chǔ)安全都是糧食安全的重要組成部分[1]。因此,如何安全準(zhǔn)確地了解筒倉內(nèi)物料狀態(tài)及存儲(chǔ)數(shù)量是當(dāng)前糧食行業(yè)的急需解決的問題。

1 筒倉內(nèi)物料狀態(tài)

糧食物料的形式在在不同階段是不同的,按筒倉作業(yè)模式,可分為三個(gè)階段:進(jìn)倉階段、存儲(chǔ)階段、出倉階段。

1.1 進(jìn)倉階段

筒倉進(jìn)糧多采用固定式設(shè)備從倉頂進(jìn)料口自上而下進(jìn)入筒倉,受糧食物料、溫濕度、雜質(zhì)含量的影響形成不同角度的錐面,若倉內(nèi)存在布料器或多個(gè)進(jìn)料口,則糧堆狀態(tài)為多個(gè)錐面的結(jié)合體。糧堆高度隨著糧食入倉不斷增加,需在進(jìn)糧數(shù)量達(dá)到筒倉設(shè)計(jì)容量時(shí)及時(shí)停止入倉作業(yè),否則會(huì)有冒倉的風(fēng)險(xiǎn)[2]。

1.2 存儲(chǔ)階段

進(jìn)倉階段結(jié)束后,如果沒有人為參與,存儲(chǔ)階段糧面的狀態(tài)將保持為進(jìn)倉后段糧堆狀態(tài)的累加。如果工人進(jìn)行平倉操作(使用工具將糧食表面攤平),則筒倉內(nèi)糧食可近似為圓柱體。

1.3 出倉階段

以平底立筒倉為例,根據(jù)出料口數(shù)量不同,出糧后糧堆狀態(tài)為圓柱體減去一個(gè)或多個(gè)倒圓錐的結(jié)合體。但以上是比較理想的出倉狀態(tài),當(dāng)筒倉內(nèi)糧食發(fā)霉、含水量高或保管條件差時(shí)糧食就會(huì)變硬,顆粒粘在一起,糧堆出現(xiàn)“結(jié)頂”、“掛壁”等情況,進(jìn)而影響管理者對倉內(nèi)物料狀態(tài)的判斷。

2 傳統(tǒng)測量方式

2.1 人工測量

人工測量的方式有兩種:一是使用繩索和鉛錘組成簡單的設(shè)備粗略估算立筒倉內(nèi)部糧食高度;二是先人工平倉后再使用工具測量堆糧高度。鉛錘測量操作簡單,測量方式直接。但是鉛錘測量準(zhǔn)確度低,筒倉在進(jìn)出料時(shí),其內(nèi)部表面糧食的形狀凹凸程度不固定,單憑鉛錘的測量無法準(zhǔn)確判斷體積,只能大致判斷倉庫內(nèi)糧食的高度。另外,由于鉛錘和繩索本身的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其極易出現(xiàn)故障,造成測量數(shù)據(jù)誤判[3]。人工平倉測量的方式耗費(fèi)人力,效率低下,且對糧倉管理人員的人身安全造成威脅。

2.2 料位器

料位器常安裝于筒倉倉頂或架空式筒倉倉底出糧口處,根據(jù)安裝位置不同分別稱為高料位器、低料位器。高料位器主要用于判斷進(jìn)糧時(shí)糧堆是否達(dá)到設(shè)定高度,當(dāng)糧堆高度達(dá)到傳感器高度時(shí),與傳感器相連的信號(hào)電纜將信號(hào)傳輸至中央控制系統(tǒng),中央控制系統(tǒng)停止進(jìn)倉作業(yè)防止冒倉。低料位器則用于監(jiān)測出料口出料是否還有余料。料位器的測量點(diǎn)位有限,不能準(zhǔn)確反映倉內(nèi)物料狀態(tài),且受粉塵和糧食料流的影響設(shè)備易發(fā)生故障造成測量誤差。

2.3 散糧秤動(dòng)態(tài)統(tǒng)計(jì)

在糧食入倉和出倉的過程中使用散糧秤對物料的重量實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)并累加,通過倉內(nèi)糧食的重量反算出糧堆體積。此方式糧食重量結(jié)果較為準(zhǔn)確,符合商務(wù)結(jié)算標(biāo)準(zhǔn)。但是,只能統(tǒng)計(jì)糧食的重量,不能分析糧食的位置,當(dāng)糧倉內(nèi)環(huán)境復(fù)雜的情況下不易推測出準(zhǔn)確的糧堆狀態(tài)。另外,由于散糧稱本身誤差及物料容重的不準(zhǔn)確性,實(shí)際作業(yè)時(shí)往往出現(xiàn)未達(dá)到設(shè)計(jì)裝糧數(shù)料位器就報(bào)警或達(dá)到設(shè)計(jì)裝糧數(shù)倉上層還有較大空間。

