基于TRIZ理论的大型粮仓中储粮害虫防治方法创新策略的研究

黄振永， 谢海军， 唐佳林， 苏秉华

(北京理工大学珠海学院，珠海 519088)

《中国的粮食安全》白皮书提出：民为国基，谷为民命[1]。研究开发高效、灵敏、准确、便捷的储粮虫害检测技术和方法是目前储粮害虫综合治理的研究热点[2]。现代信息技术已广泛应用于储粮害虫检测领域中[3-8]，如，电导率法、电容法、声学法、电子鼻法、近红外光谱法、机器视觉法、灯光诱食法、纳米材料法、生化荧光法、光纤测温法、物联网技术、深度学习算法、云计算等。与传统的检测方法相比，基于图像识别和害虫声信号的实仓在线监测技术具有准确、实时、省钱省力等优点，其在粮食储藏过程中日益受到重视[4]。刘治财[5]基于深度学习的目标检测技术可以实现对储粮害虫进行检测识别。为适应新形势下粮食行业绿色环保的发展方向，任剑豪等[6]研究了8种植物提取物对赤拟谷盗、米象2种主要储粮害虫的触杀作用及驱避作用效果。面对粮食储藏数据的数据量大、多维度等特点，构建数据模型和建立适用的算法是研究的重点，苑江浩等[7]研究了神经网络在粮食储藏领域中的应用。张诗雨等[8]基于Faster R-CNN模型提出了复杂背景下粮仓害虫的检测识别方法。王威松等[9]设计了一种探管式储粮害虫诱捕在线监测装置。吕建华等[10，11]研究了不同温度对赤拟谷盗生长发育和繁殖的影响、6种主要储粮害虫成虫的耐饥饿能力。

“TRIZ”源自俄文“теории решения изобрет-ательских задач”，在国内常意译为“发明问题的解决理论”，也常音译为“萃智”。TRIZ理论是苏联发明家——根里奇·阿奇舒勒(Genrich S. Altshuler)于1946年创立的用于解决发明问题的理论[12]。本文基于经典的TRIZ理论，将大型粮仓视为技术系统，运用多种分析方法和模型研究了大型粮仓中储粮害虫防治方法，有助于启发广大学者拓展技术创新的思维视角、发现新的研究方向、提出创造性的解决方案。

1 九屏幕法

九屏幕法是TRIZ理论中典型的系统性思维方法，即对问题进行系统考虑，能够帮助人们从时间、层级两个维度来分析问题[12]。以时间为轴可以考量过去、现在和未来3种时段，以层级为轴可以考量子系统、当前系统和超系统。以横轴表示时间，以竖轴表示层级，构成了3×3的9个屏幕的模型。设想解决的问题为：粮仓中的部分麦粒被害虫损毁了。利用九屏幕法分析，如表1所示，将受损的麦粒视为当前系统，它的过去是麦株，它的未来是食物；麦粒的子系统有麦皮、淀粉、胚芽，它的过去是整个麦粒(种子)，它的未来是小麦粉、麦麸；麦粒的超系统是粮仓，它的过去是粮田，它的未来是储粮站(储粮基地)。

由表1可知，粮仓中出现部分粮食被害虫损毁现象的原因可归结为：在粮田种植期间，麦珠遭受的病虫害情况严重；在麦珠脱粒后入仓前，麦粒表面或体内残留着害虫的卵或活体、在麦粒入仓后未做消杀工作或消杀害虫不彻底；粮站员工消极怠工或不遵守制度规则，以致未能及时发现害虫损毁情况并做好二次消杀害虫工作；麦种的抗病虫害能力差。如果防治工作落实不到位，则会导致的结果有：储粮的数量减少、品质降低；给小麦粉、食物埋下食品安全的隐患；触及粮站的储粮安全线，危及地区居民的粮食安全。

表1 九屏幕法

本文给出的防治建议有：加强种植期间的病虫害防治工作；加强粮食入仓环节的防治工作；制定科学合理的粮站监管机制、加强员工职业操守教育和技能培训；培育抗病虫害且高产的粮种。由案例可以看出九屏幕法的独特价值体现在：突破了“不识庐山真面目，只缘身在此山中”的思维陷阱，引导和启发学者从超系统中寻找问题的解决方案，比如：科学合理的粮站监管机制、现代化的信息技术都是储粮安全的影响因素。换言之，要确保储粮安全，除了靠技术，还得靠制度。

