基于適宜環(huán)境的果品冷鏈物流精準調控云平臺框架設計※

錢建平，王寶剛，楊 涵，張保輝

（1. 中國農業(yè)科學院農業(yè)資源與農業(yè)區(qū)劃研究所/農業(yè)農村部農業(yè)遙感重點實驗室，北京100081；2. 北京市林業(yè)果樹科學研究院，北京，100093）

0 引言

冷鏈物流是以冷凍工藝學為基礎，以人工制冷技術為手段，以生產(chǎn)流通為銜接，為保證產(chǎn)品質量安全，減少因腐敗變質引起的損耗，從而使易腐生鮮農產(chǎn)品在生產(chǎn)、貯藏、運輸、銷售乃至消費前的各環(huán)節(jié)始終處于規(guī)定的低溫環(huán)境下的特殊供應鏈系統(tǒng)［1-2］。冷鏈物流也是一項系統(tǒng)工程，從技術角度，冷鏈物流涉及溫度控制、采后生理、保鮮工藝、信息管理等；從產(chǎn)品角度，冷鏈物流包括果蔬、肉蛋奶、水產(chǎn)、速凍食品、藥品等；從環(huán)節(jié)角度，冷鏈物流涵蓋加工、儲存、運輸、銷售等［3］。

近年來，隨著我國經(jīng)濟社會日益發(fā)展及人民生活水平的不斷提升，加之深化供給側改革和推動消費升級的新形勢，冷鏈物流快速發(fā)展。冷鏈基礎設施設備水平進一步提升，2018年全國冷庫總量達到5 238萬t（折合1.3億m3），新增庫容488萬t，同比增長10.3%［4］。但與發(fā)達國家85%以上的果蔬冷鏈流通率、95%以上的果蔬冷鏈使用率和5%左右的產(chǎn)后流通腐損率相比，2018年我國果蔬實際冷鏈流通率僅為22%、冷鏈物流使用率僅為35%，而產(chǎn)后流通腐損率則達到15%左右，冷鏈物流使用率遠低于發(fā)達國家［5］。隨著國內市場對冷鏈物流需求的快速增長，近年來我國冷鏈物流市場規(guī)模迅速上漲，據(jù)中國物流與采購聯(lián)合會冷鏈物流專業(yè)委員會預計，2019年我國冷鏈物流市場規(guī)模將達到4 095億元，到2023年我國冷鏈物流市場規(guī)模將達到9 150億元，年復合增速達到25%，冷鏈物流行業(yè)正進入快速上升通道［5］。

采后果品是一個活的有機體，其生命代謝活動仍在有序進行［6］；呼吸作用是果品變質的主要原因，因此要長期貯藏果品，就需要在維持其活體特征的前提下通過合理低溫減弱呼吸作用，降低呼吸消耗，延長保鮮時間；同時，濕度、空氣成分等對果品品質維持也有重要影響［7］。因此，合理調控環(huán)境已成為冷鏈發(fā)揮效率的關鍵。文章總結了主要果品的冷鏈適宜環(huán)境，基于云架構體系提出了果品冷鏈物流精準調控云平臺框架，并給出了主要組成部分的技術實現(xiàn)方法。

1 冷鏈物流信息技術發(fā)展及問題

1.1 冷鏈環(huán)境感知正向實時化、動態(tài)化方向發(fā)展

環(huán)境感知是實現(xiàn)冷鏈合理調控的基礎。冷鏈環(huán)境監(jiān)測已由單點向多點、有線向無線、延時向實時方向發(fā)展［8-9］。無線傳感器網(wǎng)絡（Wireless Sensor Network，WSN）技術具有易于布置、方便控制、低功耗、通信靈活等特點，可為冷鏈過程溫度的實時在線監(jiān)測提供支撐［10-11］；而無線射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）是利用射頻信號進行空間耦合實現(xiàn)非接觸信息傳遞的自動識別技術［12］；集成溫度傳感器的RFID感知標簽是實現(xiàn)定時離線溫度監(jiān)測的有效方式［13-14］。

