CN101907481B - 基于压力传感器的粮仓储粮数量检测方法 - Google Patents

基于压力传感器的粮仓储粮数量检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及基于压力传感器的粮仓储粮数量检测方法，属于检测技术领域；本发明的检测方法根据不同类型压力传感器的布置方式，利用压力传感器输出值计算粮仓底面和侧面的压力值，并根据建立的模型进行粮仓储粮数量的计算；本发明的检测方法测量精度高、实用性强、检测成本低，可以满足在线实时检测全国粮库储粮数量与分布的实际需求，为实时准确地掌握我国国家粮食储粮数量提供技术手段，为保障我国粮食安全服务。

Description

基于压力传感器的粮仓储粮数量检测方法
技术领域
本发明涉及一种粮库储粮数量与分布的检测方法，尤其是一种采用压力传感器实现实时在线检测粮库储粮数量的基于压力传感器的粮仓储粮数量检测方法，属于检测技术领域。
背景技术
粮食是国家的三大战略资源之一，关系国计民生。保持相对充裕的粮食生产能力，维持一定数量、品种和品质粮食的储备，直接关系国家安全、社会稳定与经济发展，粮食安全包括数量上供应保证，即数量安全的问题，还有随环境污染与消费水平提高而日益重要的质量安全问题。维持一定数量、品种和品质粮食的储备，是保证国家粮食安全必不可少的措施，确保粮食品质安全和粮食数量安全是贯穿我国粮食工作始终的生命线，始终是中国政府关心的头等大事。
粮仓储粮数量的在线监测是确保粮食数量安全的关键手段，以保证国家粮食数量的准确性和真实性。目前我国的粮食年产量已达5亿吨左右，其中稻谷年产量达1.8亿吨，玉米年产量达1.4亿吨，小麦年产量达1亿吨，据统计，我国目前共有各类粮库27000余家，其中国有大中型粮库2000余家。为了实时准确地掌握我国国家粮食储备数量，为我国政府处理国际、国内问题和制定政策提供重要数据支持，长期以来，国家每年都要进行的清仓查库，这种粮仓储粮数量监测方式，不仅花费了大量的人力、物力，耗资巨大，每年都要数亿元资金，且很难保证国家粮食储备数量检测的准确性和实时性。因此国家粮食储藏数量在线监测问题一直是国家粮食主管部门亟待解决的重要问题，迫切需要开发方便、快捷、准确地在线及网络化国家粮食储藏数量监测技术，研制相应的监测系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种检测速度快、准确性高的基于压力传感器的粮仓储粮数量检测方法。
为实现上述目的，本发明基于压力传感器的粮仓储粮数量检测方法步骤如下：
（1）选定压力传感器、确定储存粮食的种类和粮仓仓型；
（2）在粮仓的底面和侧面分别布设压力传感器；
（3）确定模型系数                                                ，若是有与所选压力传感器、粮食种类、粮仓仓型相同标定好的模型系数则直接采用，若是没有则需根据公式对该种类型检测模型进行标定，求得模型系数
Figure 269131DEST_PATH_IMAGE001
；
（4）根据粮仓底面压力传感器的输出值
Figure 980735DEST_PATH_IMAGE003
计算粮仓底面的平均压强
Figure 377081DEST_PATH_IMAGE004
，其中为粮堆底面传感器，
Figure 99367DEST_PATH_IMAGE003
为
Figure 755607DEST_PATH_IMAGE006
传感器的输出值，
Figure 740881DEST_PATH_IMAGE007
，测量并求得粮仓底面面积，并根据公式
Figure 581798DEST_PATH_IMAGE008
得出粮仓底面的压力估计值，其中，
Figure 361721DEST_PATH_IMAGE010
为粮仓底面面积；
（5）根据粮仓侧面压力传感器的输出值计算出每行压力传感器的平均值
Figure 201501DEST_PATH_IMAGE011
，再由侧面传感器的行间距h和粮仓底面的周长，求出侧面压力估计值；
（6）根据粮仓重量计算模型
Figure 769382DEST_PATH_IMAGE002
，测得相应的数据，计算得出粮仓储粮重量
