王 壯,王 潔

(1.連云港徐圩港口投資集團(tuán)有限公司，江蘇 連云港 222000；2.菲律賓萊西姆大學(xué)(八打雁校區(qū)) 研究生院，菲律賓 八打雁市 4200;3.盛虹煉化(連云港)有限公司，江蘇 連云港 222000)

0 引 言

現(xiàn)代社會(huì)中，物流運(yùn)輸對(duì)于社會(huì)生產(chǎn)和人民生活都具有十分重要的影響。一些生鮮、易腐產(chǎn)品在生產(chǎn)、貯藏運(yùn)輸、銷售、消費(fèi)的各個(gè)環(huán)節(jié)都需要低溫環(huán)境[1]。因此，冷鏈物流運(yùn)輸技術(shù)得以發(fā)展。

2020年初，新冠肺炎疫情迅速蔓延，不僅對(duì)我國(guó)的醫(yī)療衛(wèi)生管理體系提出了嚴(yán)峻考驗(yàn)，也對(duì)社會(huì)的生產(chǎn)和人民的生活產(chǎn)生了強(qiáng)烈的沖擊。研究表明，新冠病毒在低溫與高濕環(huán)境下可存在長(zhǎng)達(dá)1個(gè)月的時(shí)間[2]，而冷鏈運(yùn)輸環(huán)境具有的低溫與高濕特點(diǎn)恰恰滿足了病毒生存的需要。因此，在冷鏈物流運(yùn)輸過(guò)程中，為保障產(chǎn)品的安全和質(zhì)量，應(yīng)建立從生產(chǎn)供應(yīng)源頭到銷售消費(fèi)終端的透明信息鏈，實(shí)時(shí)監(jiān)控冷鏈產(chǎn)品質(zhì)量，并對(duì)其運(yùn)輸徑跡展開(kāi)跟蹤和監(jiān)控，嚴(yán)格按照要求做好新冠病毒防控和消毒工作。

文獻(xiàn)[3]在了解冷凍生鮮農(nóng)產(chǎn)品溫度、濕度特殊要求的基礎(chǔ)上，以ARM與ZigBee網(wǎng)關(guān)為核心設(shè)計(jì)了一種實(shí)時(shí)追蹤系統(tǒng)，結(jié)合GPS定位系統(tǒng)將采集到的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)紸RM處理器中，但該系統(tǒng)的傳感信號(hào)與實(shí)際信號(hào)的追蹤結(jié)果吻合度較低，導(dǎo)致物流信息追蹤效果較差。文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了基于STM32的冷鏈物流監(jiān)測(cè)追溯系統(tǒng)，利用RFID技術(shù)、北斗技術(shù)和傳感器技術(shù)采集冷鏈運(yùn)輸車輛的行駛狀態(tài)，將采集到的信息通過(guò)通信技術(shù)發(fā)送到終端服務(wù)器進(jìn)行保存和分析，但在較長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)輸追蹤中，該系統(tǒng)存在追溯效率低的問(wèn)題。文獻(xiàn)[5]將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、果蔬保鮮期預(yù)測(cè)技術(shù)、無(wú)線射頻識(shí)別與二維碼技術(shù)進(jìn)行了集成化應(yīng)用，設(shè)計(jì)了冷鏈物流感知追蹤系統(tǒng)，利用傳感、網(wǎng)絡(luò)、控制及用戶層4層結(jié)構(gòu)對(duì)冷鏈運(yùn)輸各環(huán)節(jié)進(jìn)行無(wú)縫監(jiān)控。文獻(xiàn)[6]借助于區(qū)塊鏈具有的去中心化和去信任化的優(yōu)勢(shì)設(shè)計(jì)了冷鏈物流追蹤溯源系統(tǒng)。針對(duì)產(chǎn)品訂單數(shù)據(jù)和冷鏈環(huán)境數(shù)據(jù)分別設(shè)計(jì)上鏈系統(tǒng)，并運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備設(shè)計(jì)信息認(rèn)證機(jī)制。上述2種系統(tǒng)雖可以實(shí)現(xiàn)物流信息跟蹤管理，但在整個(gè)過(guò)程中協(xié)調(diào)性能較差，各級(jí)分工均衡度有待提高。

