物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在低溫乳制品冷鏈末端運輸中的應(yīng)用

王群智，伍麗芳，勒格吉哈，蘇 暢，張 興，白 玥

（1.西南交通大學(xué) 交通運輸與物流學(xué)院，四川 成都 611756；2.四川省成都市物流協(xié)會，四川 成都 610041;3.四川新華西乳業(yè)有限公司，四川 成都 611732；4.慶應(yīng)義塾大學(xué)，日本 東京 223-8522）

0 引言

乳品行業(yè)是一個比較特殊的行業(yè)，不僅產(chǎn)業(yè)鏈長，而且環(huán)節(jié)多，涉及第一產(chǎn)業(yè)（農(nóng)牧業(yè)）、第二產(chǎn)業(yè)（食品加工業(yè)）和第三產(chǎn)業(yè)（分銷、物流等）的縱向延伸，其鏈上任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)質(zhì)量問題，都會影響整體供應(yīng)鏈的質(zhì)量安全，并最終影響到消費者的食用安全。

若乳制品冷鏈配送出現(xiàn)斷鏈，其后果不僅是營養(yǎng)價值的降低，還有一定幾率造成乳制品變質(zhì)。在其到達消費者手中并飲用過后，可能會產(chǎn)生腹瀉、嘔吐、脫水等一系列不良反應(yīng)，危害消費者的健康，致使消費者對乳制品質(zhì)量產(chǎn)生質(zhì)疑，阻礙乳制品市場的健康發(fā)展。乳制品易變質(zhì)，決定了其對溫度、時間和質(zhì)量的高要求。而溫度是延長或保持乳制品的最重要因素，要把乳制品運送給消費者，并確保其狀況良好，可安全食用，必須適當控制和管理溫度。

部分學(xué)者對引入不同技術(shù)，以維持生鮮貨物在運輸過程中的質(zhì)量以及不同技術(shù)的優(yōu)勢進行了研究。邱浩雯，等提出在運輸環(huán)節(jié)應(yīng)用RFID技術(shù)通過讀寫器讀取標簽，可以獲得貨物運輸途中產(chǎn)品周圍溫度的變化，由此方便在運輸途中及時的調(diào)整溫度，保持生鮮的運輸環(huán)境的適宜。Choy,K.L，等提出了一種有效的監(jiān)控系統(tǒng)，采用射頻識別（RFID）技術(shù)，通過制定可靠的程序防止食品變質(zhì)。王杰，等將GPS/GIS技術(shù)應(yīng)用于系統(tǒng)中，對冷鏈物流車地理信息及車廂溫度等指標進行遠程控制的目的，保障食品安全。Cecilia Amador，等對帶探針和不帶探針的RFID系統(tǒng)在菠蘿供應(yīng)鏈中的應(yīng)用進行了對比，分析了RFID系統(tǒng)對比傳統(tǒng)溫度監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)勢，并發(fā)現(xiàn)帶探針的RFID系統(tǒng)適合于低溫環(huán)境，不帶探針的RFID系統(tǒng)適合高溫環(huán)境，RFID系統(tǒng)最好能同時記錄環(huán)境溫度和容器溫度。HEIDI，等對多分布式無線傳感器對遠距離運輸?shù)睦洳丶b箱溫度監(jiān)控進行了研究，討論了利用RFID技術(shù)提高短貨架期產(chǎn)品供應(yīng)鏈效率的潛力。E Abad，等對RFID智能標簽的實時可追溯性和在食品冷鏈監(jiān)控中的應(yīng)用進行了驗證，從實時性、同時讀取性、可追溯性等方面分析了RFID智能標簽在食品冷鏈監(jiān)控領(lǐng)域中具有的優(yōu)勢。Mikko K?rkk?inen討論了利用RFID技術(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對短倉儲期產(chǎn)品供應(yīng)鏈的優(yōu)勢，在Sainsbury的RFID實驗基礎(chǔ)上分析了RFID技術(shù)的應(yīng)用對供應(yīng)鏈各參與者的影響，得到RFID在可回收運輸集裝箱的應(yīng)用能提供相應(yīng)運營效益的結(jié)論。

