基于TRIZ理論的大型糧倉中儲糧害蟲防治方法創新策略的研究

黃振永， 謝海軍， 唐佳林， 蘇秉華

(北京理工大學珠海學院，珠海 519088)

《中國的糧食安全》白皮書提出：民為國基，谷為民命[1]。研究開發高效、靈敏、準確、便捷的儲糧蟲害檢測技術和方法是目前儲糧害蟲綜合治理的研究熱點[2]。現代信息技術已廣泛應用于儲糧害蟲檢測領域中[3-8]，如，電導率法、電容法、聲學法、電子鼻法、近紅外光譜法、機器視覺法、燈光誘食法、納米材料法、生化熒光法、光纖測溫法、物聯網技術、深度學習算法、云計算等。與傳統的檢測方法相比，基于圖像識別和害蟲聲信號的實倉在線監測技術具有準確、實時、省錢省力等優點，其在糧食儲藏過程中日益受到重視[4]。劉治財[5]基于深度學習的目標檢測技術可以實現對儲糧害蟲進行檢測識別。為適應新形勢下糧食行業綠色環保的發展方向，任劍豪等[6]研究了8種植物提取物對赤擬谷盜、米象2種主要儲糧害蟲的觸殺作用及驅避作用效果。面對糧食儲藏數據的數據量大、多維度等特點，構建數據模型和建立適用的算法是研究的重點，苑江浩等[7]研究了神經網絡在糧食儲藏領域中的應用。張詩雨等[8]基于Faster R-CNN模型提出了復雜背景下糧倉害蟲的檢測識別方法。王威松等[9]設計了一種探管式儲糧害蟲誘捕在線監測裝置。呂建華等[10，11]研究了不同溫度對赤擬谷盜生長發育和繁殖的影響、6種主要儲糧害蟲成蟲的耐饑餓能力。

“TRIZ”源自俄文“теории решения изобрет-ательских задач”，在國內常意譯為“發明問題的解決理論”，也常音譯為“萃智”。TRIZ理論是蘇聯發明家——根里奇·阿奇舒勒(Genrich S. Altshuler)于1946年創立的用于解決發明問題的理論[12]。本文基于經典的TRIZ理論，將大型糧倉視為技術系統，運用多種分析方法和模型研究了大型糧倉中儲糧害蟲防治方法，有助于啟發廣大學者拓展技術創新的思維視角、發現新的研究方向、提出創造性的解決方案。

1 九屏幕法

九屏幕法是TRIZ理論中典型的系統性思維方法，即對問題進行系統考慮，能夠幫助人們從時間、層級兩個維度來分析問題[12]。以時間為軸可以考量過去、現在和未來3種時段，以層級為軸可以考量子系統、當前系統和超系統。以橫軸表示時間，以豎軸表示層級，構成了3×3的9個屏幕的模型。設想解決的問題為：糧倉中的部分麥粒被害蟲損毀了。利用九屏幕法分析，如表1所示，將受損的麥粒視為當前系統，它的過去是麥株，它的未來是食物；麥粒的子系統有麥皮、淀粉、胚芽，它的過去是整個麥粒(種子)，它的未來是小麥粉、麥麩；麥粒的超系統是糧倉，它的過去是糧田，它的未來是儲糧站(儲糧基地)。

由表1可知，糧倉中出現部分糧食被害蟲損毀現象的原因可歸結為：在糧田種植期間，麥珠遭受的病蟲害情況嚴重；在麥珠脫粒后入倉前，麥粒表面或體內殘留著害蟲的卵或活體、在麥粒入倉后未做消殺工作或消殺害蟲不徹底；糧站員工消極怠工或不遵守制度規則，以致未能及時發現害蟲損毀情況并做好二次消殺害蟲工作；麥種的抗病蟲害能力差。如果防治工作落實不到位，則會導致的結果有：儲糧的數量減少、品質降低；給小麥粉、食物埋下食品安全的隱患；觸及糧站的儲糧安全線，危及地區居民的糧食安全。

