冷鏈云互聯(lián)低溫保障系統(tǒng)研究及其應(yīng)用

劉明超

（廣西新農(nóng)商供應(yīng)鏈科技有限公司， 廣西 柳州 545005）

0 引言

隨著城鎮(zhèn)化提速發(fā)展和居民消費(fèi)水平的升級，農(nóng)產(chǎn)品、水產(chǎn)品、乳制品、連鎖餐飲、醫(yī)藥、化工等領(lǐng)域的產(chǎn)品流通量逐年增加，人們追求健康生活的意識逐漸加強(qiáng)，對食品及醫(yī)療衛(wèi)生安全與品質(zhì)的要求不斷提高。生鮮農(nóng)產(chǎn)品保質(zhì)期短、流通腐損率高；藥品、疫苗、生物制劑等也都需要恒溫儲運(yùn)環(huán)境；應(yīng)運(yùn)而生的冷鏈物流是保障品質(zhì)、減少損耗的不二選擇，生產(chǎn)、貯藏、運(yùn)輸、銷售、配送等各環(huán)節(jié)的溫度控制成為極重要的流通硬指標(biāo)，這對于保證產(chǎn)品質(zhì)量、安全以及滿足消費(fèi)者需求具有至關(guān)重要的作用。冷鏈專用設(shè)施設(shè)備及冷鏈技術(shù)水平的提升對于冷鏈上下游產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 冷鏈技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

冷鏈產(chǎn)業(yè)對于裝備和技術(shù)的依賴度較高，服務(wù)對象包括農(nóng)產(chǎn)品、水產(chǎn)品、家禽肉類、加工食品、冷凍速凍食品、蛋奶制品、連鎖餐飲、酒水飲料、花卉以及化工品、藥品、生物制劑、精密儀器等特殊產(chǎn)品。我國中部農(nóng)業(yè)區(qū)、牧業(yè)區(qū)和西部地區(qū)的特色農(nóng)業(yè)冷鏈領(lǐng)域的基礎(chǔ)設(shè)施相對短缺[1]，每年約有1.3 億t 的蔬菜和1 200 萬t 的果品在運(yùn)輸中損失，腐損的果蔬可滿足近兩億人的基本營養(yǎng)需求，暴露出我國冷鏈技術(shù)水平尚有較大提升空間。

目前投入使用的冷鏈管理系統(tǒng)，其功能多以遠(yuǎn)程監(jiān)測冷庫和冷鏈車庫體運(yùn)行數(shù)據(jù)為主，包含環(huán)境信息、溫濕度的采集、儲庫數(shù)據(jù)信息管理和4G 模塊。系統(tǒng)收集冷庫、冷鏈車的環(huán)境信息，對設(shè)備狀態(tài)和車輛溫度進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，“信息孤島”現(xiàn)象得到局部緩解。前兩年新冠病毒疫情導(dǎo)致全國農(nóng)產(chǎn)品出現(xiàn)不同程度滯銷，上游生產(chǎn)環(huán)節(jié)的農(nóng)產(chǎn)品很難運(yùn)輸?shù)酵饨?；中游批發(fā)環(huán)節(jié)的正常經(jīng)營受其影響采購量跌滑；下游零售環(huán)節(jié)因缺人缺貨，無法面向市場擴(kuò)大供應(yīng)。疫情下的商品流通需求井噴對冷鏈系統(tǒng)的管理能力和技術(shù)水平提出了更高標(biāo)準(zhǔn)。冷鏈上下游的數(shù)據(jù)交互能力、貨物進(jìn)出冷庫或冷鏈車前后的信息管理能力、貨物質(zhì)量狀態(tài)管理能力、專用設(shè)施設(shè)備管控能力等問題亟需優(yōu)化，“互聯(lián)網(wǎng)+”新物流模式[2]與冷鏈新技術(shù)、新裝備的融合應(yīng)用，冷鏈系統(tǒng)的管理能力和技術(shù)水平需要進(jìn)一步得到提升。

2 冷鏈云互聯(lián)低溫保障系統(tǒng)

