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如何借助信息化、智能化手段来改善粮食储存问题的?

国以民为本,民以食为天,对有着14亿人口的中国来说,粮食安全,一直都是关系国计民生的头等大事。

国以民为本,民以食为天,对有着14亿人口的中国来说,粮食安全,一直都是关系国计民生的头等大事。

2010年以来,我国人均粮食占有量持续高于世界平均水平,然而,中国也是世界粮食进口第一大国。新冠疫情全球蔓延,纷纷将粮食紧握手中,粮食危机被认为是“危机中的危机”。同时,粮食受气候、温度、湿度等自然环境影响,粮食安全问题越发引起人们的注意。

#听他们自己说

在粮食储存过程中,虫害、霉变和管理漏洞问题让我国粮食安全面临着严峻的挑战。每年粮食产后损失的数量在3500万吨,相当于吉林省一年的粮食产量。这份“餐桌外的浪费”,能不能借助信息化、智能化手段来改善?北京邮电大学的科研团队决定从最根源上减少虫害和霉变的发生。

他们是控制科学与工程专业、物流工程专业的博士生和研究生,历经整整六年,研发了我国首套粮堆害虫自动检测设备及智能管理系统,建立了国内首个储粮害虫图像、红外光电序列数据集及粮温粮湿CT图库。

这个肩负着“储粮安全智能监控引领者”使命的模型,有个硬核的名字叫“粮盾”,该项目进入了第六届中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛的决赛,并取得全国总决赛银奖的成绩,他们正用尖端的科技,为减少粮食浪费筑起最为坚实的后盾。

北京邮电大学的科研团队是如何借助信息化、智能化手段来改善粮食储存问题的?一起来看看他们怎么说吧!

#用尖端科技守护粮食安全

让害虫、霉变无处遁形

据联合国粮农组织和国家粮食局数据显示,中国每年生产的粮食中有35%被浪费,其中,在粮食生产、流通、加工、消费等环节造成的浪费高达700亿斤,接近我国粮食总产量的6%。

在储粮虫害和霉变的检测上,大多粮库都使用测温电缆,根据温度变化进行人工采样检查,然而这种传统检测方式并不精准,往往人们发现问题时,虫害已大量爆发,粮食也随之被吃空。为了减少虫害,粮仓的保管人员只能借助长时间通风降温或大量使用有毒化学熏蒸药剂的方式,不但造成环境污染,对工作人员的人身安全,也存在着种种风险。

“粮盾”项目负责人李江涛博士,从本科的毕业设计开始,就接触储粮的相关科研项目。广泛阅读文献、论文,参与课题调研,对粮食行业接触得越深,团队越发感受到点滴粮食的珍贵。

能否从储粮的虫害和霉变问题着手,尝试通过智能化手段减少粮食损失?从想法的萌芽到拓宽研究思路、不断迭代直至研发出完备的产品,“粮盾”团队花了将近6、7年时间。在“粮盾”团队的成员眼里,这是一种实验室研究方向的传承,学弟学妹们在学长、学姐的研究基础上接棒,不断完善优化。除了博士生、硕士生,项目还带动了60多位本科生参与项目子课题或子模块的研发。

如何借助信息化、智能化手段来改善粮食储存问题的?

▲系统调试成功后的合影

项目核心技术“粮盾云”结合软件和硬件开发,软件算法研发阶段依靠华为云ModelArts等深度学习工具,完成算法框架的搭建,借助华为云ModelArts平台算力算法数字模型导出,结合端侧设备华为云HiLens开发板,形成目前覆盖云边端协同数据采集和处理能力的系统。在感知端,收集粮库安装配备的测温电缆粮堆温度数据,以及团队国内首创的四款虫情采集设备,通过数传终端、边缘计算,汇聚到云端,完成数据汇总和智能分析,实现虫害霉变的早期预测、预警。最后,将信号发送到执行端,也就是粮库配备的机械通风降温系统,以及环流熏蒸杀虫系统,形成闭环,实现储粮安全监控的目的。

