基于物聯網技術的冷鏈物流監測系統設計

□ 呂昳苗，寧鵬飛

(廣州工商學院，廣東 佛山 528100)

隨著我國改革開放的深入推進，跨境電商平臺的迅速發展，我國居民消費需求逐漸呈現出多元化、高標準、差異性等特點。特別是在國內爆出“冰塊細菌門”、“僵尸肉”、過期疫苗等造成惡劣影響的事件后，居民對食品、藥品的安全給予前所未有的關注。作為物流行業的分支，冷鏈物流以其在冷凍冷藏工藝方面的技術優勢，逐步在現代物流環節中發揮著越來越重要的作用。以生鮮食品、藥品為代表的產品從生產端到消費端的流動過程中，始終按相關標準處于規定溫度濕度等范圍內，是冷鏈物流要實現的目標之一。而消費者希望進一步獲取包括產品溯源、流通加工環節中的各項指標、以及配送過程的實時地理位置等產品相關信息，以確保產品質量安全可靠。供應商希望減少上述產品在運輸配送等過程中的變質損耗，從而降低物流成本。物聯網正是在這種快速變化的市場環境中發展起來的一種以傳感、無線射頻、通信、數據庫技術為核心的網絡工具，它的發展和應用給冷鏈物流帶來了翻天覆地的變化。

1 文獻綜述

1.1 冷鏈物流文獻綜述

在食品質量方面，Anna Nagurney、Min Yu[1]通過電弧乘法引入易腐產品供應模型，求解報廢成本，Aiying Ronga et al[2]則通過一種混合整數線性規劃模型，模擬食品質量退化，為配送系統設計提供決策參考。J.Moureh;E.Derens[3]建立冷凍食品托盤配送過程溫度上升模型；在冷鏈設備方面，Myo Min Aung、Yoon Seok Chang[4]研究了外部環境特別是設備對于冷鏈物流的影響。在配送方面，翁心剛[5]建立了多核結構的冷鏈配送模型，陳紅麗[6]建立了配送關鍵控制節點的監測指標體系；在物流績效方面，史嘉興，孫若瑩[7]利用網絡層次分析法(ANP)與模糊綜合評價法(Fuzzy comprehensive evaluation)對冷鏈績效進行綜合評價；此外，陳鏡宇[8]、王金妹[9]在冷鏈物流外包、高級計劃排程等方面也做了相關研究。

1.2 物聯網文獻綜述

在物聯網的應用方面，許敏[10]利用物聯網技術構建了水產品運輸監控系統；馬婷，李芳，單大亞[11]利用物聯網RFID、WSN技術構建了一個冷鏈物流的跟蹤與追溯系統；汪旭輝、張其林[12]提出了生鮮農產品的冷鏈物流框架體系，同時構建了物聯網的信息平臺。在物聯網技術方面，陳海明、崔莉、謝開斌[13]對物聯網的體系結構進行對比分析，并指出不同種類結構各自的適用范圍與發展方向。

雖然目前國內外關于物聯網技術在冷鏈物流中的應用已經有一定的研究基礎，并取得了可觀的研究成果，但是，大多數成果是從冷鏈物流的某個環節入手，探討相應物聯網技術應用的理論可行性。實際上，物聯網要實現萬物相連的目標，首要因素是對相關信息的感知采集與處理，因此，本文擬對監測系統選擇一個合理可行的物聯網體系結構模型，提出監控系統的基本框架結構，以解決現在冷鏈物流經常出現的無法實時獲得數據信息、冷鏈環節中斷而無預警造成產品質量安全隱患等問題。

2 我國冷鏈物流發展現狀

2.1 冷鏈物流法律法規、標準缺失

我國的冷鏈物流法律法規及標準存在諸多問題，缺乏對冷鏈物流運作環節的法律法規約束，特別是目前第三方物流、第四方物流快速發展的背景下，對于各參與方的權益分配、合同違約認定、侵權責任承擔等缺乏明確的法律法規支持，冷鏈物流出現的糾紛只能借鑒其他相關民事法律法規的規定來處理仲裁、訴訟。各地關于冷鏈物流運輸工具標準、溫度濕度控制標準、包裝材料標準、儲運周期等問題沒有形成統一標準，無法對冷鏈物流設備進行系統性的標準化設計，對資源造成巨大的浪費。同時食品藥品監管各部門均有自己的標準，相互不認可，造成現有監管標準的多頭管理、分散交叉。

