基于N-K模型的果蔬冷鏈物流安全風險耦合研究

王 佳，鄭天玉，劉 喜，張巧巧，趙春箏

（1.長沙理工大學 交通運輸工程學院，湖南 長沙 410114；2.湖南新視野交通規劃設計院有限公司，湖南 長沙 410114）

0 引言

“鄉村振興”戰略的實施推動我國農業迅速發展，人民生活水平和消費水平的不斷提升也使我國果蔬需求向高品質、多樣性方面發展。由于生鮮果蔬產品種類眾多，且具有易腐性、季節性、受環境影響大、保存時間短等特點[1]，運輸過程中對溫度、濕度等有較高要求[2]。據統計，我國每年果蔬產品損耗率高達30%。冷鏈物流是提高果蔬農產品質量與食品安全的重要保障，果蔬冷鏈物流系統安全取決于相關技術人員、設施設備、周邊環境及管理等整個冷鏈物流體系各環節的耦合協調作用，一旦系統耦合失調，將導致果蔬產品質量安全問題。因此，研究果蔬冷鏈物流體系中關鍵性因素獨立作用和多因素間耦合作用的風險概率變化，對于提升果蔬冷鏈物流安全具有重要意義。

關于果蔬冷鏈物流安全相關問題的研究，國外學者Abad 等[3]、Metzger 等[4]基于RFID 技術開展了冷鏈物流的追溯與監控研究；Bakker 等[5]基于易腐食品變質保質期問題，根據不同生鮮食品的特點，將食品周期分為商品周期固定、隨機、隨庫存變化3類；Raut等[6]提出一種模糊多準則決策方法，通過對第三方冷鏈物流的評估和選擇，降低果蔬產品損耗；Magalh?es 等[7]基于解釋結構建模方法，分析了14種果蔬供應鏈中食品損耗的原因，并結合交叉影響矩陣相乘法確定了5 個根本原因，提出降低損耗的有效方法；Bhaskar 等[8]評估了印度果蔬供應鏈中造成產品損失的關鍵因素，為管理決策者提供了改善果蔬供應鏈整體績效的建議。我國學者如楊芳等[9]為提高果蔬食品流通的時效性和質量安全性，將復雜的果蔬冷鏈系統變成多Agent 協同運作的物流體系；胡瀅[10]基于綠色供應鏈，對我國鮮蔬鮮果冷鏈物流效率進行研究，從政府、行業和企業3 方面為鮮蔬鮮果冷鏈物流發展提出對策建議；楊揚等[11]采用模糊故障HACCP 法建立以云南省為例的生鮮農產品國際冷鏈物流質量管理體系；戎陸慶等[12]基于灰色理論對廣西果蔬冷鏈物流需求進行了研究并預測了影響因素；王想[13]為實現冷鏈過程動態監測、精細控制和全程追溯，通過監測貯運環境參數，進而對冷鏈品質變化進行預測和反演，探究了水果冷鏈物流氣體傳感信號和品質變化動態耦合機理與建模方法。

綜上可看出，既有研究側重于果蔬冷鏈運作模式、質量安全體系和溯源管理等方面的定性分析，缺乏對果蔬物流系統內部運作整體風險層面的研究。目前對于各類子系統因素耦合風險的形成機理或基于耦合風險概念評估系統安全性等方面的研究，主要集中在航空裝備[14]、瓦斯爆炸[15]、突發事件應急管理[16]、交通安全[17]等領域，缺少涉及冷鏈物流系統安全的相關研究。事實上，果蔬冷鏈物流安全問題的發生多為不同風險因素相互作用、相互耦合的結果。因此，為提高我國果蔬冷鏈物流的安全性，探究導致果蔬冷鏈物流安全問題的多種因素風險耦合性質和耦合規律迫在眉睫。