对储粮安全进行智能监控,感知粮食储存状态,这是传统的监测方式所做不到的。

粮堆中最大的储粮害虫,也只有约3毫米长,哪怕高清摄像头,也难以识别图像。一个粮仓有三个篮球场那么大,而粮堆又深达6、7米,在当中找虫子检查霉变情况,无异于大海捞针,加上南北方储粮粮仓仓型不同,比如东莞的粮库用的就是筒仓,粮堆高20多米,要检测到粮仓底部的虫子,单纯依靠人工,无疑难上加难。而通过“粮盾”设备,就能直观地观察到害虫滋生的状况,“粮盾云”数据集囊括了我国16种主要储粮害虫,识别出粮堆内部的每种害虫的种类和数量,算法准确率超过95%。

“粮盾”系统结合害虫监测设备获得的数据、粮堆的温度、湿度,以及粮食的品质参数,构建出虫情评估模型和预警数学模型,可自动判断虫害危险等级,并提前一周预警虫害风险。要建立储粮害虫数据库,与害虫接触无可避免。然而,对昆虫,团队里有些成员有着莫名的恐惧。为了完成项目,他们必须克服这道心理障碍。在取害虫样本时,同学们要把害虫从培养罐里拿出来,再放入“粮盾”设备,以此采集图像数据和完成相应标注。

回想起第一次拍害虫图像,李江涛后怕到:“我晚上做噩梦,梦见身上带着虫子回来。后来慢慢习惯了这些小东西,就好了。”淡淡的一句“习惯了”背后,凝聚着他们一次次为克服恐惧而付出的勇气。

“粮盾”项目将尖端AI技术与民生问题相结合,为传统行业未来发展指引了方向。手握前沿科学技术,却愿意沉下心来,不断接力,在传统而古老的行业里踏实耕耘,团队要面对的艰苦可想而知,但正因如此“粮盾”团队才散发着独特的魅力。

研制出第一代测量粮堆内部害虫的探管后,“粮盾”团队便将其拿到粮库里试验,只有真正走进粮仓实践,他们才能发现在实验室中觉察不到的问题。

如何借助信息化、智能化手段来改善粮食储存问题的?

▲粮堆内虫情监测设备

探管插进粮堆一段时间后,很多杂质会通过侧壁掉进探管里,堆积时间长了,探管里的害虫、杂质就很难清理。针对这个问题,历经几个月的迭代,“粮盾”团队首创出第一款粮内害虫检测装置自动清理系统,不用取出探管,就能将其内部的杂质自动清理,不但省时省力,还大大节约了人力成本。

#华为提供强有力支持

每个粮库减损600吨

华为一直致力于人才的培养,北邮作为通信领域“双一流”高校,与华为校企联合成立了华为学院,共同在科学研究上为社会提供更多的发展方向,同时华为也为师生提供更多的帮助与优惠政策。

从粮温粮湿CT图到预警早期发热,再到虫情评估及预警数学模型,团队将华为技术应用在机器学习中。在信息井喷的时代,数据既是宝贵的财富同时也造成大量的存储压力,项目研究过程中产生的数据集花费整个实验室十几个人3年的时间整理,既耗时又耗人力,同时数据作为私有财产,需要严格控制其私密性和安全性。团队将百亿级、千亿级的数据托管到华为云的OBS系统里面,再基于ModelArts平台完成模拟训练及算法的更新迭代,使系统的运作效率得到显著提升。在项目研发过程中,华为派出技术人员和管理人员亲力亲为辅助项目落地,确保数据托管的私密性,让团队放心的进行技术研究。

面对数据私密性的挑战,华为给了“粮盾”团队一颗定心丸。正如团队蔡阔学弟所说:“我们数据是百亿级、千亿级的,华为给了我们非常大的存储空间,让我们可以放心地将庞大的数据存储、托管到华为的AI平台。再者,华为的技术老师不但给我们发来详尽的技术文档,还非常耐心地讲解,让我们放心地把技术和服务托管到华为云AI平台,给我们的数据私密性带来重要保障。”

如何借助信息化、智能化手段来改善粮食储存问题的?