SSH是Struts+Spring+Hibernate的一個(gè)集成框架，可以幫助開(kāi)發(fā)人員在短時(shí)間內(nèi)搭建結(jié)構(gòu)清晰、可復(fù)用性強(qiáng)、便于維護(hù)的應(yīng)用程序[7-8]。因此，以提高對(duì)冷鏈物流信息的追蹤和溯源能力為目標(biāo)，本研究在SSH框架中組建系統(tǒng)硬件環(huán)境，并利用遺傳算法的組合優(yōu)化能力提取追蹤與溯源特征，從而完成對(duì)冷鏈物流追蹤方案的設(shè)計(jì)。

1 追蹤與溯源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本研究以抗干擾能力較強(qiáng)的STM32單片機(jī)為核心，單片機(jī)的實(shí)際工作頻率可達(dá)到48 MHz，CPU應(yīng)用程序空間為8 KB。并構(gòu)建了冷鏈物流溫濕度數(shù)據(jù)采集模塊、定位及無(wú)線通信模塊、射頻識(shí)別和顯示模塊3個(gè)部分。其中，在無(wú)線通信模塊中，利用換能器將采集到的冷鏈物流信息先變換為電信號(hào)，再轉(zhuǎn)變?yōu)樽銐驈?qiáng)度的高頻電振蕩信號(hào)，從而有效抵抗了環(huán)境因素對(duì)追蹤溯源過(guò)程的干擾，提高了對(duì)冷鏈物流信息的識(shí)別能力。

1.1 溫濕度數(shù)據(jù)采集

冷鏈物流是一項(xiàng)特殊的物流運(yùn)輸工作，其運(yùn)輸對(duì)象為在物流過(guò)程中對(duì)溫度有特殊要求的產(chǎn)品[9]。有效地采集產(chǎn)品溫濕度數(shù)據(jù)，可以在冷鏈物流運(yùn)輸過(guò)程中更好保證產(chǎn)品質(zhì)量。

在系統(tǒng)的溫濕度數(shù)據(jù)采集模塊中，溫濕度感應(yīng)器由間隙材料制成，位于同一芯片上的可測(cè)濕元件由容性聚合體組成，并將A/D轉(zhuǎn)換器與串口電路實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接。在冷鏈物流追蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，運(yùn)用此溫濕度感應(yīng)器既能保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性又能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，將數(shù)字溫濕度傳感器直接與單片機(jī)相連接，在采集生鮮農(nóng)產(chǎn)品的溫濕度數(shù)據(jù)時(shí)，可以有效縮短操作時(shí)間，從而提高數(shù)據(jù)的采集效率。

使用DHT90數(shù)字式溫濕度傳感器能夠保證穩(wěn)定的采集狀態(tài)和較高的采集精度，其所具有的兩線制數(shù)字接口可隨時(shí)在無(wú)需標(biāo)定的條件下精確測(cè)量相對(duì)溫濕度，且具有抗干擾性強(qiáng)、功耗低、響應(yīng)速度快的優(yōu)勢(shì)，從而進(jìn)一步提高物流信息采集結(jié)果的可靠性。

1.2 定位及無(wú)線通信

定位及無(wú)線通信模塊可有效實(shí)現(xiàn)對(duì)物流信息的追蹤[10-11]。本文系統(tǒng)的無(wú)線通信過(guò)程主要包括發(fā)送端、接收端、傳輸媒質(zhì)3個(gè)部分。發(fā)送端中的換能器將被發(fā)送的信息變換為電信號(hào)，再在發(fā)射機(jī)中將電信號(hào)變?yōu)閺?qiáng)度足夠的高頻電振蕩，從而有效抵抗環(huán)境因素對(duì)物流信息傳輸反饋過(guò)程的干擾，而天線可將高頻電振蕩變成電磁波向傳輸媒質(zhì)輻射[12]。