為提升冷鏈物流全鏈路管理效能，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)流轉(zhuǎn)智能化，同時降低冷鏈運(yùn)輸成本，必須進(jìn)行冷鏈管理系統(tǒng)的優(yōu)化改進(jìn)：冷鏈上游設(shè)施冷庫增加射頻信息管控裝置，改進(jìn)冷庫內(nèi)外環(huán)境管控裝置，預(yù)警報(bào)警裝置、庫溫采集和調(diào)控裝置；改進(jìn)冷鏈車數(shù)據(jù)信息管理、車輛位置信息監(jiān)管，分區(qū)域控制、全流程記錄冷鏈車庫箱內(nèi)環(huán)境，電子圍欄數(shù)據(jù)需與智能鎖預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)匹配才可開閉冷鏈車庫箱；設(shè)備信息管理、在線云服務(wù)器數(shù)據(jù)庫與外接拓展設(shè)備采用5G 信號通訊，提高數(shù)據(jù)安全等級和數(shù)據(jù)上下行響應(yīng)速度。冷鏈云互聯(lián)低溫保障系統(tǒng)功能模型如圖1 所示。

圖1 冷鏈云互聯(lián)低溫保障系統(tǒng)功能模型

冷鏈云互聯(lián)低溫保障系統(tǒng)由冷鏈信息管理系統(tǒng)、冷庫管理系統(tǒng)和冷鏈車、冷藏車管理系統(tǒng)組成，系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸至云數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)管理數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、設(shè)備數(shù)據(jù)的同步交互。傳感器采集冷庫和冷鏈車庫箱溫濕度信息，上傳至數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)加以清洗，對指定區(qū)域溫度進(jìn)行差異化調(diào)節(jié)；射頻數(shù)據(jù)管理模塊自動識別出入庫貨物的電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)，大大提升了出入庫業(yè)務(wù)的響應(yīng)和反饋效率，5G 通訊模塊與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行交互，引導(dǎo)全流程高質(zhì)高效完成；基于GPS 的車輛實(shí)時定位車輛位置，與智能鎖、電子圍欄、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)協(xié)同，確保車輛定位與預(yù)定數(shù)據(jù)匹配后開閉庫箱，根據(jù)微環(huán)境監(jiān)控模塊的交互數(shù)據(jù)，由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對冷庫、冷鏈車的低溫儲運(yùn)環(huán)境差異化智能管控。監(jiān)控設(shè)備采集冷庫靜態(tài)數(shù)據(jù)和冷鏈車動態(tài)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)智能分析異常狀態(tài)數(shù)據(jù)，并與主控制模塊進(jìn)行交互。冷鏈云互聯(lián)低溫保障系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)冷鏈數(shù)據(jù)的高效采集與傳輸，減少冷庫和冷鏈車溫度環(huán)境波動，業(yè)務(wù)全流程智能化管理，大大降低了冷鏈業(yè)務(wù)綜合管控成本。

2.1 冷鏈信息管理子系統(tǒng)

冷鏈系統(tǒng)的關(guān)鍵在于儲運(yùn)安全質(zhì)控和重要業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)的數(shù)字化交互，兼顧執(zhí)行流程的互聯(lián)互通和協(xié)作效能。冷鏈信息管理子系統(tǒng)提供冷鏈全程的實(shí)時數(shù)據(jù)查詢、低溫環(huán)境異常分析、預(yù)警報(bào)警處理和數(shù)據(jù)備案分析，信息可視化模塊進(jìn)行相關(guān)設(shè)備控制交互；提供UPS 不間斷供電系統(tǒng)，保障低溫系統(tǒng)的緊急用電；針對定點(diǎn)冷儲位置提供溫濕度監(jiān)控和數(shù)據(jù)記錄，由溯源管理模塊、信息處理模塊與信息存儲模塊、信息可視化模塊、操作控制模塊協(xié)同交互，組成便于追溯的冷鏈環(huán)境監(jiān)管系統(tǒng)。

溫度控制系統(tǒng)通過傳感器獲取冷庫溫度T、濕度H、風(fēng)量V等數(shù)據(jù)信息，通過通信模塊與信息系統(tǒng)傳輸，系統(tǒng)通過與數(shù)據(jù)庫溫濕度標(biāo)準(zhǔn)對比，由控制管理單元CMU 傳輸控制指令控制壓縮機(jī)和風(fēng)機(jī)，從而自動調(diào)節(jié)冷庫溫濕度。

采用雙層控制循環(huán)單元，在第一層使用S_GRU，第二層使用GRU，將第一層的隱藏值h作為第二層GRU 的輸入值，第一層處理數(shù)值異常，第二層更深層次的抽取軌跡數(shù)據(jù)的特征，進(jìn)而處理業(yè)務(wù)異常，提高異常判斷的精確度；最后一個GRU 單元連接邏輯回歸函數(shù)LR；軌跡序列作為第一個GRU 單元的輸入端，邏輯回歸函數(shù)LR 輸出為異常檢測模塊的輸出端，輸出是否是異常值。