冷藏車廂、冷庫等載體在不同空間位置，其溫度存在著不均衡性［15］。有限點的溫度監(jiān)測無法反映載體內溫度的空間分布特征［16］；利用計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）技術可有效模擬不同冷鏈載體的空氣流動類型和環(huán)境溫度分布情況［17-18］。郭嘉明等以基于差壓原理的運輸車廂為研究對象，利用CFD模擬不同果蔬堆棧方式下廂體不同截面的溫度分布情況［19］。Han等模擬了不同冷鏈條件下果品包裝內的溫度場分布，并比較了不同包裝箱的溫度場均一性［20］。實時監(jiān)測與計算模擬的結合，以其“點—面”互補的優(yōu)勢，為冷鏈溫控奠定了基礎［21］。

1.2 冷鏈調控正向精準化、智能化方向不斷深入

溫度控制是解決“冷鏈不冷”的技術關鍵。對于溫度控制主要有基于模型控制和基于知識控制兩種方式。前者主要通過建立不同的數(shù)學模型，對模型所采用的控制方法有PID（Proportion Integral Differential）控制、預測控制、優(yōu)化控制和自適應控制等［22］；后者通過建立數(shù)據(jù)庫、知識庫，依靠專家系統(tǒng)完成對目標的溫度控制［23］。傳統(tǒng)PID控制具有結構簡單、易實現(xiàn)的優(yōu)點，在工業(yè)控制領域被廣泛使用；但對于復雜的控制系統(tǒng)，由于各參數(shù)之間的強耦合，傳統(tǒng)PID方法不能根據(jù)控制對象參數(shù)的變化對自身參數(shù)做出適當調整［24］。

人工智能技術的發(fā)展使多種溫度智能控制方法被研究和應用［25-26］?；诜聪騻鬏敚˙ack Propagation，BP）神經(jīng)網(wǎng)絡與PID相結合的控制算法，大大提高了控制系統(tǒng)性能。但BP神經(jīng)網(wǎng)絡學習速率和收斂速率均較慢，且訓練時間過長［27］。自適應模糊PID的控制方法被應用于溫室溫度控制中，可實現(xiàn)在季節(jié)、時令等交替變化下對溫室溫度系統(tǒng)的優(yōu)化控制［28］。

1.3 存在問題

（1）采集因素單一，影響調控輔助決策

溫度對物流中的果品品質有重要影響，溫度也是最受關注的環(huán)境條件之一；但適宜的濕度及氣體條件也是保持較好的新鮮度和品質的必要條件。尤其是在冷鏈物流中，由于冷鏈載體的密封性和產(chǎn)品堆積的高度密集，若不能很好采集濕度及氣體等因素，只以單一的溫度進行環(huán)境調控，易導致調控不精確。

（2）調控參數(shù)靜態(tài)，影響品質維持效果

不同果品有不同的冷鏈環(huán)境要求，只有在適宜的環(huán)境下，才能有效抑制果品微生物的生長，減緩呼吸作用，達到延長貨架期和維持品質的作用。若不能根據(jù)不同果品的冷鏈環(huán)境需求獲取動態(tài)調控參數(shù)，則容易影響品質維持的效果。

（3）信息共享度低，影響冷鏈過程追溯

冷鏈物流過程是一個多因素融合的動態(tài)過程，過程中產(chǎn)生的位置、環(huán)境等信息對供應鏈上下游及冷鏈承運商至關重要。若不能實現(xiàn)信息有效共享，將導致信息不對稱，既不易判別冷鏈狀態(tài)，也容易產(chǎn)生糾紛。