▲团队工作中

“粮盾”团队成员在两三个月时间里,奔赴全国各地走访了安徽国储库、重庆铜梁库、河北清苑库、北京顺义库、东莞库等粮库,对行业内部进行商业调研,了解整个粮食行业的软硬件需求及整套系统的商业模式。

在“粮盾”系统研发过程中,身处粮食行业多年的指导老师,在行业需求上更进一步地给团队指明了产品的痛点和技术迭代的方向。在市场规划上,更有顶级专家顾问从粮食行业的渠道、运作模式和市场资源渠道等方面给同学们提供新的思路和启发。北京邮电大学的特聘专家——曼尼托巴大学的副校长和国家粮食和物资储备局科学研究院的专家们,在粮食行业需求的认识上,给予“粮盾”项目深度指导。来自各方的力量帮助项目组成员对行业需求和痛点有了更为清晰的了解。

目前,“粮盾”系统已在国内13个省市的示范粮库进行了示范应用,获得粮库主任的一致认可,并受到前任国家粮食和物资储备局副局长吴子丹教授的高度好评。示范库使用“粮盾”系统后,每年每个粮库粮食减损量可达600吨,减少有毒化学药剂使用15%以上,节省人力成本2250人时。

如果全国1.3万个粮库都用上“粮盾”系统,与现在的人工筛虫方式相比,“粮盾”每年可减损780万吨粮食和50%的储粮损耗、人力成本,直接经济效益可达795亿元。

“粮盾”团队还和国家粮食与物资储备局科学研究院开展紧密合作,将“粮盾”融入其建设的“粮情早知道”平台0的4个核心模块,为至少100个国储库进行储粮安全的一体化监控,并合作优化多项粮堆安全评判标准,制定新的测虫行业标准。通过应用推广,使粮盾成为我国粮库监管标配。

#未来可期,少年强则国强

“粮盾”团队的成员,性格迥异,有人比较急躁、有人爱钻牛角尖、有人在技术上不断追求完美的、有人做事非常冷静,在相互磨合中,他们一步步将项目带上更大的舞台,交出了一张张闪亮的成绩单。

在学术领域,“粮盾”项目团队共申请和获得专利9篇,发表了高水平论文8篇。

他们还带着“粮盾”项目多次参与各种学科竞赛,在第六届中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛中,他们更是一路闯进总决赛,与全球顶尖名校学生同台竞技,夺得了创意组高教主赛道银奖。

“粮盾”团队的脚步并未就此停下,未来计划借助华为云平台的AI市场,端云协同多模态AI开发应用平台Hilens等开展全方位的服务。

大学生是推动社会飞速发展的主力,为培养更多数字时代的优秀人才,华为联手教育部,在有关高校建设“智能基座”产教融合协同育人基地,现已在北京大学、清华大学、上海复旦大学、上海交通大学、西安交通大学、哈尔滨工业大学等72所高校,把鲲鹏、昇腾系列课程融入计算机专业、软件工程专业、人工智能专业、电子信息专业进行首批试点。

为此,华为还联合出版社、各高校学科带头人,面向高校师生及开发者陆续推出鲲鹏、昇腾系列学习教材和教辅资料。未来,“智能基座”项目将全面推广,覆盖更多高校,真正实现产、学、研的全面协同。

相信在华为的加持下,优秀的尖端人才,在面对社会问题时,更能像“粮盾”一样,一如既往地坚守初心。

“我们亲眼见到粮食从储备、运输到真正让大家吃上饭,这个过程是多么艰难,需要投入多少人力物力财力。袁隆平爷爷这么大年纪,仍为‘一粒粮食可以拯救一个国家’的使命而努力工作,未来,我们同样会继续在粮食行业深耕,从粮食储藏和运输的环节,帮助中国提升粮食安全的保障能力,为粮食行业的智能化转型贡献一份力量,为我国的节粮减损建设无形的良田!”

责任编辑:lq

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