2 IFR法

TRIZ理论主张在解决问题之初，首先抛开各种客观限制条件，通过理想化来定义问题的最终理想解(Ideal Final Result，IFR)，以明确理想解所在的方向和位置，保证在问题解决过程中能够始终沿着预设目标前进并获得最终理想解，从而避免了传统创新设计方法中思维过程缺乏目标导向的弊端，提升了创新设计的效率[12]。用IFR法分析储粮害虫损毁问题的6个步骤如下：

设计的最终目：粮仓中的粮食能长时间的、无病害虫损毁的存放。

最终理想解：粮仓能够自动监测、消杀害虫。

达到理想解的障碍：粮仓处于密封状态，粮食会因持续发生呼吸作用而产生热[13，14]，又因万吨级粮仓的体积很大，所以导致粮仓中央区域积聚的热量不能有效消散，进而给害虫提供了适宜生存的条件；也因粮仓的体积很大，导致无法准确了解仓内尤其是中央区域粮食的害虫存活情况(如，害虫的种类、数量、密集分布区)。

出现这种障碍的结果：如果不能及时发现害虫并有效消杀害虫，则会导致仓内粮食因害虫泛滥滋生而被大量损毁[14]。

不出现这种障碍的条件：需要有能全方位地监测粮仓内的温度、湿度、空气成分的传感器，需要有能无线遥控的翻粮设备，从而使粮仓其不具备害虫生存的条件；当发现害虫达到某种程度时，粮仓能自动开启和关闭消杀害虫模式。

创造这些条件存在的可用资源：无线温度传感器、无线湿度传感器、无线气敏传感器、气调化学品、无线监控相机、5G通信技术、物联网监控平台、图像识别算法等[4，5,8]。

通过分析得到的最终理想解是：利用无线传感器感知仓内的温度、湿度和气味，把信号传送给物联网监控平台，平台根据预设指令开启无线遥控型翻粮设备，以便及时消散局部空间的多余热量；利用无线相机和数字图像处理技术、深度学习算法监测害虫的存活情况，并把信号传送给物联网监控平台，平台根据预设指令释放气调化学品，以便及时消杀害虫，实现万吨级粮仓的自动化检测、消杀害虫，以确保储粮安全。IFR法的独特价值体现在：创新过程以目标为导向并使其趋向问题的最终理想解。

3 因果链分析法

因果链分析法是指通过构建因果链探明事件发生的原因和产生的结果之间关系的分析方法，由于根本原因与产生结果之间存在着因果关系，所以它们之间可构成一条或多条关系链，通过发现问题的产生原因和发现链中的薄弱环节，可以为解决问题寻找切入点[12]。白仲航等[15]发现将可拓学与因果链分析相结合，不仅可增强因果链分析的客观性与逻辑性，也能准确地辅助设计人员发现产品的问题。廖禺等[16]把因果链分析法与专利分析法结合在一起提出了谷物收集机的创新设计方案。

因果链分析模型如图1所示。该模型系统性地展示了粮仓中储粮被害虫损害的因果链，比如：造成储粮被害虫损毁的直接原因可能是员工消极怠工或违规操作(需要加强职业操守和技能培训)、粮仓管理制度尤其是应急管理制度不完善(要形成布局合理、设施完备、运转高效、保障有力的粮食应急供应保障体系，强化应急处置功能，提升应急供应保障水平[1])、粮食入仓环节没有及时做好防治工作。

本例重点研究的是“粮仓”的因果链：因为粮种的抗病虫害能力差，导致粮田种植期间发生了严重的病虫害情况，导致庄稼珠体在脱粒环节混入或残留害虫的卵或活体；在没有做好消杀防治工作的情况下，在仓内空气的温度、湿度、成分合适的条件下，害虫就会泛滥滋生，最终导致储粮被害虫损毁。用无线温度传感器周期性地或实时地监测所在空间区域因为呼吸作用产生的热量，并把温度信号发送给物联网平台，该平台经过数据分析后发现信号达到某个限值时，就发出指令，开启调温设备、翻粮设备，以便及时降温。

图1 因果链分析法

在因果链分析法中蕴含了技术系统的如下进化法则：

S曲线进化法则：S曲线描述了一个技术系统的完整生命周期和技术系统中各项重要性能参数的发展变化规律[12]。以测温方法为例，使用煤油或水银的热胀冷缩原理实现接触式测温的方法经历了婴儿期、成长期、成熟期和衰退期，现代化的大型粮仓仓内温度测量已经基本舍弃了该方法。

提高理想度法则：理想化是推动系统进化的主要动力，通过控制系统的有用功能、有害功能和成本来提高理想度的法则代表着所有技术系统进化的最终方向[12]。以测温度和测湿度为例，购买一块测温传感器和一块测湿度传感器与购买一块温湿度传感器相比，有用功能几乎等同，但成本显著降低，伴生的有害功能(安装工时费)也明显降低了，从而提高了技术系统的理想度。

