零距離

一粒米的特殊旅行

青年師生組隊用另一種方式打開“禾下乘涼夢”

在黑龍江，袁隆平先生的“禾下乘涼夢”，正在一群青年科技工作者的努力下，以智能制造的方式走進現(xiàn)實。

登錄控制系統(tǒng)軟件，輸入原料基礎(chǔ)信息及成品指標(biāo)要求后，經(jīng)過采集原料圖像信息等多項工序，很快一批含有胚芽的大米就會在一款特殊的米機中被生產(chǎn)出來……

這款特殊米機，由哈爾濱工程大學(xué)青年教師李冰攜手90后學(xué)生團隊設(shè)計并研發(fā)，其生產(chǎn)的大米與日常生活中見到的大米并不相同。因為含有胚芽，它的存在猶如為大米邊緣處的缺口戴上了“帽子”，讓米粒更為圓潤飽滿富有營養(yǎng)。

小胚芽含有大營養(yǎng)

長期以來，糧食加工減損都是全球各個國家關(guān)注的重要問題。2021年9月，我國倡議召開的國際糧食減損大會發(fā)布了《國際糧食減損大會濟南倡議》，其中提出減少糧食損失和浪費，已成為提高糧食安全的重要手段和緊迫的全球性命題。

事實上早在2014年，李冰團隊就針對糧食減損問題開始了項目籌備，將某基礎(chǔ)科研項目中的小目標(biāo)檢測關(guān)鍵技術(shù)，轉(zhuǎn)化應(yīng)用到水稻適度加工方向。

在前期調(diào)研時，團隊發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)水稻加工依靠米之間的硬性摩擦，在相互作用力的幫助下實現(xiàn)去皮碾白。這種方式加工出的精白米營養(yǎng)較少，剩下的淀粉主要提供熱量，人吃多了容易引起糖尿病等疾病，不利于人體健康。在加工過程中損失的胚芽富含營養(yǎng)成分，被視為“植物中的軟黃金”，其營養(yǎng)價值是大米胚乳部分的20倍。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，留有胚芽的大米相比精白米，僅維生素E的含量就高出210倍。

“目前全球水稻加工環(huán)節(jié)存在著巨大損失，其根源是研究原理的落后和技術(shù)的滯后。而落后的研究原理則會直接導(dǎo)致糧食損失及營養(yǎng)物質(zhì)的大量流失?！惫枮I工程大學(xué)2017級控制科學(xué)與工程專業(yè)博士李碩峰說。

2017年，哈爾濱工程北米科技有限公司應(yīng)運而生，李冰是該公司的創(chuàng)始人，李碩峰是聯(lián)合創(chuàng)始人，他們帶領(lǐng)團隊開始對活性留胚米智能加工系統(tǒng)進行研發(fā)。

“我們要做的就是在去除糙米皮層的同時，將胚芽最大完整度地留下?！崩畋f，直到2019年，他們才初步搭建起水稻適度加工生產(chǎn)線，這個過程整整花費了兩年時間。

讓每一粒米都能被“看見”

在研發(fā)活性留胚米智能加工系統(tǒng)的過程中，團隊提出通過視覺反饋、柔性碾磨等技術(shù)，形成一個完備的水稻適度加工解決方案。這個方案一旦落地，將實現(xiàn)水稻加工質(zhì)的突破。

在研究過程中，李冰和學(xué)生們遇到了難題：首先，大米的胚芽非常細小且十分相似，在檢測鏡頭下僅占幾十個像素，現(xiàn)有的檢測模型難以準(zhǔn)確分辨。其次，為了測試米機的系統(tǒng)穩(wěn)定性和適用性，團隊需要采購大量的不同種類的米。

“不同的米，形狀也不大相同，在實際加工中大米并不是平鋪的，摻雜在一起容易形成密集粘連，很難實現(xiàn)檢測提取。”李碩峰說。

他告訴中青報·中青網(wǎng)記者，要想最大限度地保留胚芽，必須先細致觀察原料圖像信息，才能根據(jù)品質(zhì)偏差實施動態(tài)調(diào)整。為此，團隊基于胚芽的特征，自主搭建了多種模型算法，在算法加持下，大米的視覺檢測準(zhǔn)確率達到97.2%，實現(xiàn)了單米粒的檢測提取，讓每一粒米都能被“看見”。

在此基礎(chǔ)上，團隊研究出個性化碾磨程序，將碾磨精度控制在50微米，做到“一米一參數(shù)”，從而為米機的優(yōu)化調(diào)整提供數(shù)據(jù)支撐。

大米進入設(shè)備后，要經(jīng)過3道680余次的分層柔性碾磨精細加工。相比傳統(tǒng)的加工方式，團隊采用的加工方式更為“柔和”。在加工前，團隊首先將米分層鋪開，進入機器后，特殊的米刀在對米摩擦的基礎(chǔ)上，其特殊的構(gòu)造將米“包裹”起來逐粒進行柔性摩擦，最大可能性地減少對胚芽的破壞。