表1 九屏幕法

本文給出的防治建議有：加強種植期間的病蟲害防治工作；加強糧食入倉環節的防治工作；制定科學合理的糧站監管機制、加強員工職業操守教育和技能培訓；培育抗病蟲害且高產的糧種。由案例可以看出九屏幕法的獨特價值體現在：突破了“不識廬山真面目，只緣身在此山中”的思維陷阱，引導和啟發學者從超系統中尋找問題的解決方案，比如：科學合理的糧站監管機制、現代化的信息技術都是儲糧安全的影響因素。換言之，要確保儲糧安全，除了靠技術，還得靠制度。

2 IFR法

TRIZ理論主張在解決問題之初，首先拋開各種客觀限制條件，通過理想化來定義問題的最終理想解(Ideal Final Result，IFR)，以明確理想解所在的方向和位置，保證在問題解決過程中能夠始終沿著預設目標前進并獲得最終理想解，從而避免了傳統創新設計方法中思維過程缺乏目標導向的弊端，提升了創新設計的效率[12]。用IFR法分析儲糧害蟲損毀問題的6個步驟如下：

設計的最終目：糧倉中的糧食能長時間的、無病害蟲損毀的存放。

最終理想解：糧倉能夠自動監測、消殺害蟲。

達到理想解的障礙：糧倉處于密封狀態，糧食會因持續發生呼吸作用而產生熱[13，14]，又因萬噸級糧倉的體積很大，所以導致糧倉中央區域積聚的熱量不能有效消散，進而給害蟲提供了適宜生存的條件；也因糧倉的體積很大，導致無法準確了解倉內尤其是中央區域糧食的害蟲存活情況(如，害蟲的種類、數量、密集分布區)。

出現這種障礙的結果：如果不能及時發現害蟲并有效消殺害蟲，則會導致倉內糧食因害蟲泛濫滋生而被大量損毀[14]。

不出現這種障礙的條件：需要有能全方位地監測糧倉內的溫度、濕度、空氣成分的傳感器，需要有能無線遙控的翻糧設備，從而使糧倉其不具備害蟲生存的條件；當發現害蟲達到某種程度時，糧倉能自動開啟和關閉消殺害蟲模式。

創造這些條件存在的可用資源：無線溫度傳感器、無線濕度傳感器、無線氣敏傳感器、氣調化學品、無線監控相機、5G通信技術、物聯網監控平臺、圖像識別算法等[4，5,8]。

通過分析得到的最終理想解是：利用無線傳感器感知倉內的溫度、濕度和氣味，把信號傳送給物聯網監控平臺，平臺根據預設指令開啟無線遙控型翻糧設備，以便及時消散局部空間的多余熱量；利用無線相機和數字圖像處理技術、深度學習算法監測害蟲的存活情況，并把信號傳送給物聯網監控平臺，平臺根據預設指令釋放氣調化學品，以便及時消殺害蟲，實現萬噸級糧倉的自動化檢測、消殺害蟲，以確保儲糧安全。IFR法的獨特價值體現在：創新過程以目標為導向并使其趨向問題的最終理想解。

3 因果鏈分析法

因果鏈分析法是指通過構建因果鏈探明事件發生的原因和產生的結果之間關系的分析方法，由于根本原因與產生結果之間存在著因果關系，所以它們之間可構成一條或多條關系鏈，通過發現問題的產生原因和發現鏈中的薄弱環節，可以為解決問題尋找切入點[12]。白仲航等[15]發現將可拓學與因果鏈分析相結合，不僅可增強因果鏈分析的客觀性與邏輯性，也能準確地輔助設計人員發現產品的問題。廖禺等[16]把因果鏈分析法與專利分析法結合在一起提出了谷物收集機的創新設計方案。

因果鏈分析模型如圖1所示。該模型系統性地展示了糧倉中儲糧被害蟲損害的因果鏈，比如：造成儲糧被害蟲損毀的直接原因可能是員工消極怠工或違規操作(需要加強職業操守和技能培訓)、糧倉管理制度尤其是應急管理制度不完善(要形成布局合理、設施完備、運轉高效、保障有力的糧食應急供應保障體系，強化應急處置功能，提升應急供應保障水平[1])、糧食入倉環節沒有及時做好防治工作。

