粮食干燥和储藏系统理论与方法的研究*——吉林大学粮食储运研究发展回顾<br/>

粮食干燥和储藏系统理论与方法的研究*——吉林大学粮食储运研究发展回顾

2021-08-13吴文福张亚秋

粮食储藏 2021年3期

吴文福韩峰张亚秋刘哲徐岩陈凯

(吉林大学生物与农业工程学院 130025)

1 粮食储运科技系统发展的四个阶段

上世纪80年代，系统思想及系统工程在中国各行各业得到普遍的关注[1,2]。1987年原吉林工业大学在长春举办了首届农业系统工程学术会议FICASE，会议盛况空前，收到来自澳大利亚、巴西、中国、丹麦、意大利、日本、荷兰、英、美、苏联等10个国家的121篇论文，成为中国系统思想和系统工程传播和发展的里程碑事件[3]。我国粮食储运科技系统思想[4～9]的缘起受到系统思想和系统工程发展的深度影响发展经历了三个阶段，现在处于第四阶段。

第一阶段(从20世纪40年代至70年代)：生态理念的初探阶段。我国仓库昆虫与螨类著名专家李隆术先生在20世纪40年代开始报道仓虫生态研究结果，提出了粮堆生态系统的理念，“粮堆是一个由多种生物和非生物有机结合，相互联系，具有一定功能的封闭型生态系统，必须全面研究系统内矛盾的各个方面及其联系，包括粮堆内生物群落(虫、螨、霉等)的一般结构、数量特征和分类；它们与其它因子的相互关系；系统的物质转换和能量流动规律等。通过综合分析、协调管理才能控制粮堆向有利的方向发展”。

第二阶段(从20世纪80年代至90年代)：生态理念的形成阶段。靳祖训、路茜玉、蒋中柱等一批学者都对生态储粮系统展开深入思考和研究。1990年代末，靳祖训明确提出：“粮食储藏科学技术必须以经济伦理——科技伦理——可持续发展战略为指导”；储粮生态系统理论是“生态储粮”“绿色储粮”的基础，最大限度地保护和利用人类食物资源、保护人类生存环境、提高人类生存质量。

第三阶段(21世纪前10年)：生态理念的应用实践阶段。以吴子丹带领的粮食科技团队，在生态储粮理论的支持下，集成创新了粮情检测、机械通风、环流熏蒸和谷物冷却“四合一”储粮新技术体系，系统解决了我国粮食储备特有的仓型大、粮堆高、储期长的技术难题，使我国储备粮库的技术装备水平实现了向现代化的整体跨越。“四合一”技术2010年获得国家科技进步一等奖。同期还开展了农户科学储粮专项工程。

第四阶段(2010年至今)：生态理念深化与信息技术和生物技术结合阶段。

与粮食行业科技发展的4个阶段相比较，吉林大学(含原吉林工业大学)在1980年代同时起步，在第一和第二阶段发展相对缓慢，但有鲜明特色；在第三和第四阶段深度参与粮食行业的科技创新，在理论创建、基础研究、技术创新、工程应用和国际交流等方面都做出了重要贡献。本文把吉林大学的发展历程设定为三阶段，现回顾如下。

2 吉林大学粮食储运科技的发展历程

2.1 摸索阶段

二十世纪80年代至90年代，从农机专业和学科的特点出发，李慧珍、赵学笃等以粮食及农产品干燥物性、工艺和系统为方向展开了基础研究，是系统理论和方法研究摸索阶段。1981年李慧珍以访问学者在美国学习回国后，利用世界银行贷款，在国内较早建立了粮食干燥实验室[9]。利用薄层干燥试验系统，研究了甜菜籽[10](兰玉彬)、人参[11,12](卢贤继，等)、玉米[13](王登峰，等)的干燥特性以及固体介质玉米干燥工艺[14](王永彬，等)。王登峰等进行了玉米固定床干燥的计算机模拟和试验研究以及RTH-700型热风筒式横流玉米干燥机的计算机模拟和试验研究[15,16]。李俊明在国内最早研究了玉米干燥过程的模糊控制[17]。赵学笃等实验研究了玉米籽粒力学性能[18]。张书慧研究了种子烘干试验台及其测试系统[19]。郑先哲研究了稻谷干燥的食味特性[20,21]。