溫度控制CMU=（T0H0V0-TsHsVs）×（T1H1V1-TsHsVs）…×（TnHnVn-TsHsVs）。式中：T0T1…Tn為冷庫實(shí)時溫度；H0H1…Hn為冷庫實(shí)時濕度；V0V1…Vn為冷庫實(shí)時風(fēng)量；Ts為標(biāo)準(zhǔn)溫度，Hs為標(biāo)準(zhǔn)濕度，Vs為標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)量；對比值＞0，發(fā)送啟動信號；＜0 則發(fā)送停機(jī)信號，從而對冷庫溫區(qū)進(jìn)行自動化控制。

通數(shù)據(jù)通訊模塊將云服務(wù)器的數(shù)據(jù)與信息存儲模塊連接通訊完成數(shù)據(jù)存取操作；數(shù)據(jù)處理模塊對存儲模塊中的數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗加工，并與車輛監(jiān)控模塊、智能溫控模塊、微環(huán)境監(jiān)控模塊聯(lián)動預(yù)警、報(bào)警機(jī)制；主控制模塊、通訊模塊對冷庫智慧管理子系統(tǒng)和冷鏈車智慧管理子系統(tǒng)下發(fā)管控?cái)?shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的智能管理機(jī)制對業(yè)務(wù)決策、訂單、車輛及人員管理實(shí)現(xiàn)融合。整合訂單建立、結(jié)算開票、倉儲分揀、裝載出庫，運(yùn)輸調(diào)度全流程進(jìn)行數(shù)字化管理，關(guān)鍵業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)快速響應(yīng)、反饋，協(xié)同冷鏈上下游數(shù)字化閉環(huán)作業(yè)，提升冷鏈物流業(yè)務(wù)綜合效能。

2.2 冷庫智慧管理子系統(tǒng)

冷庫智慧管理子系統(tǒng)由射頻信息管理模塊[3]、預(yù)冷裝備控制模塊、5G 模塊、監(jiān)控模塊、溫濕度控制器、溫濕度傳感器、信息可視化模塊、分選裝備控制模塊、搬運(yùn)機(jī)具控制模塊組成，留有CAN 總線預(yù)留接口外接拓展專用裝置。子系統(tǒng)主控制模塊可拓展管理手持設(shè)備、分選裝備、預(yù)冷裝備、搬運(yùn)裝備、照明裝備、尋貨系統(tǒng)等應(yīng)用型裝備，通過微環(huán)境監(jiān)控模塊數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜溫區(qū)溫度差異化管理。子系統(tǒng)主控制模塊拓展模型如圖2 所示。

圖2 冷庫智慧管理子系統(tǒng)主控制模塊拓展模型

射頻信號管理模塊包括信號天線及處理器、射頻信號范圍約束、通訊裝置，信號天線采集出入庫貨物標(biāo)簽靜態(tài)數(shù)據(jù)、信號處理器、控制模塊與云服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；支持遠(yuǎn)程操控調(diào)節(jié)參數(shù)或由系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)自動控制；主控制模塊數(shù)據(jù)與云服務(wù)器的交互數(shù)據(jù)下行至數(shù)據(jù)可視處理模塊，支持?jǐn)?shù)據(jù)異常比對和趨勢分析。

