(河南工業(yè)大學(xué) 河南 鄭州 450000)

我國是一個農(nóng)業(yè)大國，糧食問題關(guān)乎基本民生，2017年國家密集出臺多項文件，推進糧食行業(yè)信息化工程，提出用信息化這一關(guān)鍵手段加大糧食行業(yè)企業(yè)科技含量促進糧食企業(yè)轉(zhuǎn)型升級。保障儲量質(zhì)量與糧庫作業(yè)安全離不開高效可靠的糧情檢測與管控。在當(dāng)前時代背景下，虛擬現(xiàn)實(VR)作為更先進的信息化、數(shù)字化技術(shù)，成為糧庫建設(shè)與科技融合的重要入口。VR表現(xiàn)出的沉浸感、交互性和想象性特征，能成為幫助糧庫管理人員迅速探索與理解糧情數(shù)據(jù)做出決策管控行為的新切入點。

一、倉儲糧情智能化監(jiān)管是糧食行業(yè)信息化的必經(jīng)之路

早在2011年，中儲糧就提出了早期倉儲管理工作的智能化目標，在二到三年內(nèi)，以分公司為基本單位，逐步實現(xiàn)倉房通風(fēng)、烘干、氣調(diào)作業(yè)的智能化。智能化糧庫建設(shè)以“降低勞動強度、降低損失損耗、降低管理成本，提升管理水平、提升經(jīng)濟效益、提升發(fā)展質(zhì)量”為宗旨，基于現(xiàn)代科技與信息技術(shù)，改善儲糧環(huán)境、保證數(shù)量質(zhì)量、便捷數(shù)據(jù)采集與共享、提高數(shù)據(jù)利用效率，為保障勞動者生命健康安全、國家財產(chǎn)安全提供技術(shù)支持與理論依據(jù)。

現(xiàn)階段糧庫智能化建設(shè)已有較明確的意義，簡而言之，主要是利用了智能傳感技術(shù)、通訊技術(shù)、計算機技術(shù)、射頻識別技術(shù)、自動控制技術(shù)和專家決策系統(tǒng)等，在糧食日常倉儲管理、糧食購銷等方面進行應(yīng)用，提升糧油倉儲業(yè)務(wù)自動化、信息化和智能化管理水平。①

糧情監(jiān)控系統(tǒng)作為糧庫智能化建設(shè)中的重要組成部分，對儲糧品控與糧庫作業(yè)安全有著巨大的影響。糧情監(jiān)控系統(tǒng)中，通過將溫度、濕度及特種氣體傳感器探頭設(shè)置在糧庫糧垛內(nèi)，通過有線或無線數(shù)據(jù)傳輸，能夠及時獲得儲糧安全方面的各項數(shù)據(jù)，并利用計算機網(wǎng)絡(luò)進行分析與處理。得到相關(guān)分析數(shù)據(jù)、圖表及圖像后，向責(zé)任管理員匯報，便于其全面了解儲糧狀況，加大對儲糧溫度、濕度和蟲害霉變等的監(jiān)控力度，加強風(fēng)險預(yù)警防控工作，這樣才有更多反應(yīng)與處理的時間，最大限度減小儲糧安全問題造成的損失。傳統(tǒng)被動、粗放的倉儲管理模式，如眼觀、手摸和牙咬等，已經(jīng)顯得過于落后，現(xiàn)在要采取糧情監(jiān)控技術(shù)，這樣可以全面掌握儲糧過程中出現(xiàn)的各種變化，實現(xiàn)了倉儲效率與精準度的提升，避免出現(xiàn)儲糧風(fēng)險，減少損失，保證糧食儲存的安全性。此外，通過采取糧情監(jiān)控技術(shù)，可以保證智能熏蒸、智能氣調(diào)及智能通風(fēng)等系統(tǒng)順利運行。

