智能化冷鏈物流綜合防控技術體系研究

周 強，傅少川

(北京交通大學經濟管理學院，北京 100044)

1 冷鏈物流發展現狀及存在問題

冷鏈物流是指農產品經過預冷處理后，從原料產地通過冷藏車、低溫液體運輸車運往食品加工廠進行加工處理，經過冷藏車運往冷庫進行保溫儲藏或直接由冷藏車運到賣場和消費者手里的物流過程［1］。冷鏈全程制冷技術是冷鏈物流的關鍵技術，在冷鏈物流各環節發揮著重要的作用，能夠保障生鮮農產品品質和減少腐敗變質。

1.1 發展現狀分析

（1）冷鏈市場保持平穩較快增長。隨著人們對綠色健康農產品需求的不斷擴大，生鮮、農產品等易腐產品逐漸獲得大家的認可并進入每家每戶的餐桌，冷鏈物流行業得到百年難遇的發展機遇。

2018 年，我國冷鏈物流需求總量為18 050 萬t，比2017 年增加3 300 萬t，同比增長高達22%（如圖1）；冷鏈物流市場規模全年實現3 035 億元，比2017 年增長近485 億元，同比增長高達19%（如圖2）；全國冷庫累積總量已經超過5 238 萬t，全年新增加庫容量為488 萬t，同比增長大約10.3%；國內新開通的鐵路專用冷鏈專線20 條左右，鐵路冷鏈運量已經超過160 萬t，一定程度上豐富了冷鏈運輸的方式［2］。隨著市場需求的進一步增加，加上政策和外部標準環境的持續推動，預計“十四五”期間冷鏈物流行業仍將持續快速增長。

圖1 2013—2018 年我國冷鏈物流需求總量及年增長率

圖2 2013—2018 年我國冷鏈物流市場規模及增速

（2）冷鏈物流設施設備區域分布差異化顯著。受到經濟發展的地域性特點和區域氣候的影響，我國冷鏈中冷庫主要集中在華東地區，華東地區的冷庫容量占到我國總容量的38%，西南、華北、西北的冷庫容量較少，占比均未達到10%；冷藏車遵循同樣的分布規律，華東地區的冷藏車占我國冷藏車的35%，西南、華北、西北的冷庫容量較少，占比均未達到10%（如圖3）。由此可見，我國目前冷鏈物流的冷庫、冷柜和冷藏車等基礎設施設備分布不均衡，經濟欠發達地區占比相對較低，冷鏈基礎設施設備的結構性失衡最終導致冷鏈物流成本高，嚴重制約冷鏈物流行業的高效發展［3］。

圖3 2017 年我國冷庫容量和冷藏車分地區占比

（3）冷鏈物流水平與發達國家差距較大。我國冷鏈物流市場仍落后于發達國家，具有較大的提升空間。在冷鏈物流技術角度，國外尤其是美國的冷鏈已經擁有大量先進完善的設施設備，相比之下國內的冷鏈物流行業剛起步，信息化水平低，智能化裝備落后，在物流運營過程中往往出現“斷鏈”現象。表1 是中美冷鏈物流對比，從中能夠看出在冷鏈利用率、人均冷庫容量等方面，中國目前還有很大的發展空間，加快建設智能化冷鏈物流綜合防控技術體系迫在眉睫［4］。

表1 中美冷鏈物流對比

1.2 發展存在的問題

（1）核心技術落后，設備設施發展滯后。冷鏈食品含有易腐蝕、易變質和易霉變的生化特性，冷鏈物流各環節必須嚴格應用冷藏技術和設備。我國冷鏈物流起步較發達國家晚，發展相對較慢，冷鏈物流的基礎設施及配套設備相對落后，冷庫和冷藏車數量不足，尚未形成完整的冷鏈物流系統。冷鏈物流設施分布失衡，冷庫主要集中在東部沿海地區，中西部欠發達地區需求豁口大，區域失衡較嚴重。另外，在設備種類及功能上也存在失衡現象，大部分冷庫冷柜設施無法精準控溫，導致社會資源的巨大浪費。

