生鮮電商冷鏈裝配優化：提高物流效率與服務質量的研究

張美娟 楊小麗 吳鑫錕 吳睿兒

摘 要：生鮮電商行業得益于方便快捷的服務特性與電商技術的支持，近年來發展迅猛，市場交易額逐年攀升。但與之矛盾的是，運輸冷鏈商品所需冷鏈物流裝配服務未能達到企業目標，在出庫包裝上，生鮮企業缺乏科學的模型支持決策，依據經驗添置冰袋數目，導致成本高昂。本文研究了生鮮電商食品冷鏈耗材裝配優化問題，通過建模求解等過程為冷鏈運輸場景下的食品包裝提供優化方案，在滿足生鮮流通溫度區間的條件下，使包裝耗材總成本最小，調和了企業成本與用戶滿意度之間的矛盾，為企業提供理論依據和實踐參考標準。

關鍵詞：生鮮電商；冷鏈物流；仿真與建模；裝配優化；服務質量

本文索引：張美娟，楊小麗，吳鑫錕，等.<變量 2>[J].中國商論，2023（12）：-104.

中圖分類號：F724.6 文獻標識碼：A 文章編號：2096-0298（2023）06（b）--04

隨著電子商務行業的興起，我國生鮮電商市場規模近年迎來了高速發展。電商大數據庫顯示，生鮮電商行業2022年滲透率預計達10.28%，生鮮電商交易規模預計達5601.4億元，同比增長20.25%。在生鮮產品全球化、多元化、定制化需求的驅動下，豐富的冷鏈運輸和包裝方式隨之涌現出來。然而，在如火如荼的繁榮表象之下，生鮮食品的冷鏈管理發展前路仍困難重重，主要有以下兩點：

第一，冷鏈耗材是生鮮產品包裝的必需品，商家為了保證產品品質與服務質量，必須配備足夠的干冰、冰袋、保溫袋等冷鏈耗材。

第二，冷鏈耗材顯著增加了運輸成本，且冷鏈食品的裝配要求現階段缺乏行業標準。

這兩方面的問題亟須一種既能在理論層面科學可行，又能在企業實際操作運營中調和矛盾的解決方案。

在已有文獻中，涉及裝配優化的相關研究焦點往往是一般商品；涉及冷鏈物流的相關研究又較多關注生鮮易腐品，針對冷鏈耗材包裝優化方面的研究較為缺乏。在冷鏈企業中，裝配環節缺乏相應行業標準與理論依據，企業的一線作業員往往根據經驗進行決策，非常容易造成耗材浪費或食品腐壞，對企業的成本控制造成阻礙。

綜合以上情況，本文對生鮮電商企業的冷鏈食品包裝耗材優化問題展開研究，構建優化模型，分析策略，并得到相應優化決策，以期為企業提供理論依據和實踐參考標準。

1 文獻綜述

1.1 冷鏈適宜產品及相應溫度區間劃分

黃艷和章學來（2015）總結出目前冷鏈適合的產品包括：（1）初級農產品：蔬菜、水果；水產品；肉、禽、蛋；花卉產品。（2）加工食品：禽、肉、水產品等包裝熟食；快餐原料； 速凍食品；果蔬飲料，冰激凌和奶制品。（3）特殊商品：藥品、試劑、疫苗等。不同產品所需的冷鏈儲運溫度不同，對于冷藏產品而言，-10～4℃是最適宜的儲運溫度，冷凍食品則是-18℃。

陸翔華（2005）對冷鏈商品適宜運輸溫度作出更精細的劃分，劃分出生鮮產品冷鏈存貯及流通溫度帶：冷溫帶（20℃以下、10～0℃）、過冷帶（0～-5℃、-10～-18℃）和凍溫帶（-23～-30℃、-30～-50℃）（見表1）。

1.2 保溫箱自身條件、環境溫度、冰袋等條件對內裝物溫度的影響

曾姝莉等（2019）指出：發泡聚苯乙烯泡沫箱在不同環境溫度條件下具有保溫效果，加入冰袋后，可以有效延長泡沫箱的保溫時間。通過試驗表明，泡沫箱內尺寸大小、冰袋數量、壁厚、冰袋與農產品質量比都會影響泡沫箱的保溫效果。

王益光等（2003）在試驗中證明，冰的致冷能力是相對穩定的，也就是說，一定數量的冰熔化時吸收的熱量是不變的，但其制冷效果取決于當時外界溫度。也就是與當時環境溫度的高低關系很大，如果室溫很高，就會明顯降低冰的制冷效果。

1.3 仿真溫度數據測定

Bridget Paulus利用COMSOL傳熱模塊模擬仿真器官在運輸過程中的溫度變化，使得器官在規定時間內保持適當的溫度，以確保器官不遭腐壞。

2 問題描述與模型建立

2.1 研究問題

本文研究生鮮食品在冷鏈運輸中的包裝優化問題。研究方式上通過建立數學模型、物理仿真、函數參數擬合、模型求解、實例分析五個研究步驟，在給定訂單信息，如待包裝的物品信息（包括物品尺寸、物品運輸要求溫度區間）、包裝信息（包括冰袋規格、保溫泡沫箱尺寸）、物品配送信息（配送時間）、環境信息（包括環境溫度）條件下，求解出滿足物品配送過程中所需內置冰袋數量，在規定時間內滿足其運輸溫度區間要求，并實現總成本最小化。