2 主要果品的冷鏈適宜環(huán)境

對于果品來說，呼吸作用是維持果實采后活體特征的主要生理代謝方式，因此要長期貯藏果品，就要通過適宜的低溫減弱呼吸作用，降低呼吸消耗從而延長保鮮時間。濕度對于果品冷鏈來說也同樣重要，若環(huán)境中的濕度過高，則會使水分凝結在果品的表面，引起霉菌生長，導致腐敗變質，同時包裝紙箱吸潮后抗壓強度降低，可能使果品受傷；若環(huán)境中的濕度過低、空氣過干，則會使果品極易蒸騰失水而發(fā)生萎蔫和皺縮，導致組織軟化。表1所列為不同果品的適宜貯藏溫度和濕度［29-30］；但不同種類果品采后生理特性不同，亦受品種、成熟度影響。

表1 不同果品適宜冷鏈環(huán)境Table 1 Suitable cold chain environment for different fruits

續(xù)表1

3 果品冷鏈物流精準調控云平臺總體框架

果品冷鏈物流精準調控云平臺總體框架如圖1所示。該平臺以主要果品的冷鏈倉儲和冷鏈運輸精準調控為主要目標，以不同果品冷鏈需求特征為核心數(shù)據(jù)，將果品冷鏈基礎數(shù)據(jù)物化到硬件設備中，研制冷鏈環(huán)境監(jiān)控終端，終端設備應用于不同冷鏈環(huán)節(jié)，實現(xiàn)溫濕度、氣體、位置、開門狀態(tài)等信息的實時感知；終端采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)嚼滏湽芾碓破脚_，云平臺實現(xiàn)動態(tài)跟蹤、實時監(jiān)測、貨架預測、異常報警、冷鏈反演、產(chǎn)品追溯、統(tǒng)計分析等智能處理功能；智能處理的結果反饋至冷鏈操作人員的手機APP中，可對冷鏈設備狀態(tài)進行動態(tài)調控。

圖1 總體框架Fig.1 The overall framework

4 技術實現(xiàn)

4.1 多參數(shù)冷鏈環(huán)境監(jiān)測裝置

為了實現(xiàn)空氣溫度、空氣濕度、光照度、乙烯氣體濃度、位置等多個環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測，自主研發(fā)了由電源、傳感器和通信模塊3部分組成的多參數(shù)冷鏈環(huán)境監(jiān)測裝置。裝置通過低功耗LoRa（Long Range Radio）無線調制技術將采集到的信息發(fā)送給通信網(wǎng)關，并由后者將監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送到云端。裝置結構如圖2所示。

圖2 多參數(shù)冷鏈環(huán)境監(jiān)測裝置結構Fig.2 Multi-parameter cold chain environmental monitoring device structure diagram

電源部分由充電控制電路、電壓監(jiān)測電路、數(shù)字電源電路和精準電壓基準組成，實現(xiàn)電池充電控制和電路電源分配。電池充電控制電路采用高效的鋰電池專用充電芯片，使用CC/CV充電模式，最大充電電流400 mA，并在電池中內置了過流、過壓、過溫保護電路，并提供了充電指示；電壓監(jiān)測電路用來監(jiān)測電池工作狀態(tài)，以確保電池的安全，并在電量過低時自動關斷電源，保護設備。

微控制器通過I2C（Inter-Integrated Circuit）總線接口與空氣溫濕度、光照傳感器、乙烯傳感器通信，并根據(jù)需要進行參數(shù)設置及數(shù)值測量。乙烯濃度采用電化學傳感器，該傳感器由恒壓電路激勵輸出nA級信號，該信號經(jīng)由放大電路放大后輸出到微控制器的A/D轉換器，并由后者轉換為乙烯濃度。

射頻Modem采用支持LoRa的SX1278芯片，采用直序擴頻方式進行通信，實現(xiàn)射頻信號的發(fā)送和接收；USB-UART轉換器用于實現(xiàn)USB與微控制器的通信，將USB協(xié)議轉換為UART。