部分學(xué)者研究了應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)系統(tǒng)監(jiān)管運輸過程中的車輛溫度及貨物質(zhì)量變化。呂昳苗和寧鵬飛將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到冷鏈物流監(jiān)控環(huán)節(jié)，通過對比分析不同的物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)特征，選擇基于USN結(jié)構(gòu)的物聯(lián)網(wǎng)，構(gòu)建冷鏈物流監(jiān)控系統(tǒng)基本框架。Xiao，等開發(fā)了一種基于WSN與壓縮發(fā)送(CS)相結(jié)合的溫度檢測系統(tǒng)(MS-FCAP)，可以準確、高效的恢復(fù)采集到的傳感器數(shù)據(jù)，反映冷鏈物流過程中冷凍車的實時溫度變化。張秀萍，等人提出了一個基于GPS的冷鏈物流監(jiān)控終端的設(shè)計，實現(xiàn)冷鏈物流中溫度及其車輛在運輸途中狀態(tài)的選擇跟蹤、查詢等實時監(jiān)控，以及車輛定位、溫度監(jiān)控、車輛狀態(tài)實時預(yù)警等功能。胡江虹、楊紅霞，等態(tài)分別設(shè)計了不同的冷鏈物流車輛狀態(tài)遠程監(jiān)控裝置，用于監(jiān)控含車廂的物流車輛的運輸狀。倪錦，等建立了基于熒光光纖技術(shù)的冷藏溫度監(jiān)測方案，形成了冷藏車溫度動態(tài)預(yù)警模型，能夠根據(jù)溫度變化，動態(tài)調(diào)節(jié)預(yù)警值,實現(xiàn)動態(tài)預(yù)警，為冷藏車溫度監(jiān)測提供了一種新方法。汪庭滿，等利用無線射頻技術(shù)（RFID）和貨架期模型開發(fā)了冷鏈溫度監(jiān)控系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)記錄車輛信息和溫度信息，對批次產(chǎn)品的溫度實時監(jiān)控，實現(xiàn)了水產(chǎn)品運輸全程的監(jiān)控，以及對運輸后冷鏈產(chǎn)品貨架倉儲期的預(yù)測。林程志運用RFID+GPS+NB-IOT等現(xiàn)代信息技術(shù)手段，將硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)進行有機結(jié)合，提出冷鏈物流智能化設(shè)計的架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)，從而提高鐵路冷鏈運輸效率，解決鐵路冷鏈傳統(tǒng)物流模式存在的問題。

部分學(xué)者對不同技術(shù)下冷鏈物流的體系、經(jīng)濟效益進行了研究。楊亞，等考慮RFID技術(shù)應(yīng)用能解決生鮮農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈新鮮度信息不對稱問題，建立集中和分散型供應(yīng)鏈下RFID技術(shù)投資模型，研究RFID技術(shù)投資決策及協(xié)調(diào)契約。張順萍，等利用ISM法分析顧客乳品滿意度的各個因素之間的層級關(guān)系，并基于顧客導(dǎo)向，構(gòu)建乳品冷鏈物流體系。Sang Hak Lee利用RFID技術(shù)具有可追溯生產(chǎn)源，并單獨管理產(chǎn)品的新鮮度功能的智能冷鏈系統(tǒng)，并對應(yīng)用了RIFD技術(shù)的蛋類和化妝品冷鏈運輸經(jīng)濟可行性進行了評價。Fan，等對應(yīng)用在食品方向的條形碼-RFID雙向轉(zhuǎn)換設(shè)備進行了研究，發(fā)現(xiàn)這種設(shè)備能提高連續(xù)可追溯性。

還有部分學(xué)者對冷鏈運輸?shù)默F(xiàn)有技術(shù)進行了研究分析。鐘曉峰，等介紹了國外鐵路冷藏運輸裝備的技術(shù)現(xiàn)狀,分析了各種冷藏運輸裝備的性能特點,并結(jié)合我國現(xiàn)有冷藏運輸裝備技術(shù)現(xiàn)狀，提出了關(guān)于我國鐵路冷藏運輸裝備技術(shù)發(fā)展方向的建議。鄧汝波，等從保溫有效性、便攜性與經(jīng)濟性、應(yīng)用前景等角度分析了不同的冷藏藥品貯運保溫裝置，并采集樣本進行了統(tǒng)計分析，針對未來藥品長時間運輸所需要的溫度監(jiān)控和溫度保障等因素提出了展望。