數(shù)據(jù)的異常檢測的基本方法如下：首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、平滑處理，然后構(gòu)建基于S_GRU 的預(yù)測模塊，該模塊是由將S_GRU 和一個全連接層FC 組成；數(shù)據(jù)序列T=（T1，T2，…Tp-1）作為預(yù)測模塊的輸入值，Tsp是預(yù)測點(diǎn)的真實(shí)值；p為選取的序列長；W是模型的權(quán)重，初始化時隨機(jī)選取，運(yùn)行預(yù)測模塊可以求出序列T的預(yù)測值Tsp。然后構(gòu)建基于雙層GRU 的異常檢測模塊，該模塊是由S_GRU、GRU 和邏輯回歸LR組成，將序列（T1，T2，…Tp-1，Tsp）作為異常檢測模塊的輸入值，如果||Tsp-Tsp||＞ε，則Tsp與真實(shí)值具有絕對差異，是屬于異常點(diǎn)，異常檢測模塊的最終輸出值是1，異常檢測模塊的輸出端輸出判斷策略是通過運(yùn)行數(shù)據(jù)的預(yù)測模塊求出序列T的預(yù)測值；將軌跡序列作為異常檢測模塊的輸入值；如果||Tsp-Tsp||＞ε，則Tsp與真實(shí)值具有一定的距離，是屬于異常數(shù)據(jù)，異常檢測模塊的最終輸出值是1；如果||Tsp-Tsp||≤ε，則預(yù)測值與真實(shí)值相近，已經(jīng)達(dá)到預(yù)測目的，Tsp是正常軌跡點(diǎn)，因此異常檢測模塊的最終輸出值是0；Tsp是預(yù)測軌跡點(diǎn)的真實(shí)值，p為選取的序列長。

射頻信號處理模塊自動識別載具標(biāo)簽的數(shù)據(jù)信息，對采集的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行比對和更新上傳至云服務(wù)器數(shù)據(jù)庫；冷鏈信息管理子系統(tǒng)從云服務(wù)器獲取信息數(shù)據(jù)并與本地?cái)?shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)匹配，管理系統(tǒng)改變數(shù)據(jù)庫中相關(guān)數(shù)據(jù)狀態(tài)并填入表單，完成出入庫庫；比對數(shù)據(jù)異常時，在管理終端報(bào)錯提示；手持終端根據(jù)報(bào)錯信息糾錯并將新的數(shù)據(jù)信息重新上傳；系統(tǒng)根據(jù)比對后的交互數(shù)據(jù)反饋數(shù)據(jù)信息至管理終端，自動完成貨物出入庫靜態(tài)數(shù)據(jù)的更新和數(shù)據(jù)備份，支持運(yùn)輸車輛的信息推送和智能選擇，下發(fā)物流單據(jù)至隨車移動管理端進(jìn)行業(yè)務(wù)確認(rèn)和執(zhí)行。

溫濕度傳感器采集冷庫環(huán)境數(shù)據(jù)，控制模塊將數(shù)據(jù)上傳至在線服務(wù)器數(shù)據(jù)庫；管理系統(tǒng)調(diào)取在線數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)比對；若數(shù)據(jù)不在預(yù)設(shè)參數(shù)容錯范圍，則反饋數(shù)據(jù)異常提示，自動向控制模塊下發(fā)參數(shù)修正指令，對指定的目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行制冷調(diào)節(jié)；關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)信息通過可視模塊進(jìn)行交互。

2.3 冷鏈車、冷藏車智慧管理子系統(tǒng)

冷鏈車、冷藏車智慧管理子系統(tǒng)由智能鎖、電子圍欄、運(yùn)輸振動模擬裝置、溫濕度控制器、溫濕度傳感器[4]、位置信息傳感器、5G 模塊、監(jiān)控模塊、包材管理等模塊組成，可遠(yuǎn)程管控低溫運(yùn)輸箱等貯運(yùn)一體化裝備。

手持終端識別貨物標(biāo)簽射頻數(shù)據(jù)，5G 模塊將數(shù)據(jù)信息上傳至云服務(wù)器數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對；更新相關(guān)數(shù)據(jù)狀態(tài)并新建運(yùn)輸表單；數(shù)據(jù)異常時，則不改變數(shù)據(jù)狀態(tài)并在手持終端報(bào)錯提示；載具上鎖后的位置信息由GPS 定位裝置實(shí)時上傳，管理系統(tǒng)對比判定位置信息是否在電子圍欄[5]范圍內(nèi)，更新智能鎖開閉狀態(tài)信息，收貨信息由手持終端上傳至云服務(wù)器，數(shù)據(jù)系統(tǒng)比對關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)信息并完成單據(jù)狀態(tài)的變更。車輛行駛軌跡數(shù)據(jù)通過GPS 系統(tǒng)采集，數(shù)據(jù)更新頻率和冗余數(shù)據(jù)成正比，為了提高算法效率，系統(tǒng)算法結(jié)合軌跡點(diǎn)控制循環(huán)單元模型GRU，在GRU 的重置和更新前端輸入當(dāng)前時刻的軌跡點(diǎn)與上一時刻的軌跡點(diǎn)的相似度，通過對軌跡點(diǎn)的相似度的優(yōu)化得到控制循環(huán)單元模型GRU。通過GRU 模型降低冗余數(shù)據(jù)的影響，提高軌跡預(yù)測精度，構(gòu)建雙層GRU 異常管理模型，有效識別行駛軌跡與限行范圍關(guān)系的電子圍欄。