2.2 冷鏈物流基礎設施薄弱、區域差異大

以運輸冷藏車、冷庫為例，到2017年為止，我國的運輸冷藏車數量只有4萬輛，遠低于美國的16萬輛、日本的12萬輛[14]；冷庫容量約為3610萬噸，且多集中在東部沿海地區，中西部畜牧業集中地區及道路條件較差的華南鮮果種植山區冷庫資源嚴重匱乏[15]，我國每年4億噸農產品進入流通領域，絕大多數缺乏運輸銷售冷鏈保證。進入冷鏈系統的果蔬類、肉類、水產品僅占比5%、15%、23%，遠低于美國、加拿大、日本、韓國、新加坡等發達國家的95%，每年造成的產品腐損分別高達20%～30%、12%、15%。隨著冷鏈市場規模的逐年增長，基礎設施環節成為制約冷鏈物流快速發展的短板之一。

2.3 冷鏈物流信息平臺發展滯后，先進信息科技應用不足

3 物聯網體系結構及相關技術

3.1 物聯網的基本體系結構與特性比較

自2005年國際電信聯盟提出物聯網(Internet of things)一詞，各國都積極進行包括體系結構、技術應用等在內的廣泛的研究。歐盟的FP7設立SENSEI與IOT-A項目探索不同的物聯網體系結構對實現技術的影響。體系結構設計是否合理直接影響著物聯網技術的實現效果。建立體系結構的過程實際上是萃取出各類應用需求，以及篩選出組成系統的部件及部件間的組織關系。常見的抽取維度有功能維度、模型維度。

表1 物聯網體系結構分類

表2 衡量物聯網特性的指標

根據表2中的各項指標，可以對表1中的體系結構做一個對比分析，結果如下圖所示：

水平性可擴展性環境感知性環境交互性自適應性安全性抗毀性互操作性Net workedAuto-IDuID IoT√USN√√√√Physical-net√√√√√M2M√√√√√SENSEI√√√√√√√IoT-A√√√√√√√√AOA√√√

圖1 各類體系結構特性對比分析

可以看出USN結構更加接近物聯網的各項性質，因此，本文選擇USN結構作為監控系統的基本體系結構模型。

3.2 物聯網的技術構成

3.2.1 無線傳感網技術

無線傳感網基本構成要素是傳感器節點，收集監測區域內溫度、濕度、壓力、聲音、光線等因素，目的是將上述監測信息數據收集、處理并傳遞給監測者。比較適用于大規模大范圍數據監測。

3.2.2 射頻識別(RFID)技術

RFID技術是集成了包括天線、無線通信、芯片等技術在內的一種靠發射高頻或低頻信號主要對運動中、遠距離的物體進行識別、數據收集與處理的數據讀寫技術。

3.2.3 傳感器及探測技術

?習近平:《共同創造亞洲和世界的美好未來——在博鰲亞洲論壇2013年年會上的主旨演講》(2013年4月7日)，人民出版社2013年版，第4頁。

傳感器技術在朝著數字補償、網絡化、智能化、多功能復合的方向不斷發展，其各項技術指標更加嚴格，補償工藝更加完善，抵御自然災害等風險的能力不斷提高。

3.2.4 云計算技術

云計算技術是集軟硬件、存儲器、處理器等為一體的虛擬化軟硬件解決方案。旨在為大量信息孤島提供協同連接，為用戶提供更多有價值的信息。

3.2.5 網絡通信技術

數據傳輸主要依賴于網絡通信技術，現有的通信技術包括IEE802.15.4、藍牙、NFL、GPRS等。

3.3 物聯網技術在冷鏈物流中的應用

3.3.1 物聯網技術應用于冷鏈物流生產加工環節

傳統生鮮食品生產加工環節開放程度較低，消費者發現產品質量出現問題，很難追究生產者責任，對于政府相關監督部門來說，由于生產加工環節的模糊性，質量問題溯源也是一個比較大的障礙，無法準確進行責任劃分。引入物聯網技術后，每個單項產品都會通過一定的編碼規則在數據庫建立產品質量檔案，對于生產加工的各個環節都能實現連續的溫度、濕度、環境菌落等指標監控，對應相應的責任人等各項信息，錄入冷鏈物流系統的數據庫。