針對冷鏈的干線運輸及專業(yè)制冷車配送階段中的溫度監(jiān)控，已有不少學(xué)者研究過其中所需要的技術(shù)及相應(yīng)的模型。但針對乳制品末端配送入戶階段冷鏈運作改善的方法、數(shù)據(jù)分析等方面的研究較少，本文利用乳制品配送末端所用的保冷送奶箱，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的GPRS和RFID技術(shù)，設(shè)計了一套溫度監(jiān)控及報警方法。包括溫度監(jiān)控中收集數(shù)據(jù)的方式、收集的數(shù)據(jù)類型以及最后生成的報表形式等。

1 硬件方案

末端配送入戶階段，為隨時掌握保冷送奶箱運輸情況，利用RFID、GPRS等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實時收集、傳輸配送過程中的信息。

如圖1所示的送奶箱在使用前，統(tǒng)一在箱內(nèi)對角線兩處安裝RFID溫度標簽，全方面掌握保冷送奶箱箱體內(nèi)溫度變化情況。同時，對箱體外側(cè)亦設(shè)置一個RFID溫度標簽，用于實時監(jiān)測運輸過程中箱體的外側(cè)溫度變化，便于后期對運輸狀況進行分析。該溫度標簽的內(nèi)部裝備有芯片和溫度傳感器，并且裝有超薄的紐扣電池，可長期使用。運輸過程中，保溫箱上的RFID溫度標簽會時刻收集溫度信息并存儲于RFID芯片中，通過RFID讀寫天線及GPRS數(shù)據(jù)分組的方式無線傳輸數(shù)據(jù)到企業(yè)的服務(wù)器中，以保證在運輸過程中信息可以順利進行記錄。除了對溫度的監(jiān)控裝置外，保冷送奶箱還會安裝GPS定位系統(tǒng)，對送奶員的送奶路線進行記錄，便于后期分析。

圖1 保溫箱體

2 末端運輸與數(shù)據(jù)采集

在對末端配送進行監(jiān)控前，基于企業(yè)自身乳制品產(chǎn)品特點，為該溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)定兩個溫度值，一個是質(zhì)量臨界值，當保溫箱體內(nèi)溫度達到質(zhì)量臨界值時，有極大可能箱內(nèi)乳制品已出現(xiàn)變質(zhì)情況；另一個為警告值，當保溫箱體溫度達到警告值時，即箱內(nèi)乳制品所處環(huán)境溫度達到了乳制品最適宜環(huán)境溫度的臨界值，但未達到導(dǎo)致乳制品變質(zhì)的程度。而對于箱體內(nèi)溫度處于警告值與質(zhì)量臨界值之間的情況，根據(jù)自身產(chǎn)品特點設(shè)定一個函數(shù)，在箱體溫度超過警告值x攝氏度的情況下，當時間超過t小時，哪怕箱體內(nèi)溫度未超過質(zhì)量臨界值，此時箱體內(nèi)的乳制品亦視為不宜飲用，并進行回收銷毀處理。

配送過程中，保冷送奶箱上的RFID溫度標簽、GPS系統(tǒng)及GPRS模塊將會記錄及傳送箱體的內(nèi)外溫度及送奶員的路徑信息。當某個保溫箱體內(nèi)溫度達到警告值時，向相應(yīng)送奶員的手機發(fā)出警告短信，并在電腦上記錄在案。意在告知送奶員，箱內(nèi)溫度已超過乳制品的最佳存儲溫度，應(yīng)加快配送速度，確保乳制品的品質(zhì)與口感。

當保冷送奶箱箱內(nèi)溫度處于警告值與質(zhì)量臨界值之間的某個值，并達到了一定時間值后，向相應(yīng)送奶員的手機發(fā)出召回短信，向相關(guān)負責(zé)人發(fā)送提示信息，并在電腦上記錄在案，剩余乳制品不再進行配送，送奶員返回出發(fā)點，對剩余乳制品銷毀，并通知客戶配送晚點及晚點原因。送奶員回到奶站后，檢查箱體、RFID溫度標簽與GPRS無線傳輸裝置等相關(guān)裝置的配件是否損壞，若無損壞，則檢查運輸路線是否合適、配送量、配送時間是否合理。

當箱體溫度達到質(zhì)量臨界值時，向相應(yīng)送奶員手機發(fā)出警告信息的同時，向相關(guān)負責(zé)人發(fā)送提示信息，并將該情況記錄在案。送奶員此時不再進行配送，返回出發(fā)點，對剩余乳制品銷毀，并通知客戶配送晚點及晚點原因。送奶員回到奶站后，檢查箱體、RFID溫度標簽與GPRS無線傳輸裝置等相關(guān)裝置的配件是否損壞；若無損壞，則檢查運輸路線、配送量、配送時間等是否合理。