4.2 冷鏈云管理平臺

集成供應商、冷鏈車輛、冷庫等靜態(tài)資源數(shù)據(jù)，采集溫度、濕度、位置、光照、乙烯氣體等動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)；基于公有云平臺提供的虛擬化基礎設施資源部署果品冷鏈物流精準調控云平臺，采用基于Spring Cloud的微服務器架構，結合Docker容器技術，為平臺管理者、冷鏈物流委托方、上下游供應商等主體提供不同功能，實現(xiàn)服務業(yè)務的可伸縮、可靈活擴展。主要功能如下。

（1）動態(tài)跟蹤：接收終端設備發(fā)送的位置信息，實時顯示目前的位置狀態(tài)，并在電子地圖上顯示，對于冷鏈倉庫中的設備，由于其移動性不強，只采集初始位置，對于冷鏈車，需動態(tài)跟蹤其運輸路徑的軌跡變化。

（2）環(huán)境監(jiān)測：根據(jù)一定時間接收到的溫度、濕度、氣體等信息，在平臺界面實時顯示，可查看當前每個設備所采集的環(huán)境信息，可以在不同信息之間切換。

（3）貨架預測：根據(jù)產(chǎn)品入庫時間以及所處的溫度狀態(tài)，建立動態(tài)貨架期預測模型，預測不同果品的剩余貨架期。

（4）異常報警：對于溫度偏離果品所需冷鏈溫度、運輸過程車廂門被打開等情況，平臺會接收到設備發(fā)來的警報，并自動記錄下警報信息。

（5）冷鏈反演：選擇某個時間段并選擇某個倉庫或車輛后，這段時間內的溫度、濕度、氣體等信息以統(tǒng)計圖的形式展示出來，位置信息則以路徑軌跡的方式展示。

（6）產(chǎn)品追溯：上下游供應商可輸入產(chǎn)品的訂單，追溯出果品在冷鏈過程中的相關信息。

（7）統(tǒng)計分析：可對冷鏈倉庫、冷鏈車輛等資源進行統(tǒng)計，也可以對環(huán)境變化、貨架期變化等進行決策分析。

圖3 冷鏈云管理平臺功能示意圖Fig.3 Function diagram of cold chain cloud management platform

4.3 冷鏈管理APP

為了便于在冷鏈現(xiàn)場進行信息查詢及現(xiàn)場調控，開發(fā)冷鏈管理APP，將其安裝于冷鏈倉庫、冷鏈車輛的操作人員手機中，主要功能如下。

（1）參數(shù)設定：根據(jù)所儲藏或運輸?shù)墓?，設定其最佳冷鏈溫濕度，并通過云端發(fā)送到冷鏈監(jiān)控設備進行設定。

（2）狀態(tài)監(jiān)測：可以實時監(jiān)測所操作的冷庫或車輛的內部環(huán)境信息和位置信息，以動態(tài)圖表的形式展示。

（3）預警處置：對于監(jiān)測到的冷鏈環(huán)境異常狀態(tài)，APP端會在第一時間接收到云端發(fā)送的信息，并為合理調整冷鏈工況提供決策。

5 結論

冷鏈物流在我國快速發(fā)展，但采集因素單一、調控參數(shù)靜態(tài)、信息共享度低已成為物流信息技術發(fā)展的瓶頸。該文在分析冷鏈物流信息技術發(fā)展及問題的基礎上，從溫度和相對濕度兩方面總結了主要果品的冷鏈適宜環(huán)境，提出了果品冷鏈物流精準調控云平臺框架，并從冷鏈環(huán)境監(jiān)控終端、果品冷鏈物流精準調控云平臺、冷鏈管理APP等方面探討了技術實現(xiàn)的可行性。平臺框架既較好考慮了冷鏈調控中的多參數(shù)特性和動態(tài)特性，又有利于實現(xiàn)冷鏈數(shù)據(jù)的充分共享。