2.2 起步阶段

21世纪前10年，依托农业电气化与自动专业硕士点和博士点，吴文福等以粮食干燥测控技术和装备为主要研究方向，是系统理论和方法研究的起步阶段。

2003年，吴文福首次将水势的概念和理论应用于粮食干燥的系统特性研究[22]，试图以系统耦合因子弥补单因子研究的不足，提出了基于绝对水势的湿热调控理念；尹丽妍研究了压力、温度、水分和湿度等作用下的真空干燥机理和模型[23]；徐泽敏建立了水稻保质干燥的水势模型[24]。刘雪强研究了玉米干燥过程中颗粒内部应力模型与预测方法[25]，应用遗传算法、神经网络、多元统计、主成份分析等方法研究了粮食干燥系统的复杂性[26～29]，提出了粮食干燥系统控制理念和策略，采用相似理论建立了干燥过程中谷物水分和谷物温度的预测模型[30]。

以集中突破粮食水分在线检测为主线，借助模糊神经网络，张亚秋、罗兰、王春燕、曲东良等研究粮食收购智能定等系统[31～34]，形成了一定的技术积累。张云硕和李君兴分别进行了新型节能热风炉和节能环保煤气发生炉的试验和设计[35,36]。朱航研究了玉米干燥实时智能控制方法，建立了干燥工艺参数推理专家系统[37]。潘智和尹慧敏分别展开3波段和7波段粮食近红外检测仪的研究，用DPS软件分别建立多元线性回归和BP神经网络定量分析模型，能够完成数据采集、存储、分析、结果输出显示等功能[38,39]。

2.3 深化阶段

2010年以后，吉林大学成为粮食储运国家工程实验室成员单位，吴子丹、吴文福等以发展生态储粮理论和智能测控监管技术为研究方向，深入展开了粮食干燥和储藏系统的理论创建、基础研究、技术创新、工程应用和国际交流，是系统理论和方法深化阶段。

2.3.1 理论创建理论创新使得行业的发展不断从经验和理念，走向科学。吴子丹等原创了储藏粮堆多场耦合及生物场理论[40]，发展了粮食储藏生态理论，为解决粮食仓储生物风险的工程化计算和控制难题探索了新路径，相关成果发表在NATURE子刊上，如图1。吴文福提出了储备粮数字监管的连续性、周期性、协调性等3个原理[41]，为储备粮规模化智能监管策略的研究提供了基础；探索了智慧粮事理学架构，以事件研究为中心，原创了粮食籽粒由田间到餐桌的围收储期5T管理方法[42,43]，首次揭示了粮食收储过程中的“隐性损失”，为优质粮食工程品牌建设和减损提质提供了策略。

图1 粮堆多场耦合理论与方法

2.3.2 基础研究主要从行业所急需基本概念、试验方法和数据积累入手。提出了微元、伴生微元和微环境的粮堆微观耦合结构[44]，为粮食干燥储藏试验方法改进奠定了基础。通过粮食湿热平衡理论与模型融合了温度和相对湿度对粮食储藏的影响，以吉林省和东北地区为例，探索了粮食储藏亚生态区域划分[45]，形成我国现行7大储粮生态区域划分的补充，如图2。

图2 粮食储藏亚生态区域划分探索

设计和实仓试验了1 m3正方和2 m3长方储粮单元模拟仓，取得了粮堆多场耦合及生物场演替的多参数分布数据[46～47]，为粮堆多场耦合及生物场理论和模型的建立奠定了基础。尹君等[46][48]运用多场耦合理论对浅圆仓的粮情云图进行了分析及短期预测；运用多场耦合理论分析粮堆局部结露发生的机理[48～50]。王小萌等通过构建温、湿度场云图，研究粮堆霉变和温度场、湿度场的时空耦合关系[51]。

吴文福等改进设计了多参数可调粮食薄层干燥试验系统[52,53]，不仅可以实现变参数干燥工艺的精细测定与优化，还可以逼真模拟实际干燥机干燥过程，从此评价干燥作业质量、低成本优化粮食干燥作业工艺参数，是粮食干燥试验理念和方法的进步。该试验系统已在20多家涉粮高校和研究单位的教学和科研中使用，以此建立了粮食干燥工艺参数以及品质参数参考数据手册，可以用作粮食精细干燥作业的参考支撑。研制的多参数可调连续干燥实物模拟系统，可以应用粮食干燥工艺模拟试验和智能控制策略的验证研究。

通过改进粮食深床干燥试验的数据采集方法，研究玉米低温深床干燥特性及数学模型，吴文福、张欢等首次同步测取了深床干燥各层水分、温度和相对湿度的直接数据，揭示了深床干燥过程除解吸外尚存在吸附现象，对研究节能干燥方法有重要启示[54]。