2.2 數學模型建立

本文將冷鏈食品運輸包裝優化問題轉化為以下模型優化問題。

其中，式（1）表示目標函數，即總成本最小化；式（2）表示溫度函數約束，即在運輸時內裝物溫度必須在合理區間內；式（3）限制了冰袋與內裝物的體積之和須小于或等于保溫箱體積；式（4）限制了泡沫箱必選且僅能選擇一種；式（5）為冰袋的整數約束，同時規定了0表示未選擇某種泡沫箱，1表示選擇某種泡沫箱。

特別地， 表示溫度變化函數，與冰袋的數量、環境溫度、泡沫箱容積、待包裝物品的屬性有關。為便于后續擬合，將T函數拆解為兩種：令Tmax代表內裝物溫度最大值函數，Tmin代表溫度最小值函數。

3 研究設計及算法

首先，設計仿真實驗，并以實驗數據對T函數進行多段折線擬合，刻畫較為精確的T函數。其次，設計算法，并在Matlab上加以實現。最后，根據實際數據進行實例求解，并對優化結果進行分析與總結。

3.1 物理場仿真

本文采用COMSOL Multiphysics進行物理場仿真實驗。由于模型建模參數較為復雜，整體采用了COMSOL的傳熱模塊。

在物理場建立運輸物的包裝模型。如圖1所示，泡沫箱（保溫箱）以泡沫為材料，呈長方體，最上方置有箱蓋。內裝物（食品）置于泡沫箱中央，并于其四周添置蓄冷劑（冰袋）。

在工具欄設定內裝物體積、保溫箱（泡沫箱）尺寸體積、環境溫度、運輸時間，為內裝物的四周添置一定體積的冰，并進行模擬運輸溫度計算。全過程結束后，如圖2所示。

實驗為每個算例在8種不同冰體積下的運輸過程進行仿真模擬，相應得到內裝物在運輸過程中的溫度最大值、最小值分別隨冰體積波動情況完整數據。

3.2 參數擬合

將每個實例的8組溫度數據點描繪在二維平面上，并在origin2023中用多段折線函數分別擬合Tmin關于冰體積的函數和Tmax關于冰體積的函數。

3.3 算法設計

為求解2.2節中的數學模型，并在Matlab軟件上實現，在算法設計上利用蒙特卡洛算法，并利用上述擬合出的分段線性函數結果，根據運輸中要求保持的溫度區間，預測最優的冰袋配給，估算包裝和冰袋的最低總價。

輸入運輸中要求保持的溫度區間：、，輸出。X是冰袋數目，定義為從1～1000的隨機整數，用rand（）函數生成；Xv是冰袋體積，由冰袋數目乘上冰袋體積換算而來（見表2）。

在相應的線性分段區域內，利用相應的分段函數、計算、。如果計算出來的溫度在要求的溫度 區間內，且比前代的值更小時，更新 ，通過多次迭代搜索得到最少的冰袋數，最后計算出最少的總價。

4 實例

說明：如表3所示，在十組實例中，所有冰袋規格均為

其中，（環境溫度（ ））、（運輸時間（h））、 （內裝物體積（m3））、 （箱子容量（m3））是算法設定的初始參數，根據常見的冷鏈情況運輸設置。

另外 ，和 分別表示模型可以維持內裝物的最低溫和最高溫，可以根據商家需求輸入相應的溫度區間。是通過算法求解出來的在不同要求下的最優冰袋數目； 是對應的成本（包括不同大小的箱子的費用、所用冰袋的費用）。

比較算例結果可以發現，組別一、組別二計算出的最優冰袋數與后八組數目相差較大。深入分析算例的初始設定條件可知，造成偏差的因素可能與運輸的環境溫度過高（39℃）、運輸時間過長（72h）有關。在實際冷鏈運輸時，溫度過高或運輸時間過長仍選用以冰袋進行保溫需要消耗大量冰袋。針對以上問題，對后續算例初始設定進行以下調整：

首先，設定待運輸的物品先在長途運輸的過程中始終處于冷藏車或冷鏈專用運輸車的環境溫度下，到達倉庫后立刻入庫進入相應的溫度區間下貯藏。然后，在短途運輸和小批量但高頻的訂單配送中采用冰袋保持低溫。

經改進后的實例結果可見，后八組的最優冰袋數目明顯減少，同時包裝內可以通過冰袋維持的溫度在降低，基本可以滿足生鮮物品的短途運輸和適宜溫度，具有較寬的可控溫度范圍。

對比組別六和組別七可發現，兩組實例環境溫度相同，運輸時間基本相等，但由于組別七的內裝物體積是組別六的4倍，泡沫箱體積約為組別六的2.5倍，為維持內裝物在相近的溫度區間內，組別七使用的冰袋數更多。

5 結語

本文針對當下冷鏈耗材成本與控溫之間存在的矛盾，在技術上，首先，構建優化包裝方式的數學模型，通過物理仿真實驗進行數據收集；其次，擬合出影響溫控的關鍵函數；最后，依托計算機軟件計算出具體的包裝優化物理仿真模型實例。結果表明，在滿足溫度要求區間的前提下實現了成本的最小化。本文的研究成果提供了一種實現顧客需求與降低耗材成本的可行路徑。

參考文獻

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