鑒于此，本文將系統全面地識別果蔬冷鏈物流運作過程中的安全風險因素，基于系統動力學原理定性分析多種因素間的耦合作用，采用N-K模型量化各因素耦合后的風險值，明確各組合形式的關鍵性風險因素，以期為果蔬冷鏈物流的風險管控提供一定的理論支持。

1 安全風險耦合機理分析

1.1 果蔬冷鏈物流系統安全風險因素識別

果蔬冷鏈物流系統指從采收到生產加工、運輸、儲藏、配送、銷售各環節（如圖1所示），始終將易腐、生鮮的果蔬農產品保持在適宜的溫濕度環境下，保證其質量安全、降低損耗的鏈式物流系統。由于管理缺失、技術不足等問題，果蔬冷鏈物流系統在冷藏運輸、冷鏈配送等過程中，會出現產品質量下降、損耗嚴重的情況，各環節所造成的產品損失風險總和即為果蔬冷鏈系統安全風險[18]。

圖1 果蔬冷鏈物流系統運作流程圖

結合以上定義及參考已有文獻[19-20]，本文將果蔬冷鏈物流系統安全影響因素分類進行調整，分為人為、管理、設備、技術及環境因素，具體如下：

（1）人為因素：指人員的生產技術水平發揮不正常、操作失誤等；

（2）管理因素：組織管理的缺失體現在供應商選擇、農藥殘留檢驗、消毒計劃執行、運輸工具選擇等方面；

（3）設備因素：設備不安全狀態包括硬件配套設施老化、設備工具故障、物流信息管理系統出現問題等；

（4）技術因素：指裝載、檢驗、質量追溯管理及控溫保鮮等環節涉及的技術層面風險造成產品質量安全問題及損失等；

（5）環境因素：指自然風險、衛生污染、政府監控力度不強、消費者認知不足等。

影響果蔬冷鏈物流系統安全的風險因素錯綜復雜，基于系統動力學[21]原理，將以上5 類主要風險因素表示為整個安全系統的子系統。部分子系統之間的關聯關系如圖2 所示（箭頭指向表示某風險因素導致或增強其他風險因素發生的可能性），其中單個風險系統內不同因素之間發生的相互耦合作用為同質耦合，比如果蔬冷鏈制冷設備損壞且未及時修理會導致設備故障，長期下去會導致整個系統硬件配套設施老化，從而增大設備因素風險，當風險超過一定閾值時會導致不安全事件的發生；多個風險系統不同因素間發生的相互耦合作用為異質耦合，比如人為-技術因素風險，當果蔬冷鏈系統技術方面存在不足會影響相關人員心理素質水平的穩定性，從而增加人為因素風險。因此對安全風險因素進行耦合分析尤為重要。

圖2 果蔬冷鏈物流系統安全風險因素內在關聯示意圖

1.2 果蔬冷鏈物流安全風險耦合形成機理

為了進一步闡明各子系統的風險因素如何部分或完全破壞原始耦合風險承載體有序而平衡的防御系統，采用事故致因理論中的軌跡相交理論[22]來分析果蔬冷鏈物流系統安全風險因素的風險耦合形成機理。多個風險子系統除了內部2 級風險影響因子之間相互疊加、耦合，導致基礎風險值擴大，突破其風險安全閾值，還有可能與其他風險子系統的2 級風險影響因子相互疊加、耦合，以致超過果蔬冷鏈物流系統的安全風險閾值，甚至打破整個體系的風險平衡狀態，從而導致果蔬冷鏈物流安全問題，如圖3所示。

圖3 果蔬冷鏈物流安全風險耦合形成機理示意圖

根據風險機理分析，將果蔬冷鏈物流安全風險耦合類型分為以下3種：

（1）單因素風險耦合Ⅰ：由單一風險因素自身或內部因素之間相互作用和影響導致風險的發生。若用T1表示單因素耦合風險值，a,b,c,d,e分別表示人為、管理、設備、技術及環境因素，則各因素對應的耦合風險值可分別表示為。

