錢建平，王寶剛，楊 涵，張保輝

（1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)遙感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081；2. 北京市林業(yè)果樹科學(xué)研究院，北京，100093）

0 引言

冷鏈物流是以冷凍工藝學(xué)為基礎(chǔ)，以人工制冷技術(shù)為手段，以生產(chǎn)流通為銜接，為保證產(chǎn)品質(zhì)量安全，減少因腐敗變質(zhì)引起的損耗，從而使易腐生鮮農(nóng)產(chǎn)品在生產(chǎn)、貯藏、運(yùn)輸、銷售乃至消費(fèi)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(yīng)鏈系統(tǒng)［1-2］。冷鏈物流也是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，從技術(shù)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(chǔ)存、運(yùn)輸、銷售等［3］。

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)日益發(fā)展及人民生活水平的不斷提升，加之深化供給側(cè)改革和推動(dòng)消費(fèi)升級(jí)的新形勢(shì)，冷鏈物流快速發(fā)展。冷鏈基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備水平進(jìn)一步提升，2018年全國(guó)冷庫(kù)總量達(dá)到5 238萬(wàn)t（折合1.3億m3），新增庫(kù)容488萬(wàn)t，同比增長(zhǎng)10.3%［4］。但與發(fā)達(dá)國(guó)家85%以上的果蔬冷鏈流通率、95%以上的果蔬冷鏈?zhǔn)褂寐屎?%左右的產(chǎn)后流通腐損率相比，2018年我國(guó)果蔬實(shí)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(dá)到15%左右，冷鏈物流使用率遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)家［5］。隨著國(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì)冷鏈物流需求的快速增長(zhǎng)，近年來(lái)我國(guó)冷鏈物流市場(chǎng)規(guī)模迅速上漲，據(jù)中國(guó)物流與采購(gòu)聯(lián)合會(huì)冷鏈物流專業(yè)委員會(huì)預(yù)計(jì)，2019年我國(guó)冷鏈物流市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到4 095億元，到2023年我國(guó)冷鏈物流市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到9 150億元，年復(fù)合增速達(dá)到25%，冷鏈物流行業(yè)正進(jìn)入快速上升通道［5］。

采后果品是一個(gè)活的有機(jī)體，其生命代謝活動(dòng)仍在有序進(jìn)行［6］；呼吸作用是果品變質(zhì)的主要原因，因此要長(zhǎng)期貯藏果品，就需要在維持其活體特征的前提下通過(guò)合理低溫減弱呼吸作用，降低呼吸消耗，延長(zhǎng)保鮮時(shí)間；同時(shí)，濕度、空氣成分等對(duì)果品品質(zhì)維持也有重要影響［7］。因此，合理調(diào)控環(huán)境已成為冷鏈發(fā)揮效率的關(guān)鍵。文章總結(jié)了主要果品的冷鏈適宜環(huán)境，基于云架構(gòu)體系提出了果品冷鏈物流精準(zhǔn)調(diào)控云平臺(tái)框架，并給出了主要組成部分的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法。

1 冷鏈物流信息技術(shù)發(fā)展及問(wèn)題

1.1 冷鏈環(huán)境感知正向?qū)崟r(shí)化、動(dòng)態(tài)化方向發(fā)展

環(huán)境感知是實(shí)現(xiàn)冷鏈合理調(diào)控的基礎(chǔ)。冷鏈環(huán)境監(jiān)測(cè)已由單點(diǎn)向多點(diǎn)、有線向無(wú)線、延時(shí)向?qū)崟r(shí)方向發(fā)展［8-9］。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）技術(shù)具有易于布置、方便控制、低功耗、通信靈活等特點(diǎn)，可為冷鏈過(guò)程溫度的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)提供支撐［10-11］；而無(wú)線射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）是利用射頻信號(hào)進(jìn)行空間耦合實(shí)現(xiàn)非接觸信息傳遞的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)［12］；集成溫度傳感器的RFID感知標(biāo)簽是實(shí)現(xiàn)定時(shí)離線溫度監(jiān)測(cè)的有效方式［13-14］。

冷藏車廂、冷庫(kù)等載體在不同空間位置，其溫度存在著不均衡性［15］。有限點(diǎn)的溫度監(jiān)測(cè)無(wú)法反映載體內(nèi)溫度的空間分布特征［16］；利用計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）技術(shù)可有效模擬不同冷鏈載體的空氣流動(dòng)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(yùn)輸車廂為研究對(duì)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(nèi)的溫度場(chǎng)分布，并比較了不同包裝箱的溫度場(chǎng)均一性［20］。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與計(jì)算模擬的結(jié)合，以其“點(diǎn)—面”互補(bǔ)的優(yōu)勢(shì)，為冷鏈溫控奠定了基礎(chǔ)［21］。

