糧食干燥和儲藏系統理論與方法的研究*——吉林大學糧食儲運研究發展回顧

吳文福 韓 峰 張亞秋 劉 哲 徐 巖 陳 凱

(吉林大學生物與農業工程學院 130025)

1 糧食儲運科技系統發展的四個階段

上世紀80年代，系統思想及系統工程在中國各行各業得到普遍的關注[1,2]。1987年原吉林工業大學在長春舉辦了首屆農業系統工程學術會議FICASE，會議盛況空前，收到來自澳大利亞、巴西、中國、丹麥、意大利、日本、荷蘭、英、美、蘇聯等10個國家的121篇論文，成為中國系統思想和系統工程傳播和發展的里程碑事件[3]。我國糧食儲運科技系統思想[4～9]的緣起受到系統思想和系統工程發展的深度影響發展經歷了三個階段，現在處于第四階段。

第一階段(從20世紀40年代至70年代)：生態理念的初探階段。我國倉庫昆蟲與螨類著名專家李隆術先生在20世紀40年代開始報道倉蟲生態研究結果，提出了糧堆生態系統的理念，“糧堆是一個由多種生物和非生物有機結合，相互聯系，具有一定功能的封閉型生態系統，必須全面研究系統內矛盾的各個方面及其聯系，包括糧堆內生物群落(蟲、螨、霉等)的一般結構、數量特征和分類；它們與其它因子的相互關系；系統的物質轉換和能量流動規律等。通過綜合分析、協調管理才能控制糧堆向有利的方向發展”。

第二階段(從20世紀80年代至90年代)：生態理念的形成階段。靳祖訓、路茜玉、蔣中柱等一批學者都對生態儲糧系統展開深入思考和研究。1990年代末，靳祖訓明確提出：“糧食儲藏科學技術必須以經濟倫理——科技倫理——可持續發展戰略為指導”；儲糧生態系統理論是“生態儲糧”“綠色儲糧”的基礎，最大限度地保護和利用人類食物資源、保護人類生存環境、提高人類生存質量。

第三階段(21世紀前10年)：生態理念的應用實踐階段。以吳子丹帶領的糧食科技團隊，在生態儲糧理論的支持下，集成創新了糧情檢測、機械通風、環流熏蒸和谷物冷卻“四合一”儲糧新技術體系，系統解決了我國糧食儲備特有的倉型大、糧堆高、儲期長的技術難題，使我國儲備糧庫的技術裝備水平實現了向現代化的整體跨越。“四合一”技術2010年獲得國家科技進步一等獎。同期還開展了農戶科學儲糧專項工程。

第四階段(2010年至今)：生態理念深化與信息技術和生物技術結合階段。

與糧食行業科技發展的4個階段相比較，吉林大學(含原吉林工業大學)在1980年代同時起步，在第一和第二階段發展相對緩慢，但有鮮明特色；在第三和第四階段深度參與糧食行業的科技創新，在理論創建、基礎研究、技術創新、工程應用和國際交流等方面都做出了重要貢獻。本文把吉林大學的發展歷程設定為三階段，現回顧如下。

2 吉林大學糧食儲運科技的發展歷程

2.1 摸索階段

二十世紀80年代至90年代，從農機專業和學科的特點出發，李慧珍、趙學篤等以糧食及農產品干燥物性、工藝和系統為方向展開了基礎研究，是系統理論和方法研究摸索階段。1981年李慧珍以訪問學者在美國學習回國后，利用世界銀行貸款，在國內較早建立了糧食干燥實驗室[9]。利用薄層干燥試驗系統，研究了甜菜籽[10](蘭玉彬)、人參[11,12](盧賢繼，等)、玉米[13](王登峰，等)的干燥特性以及固體介質玉米干燥工藝[14](王永彬，等)。王登峰等進行了玉米固定床干燥的計算機模擬和試驗研究以及RTH-700型熱風筒式橫流玉米干燥機的計算機模擬和試驗研究[15,16]。李俊明在國內最早研究了玉米干燥過程的模糊控制[17]。趙學篤等實驗研究了玉米籽粒力學性能[18]。張書慧研究了種子烘干試驗臺及其測試系統[19]。鄭先哲研究了稻谷干燥的食味特性[20,21]。