（2）雙因素風險耦合Ⅱ：由兩種風險因素相互作用和影響導致風險的發生。若用T2表示雙因素耦合風險值，則人為-管理、人為-設備因素的耦合風險值可表示為，其他風險因素的組合同理。

（3）多因素風險耦合Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ：由3種或3種以上的風險因素相互作用和影響導致風險的發生。若用T3,T4,T5分別表示3 因素、4 因素和5 因素耦合風險值，則人為-管理-設備的耦合風險值可表示為，人為-管理-技術的耦合風險值可表示為，同理為人為-管理-設備-技術4因素耦合風險值，T5(a,b,c,d,e)為人為-管理-設備-技術-環境5因素耦合風險值。

2 安全風險耦合模型構建

果蔬冷鏈行業與其他行業相比，具有量大、點多、面廣的特點，再加上新鮮的水果蔬菜腐爛變質過程快，這對復雜的果蔬冷鏈物流系統安全性提出了更高的要求[23]。交互信息理論適用于解決復雜系統問題[24]，本研究即采用交互信息量（Mutual Information）進行風險耦合模型構建。

2.1 N-K模型

N-K 模型起源于Kuaffman 研究的生物進化基因組合問題，后逐漸成為研究復雜動態系統的一個通用模型，其包括N和K兩個參數。針對果蔬冷鏈物流系統，N指研究整體的元素總數，即5個風險子系統；K為復雜動態網絡系統中子系統間的相互耦合數，取值范圍是[0,N-1][25]，各子系統內部因素可以有n種結合方式。通過計算果蔬冷鏈物流系統安全風險因素間的交互信息量，可以精確地評估耦合作用下的系統安全風險狀態，計算模型如下：

式（1）中：t1,t2,…,tN為N類風險因素；為N類風險因素的第M組耦合風險值；為風險因素t1在I1狀態、t2在I2狀態、…,ti在Ii（i=1,2,3,…,N）狀態下N類風險因素耦合發生的概率；為單個風險因素tN在IN狀態下發生的概率。

采用N-K 模型對系統風險因素進行耦合計算，某種組合形式的耦合發生次數越多，對應的耦合發生概率就越大，即根據耦合頻率衡量不安全事件發生的風險概率，計算所得T值越大，表明該組合對系統安全的影響程度越大。

2.2 果蔬冷鏈物流安全風險耦合模型構建

本文分析雙因素和多因素兩種情況下的耦合情況，根據果蔬冷鏈物流安全風險耦合的分類及形成機理，對果蔬冷鏈物流系統運作過程中的5類風險因素交互信息進行計算，可得各因素間相互耦合風險的量化值，T值越大，表明在該狀態下果蔬冷鏈物流系統安全水平越低，果蔬產品損耗嚴重的概率就越大。基于N-K 的果蔬冷鏈物流安全風險耦合模型如下。

（1）多因素耦合模型

構建人為-管理-設備-技術-環境5 因素風險耦合模型，如式（2）所示：

式（2）中：Ph,i,j,k,l指人為因素在h狀態、管理因素在i狀態、設備因素在j狀態、技術因素在k狀態、環境因素在l狀態下，5類因素耦合發生的概率；Ph****表示人為因素在h狀態下發生的概率（Ph****,P*i***,P**j**,P***k*,P****l同理），h,i,j,k,l∈[0,1]表示5 類因素的風險狀態，0 和1 分別表示風險因素未發生作用和發生作用的情況，*表示風險因素處于任意狀態下，例如下標為“0**1*”，表示其他因素為任意狀態下，人為因素不發生作用、技術因素發生作用導致系統不安全事件發生的情況。

以人為-管理-設備-技術為例可構建4 因素風險耦合模型，如式（3）所示；以人為-管理-設備為例可構建3 因素風險耦合模型，如式（4）所示。同理，可構建全部多因素風險耦合模型。

