我國首套糧堆害蟲自動檢測設備及智能管理系統(tǒng)：代碼如何“殺”蟲

民以食為天，對有著14億人口的中國來說，糧食安全，一直都是關系國計民生、國家安全和社會穩(wěn)定的頭等大事。

2010年以來，我國人均糧食占有量持續(xù)高于世界平均水平，然而，中國也是世界糧食進口第一大國。新冠疫情全球蔓延，糧食危機被認為是“危機中的危機”。同時，糧食受氣候、溫度、濕度等自然環(huán)境影響，糧食安全問題越發(fā)引起人們的注意。

＃聽他們自己說在糧食儲存過程中，蟲害、霉變和管理漏洞問題讓糧食安全面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)。每年糧食產(chǎn)后損失的數(shù)量在3500萬噸，相當于吉林省一年的糧食產(chǎn)量。這份“餐桌外的浪費”，能不能借助信息化、智能化手段來改善？北京郵電大學的科研團隊決定從根源上減少蟲害和霉變的發(fā)生。

他們是控制科學與工程專業(yè)、物流工程專業(yè)的博士生和研究生，歷經(jīng)整整六年，研發(fā)了我國首套糧堆害蟲自動檢測設備及智能管理系統(tǒng)，建立了國內(nèi)首個儲糧害蟲圖像、紅外光電序列數(shù)據(jù)集及糧溫糧濕CT圖庫。

這個肩負著“儲糧安全智能監(jiān)控引領者”使命的模型，有個硬核的名字叫“糧盾”，該項目進入了第六屆中國國際“互聯(lián)網(wǎng)+”大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽的決賽，并取得全國總決賽銀獎的成績，他們正用尖端的科技，為減少糧食浪費筑起最為堅實的后盾。 北京郵電大學的科研團隊是如何借助信息化、智能化手段來改善糧食儲存問題的？一起來看看他們怎么說吧！

＃用尖端科技守護糧食安全讓害蟲、霉變無處遁形據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織和國家糧食局數(shù)據(jù)顯示，中國每年生產(chǎn)的糧食中有35%被浪費，其中，在糧食生產(chǎn)、流通、加工、消費等環(huán)節(jié)造成的浪費高達700億斤，接近我國糧食總產(chǎn)量的6%。 在儲糧蟲害和霉變的檢測上，大多糧庫都使用測溫電纜，然而這種傳統(tǒng)檢測方式并不精準，往往人們發(fā)現(xiàn)問題時，蟲害已大量爆發(fā)，糧食也隨之被吃空。

為了減少蟲害，糧倉的保管人員只能借助長時間通風降溫或大量使用有毒化學熏蒸藥劑的方式，不但造成環(huán)境污染，對工作人員的人身安全，也存在著種種風險。 “糧盾”項目負責人李江濤博士，從本科的畢業(yè)設計開始，就接觸儲糧的相關科研項目。廣泛閱讀文獻、論文，參與課題調(diào)研，對糧食行業(yè)接觸得越深，團隊越發(fā)感受到點滴糧食的珍貴。 能否從儲糧的蟲害和霉變問題著手，嘗試通過智能化手段減少糧食損失？

從想法的萌芽到拓寬研究思路、不斷迭代直至研發(fā)出完備的產(chǎn)品，“糧盾”團隊花了將近6、7年時間。在“糧盾”團隊的成員眼里，這是一種實驗室研究方向的傳承，學弟學妹們在學長、學姐的研究基礎上接棒，不斷完善優(yōu)化。除了博士生、碩士生，項目還帶動了60多位本科生參與項目子課題或子模塊的研發(fā)。

項目核心技術“糧盾云”結合軟件和硬件開發(fā)，軟件算法研發(fā)階段依靠華為云HiLens等深度學習工具，完成算法框架的搭建，借助華為云ModelArts平臺算力算法數(shù)字模型導出，形成目前覆蓋云邊端協(xié)同數(shù)據(jù)采集和處理能力的系統(tǒng)。在感知端，收集糧庫安裝配備的測溫電纜糧堆溫度數(shù)據(jù)，以及團隊國內(nèi)首創(chuàng)的四款蟲型采集設備，通過數(shù)傳終端、邊緣計算，匯聚到云端，完成數(shù)據(jù)匯總和智能分析，實現(xiàn)蟲害霉變的早期預測、預警。最后，將信號發(fā)送到執(zhí)行端，也就是糧庫配備的機械通風降溫系統(tǒng)，以及環(huán)流熏蒸殺蟲系統(tǒng)，形成閉環(huán)，實現(xiàn)儲糧安全監(jiān)控的目的。