3 智能測量系統(tǒng)

近幾年我國糧食儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展迅速,目前較新的筒倉測量技術(shù)包括3D雷達(dá)料位系統(tǒng)、三維激光掃描技術(shù)、雙目立體視覺技術(shù)、糧倉側(cè)壁壓強(qiáng)檢測技術(shù)等。

3.1 3D雷達(dá)料位系統(tǒng)

3D雷達(dá)物位掃描儀可以安裝在糧食筒倉上,雷達(dá)發(fā)出微波信號(hào),遇到被測介質(zhì)表面其信號(hào)被反射回來由雷達(dá)天線接收。雷達(dá)中一部分微波發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)進(jìn)行混頻得到差頻信號(hào),差頻信號(hào)經(jīng)過FFT或DFT等傅里葉變換算法得到差頻頻譜信號(hào),從而得到頻率差。根據(jù)線性調(diào)頻信號(hào)頻率差與時(shí)間成正比關(guān)系,從而得到時(shí)間差。再根據(jù)時(shí)間差與天線到被測介質(zhì)表面的距離成正比,由此能夠計(jì)算出天線到被測介質(zhì)表面的距離。將數(shù)據(jù)反饋給成像軟件,通過算法計(jì)算,復(fù)原料倉內(nèi)物料的 3D 圖像。該方法三維成像可視化,能直觀的還原物料表面及料倉側(cè)壁的實(shí)際形態(tài),實(shí)現(xiàn)對糧堆的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測,具有測量范圍大,效率高等優(yōu)點(diǎn)。但受限于波束角的大小,單臺(tái)雷達(dá)料位系統(tǒng)難以監(jiān)測滿倉時(shí)的物料形態(tài),需多臺(tái)料位器配合使用以消除監(jiān)測死角。

3.2 三維激光掃描技術(shù)

三維激光掃描儀的工作原理是基于多點(diǎn)激光測距,可大面積、高分辨率、快速地獲取物體表面各個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo),然后通過計(jì)算機(jī)3D圖像技術(shù)能夠把測量數(shù)據(jù)整合并顯示為3D圖像,從三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)中各標(biāo)靶點(diǎn)的間距可以得出糧面的實(shí)際高程,通過最小二乘法曲面擬合和積分公式計(jì)算糧食體積[4],最后結(jié)合糧堆密度計(jì)算得出糧食數(shù)量。該方法監(jiān)測范圍廣,系統(tǒng)操作簡單,精度高。 缺點(diǎn)是該技術(shù)成本較高,且容易受到外界影響,對環(huán)境要求比較高。

3.3 雙目立體視覺技術(shù)

雙目立體視覺基于視差原理并利用成像設(shè)備從不同的視點(diǎn)獲取被測物體的兩幅以上圖像,然后根據(jù)三角測量原理計(jì)算空間點(diǎn)在二維圖像的位置偏差,最后再利用位置偏差進(jìn)行三維重建來獲取被測物體的三維幾何信息。一個(gè)完整的雙目體力視覺系統(tǒng)大體可分為圖像采集、攝像機(jī)標(biāo)定、特征提取、立體匹配和三維重構(gòu)五個(gè)步驟[5]。該方法具有應(yīng)用廣泛,成本低,精度高等優(yōu)點(diǎn)。但立體匹配作為雙目立體視覺的核心,迄今為止并沒有一種通用的算法,如何選擇有效的匹配準(zhǔn)則及算法結(jié)構(gòu)以匹配灰度失真、幾何畸變、噪聲干擾及遮擋物等情形仍是一大問題。

3.4 糧倉側(cè)壁壓強(qiáng)檢測技術(shù)

該技術(shù)主要是通過設(shè)置于糧倉底面的多個(gè)壓力傳感器采集糧倉內(nèi)儲(chǔ)糧的多個(gè)壓力值,根據(jù)多個(gè)壓力值獲取側(cè)面壓強(qiáng)均值、底面壓強(qiáng)均值及高度均值。從力學(xué)的角度獲得儲(chǔ)糧數(shù)量。該技術(shù)精確度高,受環(huán)境影響較小;缺點(diǎn)是傳感器點(diǎn)位多、成本高,且維護(hù)較難,系統(tǒng)操作也比較復(fù)雜。

4 結(jié)束語

隨著國家積極推進(jìn)糧庫信息化建設(shè),傳統(tǒng)的糧食數(shù)量測量方式已經(jīng)難以適應(yīng)糧庫智能化綜合管理的發(fā)展趨勢。筒倉儲(chǔ)糧數(shù)量的智能化監(jiān)測必然是未來的發(fā)展趨勢?，F(xiàn)有的各種智能化監(jiān)測技術(shù)在成本、精度上均存在有不同的問題,相信隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷革新,未來將會(huì)出現(xiàn)高效、智能、精度高且成本低廉的糧食數(shù)量監(jiān)測技術(shù)。