系统完备性法则：技术系统存在的必要条件是存在最小限度的可用性，要实现某项功能，一个完整的技术系统必须包含4个相互关联的基本子系统：动力子系统、传输子系统、执行子系统、控制子系统[12,17]。以视频检测害虫为技术系统，其完备的技术系统结构如图2所示。

能量传递法则：指能量应能够从能量源流向系统的所有元件，如果技术系统中的某个元件接收不到足额的能量则不会产生效用或表现为有用功能不足。技术系统的进化应该沿着使能量流动路径缩短、能量转换形式减少的方向发展，以减小能量损失[12]。“绿色粮仓”是技术系统发展的方向[18]，如图2所示，在仓库房顶或周边搭建太阳能光伏系统或风力发电系统，可以减少能量传输损失。

图2 完备的技术系统结构

子系统不均衡进化法则：系统中各子系统的进化是不均衡的，每个子系统都有自己的S曲线，最先达到进化极限的子系统会成为抑制整个技术系统进化的障碍，通过消除“瓶颈”子系统的缺陷可以较大程度地改善整个技术系统的综合性能[12]。比如，传感器技术、5G无线通信技术[19]、物联网技术[20-22]的发展是不均衡的，常规的煤油温度计与5G通信技术、物联网平台是不匹配的。

增加动态性和可控性法则：提高技术系统的动态性和可控性有助于提升技术系统对工作条件变化的适应能力，其进化路线为沿着增加系统可移动性、柔性、可控性的方向发展[12]。对于万吨级大型粮仓而言，病虫害的实时性监测工作是非人工所能胜任的，目前大多数传感器被固定在某个方位，所以其移动性差并导致可以监测的空间区域小。如果在粮仓的中央竖立一根透明的多孔的圆筒，则一方面可以诱导害虫掉入圆筒中被药死，另一方面可以使用无线数字相机在圆筒内上下巡视从而了解不同深度粮食层的虫害情况。定时地深度翻粮也可以提升温控效果。

向超系统进化法则：将原有的技术系统与另外的一个或多个技术系统组合，形成一个更复杂的技术系统。其进化路线为可以将超系统的公共资源整合、也可以将某个子系统从原有的技术系统中分离出来形成超系统[12]。以消杀害虫为例，在粮仓中冲入足量的氮气以减少氧气在空气中的比例，可以使得害虫因缺氧窒息死亡[23，24]。磷化氢是常规的粮仓消杀害虫的化学品[25，26]，其低毒性和易扩散性可以杀死仓内所有害虫。如果两者混合使用，氮气会使得害虫因缺氧而急促呼吸，并吸入大量的磷化氢气体，能大大提升消杀害虫的速度、减少磷化氢的总用量。几个粮仓共用一套物联网平台，几个粮站基地的物联网平台组成一个城区的粮食安全监管平台，进而构建市级、省级、国家级粮食安全监管平台。

向微观级和场的应用进化法则：指突破机械场，向电场、磁场、热场、化学场和生物场等高效场的路径进化，向增加场效率的路径进化，或沿着减小尺寸的方向进化[12]。传统的定点诱食法不如用有毒性气体消杀效果好[24-26]。有线信号传输法不如无线信号传输法安装工艺简便、成本低。人工剖粒法、悬浮法、比重法、尿酸法不如电容法、电子鼻法、声测法、近红外光谱法、图像识别法效率高。

4 技术矛盾矩阵法

一个技术系统中总可以找到这样一对基本参数，记作：A和B，当试图改善A时，B的性能变得更差了，或反之，当试图改善B时，A的性能变得更差了，这样的形如“A↑=>B↓”的一对矛盾称为技术矛盾[12]。经典的TRIZ理论中[27]，技术矛盾矩阵表中有39个通用工程参数，39×39的工程参数从行、列两个维度构成二维矩阵表，行所描述的是想改善的工程参数，列所描述的是可能引起恶化的工程参数，行与列的交叉单元格中的序号对应推荐使用的发明原理的序号，这些发明原理可以单独使用也可以组合使用，该方法可以快速给出优质的技术系统进化方案。

问题描述：对于万吨级粮仓而言，由于粮仓体积庞大，传感器是定位安装的，这就导致如果想全方位监测虫害的目的，就需要增加传感器的数量，并提升了监测成本。如果减少传感器的实际使用量，则会导致粮仓内个别局部空间监测不到位的情况，进而导致误判虫害情况。