2.2 起步階段

21世紀前10年，依托農業電氣化與自動專業碩士點和博士點，吳文福等以糧食干燥測控技術和裝備為主要研究方向，是系統理論和方法研究的起步階段。

2003年，吳文福首次將水勢的概念和理論應用于糧食干燥的系統特性研究[22]，試圖以系統耦合因子彌補單因子研究的不足，提出了基于絕對水勢的濕熱調控理念；尹麗妍研究了壓力、溫度、水分和濕度等作用下的真空干燥機理和模型[23]；徐澤敏建立了水稻保質干燥的水勢模型[24]。劉雪強研究了玉米干燥過程中顆粒內部應力模型與預測方法[25]，應用遺傳算法、神經網絡、多元統計、主成份分析等方法研究了糧食干燥系統的復雜性[26～29]，提出了糧食干燥系統控制理念和策略，采用相似理論建立了干燥過程中谷物水分和谷物溫度的預測模型[30]。

以集中突破糧食水分在線檢測為主線，借助模糊神經網絡，張亞秋、羅蘭、王春燕、曲東良等研究糧食收購智能定等系統[31～34]，形成了一定的技術積累。張云碩和李君興分別進行了新型節能熱風爐和節能環保煤氣發生爐的試驗和設計[35,36]。朱航研究了玉米干燥實時智能控制方法，建立了干燥工藝參數推理專家系統[37]。潘智和尹慧敏分別展開3波段和7波段糧食近紅外檢測儀的研究，用DPS軟件分別建立多元線性回歸和BP神經網絡定量分析模型，能夠完成數據采集、存儲、分析、結果輸出顯示等功能[38,39]。

2.3 深化階段

2010年以后，吉林大學成為糧食儲運國家工程實驗室成員單位，吳子丹、吳文福等以發展生態儲糧理論和智能測控監管技術為研究方向，深入展開了糧食干燥和儲藏系統的理論創建、基礎研究、技術創新、工程應用和國際交流，是系統理論和方法深化階段。

2.3.1 理論創建 理論創新使得行業的發展不斷從經驗和理念，走向科學。吳子丹等原創了儲藏糧堆多場耦合及生物場理論[40]，發展了糧食儲藏生態理論，為解決糧食倉儲生物風險的工程化計算和控制難題探索了新路徑，相關成果發表在NATURE子刊上，如圖1。吳文福提出了儲備糧數字監管的連續性、周期性、協調性等3個原理[41]，為儲備糧規模化智能監管策略的研究提供了基礎；探索了智慧糧事理學架構，以事件研究為中心，原創了糧食籽粒由田間到餐桌的圍收儲期5T管理方法[42,43]，首次揭示了糧食收儲過程中的“隱性損失”，為優質糧食工程品牌建設和減損提質提供了策略。

圖1 糧堆多場耦合理論與方法

2.3.2 基礎研究 主要從行業所急需基本概念、試驗方法和數據積累入手。提出了微元、伴生微元和微環境的糧堆微觀耦合結構[44]，為糧食干燥儲藏試驗方法改進奠定了基礎。通過糧食濕熱平衡理論與模型融合了溫度和相對濕度對糧食儲藏的影響，以吉林省和東北地區為例，探索了糧食儲藏亞生態區域劃分[45]，形成我國現行7大儲糧生態區域劃分的補充，如圖2。

圖2 糧食儲藏亞生態區域劃分探索

設計和實倉試驗了1 m3正方和2 m3長方儲糧單元模擬倉，取得了糧堆多場耦合及生物場演替的多參數分布數據[46～47]，為糧堆多場耦合及生物場理論和模型的建立奠定了基礎。尹君等[46][48]運用多場耦合理論對淺圓倉的糧情云圖進行了分析及短期預測；運用多場耦合理論分析糧堆局部結露發生的機理[48～50]。王小萌等通過構建溫、濕度場云圖，研究糧堆霉變和溫度場、濕度場的時空耦合關系[51]。