2017年中儲糧已經(jīng)完成了所有中央直屬糧庫智能化管理的建設(shè)，通過數(shù)百萬的傳感器，對其管轄下糧庫儲糧情況的實時觀測與數(shù)據(jù)共享，建成了世界范圍內(nèi)規(guī)模最大糧食物聯(lián)網(wǎng)。截至2019年7月，中儲糧智能化糧庫系統(tǒng)已覆蓋全系統(tǒng)900多個庫點。通過傳感設(shè)備與傳輸設(shè)備對溫度、濕度等糧情數(shù)據(jù)的采集，計算機配合科學(xué)的算法對數(shù)據(jù)進行分析與預(yù)警，完成對每棟倉房的實施遠程糧情監(jiān)管。決策的過程就是信息處理的過程，精準高效的糧情管控決策需要以真實可靠的數(shù)據(jù)信息為依據(jù)，糧庫管理的智能化就是糧情信息監(jiān)管的智能化，也是糧食行業(yè)信息化的必經(jīng)之路。

二、糧情遠程管控與無人化倉儲概念是實現(xiàn)糧庫智能管控的階段性目的

智能化糧庫為終能實現(xiàn)“降低勞動強度、降低損失損耗、降低管理成本，提升管理水平、提升經(jīng)濟效益、提升發(fā)展質(zhì)量”的建設(shè)宗旨，依靠遠程管控實現(xiàn)無人化倉儲是重要的發(fā)展方向與階段性目標。無人倉儲技術(shù)在糧庫幾乎沒有應(yīng)用，而在發(fā)展更為迅速的電商行業(yè)應(yīng)用更為早也更為成熟。

賓夕法尼亞大學(xué)工程碩士Frank(2016)提出電商無人倉庫，依靠機械代替人力來完成倉儲流程中的卸貨、存貨、提貨等各項工作大幅度降低勞動強度提高管理水平。在國內(nèi)人力成本的提高在無形中加重了企業(yè)的倉儲成本，為了提高倉儲效率，降低倉儲成本，不少企業(yè)在無人智能化方面下足了功夫。其中最具代表性的就是京東的無人倉庫。京東的首個無人倉庫也是全球首個全流程無人貨倉坐落在上海市嘉定區(qū)的倉儲樓群，通過智能管控系統(tǒng)、分揀機器人、機械手、全自動打包系統(tǒng)等協(xié)同作用。實現(xiàn)了可同時存儲商品6萬箱的成果。

關(guān)于無人化倉儲的研究也是當(dāng)前的理論研究熱點，RFID(電子標簽)、無線射頻等技術(shù)的發(fā)展給無人倉儲提供了強大的助力，蘇磊(2018)綜合運用RFID編碼、關(guān)鍵流程、各系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交互、用于多線程通信的阻塞并發(fā)容器等技術(shù)開發(fā)了無人倉儲信息系統(tǒng)，解決了現(xiàn)代倉儲中自動盤點、擺放管理等問題。相比較電商倉儲，倉儲糧情所需關(guān)注的信息并不是依靠電子標簽就能完成的，儲糧數(shù)據(jù)規(guī)模大、維度多、變化快、關(guān)系復(fù)雜等特點使得倉儲糧情的監(jiān)管很難脫離人工參與。關(guān)于無人糧庫的研究在國內(nèi)非常少，針對倉儲糧情維度多變化快的特點天津大學(xué)王子琪(2016)深入分析了糧庫內(nèi)溫度、濕度、氣體濃度等數(shù)據(jù)對儲糧質(zhì)量的影響及管控作業(yè)的要求，在糧情遠程監(jiān)測的技術(shù)基礎(chǔ)上采用層次化、模塊化思想完成了基于模糊控制理論的糧情監(jiān)管系統(tǒng)的搭建。②相比較模糊控制理論，另一種觀點是借由人工參與完成現(xiàn)階段智能仍無法完成的監(jiān)管任務(wù)，祁應(yīng)梅(2017)在關(guān)于糧庫信息化管控的研究中，特別針對糧情監(jiān)管中糧情數(shù)據(jù)不全面，儲糧狀態(tài)無法準確識別的問題，引入人工參與，提出了基于人因工程學(xué)的信息目標、功能補充、操作流程等一系列界面與功能優(yōu)化。③

為實現(xiàn)節(jié)首所提智能化糧庫的目的，參照電商行業(yè)倉儲的發(fā)展趨勢，無人化倉儲將成為未來倉儲發(fā)展的主流。而糧庫與儲糧的獨特性使其難以脫離人工的參與，借由傳感技術(shù)、無線傳輸技術(shù)、成像技術(shù)的遠程糧情管控為無人化糧庫提供了可能性，這也將成為糧庫智能管控的新的發(fā)展方向與階段性目的。

