臧传真,等:粮食流通动态跟踪关键技术研究 技术与方法 粮食流通动态跟踪关键技术研究 臧传真。李其均 (航天信息股份有限公司 数字技术研究院,北京 100195) 【摘要】指出粮食宏观是保证粮食安全的重要措施。及时、全面、准确的粮食流通信息是粮食宏观的重要依据。在分 析粮食流通跟踪技术现状及存在的问题的基础上,详细分析研究了粮食流通动态跟踪关键技术、设备和应用系统,并且给出建设 粮食流通跟踪系统的相关建议。 【关键词】粮食安全;粮食宏观;粮食流通;射频识别技术 【中图分类号】F762.1;TP391.4 【文献标识码】A 【文章编号】10o5—152x(2o09)02—0109—04 Research on Key Tedchnologies of Grain Circulation Dynamic Tracing ZANG Chuan-zhen,LI Qi-jun (The Academy ofAisino Corperation,Beijing 100195,China) Abstract:Onthebasis ofanalyzingthecurrent situationandproblems ofgrain circulationtracingtechnlogies,thepaperdiscussesthekey technlogies.equipmentandapplicationsofgrain circulationdynamictracingandproposeshowtobuildupgrain circulationtracingsystem. Keywords:grin security;macro control ofgrain market;grain cicrulation;RFID 1 引言 2.1粮食流通跟踪技术现状 粮食宏观是保障国家与区域粮食安全的重要手段。 世界主要发达国家粮食市场化程度和规模化生产程度 2007年以来全球粮价强势上涨,2008年初我国南方地区发生 高,先进信息技术在粮食流通领域得到广泛应用。在加拿大、 50年不遇的雪灾,2008年5月份四川汶川发生里氏8.0级特 美国、澳大利亚等国,粮食流通体系建立多年,从生产到流通 大地震,在这样的背景下,我国的粮价没有出现剧烈波动,粮 环节,都体现了现代信息技术的应用,包括条码技术、射频识 食宏观发挥了重要作用。 别技术、地理信息系统、全球定位导航系统、网络通讯技术等。 自上世纪8O年代中期以后,我国粮食自给能力大大加 (1)粮食流通自动识别技术。粮食流通自动识别技术主要 强,粮食供需进入周期性波动状态;随着粮食流通的改 包含条形码、Ic卡、射频识别(RFID)等技术,用来及时、自动、 革,粮食市场参与主体日趋多元化。在全球能源紧张的局势 准确采集粮食流通各个环节的数据。 下,以粮食为原料的生物能源发展迅猛。西方发达国家基于国 在粮食流通射频识别技术应用方面,美国有两项专利技 际政治诉求,在全球进行粮食产业链布局,试图控制发展中国 术[2-3]设计制造了特殊的散粮电子标签,在粮食收割时通过专 家的粮食产业;中国相对稳定的粮食市场成为他们觊觎的目 用的标签投入设备,将这些RFID电子标签与粮食混合,电子 标。再加上区域性自然灾害和突发性事件,使得加强对国内粮 标签记录粮食源头信息,跟随散粮一起流通,跟踪从粮食收 食市场的宏观,确保国家粮食安全和市场稳定,成为当前 割、仓储、加工直到成品粮配送的所有物流环节,记录粮食运 一项尤为紧迫而重要的任务_11。 输整个过程的信息,这些信息可以为消费者购买食品提供重 粮食宏观必须以全面、及时、准确的信息为基础,其 要的参考。即使在美国,该技术也没有大规模的应用推广。