吳文福等改進設計了多參數可調糧食薄層干燥試驗系統[52,53]，不僅可以實現變參數干燥工藝的精細測定與優化，還可以逼真模擬實際干燥機干燥過程，從此評價干燥作業質量、低成本優化糧食干燥作業工藝參數，是糧食干燥試驗理念和方法的進步。該試驗系統已在20多家涉糧高校和研究單位的教學和科研中使用，以此建立了糧食干燥工藝參數以及品質參數參考數據手冊，可以用作糧食精細干燥作業的參考支撐。研制的多參數可調連續干燥實物模擬系統，可以應用糧食干燥工藝模擬試驗和智能控制策略的驗證研究。

通過改進糧食深床干燥試驗的數據采集方法，研究玉米低溫深床干燥特性及數學模型，吳文福、張歡等首次同步測取了深床干燥各層水分、溫度和相對濕度的直接數據，揭示了深床干燥過程除解吸外尚存在吸附現象，對研究節能干燥方法有重要啟示[54]。

建立了4種不同尺寸結構的農戶儲糧糧倉實物模型，進行了完整儲糧周期的儲糧試驗，測定了溫度、濕度、水分、脂肪酸值、真菌毒素等多項指標，進一步優化了玉米自然通風干燥儲藏數學模型，為開發農戶科學儲糧倉提供了依據，在農戶科學儲糧專項工程中得到應用[54]。

2.3.3 技術創新

2.3.3.1 糧食干燥水分在線檢測 付海東、李微、孫耀強、張國龍、息裕博等分別研究了壓力式、微波式、電阻式、電容式、射頻等在線糧食水分檢測方法及傳感器[55～60]。李洪莉研究基于容重的玉米水分在線檢測裝置[61]。劉哲研究了電阻式單籽粒糧食水分在線檢測儀[62]。吳新怡研究應變式單籽粒糧食水分和硬度在線檢測儀，取得了較好的測量結果[63,64]。王銳基于機器視覺技術測定糧食含水率[65]。孫永海利用聲波測定玉米含水率[66]。趙波、高鴻飛、張麗麗研究了基于總重檢測的糧食循環干燥水分在線自動測控方法，使得循環干燥水分測控精度和穩定性顯著提高[67～69]，實現了全程“真0.5%”測控，試驗原理如圖3所示。李洪莉將玉米容重與水分之間的關系應用于水分檢測，開發一套基于容重的玉米水分在線檢測裝置[70,71]。劉哲等開發了電阻式水分儀[72,73]。

2.3.3.2 糧食干燥模型、模擬及控制 尹麗妍借助水勢的多因子耦合特性，研究了壓力、溫度、水分和濕度等作用下的真空干燥機理和模型[74～76]；徐澤敏建立了水稻保質干燥的水勢模型[77]；楊春暉完成糧食干燥絕對水勢微分方程數學求解[78]。宋佳數值模擬了谷物深床干燥過程[79]。

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韓峰、張立輝、張亞秋等進行了玉米干燥過程數字模擬的研究[80～82]。張虎、王天一、周繼龍等研究了糧食干燥過程水分檢測與自動控制系統[83～85]。劉哲進行了基于質流法的谷物連續干燥模型和系統的研究[86]。吳玉柱、劉哲、金毅、陳俊軼研究了耦合因子的糧食干燥品質特性和預測控制特性，優選出了等效積溫和絕對水勢等具有預測能力的耦合因子作為控制參數，建立了等效積溫品質控制工具化圖表，結合傳統PID以深度學習神經網絡等，提出了智能EAT窗口連續干燥測控方法，是典型機理和數據雙驅動的測控算法，使連續干燥過程控制的精度和穩定性得到顯著提高[86～94]。