Figure 463669DEST_PATH_IMAGE014
，其中
Figure 646389DEST_PATH_IMAGE015
为模型系数，、
Figure 86914DEST_PATH_IMAGE016
分别为粮仓底面、侧面压力估计值。
进一步的，所述步骤（1）中粮仓仓型包括底面为矩形的平房仓、底面为圆形的浅圆仓和深圆仓。
进一步的，所述步骤（2）中底面压力传感器依粮仓地面积的大小设为8-12个，侧面压力传感器依粮仓装粮高度设为4-10个。
进一步的，所述步骤（2）中压力传感器的布设方式为：平房仓底面传感器距粮仓墙壁大于2米，按两行布设，各行压力传感器均匀分布，行距为1.5米；浅圆仓和深圆仓的底面传感器距粮仓墙壁大于2米，压力传感器沿两相互垂直的直径方向均匀分布，间距为1.5米；各仓型侧面压力传感器依装粮高度沿上下均匀分布，行间距大于1.5米，列间距大于1.5米，顶部压力传感器距粮堆顶部大于1米。
进一步的，所述步骤（3）中检测系统的标定首先选定若干个相同压力传感器、粮食种类和粮仓仓型相同的粮仓，对于每个粮仓，安装压力传感器，然后逐步进粮并摊平，则可以计算出一组粮仓粮食重量W，粮仓底面的压力估计值
Figure 303218DEST_PATH_IMAGE009
以及侧面估计压力值
Figure 922418DEST_PATH_IMAGE016
的实验数据，可表示为数据元组
Figure 189452DEST_PATH_IMAGE017
。
进一步的，所述步骤（3）中还进一步估算通风设备的体积和粮食的比重，根据此比重计算通风设备所占空间的粮食重量
Figure 794877DEST_PATH_IMAGE018
，并将样本数据集数据修正为
Figure 198176DEST_PATH_IMAGE019
，利用所有粮仓的样本数据，通过多元线形回归，则可确定检测系统的系数。
进一步的，所述步骤（6）中粮仓重量计算模型进一步修正为，其中
Figure 135411DEST_PATH_IMAGE021
为粮仓通风设备所占空间的粮食重量。
本发明的基于压力传感器的粮仓储粮数量检测方法，针对粮仓压力分布的随机性特点，利用具有一定数量和一定分布的压力传感器，根据压力传感器的压强检测值的平均值计算粮仓储粮数量，保证了粮仓储粮数量的可检测性以检测方法的简便性和准确性；并且综合考虑粮仓粮食出入库的实际情况，给出了压力传感器的布置方式，给出了基于压力传感器粮仓底面、侧面压力平均值的粮仓储粮数量的计算模型，使得本发明的检测方法测量精度高、实用性强、检测成本低，可以满足在线实时检测全国粮库储粮数量与分布的实际需求，为实时准确地掌握我国国家粮食储粮数量提供技术手段，为保障我国粮食安全服务。
附图说明
图1是粮堆受力情况示意图；
图2是本发明实施例的平房仓底面传感器布置示意图；
图3是本发明实施例的圆形仓底面传感器的布置示意图；
图4是本发明实施例的粮仓侧面传感器的布置示意图；
图5是本发明实施例的流程图。
具体实施方式
国家粮食储藏数量检测系统的核心在于如何方便、快捷、准确地获取粮库中各粮仓中储粮数量，并有效检测储粮数量的变化。由于粮食价格便宜、数量大等特点，因此要求储粮数量的检测设备成本低、价格便宜，检测速度快、准确性高等。基于这些要求，本发明提出的基于压力传感器的粮仓储粮数量检测方法，为实时准确地掌握我国国家粮食储备数量提供技术手段，为粮食管理部门的管理和科学决策服务。
 目前比较常用的粮仓有平房仓、浅圆仓、深圆仓等，具有不同形状和不同的大小。粮食入仓后，粮堆的形状为不同尺寸的规则立方体，大致上可分为长方体和圆柱体等。根据粮堆和粮仓内表面压力关系，可以将粮堆的受力情况简化为图1所示。
基于粮堆受力关系，可以得出
                                                  （1）
其中，
Figure 619799DEST_PATH_IMAGE023
为粮堆重量；
Figure 595845DEST_PATH_IMAGE024
为粮堆底面压力；
Figure 543073DEST_PATH_IMAGE025
为粮堆侧面摩擦力。粮堆底面压力
Figure 186544DEST_PATH_IMAGE026
的计算公式为