针 中,粮食流通信息是重要的决策依据之一。粮食流通是指粮食 对中国粮食生产的小农作业方式,不同等级的粮食可能混合 从生产、收购、销售、储存、运输、加工到消费整个流通过程中 在一起,机械化作业程度较低,因此该技术很难在中国得到应 的粮食实体活动。然而由于种种原因,我国目前对于粮食流通 用推广。 信息的采集手段落后、渠道单一、效率低下,而且采集精度不 国内在粮食流通行业使用自动识别技术也具备一定的基 高、可靠性低,难以保障国家粮食宏观的信息需求。 础。在粮食收购环节,中储粮江西万年粮库引进了基于条形码 的粮食仓储信息系统,实现粮库作业动态管理,保证储粮数据 2 粮食流通跟踪技术现状与存在的问题 的真实性、唯一性和实时性。但是由于条形码读取操作效率比 较低,环境适应性较差,系统的推广受到了一定的。吉林 【收稿日期12008—10—31 【基金项目】国家科技支撑计划重点项目“粮食流通追踪技术设备与应用示范”(2008BADA8B03) 【作者简介】臧传真(1977一),男,山东胶南人,航天信息股份有限公司数字技术研究院RFID工程师,清华大学自动化系博士,研究方向:企业 信息系统、企业建模、工作流、RFID。 ‘ 一1O9_ 技术与方法 燃料乙醇公司使用RFID技术管理玉米的收购环节,结合自动 物流技术2009年第28卷第2期(总第197期) 理手段、技术手段和行政执法来间接保证粮仓储粮数量的准 确性,但是这些方法都存在一定的局限性。 在管理手段方面,我国的很多粮库,特别是地方粮库还采 用人工方法进行出入库作业管理。粮食出入库数据首先填写 在各种单据上,然后由人工处理;或者将数据输入到计算机中 进行处理。这种事后统计方式会造成数据输入错误,故意瞒报 等现象,造成数据不准确,不能实时反应粮库的业务情况。 扦样设备,堵住玉米收购过程中存在的管理漏洞。在粮食仓储 环节,上海外高桥国家粮食储备库采用了基于RFID的无线粮 情监控系统,通过无线方式采集传输粮情数据,大大降低了系 统部署的复杂性。在粮食称重环节,一些国内外自动称重设备 厂商(济南金钟、梅特勒一托利多)提供了基于RFID的自动称 重系统,将车辆的称重结果直接写入车载的RFID电子标签, 同时保存到后台信息系统,避免人工操作出现的管理问题。 在运输工具标识方面,我国粮食运输主要是铁路运输、水 在技术手段方面,首先,自动称重设备没有与业务系统集 成。即使在设施比较先进的粮库中,在粮食入库环节,使用在 路运输和公路运输。在铁道部的规划部署下,我国火车车辆已 线流量计、轨道衡或者汽车衡等自动称重设备得到的粮食数 经安装RFID电子标签实现车辆的准确调度。但是机车车号电 子标签主要用来对机车车厢进行编组和调度,不能承载粮食 流通的相关信息。 (2)粮食流通监控技术。在粮食流通监控技术方面,河 南工业大学的甄彤设计了粮食物流系统中移动POS终端,采 集粮食物流环境中的货物条形码信息,对粮食物流信息和粮 库网点需求进行收集、整理和分析预测,监管粮食流通过程[41。 (3)粮食质量安全追溯。我国的《国家食品药品安全“十一 五”规划》首次将原粮卫生纳入到食品安全领域进行统一考 虑,明确指出:“建立原粮污染监控制度,开展原粮质量安全和 卫生监测,建设粮食质量安全和原粮卫生监测网络。”2008年 7月9日国家粮食局发布了《粮食质量追溯管理办法(初稿)》 提出在粮食收购、储存、销售等环节建立和规范粮食质量档 案,全面记录和保存粮食收购、采购、储存、销售等各环节质量 信息等具体要求,以实现粮食质量的可追溯。但是到目前为 止,还没有粮食流通安全追溯应用系统研究和建设。 (4)粮库信息集成。