3.3.2 物聯網技術應用于冷鏈物流倉儲配送環節

以RFID技術為例，在倉儲環節能夠實現產品信息的自動化讀取錄入，引導AGV小車正確運送到相應的貨架或儲存區，指引分揀員正確揀選產品并實現揀選路徑優化，通過貨位上設置的RFID標簽或產品包裝上的標簽信息掃描，進行揀選產品的二次復核，極大地提高了揀選準確性和效率。并能夠實時上傳出庫產品信息，保證倉儲產品信息的準確性。在配送環節，結合GPS定位技術、GIS地理信息技術、RFID技術等實現車輛路線規劃、車輛調度優化、在途產品、貨物溫度、濕度監控等可視化配送，從而保證在途產品、貨物的質量與安全。

3.3.3 物聯網技術應用于冷鏈物流銷售環節

由于冷鏈物流在銷售環節常常存在斷鏈現象，如受一些地區政策限制，冷鏈運輸車禁止進入人流密集地區的某些路段，導致配送至該段的產品必須轉換運輸工具，導致產品變質現象的發生。此外，在商超中，一些顧客從冷藏冷凍區取出產品后放棄購買，并未將產品歸入原位，也會在一定程度上造成斷鏈現象。通過產品上附帶的RFID標簽，RFID閱讀器即可實時傳送在冷藏冷凍區的溫度信息，及時反饋給管理部門，也可以在顧客購買產品后一次性讀取購物車內產品信息，生成價格結算清單，更新商超庫存數據。及時傳遞給供應商進行產品補貨。

3.4 利用物聯網技術構建冷鏈物流監控體系

3.4.1 系統需求分析與總體設計

為了保證物聯網技術的應用能夠有效解決冷鏈物流的應用需求，并解決應用過程中出現的理論問題與實際技術問題，首先，必須做系統的需求分析，即建立一個從物聯網信息采集、傳遞、融和、處理和應用角度的核心用例模型，并綜合核心用例為一個關聯模型。

監測系統的核心是物聯網信息平臺，主要用戶包括政府監督部門、消費者、冷鏈物流企業、生產企業；主要功能模塊包括運輸管理系統(TMS)，倉儲管理系統(WMS)，安全追溯系統、監控預警系統。

圖2 冷鏈物流監測系統總體功能設計

3.4.2 基于USN物聯網體系結構的監控系統設計

USN是由韓國電子與通訊技術研究所提出的物聯網體系機構，從底至上分為感知層、傳輸層、處理層、應用層。感知層主要由EPC編碼標簽、傳感器、攝像頭、傳感器組網、網關構成，通過與周邊環境相關參數的感知，收集溫度、濕度等指標，經由讀寫器上傳控制系統經過數據過濾、校對、完整性檢驗等步驟，進行深入處理。最終應用層通過對收集的信息轉化為視頻、圖像、文字等方式對產品信息進行監控、管理和應用。

USN以互聯網作為網絡基礎設施，通過在感知層部署傳感器來收集溫度濕度、GPS定位等指標數據，經過將傳感器與RFID網絡集成，可以把采集的數據在后端服務器中進行處理，再提供給應用平臺。作為一種典型的后端集中式體系結構，USN物聯網中的信息處理業務和用戶服務請求是由后端支撐平臺或服務器來完成的。重點需要選擇連接方式、通信協議、服務機制三個層次的實現方法。

互聯網標準化組織IETF基于開源的uIP協議實現了輕量級的IPv6協議，可以運行在資源受限的低功率設備上，可以運行在多種介質上(如低功耗無線、電力線載波、WiFi和以太網),有利于實現統一通信；IPv6可以實現端到端的通信，無需網關，降低連接成本，同時采用IETF Ro LL工作組制定的RPL路由協議，從而實現物聯網監控服務。

圖3 RPL路由協議

圖4 冷鏈運輸車溫濕度監測結果

4 結束語

本文著重討論物聯網監控系統的模型設計，對于物品的語義標注、查找、處理等不作過多探討，但不能忽視其對物聯網的重要影響。

為了進一步促進物聯網技術應用于冷鏈物流系統建設，需要政府下大功夫創設一個利于冷鏈物流發展的法制環境，完善冷鏈物流基礎設施建設，協調區域發展不平衡，努力推動先進物流信息技術的發展與應用，引入國外先進的冷鏈物流運作模式與管理經驗，培養復合型冷鏈物流管理人才，才能推動我國冷鏈物流彎道超車，實現跨越性發展。