吴子丹：粮食储藏生态系统的仿真技术应用研究进展-凯发k8旗舰厅

吴子丹 赵会义 曹阳 李福君 魏雷

自1965年raper和fennel提出粮食储藏生态系统概念以来，各国粮食科技人员逐步开展了相关研究。我国对粮食储藏生态系统的研究起步于上世纪70年代，李隆术等基于e.haeckel提出的“生态学”和a.g.tansely提出的“生态系统”总结了我国粮食生态系统和粮堆生态系统的特点和研究方法，自此我国储粮生态系统的研究进入蓬勃发展阶段。

我国储粮生态系统的研究多采用实测—还原—建模—调控的模式，首先进行基础理论参数和生态因子的小尺度影响规律的研究，进而建立单因子的模型，最后通过真实体系验证进行示范推广。这种研究模式具有一定的局限性:

(1)储粮系统复杂，影响因子多且因子间存在交互影响，因此真实体系试验开展困难，试验的代表性无法得到保障。

(2)自1998年我国开始建设现代化国家储备粮库以来，我国粮食储备具有仓容大、粮堆高和储藏周期长等特点，原有的小尺度、短周期的研究结果无法适用于大尺度、长周期的系统。

仿真是基于模型的活动，是用模型模拟来代替真实系统进行实验和研究的技术。进入21世纪以来，随着计算机技术、网络技术等先进信息技术在粮食行业推广应用，以信息技术为支撑的模拟仿真技术逐步成为连接小尺度和大尺度粮食储藏生态系统研究桥梁，同时构建出可在短时间内对长周期储藏变化进行观察或预见的窗口。

本文从粮食储藏生态系统的特性和系统结构出发，归纳仿真技术的应用研究进展，并展望该技术在粮食行业的应用前景。

1 粮食储藏生态系统的系统结构和特性

基于结构划分方式，粮食储藏生态系统包含了粮堆生态子系统和环境生态子系统，由于存在粮堆围护结构，子系统间的相互作用具有迟滞性。从影响粮食储藏生态系统状态的因子属性划分，粮食储藏生态系统包括非生物子系统和生物子系统，两个子系统间没有明显的结构界限，它们共同影响系统的稳定性，如图1。因此，粮食储藏生态系统具有以下特征:

(1)粮食是高能量生命体，储藏期间逐步老化、甚至劣变，并易受虫霉侵害，储存保质保鲜难度大;

(2)环境因素对储粮安全影响显著，并且具有区域特征;

(3)粮仓围护结构半封闭性，决定了环境因素对粮堆的影响特性和程度;

(4)生物与非生物因素共同影响粮堆生态系统的稳定性。

(5)粮堆具有各向异性特征，受到外界因素和内在因素的影响，稳定状态和非稳状态逐步演替。

图1 储粮生态系统结构

2 环境生态子系统仿真研究进展

环境生态子系统，是指粮堆和围护结构以外的空间，以及直接或者间接影响粮堆稳定的外部条件总和。影响粮堆稳定性的条件包括环境的温湿度、气候、水分以及环境中的生物等因子，这些因子会通过粮仓的围护结构影响到储粮的安全。对于环境生态子系统的研究，多是依据气象、地理、有害生物分布等各方面资料，进行区域特征分析，进而划分储粮生态区域，实施不同的储藏策略。

1984年王宜春将我国划分为“三北高寒区、西北高原区、华北平原区、长江流域区、华南湿热区”;王明洁从影响粮食安全储藏的气候条件及我国粮食的耕作制度入手，将我国划分为7个储粮区域;周全申发表了中国区域气候对仓储粮堆温差的影响;曹阳等基于两维图论聚类分析提出了中国储粮三区域划分。宋伟、靳祖训等在“十五”国家科技攻关《粮食储藏及检测关键技术研究与设备》研究成果的基础上，进一步明确了以≥10℃的积温和≥15℃的积温作为主要指标，将我国划分为7个储粮生态区域模式，如图2。

图2 我国储粮生态区域划分示意图

通过对我国粮食储藏生态环境子系统的研究，我国粮食科技工作者提出了不同区域的储藏技术实施策略。相关的科技成果编入《粮油储藏技术规范》(ls/t 1211)。

3 粮堆生态子系统仿真研究进展

粮堆生态子系统包含了由粮食颗粒按照围护结构边界限定区域聚集成的粮堆和围护结构内与粮堆交互作用的生物因子(例如储粮害虫、微生物)和非生物因子(例如温度、湿度、气流等)。粮堆生态子系统一般处于两类状态:一类是非人工干预作用下的稳态、非稳态和临界状态，另一类是人工干预作用下的调控状态(通风、干燥、气调、熏蒸等)。