“我們能將相當(dāng)于頭發(fā)絲三分之一厚度的纖維層精確剝離，使碾磨后的大米胚芽保存完整，依然保留胚芽活性。”團隊成員李佳帥介紹，在采集的圖像中，米粒晶瑩剔透，猶如一顆顆“珍珠”。由于其胚芽保存完整，依然保留胚芽活性，業(yè)內(nèi)人士稱之為“活米”。

經(jīng)檢測，團隊自主研發(fā)的加工系統(tǒng)能實現(xiàn)稻谷留胚率達95%，胚芽完整度大于95%，遠超日本留胚率80%的標(biāo)準(zhǔn)，達到國際先進水平，在其他條件不變的情況下，可實現(xiàn)水稻減損3%-5%。

“不要小看這個數(shù)字，2021年全國稻谷產(chǎn)量大約為4260億斤，技術(shù)的應(yīng)用，可以為全國的水稻每年在加工環(huán)節(jié)減少至少127.8億斤的損失?！崩畲T峰說。

據(jù)了解，李冰團隊“藏糧于技——水稻適度加工產(chǎn)業(yè)化助力國家糧食安全”項目的核心技術(shù)及設(shè)備生產(chǎn)均由團隊自主完成，實現(xiàn)了百分之百國產(chǎn)化。團隊成員圍繞關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)發(fā)表論文15篇，擁有授權(quán)專利70項，軟件著作權(quán)10項。同時，該項目在2020年第七屆中國“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽中獲得師生共創(chuàng)組金獎。

接棒“禾下乘涼夢”

“袁隆平先生有一個禾下乘涼夢，我們也有一個夢，希望通過技術(shù)攻關(guān)，為國家糧食安全保駕護航?！崩畲T峰說。

據(jù)他回憶，在項目開展之初，米機加工程序繁多，當(dāng)時的模型需要人工手動輸入指令，大大降低了檢測的效率。團隊嘗試了框架移植、建立動態(tài)鏈接庫、搭建通信接口等方式，使模型在米機的工控機上一鍵開啟自動檢測。在生產(chǎn)線搭成后，團隊開始測試程序算法、運行速度和穩(wěn)定性等，整個過程可謂“一步一坎”。

團隊成員李銘澤告訴中青報·中青網(wǎng)記者，項目在開展之初，曾因系統(tǒng)崩潰遭遇過機器停機。崩潰的程序、找不出錯處的混亂代碼、產(chǎn)品穩(wěn)定性差適配性弱等問題，一次次考驗著團隊的創(chuàng)新能力和耐心。

“有的小問題可能是某根需要串聯(lián)的線，一不小心連成了并聯(lián)，或者電壓不穩(wěn)等，需要我們逐個排查設(shè)備的每個節(jié)點、每行代碼，一根一根線地查，才能找到問題的根源。有些問題的修復(fù)可能需要一兩周?！崩钽憹烧f，對著數(shù)萬行代碼逐行調(diào)試，或簡化模型、或更換硬件，進行程序修復(fù)，成為他們工作的日常。

米機的體積很大，團隊成員調(diào)試時，需要將整個上半身都探到機器里面，機器運行的聲音高達八九十分貝，一天下來震得耳朵發(fā)疼。

功夫不負有心人。經(jīng)過持續(xù)不斷地測試、調(diào)節(jié)、修復(fù)、優(yōu)化，團隊成員逐漸實現(xiàn)了設(shè)備使用的基本穩(wěn)定性，但他們的目標(biāo)卻不止于此。

“我們的目標(biāo)是推動水稻加工產(chǎn)業(yè)發(fā)展升級，絕不能只做擺在實驗室里的花架子?！崩畋f。

在團隊成員的共同努力下，李冰所在的公司在2019年入選首批黑龍江省技術(shù)創(chuàng)新中心，獲批建設(shè)“黑龍江省工程北米水稻適度加工智能科技技術(shù)創(chuàng)新中心”。

2020年，黑龍江省農(nóng)科院相關(guān)負責(zé)人主動找到李冰，為了驗證設(shè)備是否“名副其實”，黑龍江省農(nóng)科院的專家拿來10余種米，現(xiàn)場檢測設(shè)備的加工質(zhì)量。經(jīng)過對比，李冰團隊的留胚米智能設(shè)備加工質(zhì)量的確高于普通設(shè)備。

“粒粒皆辛苦，我們要尊重自然與汗水共同締造的產(chǎn)物，將最好的技術(shù)投入到糧食的加工行業(yè)?！崩畋锌每萍紴閲私】当ｑ{護航，為糧食安全貢獻力量，這是他和學(xué)生們一直為之努力的目標(biāo)和信條。

未來，李冰團隊計劃在全國建立智能車間與智慧工廠，建立多個水稻適度加工的產(chǎn)業(yè)基地，將工程設(shè)備推廣至全國，將“中國智造”推廣至全世界。

中青報·中青網(wǎng)見習(xí)記者 韓榮 來源：中國青年報

關(guān)鍵詞： 模型算法 視覺檢測