建立了4种不同尺寸结构的农户储粮粮仓实物模型，进行了完整储粮周期的储粮试验，测定了温度、湿度、水分、脂肪酸值、真菌毒素等多项指标，进一步优化了玉米自然通风干燥储藏数学模型，为开发农户科学储粮仓提供了依据，在农户科学储粮专项工程中得到应用[54]。

2.3.3 技术创新

2.3.3.1 粮食干燥水分在线检测付海东、李微、孙耀强、张国龙、息裕博等分别研究了压力式、微波式、电阻式、电容式、射频等在线粮食水分检测方法及传感器[55～60]。李洪莉研究基于容重的玉米水分在线检测装置[61]。刘哲研究了电阻式单籽粒粮食水分在线检测仪[62]。吴新怡研究应变式单籽粒粮食水分和硬度在线检测仪，取得了较好的测量结果[63,64]。王锐基于机器视觉技术测定粮食含水率[65]。孙永海利用声波测定玉米含水率[66]。赵波、高鸿飞、张丽丽研究了基于总重检测的粮食循环干燥水分在线自动测控方法，使得循环干燥水分测控精度和稳定性显著提高[67～69]，实现了全程“真0.5%”测控，试验原理如图3所示。李洪莉将玉米容重与水分之间的关系应用于水分检测，开发一套基于容重的玉米水分在线检测装置[70,71]。刘哲等开发了电阻式水分仪[72,73]。

2.3.3.2 粮食干燥模型、模拟及控制尹丽妍借助水势的多因子耦合特性，研究了压力、温度、水分和湿度等作用下的真空干燥机理和模型[74～76]；徐泽敏建立了水稻保质干燥的水势模型[77]；杨春晖完成粮食干燥绝对水势微分方程数学求解[78]。宋佳数值模拟了谷物深床干燥过程[79]。

韩峰、张立辉、张亚秋等进行了玉米干燥过程数字模拟的研究[80～82]。张虎、王天一、周继龙等研究了粮食干燥过程水分检测与自动控制系统[83～85]。刘哲进行了基于质流法的谷物连续干燥模型和系统的研究[86]。吴玉柱、刘哲、金毅、陈俊轶研究了耦合因子的粮食干燥品质特性和预测控制特性，优选出了等效积温和绝对水势等具有预测能力的耦合因子作为控制参数，建立了等效积温品质控制工具化图表，结合传统PID以深度学习神经网络等，提出了智能EAT窗口连续干燥测控方法，是典型机理和数据双驱动的测控算法，使连续干燥过程控制的精度和稳定性得到显著提高[86～94]。

2.3.3.3 粮食干燥节能技术及系统董宏宇研究了适于谷物干燥的红外辐射陶瓷材料及红外干燥机理[96,97]。联合国家粮食和物资储备局科学研究院研究了远红外对流组合谷物干燥工艺及系统[98,99]。王桂英研究了以电力为能源冷凝增热节能干燥工艺[100,103]，经50 t/B循环式干燥机试验鉴定，降低电耗50%。郝欢进一步将冷凝增热工艺与半导体热泵技术结合，节能效果得到提升。李帅等研究了离子体预处理干燥，取得一定的节能效果[104,105]。这些工作为新时期的绿色环保干燥装备的开发奠定了基础。

图5 远红外对流组合干燥机

2.3.3.4 粮食数量和质量检测王刚、王锐研制了基于机器视觉的玉米千粒重快速检测方法及仪器[106,107]。赵敏研究玉米品质的图像处理检测方法[108]。崔何磊研究了粮食干燥机仓内粮食数量监测的计算方法[109]。尹慧敏开发了一套粮食近红外检测仪，用DPS软件分别建立多元线性回归和BP神经网络定量分析模型，能够完成数据采集、存储、分析、结果输出显示等功能[110]。吴文福等研究发现脂肪酸含量在干燥系统的所有耦合因子中与粮食绝对水势和的耦合关系最大[111]，该结论对分析和预测干燥工艺对玉米籽粒中不饱和脂肪酸含量提供了新思路。孙永海提出了基于颜色传感器的玉米游离脂肪酸含量检测方法，可实现现场快速检测[112]。魏雪松对来自全国的24个优质粳稻品种，通过对比试验测定了食味、热力学、流变学、质构、糊化等特性，崩解值、消减值、糊化温度、硬度、弹性、咀嚼性等，在一定程度上能反映地域的差异性[112]。王国靖探索了变参数米饭蒸煮工艺，并进行品质测定与评价[114]。