Figure 52868DEST_PATH_IMAGE027
                      （2）
其中，
Figure 781790DEST_PATH_IMAGE028
为粮堆底面；为粮堆底面中的压强分布。粮堆侧面摩擦力
Figure 51600DEST_PATH_IMAGE025
的计算公式为
Figure 267818DEST_PATH_IMAGE031
                     （3）
其中，
Figure 150323DEST_PATH_IMAGE032
为粮堆底面；
Figure 909332DEST_PATH_IMAGE033
为粮堆侧面
Figure 851880DEST_PATH_IMAGE034
中的压强分布；
Figure 820973DEST_PATH_IMAGE035
为粮堆与粮仓侧面的摩擦系数。从而有
                          
Figure 897382DEST_PATH_IMAGE036
              （4）
从上式可以看出，粮堆重量检测的关键在于获得粮仓底面与侧面压强分布以及粮堆和粮仓侧面的摩擦系数。从理论上讲，粮仓底面与侧面压强分布应具有一定的规律性，由于侧面摩擦力的作用，越接近侧面，底面的压强会变小，从粮堆底面到粮堆顶面，侧面压强会逐渐变小。但由于粮食流动性的有限性、粮食入仓方式以及粮堆与压力传感器接触应力的影响，从而粮仓底面与侧面压强分布具有明显随机性，这为粮仓储粮数量检测造成了困难。因此，粮仓储粮数量检测的关键问题在于如何解决粮仓底面与侧面压力分布的随机性。
针对粮仓底面与侧面压强分布具有明显随机性的问题，本发明提出了根据压力传感器的压力检测值的平均值计算粮仓储粮数量的思想，从而保证了粮仓储粮数量的可检测性以及检测方法的简便性与准确性。基于这种思想，综合考虑粮仓粮食出入库的实际情况，提出了压力传感器的布置模型与压力传感器的布置方法。提出了基于压力传感器粮仓地面、侧面压力平均值的粮仓储粮数量的计算模型与系统标定方法。具体发明内容如下： 
（1）压力传感器布置模型
由于粮食价格便宜、数量大等特点，要求储粮数量的检测设备成本低、价格便宜，且检测速度快、准确性高等。基于这种要求，同时考虑储粮数量的检测误差为3% 以下的一般要求，根据实验结果，依粮仓底面积的大小，底面压力传感器数为8-12个为妥。依粮仓装粮高度，侧面压力传感器数为4-10个为妥。
平房仓底面传感器的布置可采用图2所示两行布置方式。图中，实线框为粮仓地面形状示意图，实圆为压力传感器示意图，传感器距墙距离d1、d2、d3应大于2米， 行距d4为1.5米左右，各行压力传感器均匀分布,间距d5应大于1.5米。
浅圆仓、深圆仓的底面传感器布置可采用图3所示方式，传感器距墙距离d6应大于2米，压力传感器沿两相互垂直的直径方向均匀分布，间距d7应大于1.5米。
平房仓以及浅圆仓、深圆仓的侧面压力传感器布置可采用图4所示方式，压力传感器按分左右两列多行布置，列间距d8应大于1.5米，各行依装粮高度沿上下均匀分布，行间距h应大于1.5米，且顶部压力传感器
Figure 369952DEST_PATH_IMAGE037
、
Figure 217822DEST_PATH_IMAGE038
距粮堆顶部应大于1米。
（2）粮仓储粮数量的计算模型
根据上面的压力传感器布置，对底面所有压力传感器的压强输出值求平均，则粮仓底面的平均压强为
Figure 674212DEST_PATH_IMAGE039
                    （5）
其中，为粮堆底面传感器，
Figure 632120DEST_PATH_IMAGE003
为
Figure 916471DEST_PATH_IMAGE040
传感器的输出值，
Figure 860156DEST_PATH_IMAGE007
。粮仓底面的压力估计值为
Figure 622576DEST_PATH_IMAGE041
                        （6）
其中，为粮仓底面面积，对于底面为长方形的粮仓，
Figure 915203DEST_PATH_IMAGE042
，其中
Figure 346184DEST_PATH_IMAGE043