（2）冷鏈物流成本高、能耗高。我國單位冷鏈運輸能耗是發達國家的2 倍多，冷鏈物流成本占比高達70%［5］。由于冷鏈物流核心技術落后，加上近年來能源價格的持續上升，冷鏈行業被迫使用低標準的冷庫、冷柜和冷藏車等設施設備，直接導致冷鏈物流成本居高不下。另一方面，生鮮、糧油等易腐食品本身具有易腐蝕易霉變的生物特性，目前在物流流通環節，由于基礎設施配套不足，沒有先進的冷藏系統、智能化的檢測設備，高能耗高排放的運輸車輛占比高，易腐食品在冷鏈運輸中損失率大，產品價值降低，增加了不必要的物流成本和環境污染。

（3）“斷鏈”現象顯著。發達國家的冷鏈率能夠實現100%，但是我國冷鏈行業資源分配不合理，基礎設施設備技術含量低，物流環節銜接技術不足，生產地缺乏冷處理相關設施，使得物流過程各環節難以有效鏈接，造成冷鏈中斷。另一方面，我國許多冷鏈企業對全程低溫的認識觀念不足，物流技術人員操作不合規，管理模式不合理，間歇性停用相關設施，導致整個冷鏈物流過程中經常出現“斷鏈”現象［6］，大大制約了我國冷鏈行業的高效發展。

2 智能化綜合防控技術體系

生鮮、農產品等易腐食品具有時效性、易腐敗的特點，在冷處理、倉儲、生產加工、運輸和銷售過程中任何一個環節，如果沒有及時對產品環境中溫度、濕度、空氣等條件進行實時準確的監控，就可能發生產品腐敗、變質等問題［7］。針對前面提出的冷鏈物流發展問題，基于物聯網、云計算和大數據技術，結合國家食用農產品監測平臺，設計一套智能化冷鏈物流綜合防控體系（如圖4），實現針對生鮮、農產品等易腐食品的全國統一監控、實時監測、安全預警和追溯，其中體系核心子系統包括對生鮮、農產品等易腐食品的實時監控、安全預警和食品追溯功能。

圖4 智能化冷鏈物流綜合防控體系

2.1 智能化冷鏈物流綜合防控系統架構

由于RFID、溫濕度傳感器等物聯網技術能夠準確進行數據采集，同時實現分析數據、傳輸數據、反饋數據的功能，因此在構建智能化綜合防控體系時，考慮將物聯網技術作為信息采集主要工具。基于物聯網和云計算技術構建的冷鏈物流綜合防控體系，以系統層次結構為基礎，融入生鮮、農產品等易腐食品安全預警、食品追溯的運作規則，進而開發設計相應的系統架構（如圖5）。

系統架構具體涵蓋應用層、服務層、數據層、傳輸層和物理層。應用層是系統的展現層，系統架構設計的好壞是通過應用層得以體現，目前通用的應用方式主要包括手機終端APP、ERP 接口、應用平臺和新媒體手段。服務層是系統權限的管理層，包括對生鮮、農產品等易腐食品的實時監控、安全預警、食品追溯和信息查詢等管理和配置，同時根據不同用戶性質配置相應的管理權限。數據層是冷鏈物流綜合防控體系的數據核心，涵蓋WEB 服務器、數據庫服務器、接口服務器及應用服務器，采用云計算實現海量數據的快速處理、建模和深度挖掘。傳輸層通過OS、4G/5G、Zigbee、WIFI 等現代傳輸技術，將物理層獲取的關鍵數據傳輸到數據中心，比如溫濕度信息、車輛實時監控信息、參與者用戶信息等。物理層是系統底層，也是系統關鍵的部分。主要實現包括RFID、EPC、無線傳感器、有線監控設備等物聯網技術的硬件管理，智能化信息收集終端快速掌握易腐食品的物理特征參數，為數據層提供數據支持。