在“七五”到“十五”期间,粮食行业先 后组织完成了“粮食储藏安全保障关键技术研究开发与示 范”、“我国粮食储备安全生产关键技术研究”、“我国粮食储备 安全技术体系研究”、“粮食储藏及检测关键技术研究与设备 开发”等科研项目,为粮库信息化建设奠定了良好的基础。在3 期国债投资的粮库建设项目中,建立了一批粮库管理信息系 统。另外,粮情测控系统在粮库中得到广泛应用。国内的粮情 测温系统从电阻测温系统、微机粮温测控系统发展到网络化 粮温测控系统。国家粮食储备局1996年发布了《粮情电子检 测、分析、控制系统技术规程》,2002年5月又发布了《粮情测 控系统》行业标准,为粮情测控系统的广泛应用提供了标准保 障。 2I2粮食流通跟踪技术存在的问题 虽然我国的粮食流通信息化具备了一定的基础,但是目 前还没有完备的技术手段来及时、全面、准确地获取粮食仓 储、运输等环节的数据,具体包括如下几个方面。 (1)缺乏有效的技术手段实现粮库管理的“双确保”。 即《关于完善粮食流通改革措施的意见》提出的“加 强储备粮垂直管理体系建设,确保储备粮数量真实、 质量良好,确保在国家需要时调得动、用得上。” 对于粮食这种颗粒状物质,特别是立筒仓、浅圆仓存储的 粮食,理论上已经证 睬用底部直接称重的方法来获取粮食 的数量信息是不可行的。这也是目前国内外没有很好的技术 手段来准确获取粮食数量信息的原因之一。我国主要通过管 -110- 量大部分没有与信息系统集成,需要手工填写数量数据,增加 了数据出错和篡改的可能性。其次,使用数据自动采集手段的 粮库管理也存在一些不足。这些自动数据采集手段主要是条 形码和IC卡技术。条形码技术操作效率不高,需要手工扫描读 取数据,无形中降低了系统的效率;另外,条形码的环境适应 性不好,在脏污的环境下其读取率难以保证。基于IC卡的数据 采集方法没有实现粮食出入库不同环节的数据联通,数据是 分离的,存储在不同的环节,没有形成统一的业务过程。传统 的粮情测控系统在使用一段时间以后,特别是采取熏蒸以后, 仓内分线器和通讯电缆会受到腐蚀。 在行政执法方面,为了保证粮食数量和质量安全,国家对 储备粮实行粮食收购资格认定以及代储资格认定制度。 在管理手段方面,通过建立粮库的统计台帐保证粮库的实物 与账面一致,由于实际操作不规范,可能会出现粮食帐实不一 致的现象。为了保证粮库数量和质量的准确,国家每年都要花 费大量的经费来进行清仓查库,仅2001年国家为粮食清仓查 库,共抽调10个部门和单位的13万余人,对全国近6万个粮 食库点进行清查,花费上亿元。 (2)粮食流通没有实现全流程的跟踪与追溯。粮食是食品 的重要源头,原粮卫生安全和成品粮质量安全是食品安全的 根本保障。我国粮食流通过程中,没有形成完备的粮食供应链 管理 ,缺少粮食物流跟踪与安全追溯的技术手段、管理 机制和标准规范,不能记录粮食流通全过程的数据,包括在途 的位置、路径、状态(温度、湿度等)等信息,不能对这些信息进 行分析处理。当粮食及其制品发生质量问题时,无法快速、准 确地找到问题的根源,追查问题粮食的去向,实现正向和逆 向、外部和内部跟踪和追溯,不能真正实现粮食和食品安全。 3粮食流通动态跟踪关键技术 为了动态跟踪粮食流通过程,为国家粮食宏观提供 准确的依据,本文提出粮食流通动态跟踪的关键技术。如图1 所示。 首先通过射频识别技术(电子标签、电子封条等)、移动终 端设备采集粮食流通数据,然后将数据通过不同的网络传输 技术发送到粮食流通数据库中。在这些数据的基础上构建粮 食流通实时监控系统、粮食安全追溯系统以及粮库信息集成 系统。这些系统分析处理粮食流通数据,为国家粮食主管部门 提供宏观的依据,保证粮食安全。具体包括粮食流通动态 跟踪射频识别技术研究与设备研发、粮食流通动态跟踪终端 臧传真,等:粮食流通动态跟踪关键技术研究 设备关键技术研究、粮食流通实时监控与安全追溯技术研究、 粮库作业信息采集关键技术研究等。 ,一一一一一一一一一一…一…一一一一一一一、 技术与方法 器、多标签防碰撞算法和协议。研究带有加密算法的读写设备 设计。研究读写器模块化设计与制造技术;研究模块化的软件 设计,实现可裁剪的操作系统与硬件配置。开发不同运输工具 和设备专用的读写设备,包含固定式、手持式、车载式等。 (6)读写设备与粮食流通设备的集成。研究读写设备与粮 食流通设备的集成技术,包含数据通信方式、数据接口等。研 l :用户 I 粮食行政管理龋1 l 圆一…一一一一一一一一圆 警蒜嚣 一一一一一一一一一、 ,_…究读写设备与汽车衡、轨道衡的集成技术,称重结果自动写入 到电子标签,避免人工操作。研究读写设备与粮食收购快速检 测设备、非接触式储粮数量快速检测设备的集成技术,研究读 写设备与粮食流通装卸设备的集成,比如托盘、叉车、集装箱 黝, 圈圈圈 -j 』j 』j : }查塑J 【皇竺J  :二二二二二二二二二二二 二二二二二二二二二 鬻 1. 自掘轿 艄 l 一…一一 _=—===-====-==一==-==== 一一一 一一一一一1三二:三二三 量 一一 圈图圆 3.1粮食流通动态跟踪射频识别技术研究与设备研发 粮食流通动态跟踪射频识别技术主要包含:粮食物流环 境下的天线设计与制造技术、粮情检测传感器与电子标签的 集成封装技术、超高频读写器模块的开发、读写设备与粮食流 通设备的集成技术、区域粮食物流平台的RFID公共服务体 系、RFID的检测技术与规范。 (1)射频识别技术的频段选择和通信方式。研究粮食流通 不同环节中,不同品种大宗粮食环境下,射频识别技术的通信 频段选择,保证数据读写的可靠。在此基础上,研究射频识别 电子标签与读写设备的通信方式,包含调制方式、通信机制、 通信状态、数据帧结构等。 (2)RFID测试方法的研究。针对粮食流通跟踪的RFID标 签和设备,研究在无反射情况以及粮食仓储物流环境下,其技 术指标、可靠性和一致性指标的测试方法,建设相应的测试平 台,逐步建立一套测试技术规范及相对完整的测试标准体系, 以满足粮食行业的需求。 (3)粮食流通电子标签、电子封条。研究粮食出入库作业 电子标签,完成近距离和远距离的数据读写;研究粮食仓储环 境中,集成大宗粮食存储品质传感器的有源电子标签,研究电 子标签的工作模式,低功耗电路设计和通信协议;研究粮食不 同包装形式(散装汽车、集装袋、集装箱)专用电子标签,进行 专用天线设计和封装设计,能够在恶劣的流通环境中进行可 靠数据读写。研究粮食不同包装形式专用电子封条,实时自动 记录包装单元的开启信息,包含开启的位置、时间等信息,在 遭到外界恶意攻击的情况下,保证数据的可靠读取。 (4)有源电子标签与粮食传感器的集成。研究粮食仓储和 大宗粮食长途运输的有源电子标签与粮食品质传感器的集成 技术,包含传感器数据的过滤、存储和传输技术等。 (5)粮食流通读写设备。研究粮食流通读写设备的多读写 岸机 站台龙门吊等。 (7)研究粮食流通动态跟踪射频识别(RnD)技术标准。在 上述研究的基础上,通过示范应用,建立粮食流通动态跟踪射 频识别技术的标准,包括通信频率、通信方式、封装形式、安全 机制、与传感器集成、与其他流通设备集成等。建立粮食流通 射频识别(RFID)数据内容与编码格式的标准、性能与一致性 标准(测试标准)以及粮食流通行业应用标准。标准的制定遵 循兼容与开放的原则,既与国际标准兼容,又具有中国特色, 满足粮食行业的应用需求。 3.2粮食流通动态跟踪终端设备关键技术研究 研究基于移动终端设备的粮食流通监控与跟踪技术、粮 食信息采集技术、运输工具信息采集技术以及信息传输技术。 (1)系列化的多功能电子标签。