分别为粮仓底面的长和宽。对于圆形仓，，其中为圆形底面的半径。
     侧面压力估计值采用逐层平均计算法。如图4所示，假设侧面传感器的行间距为
Figure 512221DEST_PATH_IMAGE046
。对于两列布置的每层两个侧面压力传感器，可计算出每层压力传感器的平均值。例如，对于图3-4所示的两列4行的8个压力传感器，第层有两个传感器
Figure 815529DEST_PATH_IMAGE049
、
Figure 143742DEST_PATH_IMAGE050
，则该层压力传感器的平均值
Figure 752578DEST_PATH_IMAGE051
为
Figure 926070DEST_PATH_IMAGE052
。因此，每层的侧面平均摩擦力估计值为
Figure 343276DEST_PATH_IMAGE053
                   （7）
其中，
Figure 311232DEST_PATH_IMAGE012
为粮仓底面面积的周长，对于底面为长方形的粮仓，
Figure 938523DEST_PATH_IMAGE054
，对于圆形仓，
Figure 384547DEST_PATH_IMAGE055
，其中
Figure 171107DEST_PATH_IMAGE056
为圆形仓底面的直径。因此，侧面摩擦力估计值为
Figure 309964DEST_PATH_IMAGE057
                 （8）
对于（8）式，令
Figure 893392DEST_PATH_IMAGE013
                   （9）
为侧面压力估计值，则有
                         （10）
由（4）式、（6）式、（10）式和实际试验结果，得出本发明的粮仓重量计算模型为
Figure 66065DEST_PATH_IMAGE002
                   （11）
其中， 
Figure 375823DEST_PATH_IMAGE001
为模型系数，与粮仓存储粮食种类、压力传感器类型等特性有关，可通过下节所提出的系统标定方法确定。
此外，对于粮仓储量高度小于3-4米的粮仓，可不考虑侧面压力的影响，此时（11）式可简化为
Figure 977706DEST_PATH_IMAGE059
                       （12）
（3）系统标定方法
对于（11）式和（12）式中的系数
Figure 31112DEST_PATH_IMAGE001
，可通过如下系统标定方法确定。
对于不同厂家的不同传感器、不同的粮食种类以及不同的仓型以及不同的粮仓底面积与侧面积比例，需要分别标定。对于给定的传感器、粮食种类以及具体的仓型，可通过如下方法标定。
选择若干个设有相同压力传感器、储存相同种类的粮食，相同仓型的粮仓，对于每个粮仓，安装压力传感器，然后逐步进粮并摊平，则可以获得一组粮仓粮食重量、粮仓底面的压力估计值
Figure 7345DEST_PATH_IMAGE061
以及侧面估计压力值
Figure 299786DEST_PATH_IMAGE062
的实验数据，可表示为数据元组
Figure 688042DEST_PATH_IMAGE063
，具体计算公式见式（6）和式（9），从而构成（11）式和（12）式模型建模的样本数据集。
由于粮仓的粮堆中埋有通风等设备，为了保证所获得模型参数的通用性，在系统标定中，应估算通风等设备的体积和粮食的比重，根据此体积和粮食的比重，计算通风等设备所占空间的粮食重量
Figure 382328DEST_PATH_IMAGE021
，并将样本数据集数据修正为
Figure 440414DEST_PATH_IMAGE064
，利用所获得的样本数据，通过多元线形回归，则可确定（11）式和（12）式中的系数
Figure 485730DEST_PATH_IMAGE001
。
对于不同厂家的不同传感器、不同的粮食种类、不同的仓型以及不同的粮仓底面积与侧面积比例，对系统进行适用范围分类并标定，并建立系统参数表，以便于标定参数的重复使用。
本发明所提出的基于压力传感器的粮仓储粮数量检测方法实施例的流程图如图5所示，具体步骤如下：