2.3.3.3 糧食干燥節能技術及系統 董宏宇研究了適于谷物干燥的紅外輻射陶瓷材料及紅外干燥機理[96,97]。聯合國家糧食和物資儲備局科學研究院研究了遠紅外對流組合谷物干燥工藝及系統[98,99]。王桂英研究了以電力為能源冷凝增熱節能干燥工藝[100,103]，經50 t/B循環式干燥機試驗鑒定，降低電耗50%。郝歡進一步將冷凝增熱工藝與半導體熱泵技術結合，節能效果得到提升。李帥等研究了離子體預處理干燥，取得一定的節能效果[104,105]。這些工作為新時期的綠色環保干燥裝備的開發奠定了基礎。

圖5 遠紅外對流組合干燥機

2.3.3.4 糧食數量和質量檢測 王剛、王銳研制了基于機器視覺的玉米千粒重快速檢測方法及儀器[106,107]。趙敏研究玉米品質的圖像處理檢測方法[108]。崔何磊研究了糧食干燥機倉內糧食數量監測的計算方法[109]。尹慧敏開發了一套糧食近紅外檢測儀，用DPS軟件分別建立多元線性回歸和BP神經網絡定量分析模型，能夠完成數據采集、存儲、分析、結果輸出顯示等功能[110]。吳文福等研究發現脂肪酸含量在干燥系統的所有耦合因子中與糧食絕對水勢和的耦合關系最大[111]，該結論對分析和預測干燥工藝對玉米籽粒中不飽和脂肪酸含量提供了新思路。孫永海提出了基于顏色傳感器的玉米游離脂肪酸含量檢測方法，可實現現場快速檢測[112]。魏雪松對來自全國的24個優質粳稻品種，通過對比試驗測定了食味、熱力學、流變學、質構、糊化等特性，崩解值、消減值、糊化溫度、硬度、彈性、咀嚼性等，在一定程度上能反映地域的差異性[112]。王國靖探索了變參數米飯蒸煮工藝，并進行品質測定與評價[114]。

李秀華提出了基于激光測距技術的糧食數量無損檢測方法，并設計開發了一套多線程數據采集及處理軟件系統[115]。宋立明研究了基于SFS技術和激光三維坐標儀的兩種糧食數量識別方法，實現了糧食數量的非接觸智能檢測，能夠大大降低監管和稽核的費用[116]。

2.3.3.5 糧倉糧情監測與機械通風作業 吳文福、陳思羽建立谷物平衡水分與相對濕度在不同溫度下的關系模型，本質是一種糧食機械通風方程(CAE)簡明形式，實現了糧堆內溫度、濕度和水分的互相求解，以此提出了基于溫濕監測的糧倉內部點糧食水分檢測方法，實現了糧情溫濕水一體監測的第一種方案——模型法方案[117,118]。萬曙峰、牛立坤、陳中旭研究了糧情溫濕水一體監測的第二種方案——多參數同步監測方案，采用糧堆內糧情信號差分感知結構，提高了傳感器的穩定性和檢測精度，實現了糧倉溫濕水一體化監測[119～122]。

基于微環境絕對水勢理念和多參數糧情監測，首次繪制了適合于糧倉機械通風作業的“微環境絕對水勢圖”，劃分出降溫、降水以及調質等窗口[123～125]，可實現儲糧機械通風動態窗口調控，以圖形化方式進行降溫、降水以及調質通風作業，進一步提出了基于絕對水勢圖的糧倉遠程智能通風測控系統的設計方案[127,128]，如圖6所示。

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2.3.3.6 儲備糧數字監管與大數據分析 秦驍基于糧食儲藏濕熱傳遞理論以及儲備糧實物數字監管原理，提出了儲糧數字監管的AD6R3IABC[129～132]。蘭天憶基于糧情大數據的東北地區儲糧品質建立了模型和數據手冊，主要為儲糧監管方法涉及的參數提供具有指導意義的參數表[133]。