對儲糧安全進行智能監(jiān)控，感知糧食儲存狀態(tài)，這是傳統(tǒng)的監(jiān)測方式所做不到的。 糧堆中最大的儲糧害蟲，也只有約3毫米長，哪怕高清攝像頭，也難以識別圖像。一個糧倉有三個籃球場那么大，而糧堆又深達6、7米，在當中找蟲子檢查霉變情況，無異于大海撈針，加上南北方糧堆習慣不同，比如東莞的糧庫用的就是筒倉，糧堆高20多米，要檢測到糧倉底部的蟲子，單純依靠人工，無疑難上加難。而通過“糧盾”設備，就能直觀地觀察到害蟲滋生的狀況，“糧盾云”數(shù)據(jù)集囊括了我國16種主要儲糧害蟲，識別出糧堆內(nèi)部的每種害蟲的分布和數(shù)量，算法準確率超過95%。

針對最新的人工篩蟲國家標準，“糧盾”系統(tǒng)結合害蟲監(jiān)測設備獲得的數(shù)據(jù)、糧堆的溫度、濕度，以及糧食的品質(zhì)參數(shù)，構建出蟲情評估模型和預警數(shù)學模型，可自動判斷蟲害危險等級，并提前一周預警蟲害風險。要建立儲糧害蟲數(shù)據(jù)庫，與害蟲接觸無可避免。然而，對昆蟲，團隊里有些成員有著莫名的恐懼。為了完成項目，他們必須克服這道心理障礙。在取害蟲樣本時，同學們要把害蟲從培養(yǎng)罐里拿出來，再放入“糧盾”設備，以此采集圖像數(shù)據(jù)和完成相應標注。

回想起第一次拍害蟲圖像，李江濤后怕到：“我晚上做噩夢，夢見身上帶著蟲子回來。后來慢慢習慣了這些小東西，就好了?！钡囊痪洹傲晳T了”背后，凝聚著他們一次次為克服恐懼而付出的勇氣。 “糧盾”項目將尖端AI技術與民生問題相結合，為傳統(tǒng)行業(yè)未來發(fā)展指引了方向。手握前沿科學技術，卻愿意沉下心來，不斷接力，在傳統(tǒng)而古老的行業(yè)里踏實耕耘，團隊要面對的艱苦可想而知，但正因如此，“糧盾”團隊才散發(fā)著獨特的魅力。

有一年冬天，“糧盾”團隊來到北京順義的糧庫安裝設備，從中午12點忙活到晚上8點，在瑟瑟寒風中，大家身穿單薄的衣衫，沒帶手套，一直站在糧庫外頭擰螺絲、組裝構件，調(diào)試設備。研制出第一代測量糧堆內(nèi)部害蟲的探管后，“糧盾”團隊便將其拿到糧庫里試驗，只有真正走進糧倉實踐，他們才能發(fā)現(xiàn)在實驗室中覺察不到的問題。

▲糧堆內(nèi)蟲情監(jiān)測設備 探管插進糧堆一段時間后，很多雜質(zhì)會通過側(cè)壁掉進探管里，堆積時間長了，探管里的害蟲、雜質(zhì)就很難清理。針對這個問題，歷經(jīng)幾個月的迭代，“糧盾”團隊首創(chuàng)出第一款糧內(nèi)害蟲檢測裝置自動清理系統(tǒng)，不用取出探管，就能將其內(nèi)部的雜質(zhì)自動清理，不但省時省力，還大大節(jié)約了人力成本。

＃華為提供強有力支持每個糧庫減損600噸華為一直致力于人才的培養(yǎng)，北郵作為通信領域“雙一流”高校，與華為校企聯(lián)合成立了華為學院，共同在科學研究上為社會提供更多的發(fā)展方向，同時華為也為師生提供更多的幫助與優(yōu)惠政策。 從糧溫糧濕CT圖到預警早期發(fā)熱，再到蟲情評估及預警數(shù)學模型，團隊將華為的技術應用在機器學習中。

在信息井噴的時代，數(shù)據(jù)既是寶貴的財富但同時也造成大量的存儲壓力，項目研究過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)集花費整個實驗室十幾個人3年的時間整理，既耗時又耗人力，同時數(shù)據(jù)作為私有財產(chǎn)，需要嚴格控制其私密性和安全性。團隊將百億級、千億級的數(shù)據(jù)托管到華為云的OBS系統(tǒng)里面，再基于ModelArts平臺完成模擬訓練及算法的更新迭代，使系統(tǒng)的運作效率得到顯著提升。

在項目研發(fā)過程中，華為派出技術人員和管理人員親力親為輔助項目落地，確保數(shù)據(jù)托管的私密性，讓團隊放心進行技術研究。 面對數(shù)據(jù)私密性的挑戰(zhàn)，華為給了“糧盾”團隊一顆定心丸。正如團隊蔡闊學弟所說：“我們數(shù)據(jù)是百億級、千億級的，華為給了我們非常大的存儲空間，讓我們可以放心地將龐大的數(shù)據(jù)存儲、托管到華為的AI平臺。再者，華為的技術老師不但給我們發(fā)來詳盡的技術文檔，還非常耐心地講解，讓我們放心地把技術和服務托管到華為云AI平臺，給我們的數(shù)據(jù)私密性帶來重要保障?！?/p>