圖5 智能化冷鏈物流綜合防控系統架構

2.2 實時監控

能夠準確地確認易腐食品的物理狀態，對于優化食品的質量和經濟可行性至關重要［8］。生鮮等易腐食品從原材料開始直到最終達到消費者的手中，全冷鏈過程的任何環節都要考慮在內，建立信息采集系統［9］，通過生物快檢、識別和物聯網技術，將采集的詳細信息匯總到監控中心，達到全程實時監控的目的。打造一條封閉循環的信息網絡和服務鏈條，實現統一的監控管理和查詢方案，記錄冷庫、冷柜、冷藏車等實時的溫度、濕度、空氣等參數變化情況。同時面向政府監管部門、冷鏈相關廠家、企業和消費者，實現可以隨時查詢掌握情況、及時糾正控制問題（如圖6）。借助信息公共平臺的開放性和透明性，最大程度地降低冷鏈物流過程中信息損失和中斷風險，提高智能化實時監控效率。

圖6 智能化冷鏈物流實時監控運行原理

2.3 安全預警

針對監測預警的研究最早可追溯至19 世紀末［10］，國內預警管理暫時處于初步應用階段，應用在生鮮、農產品等易腐食品冷鏈物流管理領域更是鳳毛麟角。在本文中的“預警”重點放在對腐敗、變質等風險的事前評估和預判上，通過安全預警防止事態的惡化和無限放大。安全預警系統是智能化冷鏈物流綜合防控系統的重要組成部分［11］，易腐食品的預警實際上是針對突發情況，比如產品腐敗、潰爛、遺失、變質等，進行的事前風險分析，通過信息采集和獲取，隨時掌握冷鏈物流各個環節的易腐食品的參數情況，借助風險評價模型和影響因素分析模型［15］，針對多種類、多地點的多維數據，掌握事件發生的內在規律和聯系，通過數據分析和互聯網技術，采用包括閾值法、卷積神經網絡和馬爾可夫模型等算法，提出合理準確的預防機制，建立整體風險分析的等級評估，提高整個智能化系統的決策效率。安全預警系統還要包括應急處置功能，在精準預測分析的基礎上，針對不同的產品、不同流通環節設計有針對性地應急措施，實現科學高效的應急處置機制（如圖7）。

圖7 智能化冷鏈物流安全預警運行原理

2.4 食品追溯

考慮冷鏈物流環節的不同參與主體，遵循生鮮、農產品等易腐食品的“向前一步，向后一步”的設計原則，設計實現在冷處理、倉儲、加工、運輸和銷售冷鏈過程中的食品追蹤和追溯功能。由于易腐食品種類繁多，涉及到的冷鏈環節眾多，增加了農產品信息追溯和追蹤難度。區塊鏈［12］具有防止虛假信息篡改和亂入的技術優勢，能夠輔助實現生鮮、農產品等易腐食品追溯信息的客觀性和真實性。

具體運行流程包括產品標識、數據錄入、數據訪問（如圖8）。借助RFID 射頻識別等數據載體、電子數據交換等全球統一標識系統，對冷鏈物流過程進行食品標識，同時將獲取的數據存儲數據中心。在冷鏈參與各個主體企業內部進行信息維護或不同企業之間進行交易的過程中，通過區塊鏈技術實現記載操作記錄，由于區塊鏈技術本身固有的特性保證了追溯系統的穩定性和真實性。食品追溯就是為了實現快速準確地找到問題環節和原因，有針對性地采用措施，從而將損失降到最小。根據食品信息數據可追溯到相應的冷鏈物流環節和參與主體，通過采取挽救措施或補救辦法，避免發生更大范圍、更為嚴重的易腐食品安全問題，從而改善生鮮、農產品等易腐食品的流通現狀，有助于建設品質更高、更為安全可靠的冷鏈物流。