仿真技术在粮堆生态子系统中的应用，即是通过建立模型，对粮堆子系统进行数值化描述，研究在不同的推动力下，粮堆子系统在不同状态间的演替，进而对不同初始边界条件下的粮堆状态衍生规律进行分析归纳，指导大尺度、长周期的粮堆安全控制。利用仿真技术首先要对不同尺度下的粮堆特征进行研究，解决小尺度研究和大尺度间的差异性，然后引入介质流场和生物场，研究不同因子的作用规律，最后将各因子交互作用耦合，形成指向大尺度实际体系的模拟方法和数值解法(图3)。

图3 粮堆生态子系统仿真研究结构示意图

仿真技术及其相关研究在粮堆生态子系统中的应用，目前多集中在非人工干预下的粮堆非生物场的计算机模拟、储粮机械通风的仿真研究、储粮害虫的检测与预控仿真研究和储粮微生物生长模型与预控仿真研究等几个领域。

3.1 非人工干预下的粮堆非生物场的计算机模拟与工程应用模型

非人工干预作用下，外界热量通过粮仓壁面、顶部与粮食发生热交换，边界壁面处的粮食受外界气温影响显著，粮堆中部受到的影响较小，造成仓房内粮食温度分布不均。在秋冬季节，冷空气沿着仓房内墙壁下降，驱动热空气在仓房中间上升，易形成仓房顶部和仓壁结露，造成“结顶”、“贴壁”等霉变现象。在春夏季节，气流方向恰好相反，粮堆中易出现局部热量和水分的积聚，是诱发粮食霉变、发热和虫害的直接原因，继而全面影响仓储粮堆的质量稳定(如图4所示)。

图4 非人工干预下的粮堆因子交互作用示意图

对于非人工干预下的粮堆非生物场的计算机模拟，多是基于三传理论和多孔介质模型，采用计算流体力学(computational fluid dynamics，cfd)技术对粮堆的温度场进行模拟，而对于粮堆内部温湿度耦合以及介质流场的研究还处于起步阶段。

门艳忠忽略了仓储粮堆的多孔特性而将其简化为均匀固体，理想化了粮堆内水分均匀分布，获得粮堆温度场的粗略分布。王雪等采用cfd技术模拟了加入内热源静态下粮堆温度场变化规律。彭威等采用cfd方法，利用fluent软件模拟了小尺度模拟粮仓(3吨)的温度场分布随时间变化过程。模拟结果表明当壁面温度保持在30℃时，受到对流传热影响，粮堆温度逐渐升高，靠近壁面的粮堆温度升高速率高于粮堆内部，低粮温区域逐渐向内退缩。

李琼、张忠杰等利用cfd方法，研究了不同地区仓储粮堆静态储藏时的温度场分布状态及随储藏时间的变化过程。模拟结果表明外界环境通过壁面边界对粮堆内部温度产生的影响在粮仓宽度方向上大于长度方向起着主要的作用。

采用cfd模拟技术虽然可以模拟不同尺度的粮堆温度场变化，但是由于受到模型的基础参数和算法理论研究进展的限制，还未达到工程化实用程度。张前等在总结高大平房仓温度变化规律的基础上，提出了多阶幂函数的经验模型。李铁盘等利用对各测点温度七天内的变化数据进行多元回归，再利用回归模型对该点未来三天的温度进行预测，吴子丹等依据粮堆温度变化，提出基于正弦函数的工程应用模型，并提出基于粮堆最高温度阈值、粮堆温度变化阈值和粮堆温度变化差阈值为核心、带有自学习功能的粮堆粮情预测预警系统。

3.2 人工干预作用下(机械通风)粮堆非生物场的仿真研究

机械通风是最为常用的粮堆子系统人工干预方式。对储粮机械通风技术的仿真研究主要集中在基础参数、风道优化、通风系统阻力计算、通风过程温湿度场和流场的模拟等领域。

在基础理论和参数研究方面，吴子丹提出粮食平衡水分的cae模型和机械通风窗口理论，用于指导机械通风控制。李兴军等测定了我国主要粮种的水分吸附、解吸数据，比较了国内外平衡水分模型，证明了cae模型更强实用性如图5、图6。国家粮食局科学研究院开展了主要粮种的热物理参数研究，初步提出了小麦等品种的比热、导热系数和热扩散系数等的测量和计算方法。

图5 小麦水分吸附解吸曲线

图6 基于cae模型的窗口理论示意图

在通风管道优化领域，王本龙、胡天群等建立了平房仓地下通风槽的二维简化模型，应用rng湍流模型对平房仓地下通风槽中的流体运动进行了数值模拟，模拟了不同结构形式对流体流动性能的影响，并对通风管道进行了优化。研究结构表明采用优化方案与优化前相比，减少了60.59%压差损失和50.55%压差损失。

在通风系统阻力分布规律领域，国家粮食局科学研究院开展了风机管网特性研究以及横向通风阻力特性研究。研究结果表明:风机管网特性与风道布局、风机型号、风道尺寸无关;水平横向通风阻力小于垂直通风阻力，均匀性优于垂直通风。