本例重點研究的是“糧倉”的因果鏈：因為糧種的抗病蟲害能力差，導致糧田種植期間發生了嚴重的病蟲害情況，導致莊稼珠體在脫粒環節混入或殘留害蟲的卵或活體；在沒有做好消殺防治工作的情況下，在倉內空氣的溫度、濕度、成分合適的條件下，害蟲就會泛濫滋生，最終導致儲糧被害蟲損毀。用無線溫度傳感器周期性地或實時地監測所在空間區域因為呼吸作用產生的熱量，并把溫度信號發送給物聯網平臺，該平臺經過數據分析后發現信號達到某個限值時，就發出指令，開啟調溫設備、翻糧設備，以便及時降溫。

圖1 因果鏈分析法

在因果鏈分析法中蘊含了技術系統的如下進化法則：

S曲線進化法則：S曲線描述了一個技術系統的完整生命周期和技術系統中各項重要性能參數的發展變化規律[12]。以測溫方法為例，使用煤油或水銀的熱脹冷縮原理實現接觸式測溫的方法經歷了嬰兒期、成長期、成熟期和衰退期，現代化的大型糧倉倉內溫度測量已經基本舍棄了該方法。

提高理想度法則：理想化是推動系統進化的主要動力，通過控制系統的有用功能、有害功能和成本來提高理想度的法則代表著所有技術系統進化的最終方向[12]。以測溫度和測濕度為例，購買一塊測溫傳感器和一塊測濕度傳感器與購買一塊溫濕度傳感器相比，有用功能幾乎等同，但成本顯著降低，伴生的有害功能(安裝工時費)也明顯降低了，從而提高了技術系統的理想度。

系統完備性法則：技術系統存在的必要條件是存在最小限度的可用性，要實現某項功能，一個完整的技術系統必須包含4個相互關聯的基本子系統：動力子系統、傳輸子系統、執行子系統、控制子系統[12,17]。以視頻檢測害蟲為技術系統，其完備的技術系統結構如圖2所示。

能量傳遞法則：指能量應能夠從能量源流向系統的所有元件，如果技術系統中的某個元件接收不到足額的能量則不會產生效用或表現為有用功能不足。技術系統的進化應該沿著使能量流動路徑縮短、能量轉換形式減少的方向發展，以減小能量損失[12]。“綠色糧倉”是技術系統發展的方向[18]，如圖2所示，在倉庫房頂或周邊搭建太陽能光伏系統或風力發電系統，可以減少能量傳輸損失。

圖2 完備的技術系統結構

子系統不均衡進化法則：系統中各子系統的進化是不均衡的，每個子系統都有自己的S曲線，最先達到進化極限的子系統會成為抑制整個技術系統進化的障礙，通過消除“瓶頸”子系統的缺陷可以較大程度地改善整個技術系統的綜合性能[12]。比如，傳感器技術、5G無線通信技術[19]、物聯網技術[20-22]的發展是不均衡的，常規的煤油溫度計與5G通信技術、物聯網平臺是不匹配的。

增加動態性和可控性法則：提高技術系統的動態性和可控性有助于提升技術系統對工作條件變化的適應能力，其進化路線為沿著增加系統可移動性、柔性、可控性的方向發展[12]。對于萬噸級大型糧倉而言，病蟲害的實時性監測工作是非人工所能勝任的，目前大多數傳感器被固定在某個方位，所以其移動性差并導致可以監測的空間區域小。如果在糧倉的中央豎立一根透明的多孔的圓筒，則一方面可以誘導害蟲掉入圓筒中被藥死，另一方面可以使用無線數字相機在圓筒內上下巡視從而了解不同深度糧食層的蟲害情況。定時地深度翻糧也可以提升溫控效果。