1.2 冷鏈調(diào)控正向精準(zhǔn)化、智能化方向不斷深入

溫度控制是解決“冷鏈不冷”的技術(shù)關(guān)鍵。對(duì)于溫度控制主要有基于模型控制和基于知識(shí)控制兩種方式。前者主要通過(guò)建立不同的數(shù)學(xué)模型，對(duì)模型所采用的控制方法有PID（Proportion Integral Differential）控制、預(yù)測(cè)控制、優(yōu)化控制和自適應(yīng)控制等［22］；后者通過(guò)建立數(shù)據(jù)庫(kù)、知識(shí)庫(kù)，依靠專家系統(tǒng)完成對(duì)目標(biāo)的溫度控制［23］。傳統(tǒng)PID控制具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)控制領(lǐng)域被廣泛使用；但對(duì)于復(fù)雜的控制系統(tǒng)，由于各參數(shù)之間的強(qiáng)耦合，傳統(tǒng)PID方法不能根據(jù)控制對(duì)象參數(shù)的變化對(duì)自身參數(shù)做出適當(dāng)調(diào)整［24］。

人工智能技術(shù)的發(fā)展使多種溫度智能控制方法被研究和應(yīng)用［25-26］?；诜聪騻鬏敚˙ack Propagation，BP）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與PID相結(jié)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(luò)學(xué)習(xí)速率和收斂速率均較慢，且訓(xùn)練時(shí)間過(guò)長(zhǎng)［27］。自適應(yīng)模糊PID的控制方法被應(yīng)用于溫室溫度控制中，可實(shí)現(xiàn)在季節(jié)、時(shí)令等交替變化下對(duì)溫室溫度系統(tǒng)的優(yōu)化控制［28］。

1.3 存在問(wèn)題

（1）采集因素單一，影響調(diào)控輔助決策

溫度對(duì)物流中的果品品質(zhì)有重要影響，溫度也是最受關(guān)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(zhì)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(jìn)行環(huán)境調(diào)控，易導(dǎo)致調(diào)控不精確。

（2）調(diào)控參數(shù)靜態(tài)，影響品質(zhì)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(zhǎng)，減緩呼吸作用，達(dá)到延長(zhǎng)貨架期和維持品質(zhì)的作用。若不能根據(jù)不同果品的冷鏈環(huán)境需求獲取動(dòng)態(tài)調(diào)控參數(shù)，則容易影響品質(zhì)維持的效果。

（3）信息共享度低，影響冷鏈過(guò)程追溯

冷鏈物流過(guò)程是一個(gè)多因素融合的動(dòng)態(tài)過(guò)程，過(guò)程中產(chǎn)生的位置、環(huán)境等信息對(duì)供應(yīng)鏈上下游及冷鏈承運(yùn)商至關(guān)重要。若不能實(shí)現(xiàn)信息有效共享，將導(dǎo)致信息不對(duì)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(duì)于果品來(lái)說(shuō)，呼吸作用是維持果實(shí)采后活體特征的主要生理代謝方式，因此要長(zhǎng)期貯藏果品，就要通過(guò)適宜的低溫減弱呼吸作用，降低呼吸消耗從而延長(zhǎng)保鮮時(shí)間。濕度對(duì)于果品冷鏈來(lái)說(shuō)也同樣重要，若環(huán)境中的濕度過(guò)高，則會(huì)使水分凝結(jié)在果品的表面，引起霉菌生長(zhǎng)，導(dǎo)致腐敗變質(zhì)，同時(shí)包裝紙箱吸潮后抗壓強(qiáng)度降低，可能使果品受傷；若環(huán)境中的濕度過(guò)低、空氣過(guò)干，則會(huì)使果品極易蒸騰失水而發(fā)生萎蔫和皺縮，導(dǎo)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(zhǔn)調(diào)控云平臺(tái)總體框架

果品冷鏈物流精準(zhǔn)調(diào)控云平臺(tái)總體框架如圖1所示。該平臺(tái)以主要果品的冷鏈倉(cāng)儲(chǔ)和冷鏈運(yùn)輸精準(zhǔn)調(diào)控為主要目標(biāo)，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(chǔ)數(shù)據(jù)物化到硬件設(shè)備中，研制冷鏈環(huán)境監(jiān)控終端，終端設(shè)備應(yīng)用于不同冷鏈環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)溫濕度、氣體、位置、開門狀態(tài)等信息的實(shí)時(shí)感知；終端采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)嚼滏湽芾碓破脚_(tái)，云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)跟蹤、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、貨架預(yù)測(cè)、異常報(bào)警、冷鏈反演、產(chǎn)品追溯、統(tǒng)計(jì)分析等智能處理功能；智能處理的結(jié)果反饋至冷鏈操作人員的手機(jī)APP中，可對(duì)冷鏈設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)控。