設(shè)定G_GRU 模型為：y=GRU（xt0st0xt+1st+1…xt+nst+n），y為軌跡點(diǎn)。

為提高電子圍欄數(shù)據(jù)算法速度，減少冗余數(shù)據(jù)影響，對數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理；對速度、時間、中了、加速度等數(shù)值型數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，經(jīng)緯度取小數(shù)點(diǎn)后四位，由于全國的經(jīng)度范圍在[70，140]，緯度范圍在[18，60]，考慮到算法的擴(kuò)展性，經(jīng)緯度在歸一化處理時，最大值最小值按照全國經(jīng)緯度范圍選取。

車輛軌跡預(yù)測模塊設(shè)置步驟：將多個S_GRU 單元串接后接入全連接層FC 構(gòu)成軌跡預(yù)測模塊，軌跡序列作為軌跡預(yù)測模塊的輸入值，全連接層FC 為軌跡預(yù)測模塊輸出端，輸出軌跡點(diǎn)；全連接層FC 使用多個激勵函數(shù)降低異常軌跡點(diǎn)的影響，可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑，特征“當(dāng)前時間”不進(jìn)行平滑，軌跡點(diǎn)是經(jīng)過平滑之后的軌跡點(diǎn)。

使用相鄰軌跡點(diǎn)的相似度，模型中使用歐式距離作為距離度量方式，假設(shè)在t時刻與t-1 時刻的軌跡點(diǎn)之間的相似度，q是軌跡點(diǎn)x的特征數(shù)。為了便于計(jì)算，需將相似度映射到[0，1]之間。

溫濕度傳感器采集車廂環(huán)境數(shù)據(jù)并與云服務(wù)器數(shù)據(jù)交互，管理系統(tǒng)通過云服務(wù)器實(shí)時處理環(huán)境數(shù)據(jù)，自動控制車載控制模塊對溫度波動區(qū)域進(jìn)行實(shí)時管控；GPS 定位傳感裝置將車輛定位信息上傳至云服務(wù)器，與預(yù)設(shè)電子圍欄數(shù)據(jù)進(jìn)行比對；通過二者數(shù)據(jù)指紋比對完成車廂鎖開閉狀態(tài)判定和控制；監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)與可視模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

冷鏈車、冷藏車管理子系統(tǒng)自動采集環(huán)境信息數(shù)據(jù)和位置信息；溫濕度傳感器采集車庫箱環(huán)境數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器數(shù)據(jù)庫；車輛管理系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)匹配，環(huán)境溫濕度根據(jù)預(yù)設(shè)值自動調(diào)節(jié)；支持遠(yuǎn)程預(yù)冷和溫度調(diào)節(jié)；車輛定位數(shù)據(jù)應(yīng)符合預(yù)設(shè)的電子圍欄信息數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)匹配時方可更新車庫箱智能鎖的開閉狀態(tài)，車輛到達(dá)預(yù)定地點(diǎn)后，對比位置信息和貨物數(shù)據(jù)，車庫箱開閉信息更新并采集開門時的車廂溫度數(shù)據(jù)。

3 結(jié)語

食品及醫(yī)療衛(wèi)生安全與品質(zhì)的需求提升是冷鏈產(chǎn)業(yè)提速發(fā)展的重要推力，現(xiàn)代物流與冷鏈技術(shù)、裝備的有機(jī)融合是冷鏈產(chǎn)業(yè)提質(zhì)增效的重要抓手。本文提出的冷鏈云互聯(lián)低溫保障系統(tǒng)是一種集倉儲技術(shù)、運(yùn)輸技術(shù)、管理技術(shù)于一體的冷鏈業(yè)務(wù)信息化管控方案，對冷鏈信息管理能力、業(yè)務(wù)管理能力、數(shù)據(jù)交互和裝備管控能力等方面進(jìn)行合理優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)冷鏈各環(huán)節(jié)的智能化協(xié)作，有效提升低溫運(yùn)輸?shù)钠焚|(zhì)和安全保障，提高冷鏈產(chǎn)業(yè)智能化發(fā)展水平，助力冷鏈上下游產(chǎn)業(yè)降本增效。