第一步：确定技术参数。对照经典的TRIZ理论的39×39矩阵表，选择“24 信息损失”当作“改善的参数”，选择“26 物质或事物的数量”当作“恶化的参数”。减小“信息损失”就会增加“物质或事物的数量”，减少“物质或事物的数量”就会增加“信息损失”。

第二步：查找技术矛盾矩阵表。行与列交叉单元格中的序号是：24、28和35。

第三步：发明原理的分析[12]。“24”对应的发明原理是借助中介物原理，使用中介物实现所需动作，把一物体与另一易除去的物体暂时结合。启示是借助灯光引诱害虫聚集在一起。“28”对应的发明原理是机械系统替代原理，用光学系统、声学系统、电磁系统、味觉系统替代机械系统，使用与物体相互作用的电场、磁场或电磁场，用运动场替代静止场、时变场替代恒定场，把场与场作用和铁磁粒子组合使用。启示是舍弃传统的剖粒法、比重法等机械场法，替换为近红外光谱法、声测法、电子鼻法、数字图像法等高效场。“35”对应的发明原理是物理和化学参数改变原理，改变聚集态或物态、浓度或密度、机械柔性、温度、几何结构等物理或化学参数，以实现系统的新功能。启示是选用光纤温度传感器，实现不同深度的连续性监测。

第四步：发明原理的应用。借助灯光引诱害虫聚集到无线数字相机的周围，相机把视频信号传输给物联网平台，以减小相机的使用量。在粮仓中央埋入一条光纤温度传感器。由于测温光纤在仓房粮堆内是连续布置没有断点，因此测温装置沿着光缆发出的检测信号也具有连续性，通过测温装置对光纤信号进行采集，进而测量出射光和拉曼散射光之间的时间间隔，就可得到拉曼散射光发生的具体位置。由于系统使用的拉曼散射光对温度具有很好的敏感度，因此信号可以沿着所敷设测温光缆测量到相应的温度分布[28-30]。

5 物理矛盾法

物理矛盾反映的是唯物辩证法中的对立统一规律，矛盾双方存在着2种互相依赖的关系[12]：对同一个对象的某个特性提出了互斥的要求。技术矛盾是技术系统的形如“A↑↓”的2个参数之间存在的相互制约，物理矛盾是技术系统中一个参数无法满足系统内相互排斥的需求。解决物理矛盾的方法有：空间分离原理、时间分离原理、条件分离原理、系统层级分离原理。

问题描述：在粮仓中消杀害虫会残留虫尸进而影响其衍生食品的安全；如果不消杀害虫，则储粮会被害虫吃损或污染粮食。

第一步：定义物理矛盾。找到存在矛盾的参数，以及对参数的要求。

确定冲突参数：为了降低粮仓中储粮被害虫损毁的程度，需要进行消杀害虫，但在粮仓中消杀害虫会残留虫尸而妨碍了后续衍射食品的安全，所以又不需要消杀害虫。在粮仓中既需要又不需要消杀害虫，是物理矛盾。

明确第一种要求：为了防止混入粮仓里的害虫的卵或活体吃损粮食，需要在粮仓中消杀害虫。

明确第二种要求：为了防止后续衍射食品中出现虫尸成分，不需要在粮仓中消杀害虫。

第二步：定义空间、时间。如果想实现技术系统满足两种互斥的要求，分别在什么空间、时间、条件、层级得以实现？

明确实现第一种要求的空间S1。在消杀害虫时，害虫和粮食混杂在一起。

明确实现第一种要求的空间S2。在消杀害虫后，害虫和粮食不混在一起。

第三步：判断空间、时间、条件、层级是否存在交叉。

利用空间分离原理：将粮仓设计成上下双层空间仓，上层仓较大，小层仓较小。消杀害虫时，将粮食存放在上层仓，消杀害虫后，利用超声波振动技术使得虫尸、粮食碎末逐渐沉降到下层仓里，该方案有点类似于混合的黄豆与芝麻在振动作用下分层分离，粮食出仓时或定期监测时，把下层的沉降物清理干净。

利用时间分离原理：在粮食入仓前(第一时间段T1)，通过振动筛筛掉害虫的卵或活体，或者再结合烘干炉既能降低粮食体内的水分，又能杀死害虫的卵或活体。在粮食入仓后(第一时间段T2)，粮食中残留的虫尸就会大大降低了。

利用条件分离原理：在害虫滋生程度不严重、不需要消杀害虫的情况下(第1种条件C1)，容许害虫与粮食混杂在一起；在害虫滋生程度严重、需要消杀害虫的情况下(第2种条件C2)，利用灯光或诱食物品将害虫引诱到陷阱空间里，害虫只能进不能出，再进行消杀处理，这样虫尸只会残留在陷阱空间里，避免了虫尸与粮食混杂在一起。

