科技是筑牢粮食安全底线、赋能粮储事业高质量发展的核心动力。“十四五”以来,湖南粮食和物资储备领域科技创新深耕实干、硕果颇丰,在重大科研项目、流通提质增效等方面取得多项突破性成果。为系统总结宣传科创成效,弘扬锐意创新的行业精神,省粮食和物资储备局特在省局官网推出《湖南粮储科技创新成果展》专栏,聚焦粮储科创重点工作,推送先进经验、典型案例与标杆成果,搭建产学研用融合桥梁,加速科技成果落地转化,激发全系统创新活力,聚力以科技创新赋能新时代全省粮储事业现代化发展。

便携式粮食快速检测设备研发与应用

一、成果来源及简介

“便携式粮食快速检测设备研发与应用”由奥谱天成(湖南)信息科技有限公司牵头,联合湖南省粮油产品质量监测中心、长沙开元弘盛科技有限公司共同承担,旨在解决我国粮食收储现场缺乏新旧粮快速、准确、无损检测手段的突出问题。

稻谷、小麦等在储存过程中会发生不可逆转的品质劣变,如粘性降低、酸度增高,严重时甚至产生黄曲霉毒素等致癌物质。目前新旧粮掺杂检测主要依靠感官检验、化学检验和近红外光谱法等手段,存在前处理复杂、检测时间长、建模困难等问题。

本成果成功研发出基于高光谱成像技术的新旧粮检测仪(NY7000),实现了稻谷等粮食作物新旧年份的快速、无损、精准识别及陈粮掺杂比例的定量分析。

二、成果技术内容及对行业的意义

(一)技术内容

该设备利用900nm至1700nm波段的高光谱成像技术,捕捉粮食样本在不同光谱下的反射特性。通过深入分析新旧粮及其他质量指标(如水分含量、淀粉含量、霉变程度)在光谱数据中的差异,提取关键特征波段,结合支持向量机(SVM)、随机森林(RF)、卷积神经网络(CNN)等机器学习算法建立分类和回归模型,实现了稻谷等粮食作物新旧年份的快速、无损、精准识别及陈粮掺杂比例的定量分析。设备采用非接触式检测设计,在不破坏样品的情况下完成分析,单次样本光谱数据采集仅需3秒,整体检测时间控制在30分钟以内。对新粮和陈粮的定性区分准确率≥90%;对陈粮含量≥25%的掺杂样品,定量分析测量误差≤10%。仪器支持电池供电,可在相对湿度≤90%、温度≤40℃的现场环境下正常工作。

(二)对行业的意义

本成果将高光谱成像这一实验室级先进技术成功下沉到粮食收购一线,提供了“可见即可测”的无损快检手段。该技术的推广应用,有助于从源头杜绝陈粮掺杂、以次充好的违法行为,维护粮食市场秩序,对我国粮食收储高质量发展具有重要意义。

三、成果技术先进性

(一)高光谱成像技术的创新应用

本成果首次将高光谱成像技术系统性地应用于粮食新陈度现场快检领域。与传统的单一波段近红外检测不同,高光谱技术同时获取粮食样本上百个连续波段的光谱信息,实现了对物质成分多维度的深度挖掘。通过对新旧粮中水分、淀粉、蛋白质等成分变化的联合分析,显著提升了检测的准确性和可靠性。这种多维度数据融合分析的方式在粮食质量检测领域属于行业首创。

(二)先进的数据处理与算法优化

项目采用主成分分析(PCA)进行关键特征波段提取,结合支持向量机(SVM)、随机森林(RF)、卷积神经网络(CNN)等机器学习算法建立混合分类模型,有效解决了高光谱数据量大、维度高所带来的处理难题。同时,项目创新性地建立了自适应模型更新机制,能够根据新数据和实际应用需求动态优化模型结构和参数,保证模型在实际应用中的长期适应性和检测精度持续提升,克服了传统近红外法建模复杂、模型普适性差的瓶颈。

(三)便携化与工程化突破

传统高光谱成像设备体积庞大、价格昂贵,多用于实验室环境。本成果通过轻量化结构设计、核心光学组件国产化替代及高效数据处理模块集成,成功将高光谱检测系统小型化为手提箱式便携设备,大幅降低了设备成本和操作门槛。这一工程化突破使得高光谱技术从实验室走向田间粮库成为现实。

四、技术成熟度

本项目已完成全部研发任务,设备通过了实验室验证和现场实际应用测试。项目执行期内,已完成原理样机3台的研制和验证工作,累计采集了300份以上不同年份稻谷样本的光谱数据,每份样本取100粒稻谷,以粒为单位提取反射率光谱,建立了完善的样本数据库和分类模型。

技术指标全部达到任务书要求:定性区分准确率≥90%,掺杂定量误差≤10%,整体检测时间≤30分钟。目前正在委托第三方检测机构进行权威测试,即将获得认证报告。项目已申请发明专利2件(高光谱图像波段融合方法及系统、高光谱图像噪声处理方法),获得软件著作权4件。设备已具备批量生产和规模化推广条件。

五、应用情况

本成果已在湖南省内粮食收储企业和粮油质量监测机构开展示范应用。在湖南省粮油产品质量监测中心组织的验证实验中,设备在300余份不同年份稻谷样本的测试中表现出色,定性判别准确率超过92%,掺杂定量误差控制在8%以内。