圖8 智能化冷鏈物流食品追溯運行原理

3 相關建議及改進措施

3.1 提高冷鏈物流核心技術

參與冷鏈運輸的食品都是果蔬、水產品等易腐食品［14］，不同種類食品對保鮮、保溫技術要求大不相同，因此必須提高冷鏈物流核心技術，綜合應用在冷庫、冷藏車和冷柜等基礎設施設備中。生產環節借助RFID 詳細準確地記錄果蔬、水產品等易腐食品的多維生產信息；冷鏈加工環節通過溫濕度傳感器、有線攝像頭等記錄加工全過程，將獲取的數據全部存入數據中心，為食品安全預警和追溯提供前期準備；運輸環節將GPS、信息采集技術、無線通訊技術等應用在冷鏈運輸車設備中，作為物聯網信息采集終端的一部分；倉儲環節重點研發冷庫、冷箱等設備智能感官技術，實時監測并確保庫內易腐食品最優的貯藏條件；銷售環節利用識別技術、VR 傳感等新技術實現場內生鮮、農產品等易腐食品的高效監控，為監管部門和消費者提供準確快速的溯源管理。加速推進冷鏈物流的基礎設施智能化建設，推廣新技術在不同物流環節的應用，初步建成布局規范、設備先進、技術標準體系完整的智能化冷鏈物流綜合技術體系。

3.2 多式聯運實現跨區域冷鏈運輸

21 世紀以來我國冷鏈行業極速發展，目前已初步形成“五縱二橫綠色通道”生鮮食品物流網絡［13］。由于冷鏈運輸具有協調性和成本高的特點，因此在規劃過程中應科學構建跨區域冷鏈運輸系統。考慮以物流全環節為核心，兼顧不同品種易腐食品的生化特性，同時協調長短運輸距離之間多元運輸協調的問題；在改進冷藏車技術的基礎上也要提升火車、輪船和航空的冷藏技術，實現食品從農田到餐桌的物流運輸高效銜接；考慮冷鏈物流中轉樞紐和大型產銷地批發市場建設，以此為契機增強企業的戰略合作意識，建立果蔬、水產品等生鮮食品的基礎產業聯盟；從冷鏈物流中心到大型連鎖超市、體驗店、新概念店的配送過程，考慮采用小噸位、靈活度高、針對短途的末端配送體系，解決生鮮、農產品等易腐食品的冷鏈物流配送“最后一公里”的問題。

3.3 發展冷鏈物流綠色科技

目前國家大力推廣發展綠色物流及相關產業技術，為此需要研發綠色共享冷柜、物流箱、低耗節能冷藏車等冷鏈物流核心設施設備，采用物聯網技術實現物流環節的全程實時監控和信息的無縫對接。綠色環保、循環使用是綜合防控技術體系設計原則之一，在智能化實時監控、安全預警、食品溯源和安全交付等功能基礎上，融入綠色設計理念，鼓勵“綠色+”成為冷鏈物流技術設計的重要參考因素，加深多元冷鏈運輸環節的設施共享程度，最終達到冷鏈物流節能降耗的目的。

4 結論

在當今時代背景下，人們物質生活水平提高帶來對果蔬、水產品等生鮮易腐食品的需求激增，完成冷鏈物流過程配套的基礎設施的設備數量和質量又遠達不到所需水平，因此產生了一系列的冷鏈物流問題。對此提出的智能化冷鏈物流綜合防控體系，在充分整合發揮新技術、新理論的基礎上，對易腐食品實現監控、預警、追溯，實現從農田到餐桌的全程智能化防控，能夠解決目前冷鏈物流各環節出現的基礎設施建設水平低、技術含量不足和“斷鏈”的問題，實現冷鏈物流產業的高效綠色發展。