利用系统层级分离原理：如果整个粮仓的大部分方位(系统层级)存在严重的虫害现象，则选择用药熏法消杀害虫；如果只是粮仓的局部方位(微观层级)存在严重的虫害现象，则选择诱食法消杀害虫。在分离虫尸和粮食时，既要保证粮食完好，又要去除虫尸，可以将混合体(系统层级)先干燥或冷燥，再利用振动筛(超系统层级要素)筛除尸粉。

6 物-场分析模型法

物-场分析模型是阿奇舒勒于1979年在专著《创造是精密的科学》中提出的解决问题的方法，是指从物质和场的角度来分析和构造最小技术系统的理论于方法[12]。一个完备的最小系统模型应该具有3个要素：物质1(工件)、物质2(工具)和场。根据物-场模型的不同特点可分为4种具体模型：正常效应且完整的物-场模型、不完整的物-场模型(对应一般解法1)、效应有害但完整的物-场模型(对应一般解法2和3)、有效不足但完整的物-场模型(对应一般解法4、5和6)。

6.1 效应有害但完整的物-场模型

问题描述：如果粮食入仓时携入害虫的卵或活体，那么在长时间储粮过程中容易造成虫损现象。问：怎样才能降低或消除虫损现象呢？

第一步：识别元件。物质S1为粮食，物质S2为害虫，场为机械场。

第二步：构建模型。害虫咬损粮食，属于效应有害但完整的物-场模型，如图3所示。

图3 有害效应模型

第三步：选择方法。该模型对应的解法为一般解法2(增加新物质S3来阻止有害作用)，模型如图4所示；一般解法3(增加新场F2来抵消原来场F的有害效应)，模型如图5所示。

图4 一般解法2

图5 一般解法3

第四步：解法应用。在粮仓中引入新物质S3(氮气)，使得害虫因缺氧而死亡，从而降低或消除有害作用。在粮仓中引入新场F2(温度场)，超低温的环境可迫使害虫和部分微生物休眠甚至死亡，也能降低或消除有害作用。

6.2 效应不足但完整的物-场模型

问题描述：用声测方法可以监测活体害虫的滋生情况，但无法监测死体的情况。

第一步：识别元件。物质S1为粮食，物质S2为害虫，场为声场。

第二步：构建模型。死害虫不能被监测到，属于效应不足但完整的物-场模型，如图6所示。

图6 效应不足模型

第三步：选择方法。该模型对应的解法为一般解法4(用新场F2代替原来的场F)，模型如图7所示；一般解法5(增加新场F2来强化有用效应)，模型如图8所示；一般解法6(增加新物质S3和新场F2来提高有用效应)，模型如图9所示。

图7 一般解法4

图8 一般解法5

图9 一般解法6

第四步：解法应用。用新场F2(近红外场)代替原来的场F(声场)，虫尸、微生物和粮食的红外辐射光谱是不同的，近红外光谱法可以实现有效作用；增加新场F2(近红外场)，通过联合来强化有用效应，尤其是可以提高监测的准确性；引入新的物质S3(磷化氢气体)和新的场F2(化学场)，使得害虫因为缺氧而急促呼吸，并呼入有毒性的气体而被快速杀死。

7 结论

本研究基于经典的TRIZ理论，将大型粮仓视为技术系统，运用九屏幕法、IFR法、因果链分析法、技术系统的进化法则、技术矛盾矩阵表法、物理矛盾法和物-场分析模型研究了大型粮仓中储粮害虫防治方法，有助于启发广大学者拓展技术创新的思维视角、发现新的研究方向、提出创造性的解决方案。九屏幕法有助于从时间轴和层级轴、系统性看待问题并寻求解决方案；IFR法有助于明确技术创新的方向、提升创新效率；因果链分析法从源头解决问题，解决了因，自然就解决了果；大型粮仓中害虫的监测与防治方法也遵从技术系统的进化法则；技术矛盾矩阵表法有助于解决形如“A↑=>B↓”的、有此消彼长关系的双参数之间的矛盾；物理矛盾法及其分离原理有助于解决形如“A↑↓”的、要满足互斥需求的单参数之间的矛盾；物-场分析模型及其解法有助于利用模型化思维快速解决问题。由TRIZ理论可以预测：大型粮仓中储粮害虫的防治方法的创新性技术路线将会朝着更绿色、更互联、更实时、更高效、更智能化、更集成化的方向发展。