向超系統進化法則：將原有的技術系統與另外的一個或多個技術系統組合，形成一個更復雜的技術系統。其進化路線為可以將超系統的公共資源整合、也可以將某個子系統從原有的技術系統中分離出來形成超系統[12]。以消殺害蟲為例，在糧倉中沖入足量的氮氣以減少氧氣在空氣中的比例，可以使得害蟲因缺氧窒息死亡[23，24]。磷化氫是常規的糧倉消殺害蟲的化學品[25，26]，其低毒性和易擴散性可以殺死倉內所有害蟲。如果兩者混合使用，氮氣會使得害蟲因缺氧而急促呼吸，并吸入大量的磷化氫氣體，能大大提升消殺害蟲的速度、減少磷化氫的總用量。幾個糧倉共用一套物聯網平臺，幾個糧站基地的物聯網平臺組成一個城區的糧食安全監管平臺，進而構建市級、省級、國家級糧食安全監管平臺。

向微觀級和場的應用進化法則：指突破機械場，向電場、磁場、熱場、化學場和生物場等高效場的路徑進化，向增加場效率的路徑進化，或沿著減小尺寸的方向進化[12]。傳統的定點誘食法不如用有毒性氣體消殺效果好[24-26]。有線信號傳輸法不如無線信號傳輸法安裝工藝簡便、成本低。人工剖粒法、懸浮法、比重法、尿酸法不如電容法、電子鼻法、聲測法、近紅外光譜法、圖像識別法效率高。

4 技術矛盾矩陣法

一個技術系統中總可以找到這樣一對基本參數，記作：A和B，當試圖改善A時，B的性能變得更差了，或反之，當試圖改善B時，A的性能變得更差了，這樣的形如“A↑=>B↓”的一對矛盾稱為技術矛盾[12]。經典的TRIZ理論中[27]，技術矛盾矩陣表中有39個通用工程參數，39×39的工程參數從行、列兩個維度構成二維矩陣表，行所描述的是想改善的工程參數，列所描述的是可能引起惡化的工程參數，行與列的交叉單元格中的序號對應推薦使用的發明原理的序號，這些發明原理可以單獨使用也可以組合使用，該方法可以快速給出優質的技術系統進化方案。

問題描述：對于萬噸級糧倉而言，由于糧倉體積龐大，傳感器是定位安裝的，這就導致如果想全方位監測蟲害的目的，就需要增加傳感器的數量，并提升了監測成本。如果減少傳感器的實際使用量，則會導致糧倉內個別局部空間監測不到位的情況，進而導致誤判蟲害情況。

第一步：確定技術參數。對照經典的TRIZ理論的39×39矩陣表，選擇“24 信息損失”當作“改善的參數”，選擇“26 物質或事物的數量”當作“惡化的參數”。減小“信息損失”就會增加“物質或事物的數量”，減少“物質或事物的數量”就會增加“信息損失”。

第二步：查找技術矛盾矩陣表。行與列交叉單元格中的序號是：24、28和35。

第三步：發明原理的分析[12]。“24”對應的發明原理是借助中介物原理，使用中介物實現所需動作，把一物體與另一易除去的物體暫時結合。啟示是借助燈光引誘害蟲聚集在一起。“28”對應的發明原理是機械系統替代原理，用光學系統、聲學系統、電磁系統、味覺系統替代機械系統，使用與物體相互作用的電場、磁場或電磁場，用運動場替代靜止場、時變場替代恒定場，把場與場作用和鐵磁粒子組合使用。啟示是舍棄傳統的剖粒法、比重法等機械場法，替換為近紅外光譜法、聲測法、電子鼻法、數字圖像法等高效場。“35”對應的發明原理是物理和化學參數改變原理，改變聚集態或物態、濃度或密度、機械柔性、溫度、幾何結構等物理或化學參數，以實現系統的新功能。啟示是選用光纖溫度傳感器，實現不同深度的連續性監測。