（1）选定具体厂家的压力传感器，确定储存粮食的种类和粮仓的类型。
（2）针对不同仓型，根据图2-图4，安装压力传感器，粮堆底面压力传感器数为8-12个，侧面压力传感器数为4-10个。平房仓底面传感器的布置采用图2所示方式，传感器距墙距离d1、d2、d3应大于2米， 行距d4为1.5米左右，各行压力传感器均匀分布,间距d5应大于1.5米。浅圆仓、深圆仓传感器的底面传感器布置采用图3所示方式，传感器距墙距离d6应大于2米，压力传感器沿两相互垂直的直径方向均匀分布，间距d7应大于1.5米。平房仓以及浅圆仓、深圆仓的侧面压力传感器布置采用图4所示，压力传感器按分左右两列多行布置，列间距d8应大于1.5米，各行依装粮高度沿上下均匀分布，行间距h应大于1.5米，且顶部压力传感器
Figure 412098DEST_PATH_IMAGE065
、
Figure 960891DEST_PATH_IMAGE066
距粮堆顶部应大于1米。
（3）如果对于给定的传感器、粮食种类以及粮仓仓型，若是有标定好的模型系数则直接采用，若没有标定好的模型系数，则选择若干个粮仓，对于每个粮仓，采用逐步进粮并摊平，获得一组粮仓粮食重量、粮仓底面的压力估计值
Figure 971758DEST_PATH_IMAGE067
以及侧面估计压力值
Figure 905079DEST_PATH_IMAGE068
的实验数据
Figure 105117DEST_PATH_IMAGE063
，具体计算方法见式（6）和式（9）。估算通风等设备的体积和粮食的比重，根据此体积和粮食的比重，计算通风等设备所占空间的粮食重量
Figure 364060DEST_PATH_IMAGE021
，并将实验数据修正为
Figure 446285DEST_PATH_IMAGE064
，利用获得粮仓的实验数据，通过多元线形回归，确定（11）式和（12）式中的系数
Figure 980035DEST_PATH_IMAGE001
。
对于不同厂家的不同传感器、不同的粮食种类、不同的仓型以及根据粮仓的粮堆底面积与侧面积比例，对系统进行适用范围分类并标定，并建立系统参数表，以便于标定参数的重复使用。
（4）根据粮仓底面压力传感器的输出值
Figure 503420DEST_PATH_IMAGE003
计算粮仓底面的平均压强
Figure 74210DEST_PATH_IMAGE069
，其中
Figure 315835DEST_PATH_IMAGE005
为粮堆底面传感器，
Figure 387696DEST_PATH_IMAGE003
为
Figure 765588DEST_PATH_IMAGE070
传感器的输出值，
Figure 22126DEST_PATH_IMAGE007
，测量并求得粮仓底面面积，并根据公式
Figure 485468DEST_PATH_IMAGE008
得出粮仓底面的压力估计值，其中，
Figure 858998DEST_PATH_IMAGE010
为粮仓底面面积。
（5）根据粮仓侧面压力传感器的输出值计算出每行压力传感器的平均值
Figure 771590DEST_PATH_IMAGE011
，再由侧面传感器的行间距h和粮仓底面的周长
Figure 987808DEST_PATH_IMAGE012
，求出侧面压力估计值
Figure 870313DEST_PATH_IMAGE013
。
（6）根据测得的通风等设备的体积和粮食的比重，计算通风等设备所占空间的粮食重量
Figure 753956DEST_PATH_IMAGE021
，并利用下式
Figure 430925DEST_PATH_IMAGE071
                  （13）
所示模型进行粮仓储粮数量的计算。

Claims (7)

1.一种粮仓储粮数量检测方法，其特征在于，该方法步骤如下：
（1）选定压力传感器、确定储存粮食的种类和粮仓仓型；
（2）在粮仓的底面和侧面分别布设压力传感器；
（3）确定模型系数                                                
Figure 847758DEST_PATH_IMAGE001
，若是有与所选压力传感器、粮食种类、粮仓仓型相同标定好的模型系数
