物聯網技術在危化品供應鏈中的應用設計

成都電子科技大學成都學院 / 孔昊

物聯網技術在危化品供應鏈中的應用設計

成都電子科技大學成都學院 / 孔昊

物聯網技術對提升危化品供應鏈的安全水平具有重要意義。本文從物聯網技術架構角度，闡釋了物聯網技術在危化品供應鏈中應用層面的設計構想，以期構建物聯網技術的實際應用。

物聯網、危化品、供應鏈、應用設計

隨著工業化進程的不斷加深，近年來中國擁有超過10萬家化工企業，生產著多達5萬種化學品，其中危化品在生產、倉儲、運輸、分銷和使用各環節的安全問題時常發生，暴露出我國危化品供應鏈在預警機制、應急響應速度和政府部門監管能力三方面仍有提升空間。

近些年，高速發展的物聯網技術變得越來越成熟，且已開始在一些行業逐步應用。物聯網技術的三大關鍵功能（實時可視化管理、實時遠程控制和實時信息共享），對危化品供應鏈存在的上述問題的改善，有著重要的應用意義。

一、物聯網的概念及主要支撐框架

1.物聯網定義

在中國，目前物聯網最為大家普遍接受的定義是由中國移動在其“物聯網白皮書”中給出的，即通過射頻識別（RFID）、紅外感應器、全球定位系統（GPS）、激光掃描器、環境傳感器、圖像感知器等信息傳感設備，按約定的協議，把任何物品與互聯網連接起來，進行信息交換和通訊，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。

2.物聯網主要架構

不同背景的研究者會給出不同的物聯網架構，但基本相似。它們之間的最大不同之處就在于架構的層數。通常來說，物聯網的主要架構由三層組成，即感知層、傳輸層和應用層，見圖1。

圖1的最下層是感知層，主要功能是識別、認知和收集目標的信息。它相當于物理接觸層，由傳感器、智能芯片、射頻識別芯片等組成。以人體來比喻的話，感知層就像皮膚和五官，用于識別物體、收集信息、感知數據。感知層針對的范圍可以是單個物體，可以是特定區域內的物體，也可以是特定行業內不同地方的一組物體。

中間層是傳輸層，由移動網絡（2G/3G/4G）、固話網絡、廣域網和封閉的IP數據網絡組成。信息經由感知層通過網關轉化為可識別的數據，然后傳輸層接收、處理、再分配傳輸這些數據。可以將其簡單地理解為人體的神經系統。

頂層是應用層，在這一層，人們可以通過物聯網技術做許多復雜的事情。對使用者有價值的信息經過傳輸層的處理、再分配傳輸后，就需要通過應用層來完成控制指令的生成和執行。在感知層、傳輸層的支持下，應用層能實現許多典型的物聯網場景設想，如智能交通、智能建筑、智能家居、智能物流、遠程醫療、污染監控等。這些應用可以是行業內或行業外，也可以跨行業；用戶可以是大眾，可以是企業，可以是組織，也可以是政府部門。

圖1 物聯網的主要架構

二、物聯網在危化品供應鏈中的應用設計

僅使用物聯網技術的有關設備，還不能被稱為應用物聯網技術，因為收集的信息無處傳輸和共享。因此，物聯網技術在危化品供應鏈中的應用目的，是通過有效整合各種資源，讓供應鏈上的各方有效參與和及時溝通，形成一個新的服務和監控系統。在應用設計時，一個基于物聯網技術的、信息傳輸標準統一的、兼容絕大部分企業和政府信息系統的公共服務平臺應當優先構建。作為應用設計的核心部分，該平臺能夠最大化地整合資源，支持有關各方作出決定，并實現可視化管理、遠程控制操作，以及各方之間的信息共享。隨后，再圍繞公共服務平臺設計三個主要子系統，囊括供應鏈上的主要參與方，如制造商、物流供應商和銷售商。

1.公共服務平臺設計構想

公共服務平臺應當給企業提供一個內部業務管理信息的存儲場所，而且能作為制造商、物流供應商和銷售商之間包括信息流、文檔流和資金流的一個溝通場所，同時還能成為相關政府部門進行監管的窗口，以及相關個人獲取決策信息的中心。而要實現這些功能，公共服務平臺應具備標準化格式數據的能力且兼容市場上主流的企業和政府系統，以便高效率地讓供應鏈上各方數據實現上傳、下載、輸出和輸入。

（1）公共服務平臺基本功能設計

首要基本功能是信息共享。信息的共享和透明程度會極大地影響供應鏈管理的有效性和效率，尤其是危化品供應鏈，因為它還包含政府部門的監管工作和針對事故的響應速度。該功能需要實現供應鏈上各方信息的快速上傳、下行以及簡單及時的相互傳輸。