研究系列化多功能电子标 签,具有温湿度传感器、GPS卫星定位、GSM/GPRS/CD— MA/WiFi等无线传输功能,可根据应用场景进行组合。 (2)研究车载终端设备。开展基于北斗卫星/GPS的OEM 板的车载终端的设备研制,研究基于北斗卫星系统双向短信 息通信功能、GSM/GPRS/CDMA/3G/WiFi等多通道无线数据传 输功能。集成电子标签读写设备。研究终端设备的模块集成技 术,可以使得不同的模块方便地集成到设备中,保持产品的先 进性,以及功能的不断升级。 (3)研究基于手机或PDA的RFID终端设备。研究基于 SD、USB接口的手机或PDA专用RFID读写模块,支持主流手 机操作系统。开发基于手机或PDA的粮食流通信息管理软件, 实现粮食流通实时信息的发送和指令接收功能,实现粮食流 通过程的实时监控。 3.3粮食流通实时监控与安全追溯技术研究 (1)粮食流通安全追溯管理控制方法。在现有食品安全控 制方法(iso 9000质量管理体系、良好操作规范GMP、卫生标 准操作程序SSOP、危害分析和关键控制点系统HACCP、信息 可追溯系统等)的基础上,以保证原粮卫生和成品粮质量安全 为主要目标,研究不同品种、不同包装形式、不同运输方式的 粮食流通安全追溯管理控制方法。构建粮食流通安全控制体 系、卫生管理体系和质量管理体系。 ①粮食流通追溯的关键点和关键因素分析。针对不同品 种、不同包装形式、不同运输方式粮食流通的特点,分析研究 不同环节影响粮食品质和安全的关键参数和指标;并且研究 这些指标、参数之间的相互依赖和因果关系。 ②粮食流通追溯单元研究与分析。研究追溯单元的活动 形式和变迁过程,进行不同环节、不同追溯单元信息的一致性 一11|一 技术与方法 研究。研究不同追溯单元的质量传递和依赖关系。研究基于追 溯单元的粮食流通系统优化方法。根据不同粮食环节、粮食品 种、包装形式、运输形式等,研究粮食流通追溯的形式,包含单 物流技术2009年第28卷第2期(总第197期) 供所需的流通信息;研究流通实时监控信息查询、实时信息定 向安全发布技术、跨平台信息处理技术,实现不同功能多平台 的粮食物流综合信息发布,并为电子数据交换、企业业务系 元追溯、按时间追溯、按批次追溯等。 ③粮食流通追溯单元的标识。研究粮食流通可追溯单元 的编码规则,对粮食运输不同方式的不同包装形式的身份标 识编码进行统一规划,制定粮食身份编码规则,包含粮食流通 不同环节的流通信息。 (2)骨干通道粮食跟踪数据库。分析研究粮食物流过程中 统、财务管理等系统、部门行业协会、电子商务系统提供 接口,为相关部门和业务系统提供决策依据。 3.4 粮库作业信息采集关键技术研究 在我国粮库现有相关设备与技术的发展水平基础上,应 用RFID、无线网络传输等数字化技术,开发无线粮情监控系 统、基于RFID的粮库作业信息采集系统以及粮库安防数据采 集系统,实现粮食的开票、质检、检斤、入库、粮情、保管以及出 的粮食基本信息、粮情实时监测信息、粮食运输设备的空间状 态信息、粮食运输地理信息及粮食物流责任信息等多层次、多 维度信息的数据存储方案,提供标准统一的数据接口,构建粮 食骨干通道数据库;研究满足粮食宏观的数据仓库 模型,建立适合粮食流通特点的数据仓库,实现粮食流通信息 的数据集成、数据清洗和数据统一,从而方便上层系统对其所 存储的流通信息进行全面深层次分析或挖掘,辅助宏观 决策。 (3)粮食空间物流仿真模型研究。利用粮食骨干数据库数 据,并收集整理粮食骨干通道粮食耕地利用、人FI和粮食消 费、粮食储存和加工数据、主要交通路线的运输成本、运输能 力数据,建立粮食空间物流仿真模型,对历史和实时物流信息 进行可视化显示,适时监控粮食流通数量和年度变动情况,为 宏观及区域应急响应提供决策支持;针对粮食物流批量 大、多点对多点等特点研究基于网络模型多目标的物流配送 路径规划快速高效实现算法,构建物流规划及调度模型,实现 物流配送路径快速准确规划和车辆调度指挥辅助决策。 (4)粮食流通信息实时监控技术。研究电子标签、 GPS/GIS/GPRS等物流信息设备和技术在粮食物流中的应用模 式及与运输设备、称量设备的集成技术,开发相应的业务管理 模块,建立可视化实时监控系统,将实时采集的粮食物流全过 程的动态信息如车辆实时信息、运输过程中粮情和品质信息、 车辆货物状态信息与基础业务静态信息如粮食物品信息、库 存信息、市场信息、管理信息等融入综合发布平台,实现物流 过程中信息实时采集、处理和自动发布,同时采用现代分析方 法,对粮食物流业务流程进行优化。 (5)粮食流通安全追溯技术研究。在全局优化企业资源的 基础上,以企业全局产品批次编号管理为主线,以集成多种传 感器功能的电子标签设备为主要信息采集工具,重点跟踪温 度、湿度、含水量等环境、品质信息,突破粮食流通环节的正向 与反向追溯、内部与外部追溯方法和粮食产品全局标识技术 等关键问题,建设粮食流通安全追溯系统,实现流通过程的信 息采集、跟踪、纠偏,通过应用示范为粮食流通过程中建立粮 食品质控制体系,有效抑制粮食品质劣化,延长保质期。 研究多角度追溯自适应方法,支持追溯信息的灵活定制, 根据不同追溯角度的要求自动形成不同的可追溯视图,使得 粮食追溯系统形成“一个追溯内核,多个追溯表现形式”,提高 系统的灵活性和健壮性。 (6)粮食物流综合信息发布系统。研究基于SMC(安全多 方计算)协议的流通信息共享与融合技术,既让粮食流通不同 环节的企业能够放心共享核心商业信息,又能在不泄漏核心 商业信息的基础上,为国家粮食宏观、其他物流参与方提 112- 库的全过程管理。 (1)无线粮情检测技术的研究。通过研究基于ZigBee技术 的无线自组网数据传输技术等,研究开发低功耗、低成本、具 有良好可扩展性的无线粮情传感节点,在此基础上研究无线 粮情传感网络拓扑自动生成、多通道信息采集、数据传输与通 讯、智能电源管理等,提高节点的可扩充性、通用性、可维护 性、实用性。 (2)基于RFID的粮库作业信息采集技术的研究。综合利 用RFID技术,集成RFID读写设备和自动称重设备,集成 RFID读写设备和品质检验设备,应用无线局域网技术,对进出 粮库的运粮车辆进行标识和登记,自动、准确、实时地采集粮 食从入库到出库的业务管理流动信息,建立粮库工作流程动 态管理信息系统,使RFID电子标签、计算机信息系统两种载 体中粮库作业信息和粮食实物相互验证,保证粮库储粮数量 和质量信息的准确性,提高粮库整体业务流程的工作效率和 工作质量。 (3)基于RFID的粮库安防信息采集技术的研究及设备开 发。利用RFID技术,研制开发粮库安防子系统,实现事前、事 中安防提示,及时督促安防措施的执行和检查安防措施的实 际落实情况。 4结论 粮食宏观是保证粮食安全的重要措施。及时、全面、 准确的粮食流通信息是粮食宏观的重要依据。本文分析 研究了粮食流通动态跟踪关键技术、设备和应用系统。随着这 些关键技术的突破、设备的研制以及应用系统的构建,国家就 能够及时全面地获得粮食流通的信息,使得粮食宏观达 到更好的效果,保证国家粮食安全。 (感谢《粮食流通追踪技术设备与应用示范》国家科技支 撑计划重点项目组的成员单位河南工业大学、北京农业信息 技术研究中心等提供的部分资料。) 【参考文献】 【1]聂振邦.加强粮食宏观确保国家粮食安全IJ1.求是,2008,(10): 26-28. 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