Figure 149426DEST_PATH_IMAGE001
则直接采用，若是没有则需根据公式
Figure 775580DEST_PATH_IMAGE002
对该种类型检测模型进行标定，求得模型系数；
（4）根据粮仓底面压力传感器的输出值
Figure 329238DEST_PATH_IMAGE003
计算粮仓底面的平均压强，其中
Figure 344784DEST_PATH_IMAGE005
为粮堆底面传感器，
Figure 517402DEST_PATH_IMAGE003
为传感器的输出值，
Figure 435996DEST_PATH_IMAGE006
，测量并求得粮仓底面面积，并根据公式得出粮仓底面的压力估计值
Figure 562401DEST_PATH_IMAGE008
，其中，
Figure 336322DEST_PATH_IMAGE009
为粮仓底面面积；
（5）根据粮仓侧面压力传感器的输出值计算出每行压力传感器的平均值
Figure 201510DEST_PATH_IMAGE010
，再由侧面传感器的行间距h和粮仓底面的周长
Figure 340367DEST_PATH_IMAGE011
，求出侧面压力估计值
Figure 986112DEST_PATH_IMAGE012
；
（6）根据粮仓重量计算模型
Figure 501407DEST_PATH_IMAGE002
，测得相应的数据，计算得出粮仓储粮重量W，其中
Figure 784883DEST_PATH_IMAGE001
为模型系数，
Figure 94642DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure 165366DEST_PATH_IMAGE013
分别为粮仓底面、侧面压力估计值。
2.根据权利要求1所述的粮仓储粮数量检测方法，其特征在于：所述步骤（1）中粮仓仓型包括底面为矩形的平房仓、底面为圆形的浅圆仓和深圆仓。
3.根据权利要求2所述的粮仓储粮数量检测方法，其特征在于：所述步骤（2）中底面压力传感器依粮仓地面积的大小设为8-12个，侧面压力传感器依粮仓装粮高度设为4-10个。
4.根据权利要求3所述的粮仓储粮数量检测方法，其特征在于，所述步骤（2）中压力传感器的布设方式为：平房仓底面传感器距粮仓墙壁大于2米，按两行布设，各行压力传感器均匀分布，行距为1.5米；浅圆仓和深圆仓的底面传感器距粮仓墙壁大于2米，压力传感器沿两相互垂直的直径方向均匀分布，间距为1.5米；各仓型侧面压力传感器依装粮高度沿上下均匀分布，行间距大于1.5米，列间距大于1.5米，顶部压力传感器距粮堆顶部大于1米。
5.根据权利要求4所述的粮仓储粮数量检测方法，其特征在于：所述步骤（3）中检测模型的标定首先选定若干个相同压力传感器、粮食种类和粮仓仓型相同的粮仓，对于每个粮仓，安装压力传感器，然后逐步进粮并摊平，则可以计算出一组粮仓粮食重量W，粮仓底面的压力估计值
Figure 281090DEST_PATH_IMAGE008
以及侧面估计压力值
Figure 120870DEST_PATH_IMAGE013
的实验数据，可表示为数据元组
Figure 601529DEST_PATH_IMAGE014
。
6.根据权利要求5所述的粮仓储粮数量检测方法，其特征在于：所述步骤（3）中还进一步估算通风设备的体积和粮食的比重，根据此比重计算通风设备所占空间的粮食重量
Figure 221867DEST_PATH_IMAGE015
，并将数据元组数据修正为
Figure 813385DEST_PATH_IMAGE016
，利用所有粮仓的样本数据，通过多元线形回归，则可确定检测模型的系数
Figure 569988DEST_PATH_IMAGE001
。
7.根据权利要求6所述的粮仓储粮数量检测方法，其特征在于：所述步骤（6）中粮仓重量计算模型进一步修正为
Figure 487129DEST_PATH_IMAGE017
，其中
Figure 266866DEST_PATH_IMAGE018
为粮仓通风设备所占空间的粮食重量。
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