第四步：發明原理的應用。借助燈光引誘害蟲聚集到無線數字相機的周圍，相機把視頻信號傳輸給物聯網平臺，以減小相機的使用量。在糧倉中央埋入一條光纖溫度傳感器。由于測溫光纖在倉房糧堆內是連續布置沒有斷點，因此測溫裝置沿著光纜發出的檢測信號也具有連續性，通過測溫裝置對光纖信號進行采集，進而測量出射光和拉曼散射光之間的時間間隔，就可得到拉曼散射光發生的具體位置。由于系統使用的拉曼散射光對溫度具有很好的敏感度，因此信號可以沿著所敷設測溫光纜測量到相應的溫度分布[28-30]。

5 物理矛盾法

物理矛盾反映的是唯物辯證法中的對立統一規律，矛盾雙方存在著2種互相依賴的關系[12]：對同一個對象的某個特性提出了互斥的要求。技術矛盾是技術系統的形如“A↑↓”的2個參數之間存在的相互制約，物理矛盾是技術系統中一個參數無法滿足系統內相互排斥的需求。解決物理矛盾的方法有：空間分離原理、時間分離原理、條件分離原理、系統層級分離原理。

問題描述：在糧倉中消殺害蟲會殘留蟲尸進而影響其衍生食品的安全；如果不消殺害蟲，則儲糧會被害蟲吃損或污染糧食。

第一步：定義物理矛盾。找到存在矛盾的參數，以及對參數的要求。

確定沖突參數：為了降低糧倉中儲糧被害蟲損毀的程度，需要進行消殺害蟲，但在糧倉中消殺害蟲會殘留蟲尸而妨礙了后續衍射食品的安全，所以又不需要消殺害蟲。在糧倉中既需要又不需要消殺害蟲，是物理矛盾。

明確第一種要求：為了防止混入糧倉里的害蟲的卵或活體吃損糧食，需要在糧倉中消殺害蟲。

明確第二種要求：為了防止后續衍射食品中出現蟲尸成分，不需要在糧倉中消殺害蟲。

第二步：定義空間、時間。如果想實現技術系統滿足兩種互斥的要求，分別在什么空間、時間、條件、層級得以實現？

明確實現第一種要求的空間S1。在消殺害蟲時，害蟲和糧食混雜在一起。

明確實現第一種要求的空間S2。在消殺害蟲后，害蟲和糧食不混在一起。

第三步：判斷空間、時間、條件、層級是否存在交叉。

利用空間分離原理：將糧倉設計成上下雙層空間倉，上層倉較大，小層倉較小。消殺害蟲時，將糧食存放在上層倉，消殺害蟲后，利用超聲波振動技術使得蟲尸、糧食碎末逐漸沉降到下層倉里，該方案有點類似于混合的黃豆與芝麻在振動作用下分層分離，糧食出倉時或定期監測時，把下層的沉降物清理干凈。

利用時間分離原理：在糧食入倉前(第一時間段T1)，通過振動篩篩掉害蟲的卵或活體，或者再結合烘干爐既能降低糧食體內的水分，又能殺死害蟲的卵或活體。在糧食入倉后(第一時間段T2)，糧食中殘留的蟲尸就會大大降低了。

利用條件分離原理：在害蟲滋生程度不嚴重、不需要消殺害蟲的情況下(第1種條件C1)，容許害蟲與糧食混雜在一起；在害蟲滋生程度嚴重、需要消殺害蟲的情況下(第2種條件C2)，利用燈光或誘食物品將害蟲引誘到陷阱空間里，害蟲只能進不能出，再進行消殺處理，這樣蟲尸只會殘留在陷阱空間里，避免了蟲尸與糧食混雜在一起。

利用系統層級分離原理：如果整個糧倉的大部分方位(系統層級)存在嚴重的蟲害現象，則選擇用藥熏法消殺害蟲；如果只是糧倉的局部方位(微觀層級)存在嚴重的蟲害現象，則選擇誘食法消殺害蟲。在分離蟲尸和糧食時，既要保證糧食完好，又要去除蟲尸，可以將混合體(系統層級)先干燥或冷燥，再利用振動篩(超系統層級要素)篩除尸粉。