李秀华提出了基于激光测距技术的粮食数量无损检测方法，并设计开发了一套多线程数据采集及处理软件系统[115]。宋立明研究了基于SFS技术和激光三维坐标仪的两种粮食数量识别方法，实现了粮食数量的非接触智能检测，能够大大降低监管和稽核的费用[116]。

2.3.3.5 粮仓粮情监测与机械通风作业吴文福、陈思羽建立谷物平衡水分与相对湿度在不同温度下的关系模型，本质是一种粮食机械通风方程(CAE)简明形式，实现了粮堆内温度、湿度和水分的互相求解，以此提出了基于温湿监测的粮仓内部点粮食水分检测方法，实现了粮情温湿水一体监测的第一种方案——模型法方案[117,118]。万曙峰、牛立坤、陈中旭研究了粮情温湿水一体监测的第二种方案——多参数同步监测方案，采用粮堆内粮情信号差分感知结构，提高了传感器的稳定性和检测精度，实现了粮仓温湿水一体化监测[119～122]。

基于微环境绝对水势理念和多参数粮情监测，首次绘制了适合于粮仓机械通风作业的“微环境绝对水势图”，划分出降温、降水以及调质等窗口[123～125]，可实现储粮机械通风动态窗口调控，以图形化方式进行降温、降水以及调质通风作业，进一步提出了基于绝对水势图的粮仓远程智能通风测控系统的设计方案[127,128]，如图6所示。

2.3.3.6 储备粮数字监管与大数据分析秦骁基于粮食储藏湿热传递理论以及储备粮实物数字监管原理，提出了储粮数字监管的AD6R3IABC[129～132]。兰天忆基于粮情大数据的东北地区储粮品质建立了模型和数据手册，主要为储粮监管方法涉及的参数提供具有指导意义的参数表[133]。

崔宏伟等提出了基于温度场云图RGB颜色特征的储粮监管方法[134,135]。该方法不仅能够实现储粮数量监管，同时能够检测出粮仓局部异常温升。朱浩天、崔宏伟等通过分析粮温统计特征，提出了一种基于历史粮温统计特征的粮仓库存状态(主要包括空仓、新粮、通风3种状态)检测方法，检测结果表明该库存状态检测方法可以满足粮库检查的工作需求[136,137]。崔宏伟等提出了基于粮温时空相关性的粮仓储量监管方法[138]。王启阳利用神经网络、深度学习等方法研究了基于粮情数据的粮食品质测报[139,140]。针对数字化粮库清仓查库，沈文豪研究了适合于现场复检的，便携式储粮生物危害检测仪，具有云图、动态窗口分析功能[141]。张忠杰等开发了粮情云图动态分析与预测预警软件[142]，在2018～2019年全国清仓查库中20省应用，以此为基础建立储备粮数字监管策略应用参考数据工具手册。

2.3.3.7 机器人技术针对目前粮仓管理中的粮面平整、施药、翻倒等作业主要靠人工完成，存在成本高、费时费力、工作环境差等缺点，且因粮面松软，现有粮面行走机构存在易下陷、易倾覆和行驶不便的问题，靳航嘉等[143]结合水陆两栖车辆的螺旋驱动方式，设计了可在松软粮面上行走的螺旋驱动式粮面行走机构，通过粮面行驶试验证明了该机构的粮面通行能力较好，可以实现前进、后退和自转转向，大幅提升了粮面行走机构的粮面行走性能。基于前述基础，设计了粮仓内信息探测仿生螺旋机器人[144]以及粮仓粮面作业的机械行走机构[145]。

图7 螺旋驱动式粮面行走机构三维模型

2.3.4 工程应用开发的横流组合式粮食连续干燥机等3项产品多次列入国家农业机械产品补贴目录；开发的粮食干燥智能测控方法为一批行业内企业应用；支撑开发的“粮情动态分析软件系统”中应用，该成果在国务院组织的2018～2019年“全国政策性粮食库存大清查”中，累计在20个省进行了应用测试，准确率达到85%以上；提出5T管理方法和标准在吉林省优质粮食工程及“吉林大米”品牌建设中得到推广应用。

2.3.5 国际交流 2012年吉林大学成为粮食储运国家工程实验室成员单位。2019年成为中加生态储粮研究中心成员单位。以吉林大学农业工程一级学科和农业电气化与自动化二级学科为学术平台，以先进制造、智能化、信息化、系统工程等为手段，发展粮食储藏、干燥等新理论、新技术和新装备，深度服务于生产和市场。2017年举办了“粮食储运技术基础”国际学术研讨会，2019年举办了首届“智慧粮食国际学术研讨会”、第九届中加储粮研究中心暨粮食储运国家工程实验室学术研讨会。