三、虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于糧情監(jiān)管的優(yōu)勢

為保障糧工生產(chǎn)安全、降低勞動強度，倉儲糧庫迫切需要智能化甚至是無人化，而糧情監(jiān)管的特殊性又使得人工的參與不可或缺，所以糧情遠程管控就成為了實現(xiàn)智能管控的優(yōu)選路徑。王藝錦,張元等早在2010年對數(shù)字糧庫的展望中就提到了可視化與虛擬現(xiàn)實(VR)技術(shù)使我們可以在三維世界中與具有形體的信息進行互動，把人與機器的力量以一種自然的方式加以統(tǒng)一，從而提高生產(chǎn)效率。④VR技術(shù)所表現(xiàn)出沉浸性、交互性、構(gòu)想性⑤與數(shù)據(jù)可視化具有良好視覺可適性，并為可視化提供了新的可能性。

(一)模擬真實場景與沉浸體驗提高糧情監(jiān)管效率與體驗

相比較傳統(tǒng)的2D與桌面3D的糧情監(jiān)管可視化界面，虛擬現(xiàn)實技術(shù)來展示糧情有著巨大的優(yōu)勢。VR技術(shù)與HDM設(shè)備通過計算機生成的三維虛擬環(huán)境為用戶帶來封閉式感官沉浸從而營造心流狀態(tài)提高數(shù)據(jù)檢測效率。陳亞霖(2013)年淺析了其中部分優(yōu)勢，虛擬現(xiàn)實靠3D模型來傳遞信息，由于Z軸的出現(xiàn)極大的提高了呈現(xiàn)信息的維度；同時三維圖形的立體感和光影效果高于二維圖形，極大提高軟件視覺效果。除此之外，遠程糧情監(jiān)管一個很重要的問題就是如何快速的將信息圖表與庫中糧情迅速聯(lián)系在一起，因此數(shù)據(jù)呈現(xiàn)的真實感與臨場感就變得十分重要，虛擬現(xiàn)實技術(shù)為觀察者提供封閉式的沉浸體驗，還原糧庫的三維數(shù)據(jù)模型又能形象地展現(xiàn)糧庫的每一個角落，在這樣的環(huán)境中觀察者仿佛置身于糧庫之前甚至糧堆之中，得以將眼前的數(shù)據(jù)迅速與糧情產(chǎn)生對應(yīng)，從而提高人們的工作效率。

(二)自然交互助力構(gòu)建信息思維實現(xiàn)糧情精準管控

倉儲糧情不僅在物理維度上有巨大的體量，還包括有溫度、濕度、水分、氣密、蟲害等多項需要測量與測算的數(shù)據(jù)。要精準而多角度地完成糧情管控，傳統(tǒng)2D或靜態(tài)3D的監(jiān)管模式需要經(jīng)由復(fù)雜的操作來完成且角度有很大局限性。VR通過物化信息的方式實現(xiàn)自然交互性，幫助人通過觀察數(shù)據(jù)關(guān)系理解事物的本質(zhì)，建立信息思維。依靠HDM設(shè)備與手持設(shè)備自由變換角度，快速實現(xiàn)從宏觀到微觀的觀察，甚至可以進入糧堆內(nèi)部精確觀察部分糧情細節(jié)，為更為準確的管控決策提供保障，進一步實現(xiàn)糧情智能化管控。

(三)低認知阻力增益構(gòu)想性實現(xiàn)糧情推算預(yù)測

除數(shù)據(jù)維度與體量之外，倉儲糧情的數(shù)據(jù)關(guān)系相較其他類別倉儲信息更為復(fù)雜而多變，這也使得糧情數(shù)據(jù)挖掘更為困難。要通過挖掘如此大體量高緯度的數(shù)據(jù)從而發(fā)現(xiàn)深層次數(shù)據(jù)規(guī)律，完成相應(yīng)的推算與預(yù)測，進一步迭代優(yōu)化糧情管控的時效性與可靠性，就需要對數(shù)據(jù)的檢索、選擇、語義的縮放、關(guān)聯(lián)等交互行為更加流暢。VR的構(gòu)想性通過仿真景象與自然交互降低認知阻力，提高人們認知、處理、分析復(fù)雜數(shù)據(jù)的能力和效率?？蓪o形的數(shù)據(jù)化為看得見摸得著的形體，使觀察者可以運用與生俱來的能力與方式來分析處理數(shù)據(jù)，在提高數(shù)據(jù)挖掘效率實現(xiàn)數(shù)據(jù)預(yù)測的同時創(chuàng)造新的可能性。