6 物-場分析模型法

物-場分析模型是阿奇舒勒于1979年在專著《創造是精密的科學》中提出的解決問題的方法，是指從物質和場的角度來分析和構造最小技術系統的理論于方法[12]。一個完備的最小系統模型應該具有3個要素：物質1(工件)、物質2(工具)和場。根據物-場模型的不同特點可分為4種具體模型：正常效應且完整的物-場模型、不完整的物-場模型(對應一般解法1)、效應有害但完整的物-場模型(對應一般解法2和3)、有效不足但完整的物-場模型(對應一般解法4、5和6)。

6.1 效應有害但完整的物-場模型

問題描述：如果糧食入倉時攜入害蟲的卵或活體，那么在長時間儲糧過程中容易造成蟲損現象。問：怎樣才能降低或消除蟲損現象呢？

第一步：識別元件。物質S1為糧食，物質S2為害蟲，場為機械場。

第二步：構建模型。害蟲咬損糧食，屬于效應有害但完整的物-場模型，如圖3所示。

圖3 有害效應模型

第三步：選擇方法。該模型對應的解法為一般解法2(增加新物質S3來阻止有害作用)，模型如圖4所示；一般解法3(增加新場F2來抵消原來場F的有害效應)，模型如圖5所示。

圖4 一般解法2

圖5 一般解法3

第四步：解法應用。在糧倉中引入新物質S3(氮氣)，使得害蟲因缺氧而死亡，從而降低或消除有害作用。在糧倉中引入新場F2(溫度場)，超低溫的環境可迫使害蟲和部分微生物休眠甚至死亡，也能降低或消除有害作用。

6.2 效應不足但完整的物-場模型

問題描述：用聲測方法可以監測活體害蟲的滋生情況，但無法監測死體的情況。

第一步：識別元件。物質S1為糧食，物質S2為害蟲，場為聲場。

第二步：構建模型。死害蟲不能被監測到，屬于效應不足但完整的物-場模型，如圖6所示。

圖6 效應不足模型

第三步：選擇方法。該模型對應的解法為一般解法4(用新場F2代替原來的場F)，模型如圖7所示；一般解法5(增加新場F2來強化有用效應)，模型如圖8所示；一般解法6(增加新物質S3和新場F2來提高有用效應)，模型如圖9所示。

圖7 一般解法4

圖8 一般解法5

圖9 一般解法6

第四步：解法應用。用新場F2(近紅外場)代替原來的場F(聲場)，蟲尸、微生物和糧食的紅外輻射光譜是不同的，近紅外光譜法可以實現有效作用；增加新場F2(近紅外場)，通過聯合來強化有用效應，尤其是可以提高監測的準確性；引入新的物質S3(磷化氫氣體)和新的場F2(化學場)，使得害蟲因為缺氧而急促呼吸，并呼入有毒性的氣體而被快速殺死。

7 結論

本研究基于經典的TRIZ理論，將大型糧倉視為技術系統，運用九屏幕法、IFR法、因果鏈分析法、技術系統的進化法則、技術矛盾矩陣表法、物理矛盾法和物-場分析模型研究了大型糧倉中儲糧害蟲防治方法，有助于啟發廣大學者拓展技術創新的思維視角、發現新的研究方向、提出創造性的解決方案。九屏幕法有助于從時間軸和層級軸、系統性看待問題并尋求解決方案；IFR法有助于明確技術創新的方向、提升創新效率；因果鏈分析法從源頭解決問題，解決了因，自然就解決了果；大型糧倉中害蟲的監測與防治方法也遵從技術系統的進化法則；技術矛盾矩陣表法有助于解決形如“A↑=>B↓”的、有此消彼長關系的雙參數之間的矛盾；物理矛盾法及其分離原理有助于解決形如“A↑↓”的、要滿足互斥需求的單參數之間的矛盾；物-場分析模型及其解法有助于利用模型化思維快速解決問題。由TRIZ理論可以預測：大型糧倉中儲糧害蟲的防治方法的創新性技術路線將會朝著更綠色、更互聯、更實時、更高效、更智能化、更集成化的方向發展。