圖2 公共服務平臺的邏輯架構設計

圖3 公共服務平臺的系統架構設計

第二個基本功能是信息分析和處理。伴隨物聯網技術，數十億計甚至更多的物體會參與連接并實時上傳信息，而當前絕大部分的企業管理系統無法處理如此龐大的數據量。同時，由于危化品的性質，也不能簡單地收集信息再分享，而需要對信息進行分析處理從而識別危化品的實時狀態，保證企業或政府能夠針對危險情況做出有效的應對。

（2）公共服務平臺架構設計

公共服務平臺的邏輯和系統架構設計，如圖2、圖3。

2.制造商子系統設計構想

公共服務平臺下的制造商子系統不同于普通制造企業的生產管理系統，因為它不僅要具備一般生產管理系統的功能，還要具備根據不同危化品的具體要求對環境狀態實時監測的功能。比如，一些危化品接觸到水分會燃燒，那該系統就應具備監測生產環境實時濕度的能力。而這些信息的采集則可通過感知層的一些工具和設備，如RFID標簽、嵌入式傳感器或紅外設備等進行收集。然后不間斷地將信息通過3G/4G網絡、局域網、有線網傳輸至該子系統，再由該子系統將信息格式標準化后共享至公共服務平臺。

（1）制造商子系統架構設計

制造商子系統的邏輯架構設計，如圖4。

（2）功能模塊設計

制造商子系統的內部功能模塊包括企業資源規劃（ERP）、訂單管理系統（OMS）和存貨管理系統（IMS），如圖5。換句話說，制造商子系統應該兼容當前主流的管理系統。ERP的主要功能是管理企業的物料、人力、財務和信息資源。OMS用以管理來自供應鏈下游的訂單，除了可以幫助企業接收、審核訂單，安排生產計劃外，還能幫助企業關注危化品的具體流向，防止被用于違法情況。IMS不僅具有一般存貨管理的功能，還應具備環境監測能力。因此，企業的監控中心總能了解危化品生產和存儲的實時情況，政府部門通過公共服務平臺的信息共享和查詢也能隨時隨地監控到該企業的危化品生產和存儲的實時狀態，而不用擔心頻繁地去企業實地檢查進而干擾到企業生產。而當任何環節開始出錯，企業監控中心和相關政府部門均可以從公共服務平臺接收到預警，這樣他們就可以做出迅速響應。比如，傳感器監測到不能接觸水分的危化品存儲區域濕度逐漸上升，而操作人員并未采取措施時，則經由平臺對管理人員和相關政府部門發出預警，管理人員可遠程啟動通風設備，政府部門則可提前做好應急準備。

圖4 制造商子系統的邏輯架構設計

圖5 制造商子系統內部功能模塊設計

制造商子系統的外部功能，主要包括三個模塊，即企業信息發布、外部信息接收和信息查詢，如圖6。通過這些功能模塊，制造商就可以及時地了解行業或合作伙伴的信息，或者發布自己的信息供平臺上其他使用者搜索和查詢，可以簡單高效地與供應鏈的上、下游企業（業務合作伙伴）及監管部門進行實時溝通。

3.物流商子系統設計構想

對物流商子系統而言，實現實時可視化監控功能是非常重要的，特別是在運輸和倉儲過程中。該子系統中，應大量使用RFID技術、GPRS/GIS以及普通或嵌入式傳感器，以建立危化品實時監控機制。這個機制由信息采集設備、車輛實時監控終端和遠程遙控系統組成，實現對物流過程中危化品的實時狀態監測、實時位置追蹤、安全預警、遠程操控、信息查詢等。

（1）物流商子系統架構設計

物流商子系統的邏輯架構設計，如圖7。

（2）內部功能模塊設計

物流商子系統的內部功能模塊，主要是由運輸管理系統和倉儲管理系統構成，如圖8。運輸管理系統的主要功能是管理物流業務，發送和接收相關文檔及管理車輛團隊，如車輛的調度安排和在途的車輛管控。倉庫管理系統則類似于制造商子系統中的庫存管理系統。但是，物流商多以第三方物流提供商為主，意味著他們的倉庫可能存儲許多不同制造商的危化品。而不同的危險化學物質可能會相互反應導致事故,為避免這種情況，倉儲管理系統應該具備分區管理和分區環境監測的功能。