对通风过程温湿度场和流场的模拟领域的研究目前集中在单场作用规律，对机械通风过程中的三场(介质流场、温度场和湿度水分场)分离特性和耦合特性研究较少。

图7 小尺度粮堆通风控制迟滞模拟结果

李琼等模拟了平房仓为36m×30m的机械通风24h内稻谷粮堆的温度场变化，研究结果表明:对仓储粮堆机械通风过程进行物理数学建模并使用标准的k－ε湍流模型和多孔介质模型进行温度场的数值模拟与实际过程是相吻合的。张忠杰等模拟建立了仓储粮堆机械通风过程中内部压力场分布的计算流体动力学(cfd)模型，并进行了不同通风风量条件下开环流熏蒸口和开人孔时的数值模拟计算，结果表明仓储粮堆机械通风过程cfd模型能够真实反映机械通风过程中粮堆内部压力场的分布情况。白忠全、郭振宇、王远成等初步开展了大型粮仓中非均匀气流分布的数值模拟、玉米降温通风温度模拟及分析以及就仓干燥粮食温度和水分的实验模拟对比等研究，初步对通风过程中的介质流场和温湿度耦合作用进行了模拟研究，研究结果表明与实际体系符合度较好。刘景云、周慧玲、周晓光等建立了小尺度通风控制研究平台，提出储粮机械通风过程集中参数模型预测控制方法和储粮机械通风过程分布参数模型预测控制方法，并且实测和模拟了小尺度下通风控制过程的迟滞现象。

3.3 粮堆子系统生物场仿真研究进展

粮堆子系统的生物场主要包括了储粮害虫和微生物。对生物场的仿真研究目前还处于初级阶段，主要集中在检测技术、预测模型等方面。

3.3.1 储粮害虫的检测与预控仿真研究进展

粮堆内害虫的检测技术一般采用探管诱捕器、食物引诱剂、信息素探管诱捕器以及电子检测系统等方法。姚海峰、曹阳等近年来开发了新型的仓外害虫检测技术和装备，并利用图像技术进行害虫数量计算，实现了全仓快速害虫检测。

周龙、张红涛、邱道尹等基于图像识别技术，运用边缘检测算法、模拟退火算法和遗传算法以及神经网络法开展了害虫识别技术的研究。研究结果表明害虫识别率达到95%以上。张朝洁、曹阳等开展了基于高光谱成像技术的害虫识别技术研究，取得了初步成效(图8)。

图8 基于图像识别技术和高光谱技术的米象和玉米象识别方法

在检测基础上，利用模型进行害虫预测，可以有效地对储粮害虫生长进行判断，进而采取控制策略。

dn/dt=rm×n(k－n)/k

其中:k为环境容量，k=30粒/g=30000粒/kg(以43.5g/1000粒计算)

n初始害虫密度(头/kg)，仓外自动记录害虫数量:rm为内禀增长率;dn/dt为单位时间内害虫增长的数量。

王殿轩等利用ett模型预测不同初始虫口密度的玉米象造成损失，结果如图9所示。研究结果表明在密闭的储粮环境中，二氧化碳浓度变化可在一定程度上反映储粮害虫的发生状态，如图10。

图9 不同初始虫口密度的玉米象造成损失的预测

图10 20℃和25℃小麦感染不同密度玉米象后二氧化碳浓度随时间的变化

3.3.2 储粮微生物生长模型与预控仿真研究进展

唐芳、程树峰等研究了小麦、稻谷、大豆和玉米在不同温度和水分条件下的霉菌最初生长曲线，用于判定不同储藏条件下的霉菌发生。同时还开发了孢子计数法代替平板法用于储粮真菌危害的早期检测，并建立了四级危害判别临界值，用于评价真菌危害程度如图11、表1。

图11 储藏水分、温度与霉菌最初生长时间的关系

表1 四级危害判别临界值

蔡静平、梁微、唐芳等分别对小麦和稻谷储藏危害真菌生长与co₂浓度的相关性进行了研究，研究结果表明储藏过程中危害真菌的生长与co₂浓度具有良好的相关性，如图12。

图12 小麦储藏真菌生长与水分、湿度和二氧化碳的关系图

以上有害生物在特定条件下发生、生长规律研究成果和模型的建立，对研究粮堆生态场环境下各个部位有害生物危害过程的仿真提供了基础条件。

4 仿真技术在粮食储藏生态系统研究的应用展望

粮食储藏生态系统的研究主要集中在单因素或者单一场的作用规律方面，对于多因素或多场间相互耦合对粮堆稳定性的影响还处于起步阶段。受到检测技术和大尺度试验的复杂性制约，仿真技术将在粮食储藏生态领域发挥更加重要的作用。可以预期仿真技术在粮食储藏生态系统研究中可以应用到以下几个方面:

1.利用仿真技术对影响粮食储藏生态系统的生物场和非生物场中的独立变量进行深入研究，建立各变量稳态和非稳态模型，进而建立工程化应用的简化预测与控制模型，并优化对各个单因子场的调控策略;

2.采用多场耦合理论，对生物场和非生物场耦合作用进行仿真，进而形成多参数目标控制的粮食储藏生态调控系统。