1.3 射頻識(shí)別和顯示

通過(guò)射頻識(shí)別模塊與顯示模塊可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)信息的讀寫(xiě)與展示。在利用射頻技術(shù)識(shí)別物流信息的過(guò)程中，利用無(wú)線射頻方式對(duì)記錄媒體(冷鏈物流商品的電子標(biāo)簽或射頻卡)進(jìn)行讀寫(xiě)，再通過(guò)無(wú)線通信結(jié)合數(shù)據(jù)訪問(wèn)技術(shù)連接數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)傳感器標(biāo)簽進(jìn)行實(shí)時(shí)追蹤與監(jiān)控，顯示模塊可將由射頻識(shí)別模塊所得到的讀寫(xiě)數(shù)據(jù)信息有效展示。在識(shí)別過(guò)程中，通過(guò)電磁波實(shí)現(xiàn)對(duì)電子標(biāo)簽的讀寫(xiě)與通信，從而實(shí)現(xiàn)非接觸式的雙向通信。同時(shí)，可根據(jù)物流位置將通信距離分為近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)，讀/寫(xiě)設(shè)備和電子標(biāo)簽之間的數(shù)據(jù)交換方式也對(duì)應(yīng)地被分為負(fù)載調(diào)制和反向散射調(diào)制[13-14]。

1.4 SSH框架層次設(shè)計(jì)

SSH是一個(gè)集成框架，可實(shí)現(xiàn)軟件環(huán)境的高效集成處理，包含表示層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)持久層和域模塊層。

本研究在應(yīng)用SSH框架后，在表示層中，展示冷鏈物流信息，首先通過(guò)頁(yè)面實(shí)現(xiàn)信息交互，負(fù)責(zé)冷鏈物流信息的傳送請(qǐng)求和接收響應(yīng)工作，然后根據(jù)配置文件接收到的請(qǐng)求委派給業(yè)務(wù)邏輯層的控制器；在業(yè)務(wù)邏輯層中，管理服務(wù)組件負(fù)責(zé)提供業(yè)務(wù)模型，并利用控制器將服務(wù)請(qǐng)求發(fā)送給數(shù)據(jù)持久層處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)冷鏈物流追蹤數(shù)據(jù)的協(xié)作處理，同時(shí)也提供控制器處理、緩沖等服務(wù)，從而提升冷鏈物流追蹤系統(tǒng)的性能并維護(hù)數(shù)據(jù)的完整性[15-16]；在數(shù)據(jù)持久層中，對(duì)冷鏈物流追蹤信號(hào)對(duì)象進(jìn)行映射化處理，通過(guò)與產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫(kù)交互，利用數(shù)據(jù)訪問(wèn)對(duì)象組件處理請(qǐng)求的追蹤數(shù)據(jù)并返回處理結(jié)果，層級(jí)間的業(yè)務(wù)邏輯代碼處理由域模塊層完成，并最終用視圖層展示在用戶端。

綜上所述，采用SSH框架既實(shí)現(xiàn)了視圖、控制器與模型的徹底分離，也實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)邏輯層與持久層的分離。這樣無(wú)論前端冷鏈物流信息如何變化，物流追蹤的架構(gòu)層次只需較小的改動(dòng)就能實(shí)現(xiàn)追蹤信息的有效傳輸。此外，物流數(shù)據(jù)庫(kù)若發(fā)生變化也不會(huì)對(duì)前端的產(chǎn)品數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響，大大提高了系統(tǒng)的可復(fù)用性。

1.5 追蹤溯源方案設(shè)計(jì)

冷鏈物流追蹤與溯源任務(wù)要求既能查詢到冷鏈產(chǎn)品的來(lái)源，又能記錄其運(yùn)輸流轉(zhuǎn)過(guò)程。

在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域中，最初的數(shù)據(jù)溯源主要都是對(duì)文檔的溯源，數(shù)據(jù)溯源在數(shù)據(jù)庫(kù)領(lǐng)域的定義為數(shù)據(jù)及其在數(shù)據(jù)庫(kù)間運(yùn)動(dòng)的起源，溯源信息也被稱為數(shù)據(jù)文檔或者標(biāo)識(shí)[17]?，F(xiàn)今數(shù)據(jù)溯源技術(shù)普遍存在2個(gè)思路：一是通過(guò)日志審計(jì)方法查詢以往日志記錄得知數(shù)據(jù)的來(lái)源和流向；二是向數(shù)據(jù)中嵌入信息或做出標(biāo)注，通過(guò)對(duì)嵌入信息或標(biāo)注的提取來(lái)追溯到數(shù)據(jù)泄露的源頭[18-19]。