（2）雙因素耦合模型

構建人為-管理雙因素風險耦合模型，如式（5）所示。同理，可構建等雙因素風險耦合模型。

3 實例分析

3.1 實例背景

以湖南某果蔬發展有限公司為例，收集其2014—2019 年發生的果蔬冷鏈物流系統不安全事件共232 起，采用N-K 模型的風險耦合測度對該公司果蔬農產品冷鏈物流系統的安全性進行評價分析。統計由不同風險組合導致的不安全事件數和概率，如表1～表3所示。

表1 單因素耦合不安全事件數和概率

表2 雙因素耦合不安全事件數和概率

表3 多因素耦合不安全事件數和概率

3.2 耦合風險計算

首先計算各單因素風險耦合在不同情況下發生的概率（結果見表4），然后將其代入果蔬冷鏈物流安全風險耦合模型，計算雙因素、多因素風險耦合在不同情況下發生的概率，結果如表5～表8所示。

表4 單因素風險耦合不同情況下發生的概率

表5 雙因素風險耦合不同情況下發生的概率

表6 3因素風險耦合不同情況下發生的概率

表7 4因素風險耦合不同情況下發生的概率

表8 5因素風險耦合不同情況下發生的概率

根據表5～表8所示不同情況下各因素耦合發生的概率，結合式（2）～式（5），計算雙因素和多因素的耦合風險值，具體如下：

（1）雙因素耦合風險值

（2）多因素耦合風險值

按耦合因素數類型繪制耦合風險值分布曲線，如圖4所示。

3.3 結果分析

針對上述計算結果及圖4進行分析，可知：

（1）隨著風險耦合因素的增多，耦合風險值整體呈上升趨勢，5 因素耦合風險值最大，雙因素耦合風險值最小，說明系統風險會隨耦合風險種類的增加而變大。

（2）4 因素耦合風險平均值約為3 因素的2.5倍，3 因素耦合風險平均值約為雙因素的3.5 倍，說明局部耦合中，3 因素耦合導致系統發生不安全事件的可能性明顯升高，要盡可能避免3 種及以上風險因素耦合導致不安全事件發生。

（3）雙因素耦合中，管理-設備因素造成的風險最大；3 因素耦合中，人為-管理-設備、管理-技術-環境造成的風險較大；4 因素耦合中，管理-設備-技術-環境造成的風險最大。

（4）管理與設備因素不但內部耦合風險值相對較大，且二者同其他因素進行耦合時，風險值也較大，可見缺乏系統的管理體系和優良的果蔬保鮮設備，將對果蔬冷鏈物流系統安全造成較大威脅。

（5）人為、管理因素耦合與人為、環境因素耦合風險相對較小，對系統安全威脅較小。

圖4 不同類型耦合風險值分布曲線

因此，在有限的資源條件下，要維持果蔬農產品物流整個作業體系的平衡，應盡量控制管理、設備及技術因素對冷鏈物流系統的影響，以減少果蔬產品物流損失，提高果蔬品質。

4 結語

果蔬冷鏈物流系統復雜多樣，其所有環節都可能帶來不可預測的風險。本文從人為、管理、設備、技術和環境風險5 個方面，基于系統動力學原理定性分析了風險因素間的耦合作用，運用N-K模型定量分析果蔬冷鏈物流系統耦合風險，得到更為直觀的數據和結果，為果蔬冷鏈物流安全風險管控提供了一定的理論依據。結果表明：管理、設備及技術是果蔬冷鏈系統安全風險的主要影響因素，與其他因素結合所產生的風險值也更大。因此，在實際的果蔬冷鏈物流系統運作過程中，要盡可能避免在系統脆弱處發生多因素耦合作用，同時要加強對從業人員和物流基礎設施設備的信息化管理，建立完善的果蔬冷鏈物流信息化系統，從而降低果蔬產品在冷鏈物流運作過程中的損耗率。不過，N-K 模型在大數據量模擬下結果更為精確，而本研究一方面數據量不夠大，另一方面考慮的風險指標仍不具全面性，未來將通過調研，不斷完善模型并驗證其合理性。