四、虛擬現(xiàn)實應(yīng)用于智能化糧情監(jiān)管的局限性及展望

虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展至今已經(jīng)應(yīng)用到許多領(lǐng)域，而在信息可視化尤其是糧情監(jiān)管領(lǐng)域卻少有關(guān)注。不僅因為糧食行業(yè)本身沒有走在信息化智能化的前沿，虛擬現(xiàn)實技術(shù)本身作為糧情監(jiān)管信息可視化的載體也存在著一些局限性，隨著技術(shù)的發(fā)展與研究的推進這些局限性將會有所改善，卻是我們現(xiàn)在不得不面對的。

(一)用戶對傳統(tǒng)信息交互模式的依賴

在各種局限中，最重要的一點是人們對傳統(tǒng)信息交互模式的依賴以及對陌生行為的抵觸限制了虛擬現(xiàn)實信息可視化的推廣。人們最早從紙張中獲取信息，由平面中的文字與符號對應(yīng)自身符號空間知識與記憶再還原出真實的模型，所以信息交互一度是要經(jīng)過培訓(xùn)的，直到信息圖表的出現(xiàn)打開了可視化大門，運用更加通用的符號以求讓所有人都能看得懂。這種抽象符號與信息轉(zhuǎn)化的交互模式根深蒂固以至于當(dāng)信息以更加自然的方式出現(xiàn)在我們眼前時很難接受。同時也有部分研究認為虛擬現(xiàn)實沉浸式的體驗不適用于可視化與數(shù)據(jù)挖掘這樣高精度的操作，這在前文中探討過，感官沉浸配合自然交互可提升對數(shù)據(jù)觀察活動的主控感從而營造心流集中注意力從而提高效率。為迎合用戶對傳統(tǒng)信息交互模式的依賴，引導(dǎo)其接受并適應(yīng)新的信息交互模式，目前的糧情監(jiān)管系統(tǒng)設(shè)計需一定程度上延用傳統(tǒng)的信息交互模式，并在核心功能部分發(fā)揮虛擬現(xiàn)實優(yōu)點采用數(shù)據(jù)全景與自然交互。同時，通過界面友好與信息優(yōu)化的設(shè)計理念，為用戶打造一個過渡的信息交互體驗。

(二)自然交互對操作精度的限制

更加自然的交互方式往往意味著犧牲了交互操作的部分精度。這是在交互發(fā)展歷程中不可避免地，比如，觸控交互方式之所以還沒有代替鼠標鍵盤就是因為在像素級別的精密操作中鼠標還是有絕對優(yōu)勢的。VR設(shè)備中常用的手柄在做此類精密操作時更顯得無力。應(yīng)對此類問題，最直接的方法就是借由人機工程學(xué)的相關(guān)原理，對信息進行更加規(guī)范的設(shè)計，將UI元素視覺尺度設(shè)計為可以被更有效地識別和操作，必要的時候借助磁性追蹤等輔助操作方法，降低操作難度。視覺設(shè)計的方法雖然有效但并不治本，優(yōu)化交互體驗需要從更頂層的高度出發(fā)那就是用戶需求，參照梁又照(2009)的使用情境導(dǎo)向設(shè)計方法，通過對用戶使用情境的了解、觀察和預(yù)想還原情境，分析其中每一步驟的訴求并得出哪些交互操作是必不可少的，哪些是可以簡化甚至由計算機完成的，對糧情監(jiān)管作業(yè)流程進行行為設(shè)計。