針對(duì)冷鏈物流數(shù)據(jù)具有復(fù)雜性和變化性[20]，本研究在SSH框架的數(shù)據(jù)持久層中引入遺傳算法。即在選擇物流追蹤溯源數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)元組時(shí)，使用遺傳算法進(jìn)行水印的嵌入，從而在所選元組中間檢查不同的屬性組合，找出最佳屬性對(duì)，達(dá)到最大化容量的同時(shí)滿足最小化失真[21]，從而找到溯源信息的最優(yōu)解。

遺傳算法是一種通過(guò)模擬自然進(jìn)化過(guò)程搜索最優(yōu)解的方法，能夠解決數(shù)據(jù)優(yōu)化和最優(yōu)值搜索問(wèn)題[22]。在確定初始種群并對(duì)其編碼后，計(jì)算種群適應(yīng)度值。在遺傳算法中，適應(yīng)度值是描述種群中個(gè)體性能的重要指標(biāo)。根據(jù)適應(yīng)度值的大小，對(duì)優(yōu)質(zhì)個(gè)體進(jìn)行選擇。在本研究中，將目標(biāo)函數(shù)直接作為適應(yīng)度函數(shù)，將個(gè)體對(duì)應(yīng)的值代入目標(biāo)函數(shù)，所得結(jié)果即為適應(yīng)度值。經(jīng)過(guò)選擇算子、雜交算子和變異算子的演化迭代，當(dāng)種群中個(gè)體滿足最優(yōu)狀態(tài)后，停止迭代，并輸出最優(yōu)屬性對(duì)，及完成對(duì)于物品追蹤數(shù)據(jù)的尋優(yōu)。

首先確定2個(gè)溯源信息的屬性對(duì)，然后分別計(jì)算兩者的均值a和差值b，得

(1)

式中：a為均值；b為差值；Vx、Vy為屬性對(duì)；T為屬性參數(shù)。然后運(yùn)用遺傳算法，通過(guò)遺傳、變異、交叉操作得到改變后的屬性數(shù)值為

(2)

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為驗(yàn)證上述基于SSH框架的冷鏈物流追蹤與溯源系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果，設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)并加以分析。在實(shí)驗(yàn)用PC機(jī)中裝載Windows 10操作系統(tǒng)，設(shè)定冷鏈物流傳感器方位角度在0°～90°內(nèi)變化，運(yùn)輸車輛車廂溫度保持在7 ℃左右，干擾信號(hào)最高設(shè)置為70 dB。

為避免實(shí)驗(yàn)結(jié)果的單一性，將文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)的基于ARM9和ZigBee的生鮮農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流追蹤溯源系統(tǒng)和文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)的基于STM32的冷鏈物流追蹤溯源系統(tǒng)作為對(duì)比方案，從物流信息有效識(shí)別次數(shù)和溯源成功率2個(gè)角度，與本文系統(tǒng)共同完成性能驗(yàn)證。

2.1 有效識(shí)別次數(shù)驗(yàn)證分析

首先以物流信息有效識(shí)別次數(shù)為驗(yàn)證指標(biāo)，檢驗(yàn)3種系統(tǒng)的應(yīng)用性能。有效識(shí)別次數(shù)能夠反映追蹤溯源系統(tǒng)對(duì)冷鏈物流標(biāo)簽信息的識(shí)別能力，可由Windows 10操作系統(tǒng)后臺(tái)智能統(tǒng)計(jì)。

實(shí)驗(yàn)共設(shè)計(jì)90次識(shí)別實(shí)驗(yàn)，物流信息有效識(shí)別次數(shù)越多，證明系統(tǒng)的識(shí)別能力越好，可有效實(shí)現(xiàn)對(duì)冷鏈物流信息的準(zhǔn)確追蹤。3種系統(tǒng)的識(shí)別結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同系統(tǒng)的物流信息有效識(shí)別次數(shù)對(duì)比Fig.1 Comparison of effective identification times of logistics information of different systems