“糧盾”團隊成員在兩三個月時間里，奔赴全國各地走訪了安徽、重慶、清遠、北京順義、東莞等5、6個糧倉，對行業(yè)內(nèi)部進行商業(yè)調(diào)研，了解整個糧食行業(yè)的軟硬件需求及整套系統(tǒng)的商業(yè)模式。 在“糧盾”系統(tǒng)研發(fā)過程中，身處糧食行業(yè)多年的指導老師，在行業(yè)需求上更進一步地給團隊指明了產(chǎn)品的痛點和技術迭代的方向。在市場規(guī)劃上，更有頂級專家顧問從糧食行業(yè)的渠道、運作模式和市場資源渠道等方面給同學們提供新的思路和啟發(fā)。

北京郵電大學的特聘專家——曼尼托巴大學的副校長，在糧食行業(yè)需求的認識上，給予“糧盾”項目深度指導。來自各方的力量幫助項目組成員對行業(yè)需求和痛點有了更為清晰的了解。 目前，“糧盾”系統(tǒng)已在國內(nèi)13個省市的示范糧庫進行了示范應用，獲得糧庫主任的一致認可，并受到前任國家糧食和物資儲備局副局長吳子丹教授的高度好評。示范庫使用“糧盾”系統(tǒng)后，每年每個糧庫糧食減損量可達600噸，減少有毒化學藥劑使用15%以上，節(jié)省人力成本2250人時。

如果全國1.3萬個糧庫都用上“糧盾”系統(tǒng)，與現(xiàn)在的人工篩蟲方式相比，“糧盾”每年可減損780萬噸糧食和50%的儲糧損耗、人力成本，直接經(jīng)濟效益可達795億元。 “糧盾”團隊還和國家糧食與物資儲備局科學研究院開展緊密合作，將“糧盾”融入其建設的“糧情早知道”平臺的4個核心模塊，為至少100個國儲庫進行儲糧安全的一體化監(jiān)控，并合作優(yōu)化多項糧堆安全評判標準，制定新的測蟲行業(yè)標準。通過應用推廣，使糧盾成為我國糧庫監(jiān)管標配。

＃未來可期，少年強則國強“糧盾”團隊的成員，性格迥異，有人比較急躁，有人愛鉆牛角尖，有人在技術上不斷追求完美，有人做事非常冷靜，在相互磨合中，他們一步步將項目帶上更大的舞臺，交出了一張張閃亮的成績單。 在學術領域，“糧盾”項目團隊共申請和獲得專利9篇，發(fā)表了高水平論文8篇。 他們還帶著“糧盾”項目多次參與各種學科競賽，在第六屆中國國際“互聯(lián)網(wǎng)+”大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽中，他們更是一路闖進總決賽，與全球頂尖名校學生同臺競技，奪得了創(chuàng)意組高教主賽道銀獎。

“糧盾”團隊的腳步并未就此停下，未來計劃借助華為云平臺的AI市場，端云協(xié)同多模態(tài)AI開發(fā)應用平臺Hilens等開展全方位的服務。 大學生是推動社會飛速發(fā)展的主力，為培養(yǎng)更多數(shù)字時代的優(yōu)秀人才，華為聯(lián)手教育部，在高校建設“智能基座”產(chǎn)教融合協(xié)同育人基地，現(xiàn)已在北京大學、清華大學、復旦大學、上海交通大學、西安交通大學、哈爾濱工業(yè)大學等72所高校，把鯤鵬、昇騰系列課程融入計算機專業(yè)、軟件工程專業(yè)、人工智能專業(yè)、電子信息專業(yè)進行首批試點。

為此，華為還聯(lián)合出版社、各高校學科帶頭人，面向高校師生及開發(fā)者陸續(xù)推出鯤鵬、昇騰系列學習教材和教輔資料。未來，“智能基座”項目將全面推廣，覆蓋更多高校，真正實現(xiàn)產(chǎn)、學、研的全面協(xié)同。 相信在華為的加持下，優(yōu)秀的尖端人才，在面對社會問題時，更能像“糧盾”一樣，一如既往地堅守初心。

“我們親眼見到糧食從儲備、運輸?shù)秸嬲尨蠹页陨巷?，這個過程是多么艱難，需要投入多少人力物力財力。袁隆平爺爺這么大年紀，仍為‘一粒糧食可以拯救一個國家’的使命而努力工作，未來，我們同樣會繼續(xù)在糧食行業(yè)深耕，從糧食儲藏和運輸?shù)沫h(huán)節(jié)，幫助中國提升糧食安全的保障能力，為糧食行業(yè)的智能化轉(zhuǎn)型貢獻一份力量，為我國的節(jié)糧減損建設無形的良田！”

責任編輯：xj

原文標題：代碼如何“殺”蟲？

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