(三)復(fù)雜信息輸入能力較低

VR難以實現(xiàn)對復(fù)雜信息的輸入，如漢字檢索等。在VR糧情監(jiān)管交互界面設(shè)計中，原則上盡量用選擇操作代替輸入，針對無法避免的輸入也要做到盡量簡化。比如在糧溫數(shù)據(jù)模型中需要刷選特定區(qū)域的數(shù)據(jù)來進行深鉆和縮放，比較方便的做法是將模型按需求切塊并從中選取目標范圍，如果真的需要自定義刷選某個區(qū)域則可用到信息簡化法，根據(jù)格式塔原理簡化原則，圓心可以簡化為兩個信息圓心和半徑，方形只需確定兩個點就能確定位置與尺寸，貝塞爾線條僅需錨點和抓手就能確定任意形態(tài)的曲線，借由類似方法便可以在空間中用盡量簡便的操作進行自定義框選，滿足不同層次的信息交互需求。

(四)人工操作主觀性對糧情監(jiān)管的影響

在完成經(jīng)由人工參與的無人化糧庫階段目標后，提高糧情監(jiān)管效率同時保障糧情信息準確安全，實現(xiàn)更高效的溝通與管理機制就成為之后智能化糧庫的發(fā)展方向，一定程度地去中心化管理將是重要手段。比如，糧庫數(shù)據(jù)的一部分測算值所需借助的參數(shù)具有一定地方性，用中心化的權(quán)威數(shù)值進行測算往往是不科學(xué)的，通過去中心化，在一定程度上弱化寡頭權(quán)威，保留地方糧情數(shù)據(jù)個性，保障糧情數(shù)據(jù)的準確性。由前文所說智能化糧情監(jiān)管暫時離不開人工，在必要的人工參與情況下，引入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)，實現(xiàn)信息采集、處理與傳遞效率地公開透明，同時完成信息加密，有效規(guī)避觀察者主觀行為對監(jiān)管結(jié)果的影響，保障糧情數(shù)據(jù)地真實可靠與安全。信息監(jiān)管的“去中心化”，同時也可助力糧庫管理的“扁平化”，實現(xiàn)低層級數(shù)的穿透式管理，提高溝通效率。

此外，關(guān)于當(dāng)前的虛擬現(xiàn)實HDM設(shè)備體驗不佳以至長時間使用引起是不是的反應(yīng)也不在少數(shù)，而且虛擬現(xiàn)實設(shè)備配合能完成圖形渲染的計算機價格昂貴不宜廣泛普及。這些問題將隨著設(shè)備的輕量化、高清化、廉價化以及新交互設(shè)備、新優(yōu)化模式的研發(fā)而逐步解決。

小結(jié)

2020年是“十三五”規(guī)劃的收官之年，作為重點工程的糧食行業(yè)信息化的重要工作之一就是提升安全監(jiān)測質(zhì)量預(yù)警能力。⑥虛擬現(xiàn)實技術(shù)所表現(xiàn)的沉浸性、構(gòu)想性、交互性特點為實現(xiàn)經(jīng)由人工參與的糧情數(shù)據(jù)遠程智能化監(jiān)管這一階段性目標提供了方向與動力，其所表現(xiàn)的局限性則需要運用各跨域?qū)W科的方法解決。虛擬現(xiàn)實技術(shù)并非一種需求而是一種趨勢，其背后是人對拓展認知能力的更原始的需要，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行糧情信息監(jiān)管拓寬了虛擬現(xiàn)實的應(yīng)用領(lǐng)域也優(yōu)化了糧情監(jiān)管作業(yè)的效率與體驗。

【注釋】

①淺析智能化糧庫的建設(shè)與應(yīng)用現(xiàn)狀.張家德;王福彬;張強;王乃東;莫菊;張力學(xué).《食品安全導(dǎo)刊》.2017-10-25.

②王子琪.無人值守糧食倉儲監(jiān)控管理系統(tǒng)[D].天津大學(xué),2017.

③祁應(yīng)梅.糧庫信息化管控系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用[D].浙江大學(xué),2017.

④王藝錦,張元,廉飛宇,付麥霞,余章明.數(shù)字糧庫的展望[J].電子質(zhì)量,2010(12):44-46.

⑤趙沁平.什么是“虛擬現(xiàn)實+”?[N].中華讀書報,2016-03-30(017).

⑥國家糧食與物資儲備局(原國家糧食局)糧食行業(yè)信息化“十三五”發(fā)展規(guī)劃.2016-12-30(20-21).