崔宏偉等提出了基于溫度場云圖RGB顏色特征的儲糧監管方法[134,135]。該方法不僅能夠實現儲糧數量監管，同時能夠檢測出糧倉局部異常溫升。朱浩天、崔宏偉等通過分析糧溫統計特征，提出了一種基于歷史糧溫統計特征的糧倉庫存狀態(主要包括空倉、新糧、通風3種狀態)檢測方法，檢測結果表明該庫存狀態檢測方法可以滿足糧庫檢查的工作需求[136,137]。崔宏偉等提出了基于糧溫時空相關性的糧倉儲量監管方法[138]。王啟陽利用神經網絡、深度學習等方法研究了基于糧情數據的糧食品質測報[139,140]。針對數字化糧庫清倉查庫，沈文豪研究了適合于現場復檢的，便攜式儲糧生物危害檢測儀，具有云圖、動態窗口分析功能[141]。張忠杰等開發了糧情云圖動態分析與預測預警軟件[142]，在2018～2019年全國清倉查庫中20省應用，以此為基礎建立儲備糧數字監管策略應用參考數據工具手冊。

2.3.3.7 機器人技術 針對目前糧倉管理中的糧面平整、施藥、翻倒等作業主要靠人工完成，存在成本高、費時費力、工作環境差等缺點，且因糧面松軟，現有糧面行走機構存在易下陷、易傾覆和行駛不便的問題，靳航嘉等[143]結合水陸兩棲車輛的螺旋驅動方式，設計了可在松軟糧面上行走的螺旋驅動式糧面行走機構，通過糧面行駛試驗證明了該機構的糧面通行能力較好，可以實現前進、后退和自轉轉向，大幅提升了糧面行走機構的糧面行走性能。基于前述基礎，設計了糧倉內信息探測仿生螺旋機器人[144]以及糧倉糧面作業的機械行走機構[145]。

圖7 螺旋驅動式糧面行走機構三維模型

2.3.4 工程應用 開發的橫流組合式糧食連續干燥機等3項產品多次列入國家農業機械產品補貼目錄；開發的糧食干燥智能測控方法為一批行業內企業應用；支撐開發的“糧情動態分析軟件系統”中應用，該成果在國務院組織的2018～2019年“全國政策性糧食庫存大清查”中，累計在20個省進行了應用測試，準確率達到85%以上；提出5T管理方法和標準在吉林省優質糧食工程及“吉林大米”品牌建設中得到推廣應用。

2.3.5 國際交流 2012年吉林大學成為糧食儲運國家工程實驗室成員單位。2019年成為中加生態儲糧研究中心成員單位。以吉林大學農業工程一級學科和農業電氣化與自動化二級學科為學術平臺，以先進制造、智能化、信息化、系統工程等為手段，發展糧食儲藏、干燥等新理論、新技術和新裝備，深度服務于生產和市場。2017年舉辦了“糧食儲運技術基礎”國際學術研討會，2019年舉辦了首屆“智慧糧食國際學術研討會”、第九屆中加儲糧研究中心暨糧食儲運國家工程實驗室學術研討會。

3 結語

3.1 系統思想和信息化發展進程對吉林大學糧食儲運團隊的科技創新產生了深度影響，沿著糧食儲藏系統理論和技術的研究方向，歷經3個發展階段，在理論創建、基礎研究、技術創新、工程應用和國際交流方面都取得有影響的成果。

3.2 原創的糧堆多場耦合及生物場理論和模型、提出儲備糧實物數字監管原理，發展了糧食儲藏生態理論，為解決糧食倉儲生物風險的工程化計算和控制的難題探索了新路徑，相關理論成果發表在NATURE子刊。

3.3 提出的基于耦合因子的糧食干燥圖形化測控方法，實現了大滯后過程的機理和數據雙驅動，為我國糧食干燥裝備的智能化升級換代打下了良好基礎。

3.4 提出5T管理方法和標準，對解決好我國糧食安全由“吃得飽”向“吃得好”轉變，具有推廣應用價值。