圖6 制造商子系統外部功能模塊設計

圖7 物流商子系統的邏輯架構設計

圖8 物流商子系統內部功能模塊設計

圖9 物流商子系統外部功能模塊設計

圖10 銷售商子系統的邏輯架構設計

在運輸管理系統中，物流供應商可以通過GPRS/GIS獲取車輛實時位置信息，一旦偏離路線或者預測將經過人群高密度地區，則啟動安全預警提醒司機和管理人員；還可以通過傳感器知悉在途危化品的實時溫、濕度及壓力等狀態，以及通過無線網絡遠程遙控車輛的某些功能，例如檢測到危化品溫度偏高而司機并未注意，則遠程遙控車輛降低空調溫度。這些實時信息同樣經由該系統將數據標準化后共享至公共服務平臺，供客戶實時查詢或相關政府部門隨時監管。

而在倉庫管理系統中，除了能像制造商子系統中的庫存管理系統一樣對儲存環境進行監測和預警外，物流供應商還可通過手持或固定的RFID讀取器，在倉儲過程中不間斷地收集來自不同制造商的產品信息，通過無線網絡實時傳輸至物流商子系統并共享至公共服務平臺。這將使得制造商和銷售商更容易、清晰地追蹤自己的產品。

物流商子系統的外部功能模塊，如圖9同制造商子系統的外部功能模塊一致：企業信息發布、外部信息接收和信息查詢。物流供應商可通過這些功能模塊，及時地了解行業或合作伙伴的信息，收悉政府監管部門的信息，或者發布自己的信息供平臺其他使用者搜索和查詢，可以簡單高效地與供應鏈的上、下游企業（業務合作伙伴）及監管部門進行實時溝通。

4.銷售商子系統設計構想

在危化品供應鏈下游，有著許多大大小小的銷售商。他們是連接危化品和最終消費者的橋梁。但是一般來說，在中國經銷商通常會與第三方物流商進行合作而不是擁有自己的倉庫。因此，對于危化品狀態實時監控的工作可以交給物流供應商，不用重復設計在該子系統中。但是，物聯網技術中的嵌入式傳感器、RFID標簽和EPC代碼仍然需要被設計應用，以加強對危化品消費流向的監控、跟蹤及追溯。

（1）銷售商子系統架構設計

銷售商子系統的邏輯架構設計，如圖10。

（2）內部功能模塊設計

銷售商子系統包含兩個內部功能模塊，即銷售管理系統、使用追蹤和廢棄回收管理系統，如圖11。銷售管理系統主要用于訂單管理、零售管理和日常管理。訂單管理的主要功能是在對日常業務和歷史需求分析的基礎上，制作和發送訂單給制造商，并保存歷史訂單。零售管理主要是初步收集和預處理來自于每一個銷售點的銷售信息，并傳輸它們至子系統供日常管理中的分析和統計。日常管理則是通過來自于零售管理和物流商庫存水平的信息，來支持訂單的制作。當然，如果某些銷售公司擁有自己的倉庫，那庫存管理、環境狀態監測和預警的功能，則將額外設計在銷售管理系統的日常管理功能中。

使用追蹤和廢棄回收管理系統主要用于跟蹤已銷售的危化品，以及管理使用后危化品的追溯、回收工作。跟蹤已銷售的危化品可保證其在正確的地點被使用于正當的生產或經營活動中，如監測到任何違法、違規使用風險，系統將自動通過平臺對管理人員和相關政府部門發出預警。而危化品的安全問題貫穿整個供應鏈，從原材料到廢棄。經銷商追溯、回收廢棄的危化品將大大減少對環境的影響以及潛在的對周圍住民的傷害。

圖11 銷售商子系統內部功能模塊設計

圖12 銷售商子系統外部功能模塊設計

銷售商子系統的外部功能模塊，如圖12。類似于制造商子系統和物流子系統，不過它多了一項功能模塊——政府部門的監督。通過前三個功能模塊，銷售商也能及時地了解行業或合作伙伴的信息，或者發布自己的信息供平臺其他使用者搜索和查詢，可以簡單高效地與供應鏈的上、下游企業（業務合作伙伴）及監管部門進行實時溝通。但是考慮到銷售商在整條危化品供應鏈上是連接危化品和最終消費者的紐帶這個特殊地位，比起供應鏈上的其他參與者，政府部門應當更加重視對銷售商的監督。因此，單獨設計的監控功能模塊，能讓政府部門更為直接地監督危化品的銷售活動，更容易對危化品進行跟蹤和追溯。

三、結論

物聯網技術對提升危化品供應鏈的安全水平有重大意義。本文拋磚引玉提出了一個在危化品供應鏈上應用物聯網技術的設計構想。在這個設計中，供應鏈上的各參與方將被集成在一個公共服務平臺上。圍繞這個平臺，三個子系統的設計考慮兼容制造商、物流商和銷售商。通過平臺和子系統的功能，能夠將物聯網技術應用于危化品供應鏈，以提高安全水平和應急響應速度，解決供應鏈上各方有限的溝通問題。