圖1 總體框架Fig.1 The overall framework

4 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

4.1 多參數(shù)冷鏈環(huán)境監(jiān)測(cè)裝置

為了實(shí)現(xiàn)空氣溫度、空氣濕度、光照度、乙烯氣體濃度、位置等多個(gè)環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測(cè)，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(cè)裝置。裝置通過(guò)低功耗LoRa（Long Range Radio）無(wú)線調(diào)制技術(shù)將采集到的信息發(fā)送給通信網(wǎng)關(guān)，并由后者將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送到云端。裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 多參數(shù)冷鏈環(huán)境監(jiān)測(cè)裝置結(jié)構(gòu)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(cè)電路、數(shù)字電源電路和精準(zhǔn)電壓基準(zhǔn)組成，實(shí)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(nèi)置了過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)溫保護(hù)電路，并提供了充電指示；電壓監(jiān)測(cè)電路用來(lái)監(jiān)測(cè)電池工作狀態(tài)，以確保電池的安全，并在電量過(guò)低時(shí)自動(dòng)關(guān)斷電源，保護(hù)設(shè)備。

微控制器通過(guò)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(jìn)行參數(shù)設(shè)置及數(shù)值測(cè)量。乙烯濃度采用電化學(xué)傳感器，該傳感器由恒壓電路激勵(lì)輸出nA級(jí)信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)由放大電路放大后輸出到微控制器的A/D轉(zhuǎn)換器，并由后者轉(zhuǎn)換為乙烯濃度。

射頻Modem采用支持LoRa的SX1278芯片，采用直序擴(kuò)頻方式進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的發(fā)送和接收；USB-UART轉(zhuǎn)換器用于實(shí)現(xiàn)USB與微控制器的通信，將USB協(xié)議轉(zhuǎn)換為UART。

4.2 冷鏈云管理平臺(tái)

集成供應(yīng)商、冷鏈車輛、冷庫(kù)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(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；基于公有云平臺(tái)提供的虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施資源部署果品冷鏈物流精準(zhǔn)調(diào)控云平臺(tái)，采用基于Spring Cloud的微服務(wù)器架構(gòu)，結(jié)合Docker容器技術(shù)，為平臺(tái)管理者、冷鏈物流委托方、上下游供應(yīng)商等主體提供不同功能，實(shí)現(xiàn)服務(wù)業(yè)務(wù)的可伸縮、可靈活擴(kuò)展。主要功能如下。

（1）動(dòng)態(tài)跟蹤：接收終端設(shè)備發(fā)送的位置信息，實(shí)時(shí)顯示目前的位置狀態(tài)，并在電子地圖上顯示，對(duì)于冷鏈倉(cāng)庫(kù)中的設(shè)備，由于其移動(dòng)性不強(qiáng)，只采集初始位置，對(duì)于冷鏈車，需動(dòng)態(tài)跟蹤其運(yùn)輸路徑的軌跡變化。

（2）環(huán)境監(jiān)測(cè)：根據(jù)一定時(shí)間接收到的溫度、濕度、氣體等信息，在平臺(tái)界面實(shí)時(shí)顯示，可查看當(dāng)前每個(gè)設(shè)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(yù)測(cè)：根據(jù)產(chǎn)品入庫(kù)時(shí)間以及所處的溫度狀態(tài)，建立動(dòng)態(tài)貨架期預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)不同果品的剩余貨架期。

（4）異常報(bào)警：對(duì)于溫度偏離果品所需冷鏈溫度、運(yùn)輸過(guò)程車廂門被打開等情況，平臺(tái)會(huì)接收到設(shè)備發(fā)來(lái)的警報(bào)，并自動(dòng)記錄下警報(bào)信息。

（5）冷鏈反演：選擇某個(gè)時(shí)間段并選擇某個(gè)倉(cāng)庫(kù)或車輛后，這段時(shí)間內(nèi)的溫度、濕度、氣體等信息以統(tǒng)計(jì)圖的形式展示出來(lái)，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(yīng)商可輸入產(chǎn)品的訂單，追溯出果品在冷鏈過(guò)程中的相關(guān)信息。

（7）統(tǒng)計(jì)分析：可對(duì)冷鏈倉(cāng)庫(kù)、冷鏈車輛等資源進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，也可以對(duì)環(huán)境變化、貨架期變化等進(jìn)行決策分析。

圖3 冷鏈云管理平臺(tái)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(chǎng)進(jìn)行信息查詢及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)控，開發(fā)冷鏈管理APP，將其安裝于冷鏈倉(cāng)庫(kù)、冷鏈車輛的操作人員手機(jī)中，主要功能如下。

（1）參數(shù)設(shè)定：根據(jù)所儲(chǔ)藏或運(yùn)輸?shù)墓?，設(shè)定其最佳冷鏈溫濕度，并通過(guò)云端發(fā)送到冷鏈監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行設(shè)定。

（2）狀態(tài)監(jiān)測(cè)：可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)所操作的冷庫(kù)或車輛的內(nèi)部環(huán)境信息和位置信息，以動(dòng)態(tài)圖表的形式展示。

（3）預(yù)警處置：對(duì)于監(jiān)測(cè)到的冷鏈環(huán)境異常狀態(tài)，APP端會(huì)在第一時(shí)間接收到云端發(fā)送的信息，并為合理調(diào)整冷鏈工況提供決策。

5 結(jié)論

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