從圖1可知，隨著待識(shí)別標(biāo)簽數(shù)的增多，本文系統(tǒng)與文獻(xiàn)[3]的有效識(shí)別次數(shù)在后期均有所減少，而文獻(xiàn)[4]的有效識(shí)別次數(shù)呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢(shì)。但相比之下，本文系統(tǒng)的有效識(shí)別次數(shù)更多，最低的有效識(shí)別次數(shù)也可達(dá)到83次。說(shuō)明本文系統(tǒng)可有效實(shí)現(xiàn)對(duì)冷鏈物流信息的準(zhǔn)確追蹤。

產(chǎn)生上述結(jié)果的原因在于本文系統(tǒng)在無(wú)線通信模塊中，利用換能器將采集到的冷鏈信息先變換為電信號(hào)，再轉(zhuǎn)變?yōu)樽銐驈?qiáng)度的高頻電振蕩信號(hào)，有效抵抗了環(huán)境因素的干擾。同時(shí)，本文系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊中的兩線制數(shù)字接口可隨時(shí)在無(wú)需標(biāo)定的條件下精確測(cè)量環(huán)境信息，具有抗干擾性強(qiáng)、功耗低、響應(yīng)速度的優(yōu)勢(shì)，從而提高了對(duì)冷鏈物流信息的識(shí)別能力，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)冷鏈物流的有效追蹤。

2.2 溯源成功率驗(yàn)證分析

以溯源成功率為指標(biāo)，在不同的無(wú)線信道噪聲的干擾下，進(jìn)一步驗(yàn)證不同系統(tǒng)的溯源能力。溯源成功率的計(jì)算方式為準(zhǔn)確溯源次數(shù)與總溯源次數(shù)的比值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 不同系統(tǒng)的溯源成功率對(duì)比結(jié)果Tab.1 Comparison results of traceability successrate of different systems

從表1可知，隨著無(wú)線信道噪聲的增加，不同系統(tǒng)的溯源成功率有所下降。在5種不同的無(wú)線信道噪聲下，文獻(xiàn)[3]的平均溯源成功率為84.764%，文獻(xiàn)[4]的平均溯源成功率為76.964%。相比之下，本文系統(tǒng)的平均溯源成功率更高，可達(dá)到94.55%，說(shuō)明本文系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)冷鏈物流信息的準(zhǔn)確溯源。

產(chǎn)生上述結(jié)果的原因在于本文系統(tǒng)在軟件環(huán)境構(gòu)建過(guò)程中對(duì)SSH框架層次進(jìn)行了設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了溯源任務(wù)的層次分離，降低了一些環(huán)境干擾因素對(duì)架構(gòu)層次的影響，提高了系統(tǒng)的可復(fù)用性。而且由于不同層次之間的耦合度較小，本文系統(tǒng)還應(yīng)用了遺傳算法強(qiáng)大的搜索和優(yōu)化能力，進(jìn)一步提高了冷鏈物流溯源效果。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文在設(shè)計(jì)SSH框架的基礎(chǔ)上，結(jié)合遺傳算法實(shí)現(xiàn)了對(duì)冷鏈物流信息的追蹤與溯源。在該系統(tǒng)的無(wú)線通信模塊中，利用換能器采集到的冷鏈信息變換為高頻電振蕩信號(hào)，使其能夠抵抗環(huán)境因素的干擾。同時(shí)，利用SSH框架降低了環(huán)境干擾因素對(duì)溯源過(guò)程的影響，使得本文系統(tǒng)的物流信息有效識(shí)別和溯源效果較好。

雖然該系統(tǒng)具有較高的應(yīng)用性能，但仍存在優(yōu)化空間。在接下來(lái)的研究中，將研究如何更好地將滲透分析技術(shù)滲透到追蹤溯源系統(tǒng)中，更好地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全防御，為冷鏈物流追蹤溯源過(guò)程提供更加智能化和安全化的監(jiān)管及后期數(shù)據(jù)維護(hù)。