針對配送過程中，如何通過已有的數(shù)據(jù)判斷該次配送是否為最后一次配送的問題，做了如下處理。對于配送過程中的溫度及路徑信息，對每個客戶的地址設(shè)定一個范圍，計算送奶員進入該范圍內(nèi)的時間，當其大于預(yù)設(shè)值時，系統(tǒng)暫時標定該客戶的乳制品已送達。當送奶員本次送奶的所有客戶均被暫時標定為已送達狀態(tài)時，對送奶箱發(fā)回的溫度及位置信息僅記錄不報警，此時系統(tǒng)暫時標定送奶員已完成本次配送。若該送奶員返回奶站前再次進入某客戶地址的一定范圍內(nèi)，再次計算送奶員進入該范圍的時間，當其大于預(yù)設(shè)值時，系統(tǒng)調(diào)出該送奶員首次離開該范圍之后的溫度數(shù)據(jù)。若存在超過質(zhì)量臨界值或超過警告值并達到一定時間的情況，系統(tǒng)向送奶員、相關(guān)負責(zé)人同時發(fā)送信息，回收剛配送的乳制品，并將箱內(nèi)剩余乳制品帶回奶站銷毀。二次進行數(shù)據(jù)調(diào)用的原因是，存在送奶員為首次配送時無人在家的客戶再次配送的可能性。

當所有客戶均暫時被標定為已送達狀態(tài)時，暫停報警，僅對溫度位置數(shù)據(jù)進行記錄。當再次送奶時，對記錄進行調(diào)用分析，若箱內(nèi)溫度正常，則不動作；否則，立即回收剛配送的乳制品并將剩余乳制品帶回奶站銷毀，該客戶重新被標定為未送達狀態(tài)。當送奶員在未收到撤回短信的情況下返回奶站，所有暫時標定為已送達的客戶自動確認送達。

3 數(shù)據(jù)分析與改善

當乳制品全部配送完成后，送奶員將保冷送奶箱與空瓶送回奶站。

針對所收集的數(shù)據(jù)進行分析，企業(yè)根據(jù)自身的監(jiān)管情況，設(shè)定信息一覽表的查看周期。本文中的一覽表分為天、周、月三個周期，具體分析過程如下。表中所需信息分為四種，系統(tǒng)所要收集的信息、每日記錄的信息、隨時記錄的信息和需要計算的值。其中，系統(tǒng)所要收集的信息為奶站編號、送奶箱編號、訂單編號、送奶員編號、送奶員姓名及聯(lián)系方式。該類信息可明確出現(xiàn)異常情況的奶站、保冷送奶箱、客戶及送奶員，在對奶站及送奶員做整體的工作情況評價時亦有所幫助。每日記錄的信息包括日期、訂單編號、乳制品配送量、出發(fā)時間、回奶站時間、進入客戶x米的范圍內(nèi)的時間、離開客戶x米的范圍內(nèi)的時間、警告次數(shù)和報警次數(shù)。該類信息有助于分析每日送奶員工作的大致情況，了解異常情況的出現(xiàn)原因，并對其進行修改。隨時記錄的信息包括里程、箱內(nèi)溫度、箱內(nèi)溫度變化速率、箱外溫度、箱外溫度變化速率和移動速度。該類信息可反映乳制品末端配送過程及狀態(tài)，用于后期異常情況分析。需計算的值包括總運輸里程、總運輸時間和平均每瓶乳制品的配送時間。其中總運輸里程的單位為km，含義為從奶站出發(fā)到完成配送時所走過的路程長度；總運輸時間以min為單位，含義為從奶站出發(fā)到送完最后一瓶乳制品的所用時間；平均每瓶乳制品的配送時間以min為單位，計算方式為針對每瓶乳制品的配送時間取平均值，而每瓶乳制品的配送時間為離開和進入客戶x米的范圍內(nèi)的時間之差除以乳制品配送量。

每位送奶員每次出發(fā)時，都會生成一個表格，表格中的時間間隔為一分鐘，每隔一分鐘記錄一次送奶員的里程、箱內(nèi)溫度和箱外溫度。該類表格信息用于統(tǒng)計送奶員整體乳制品配送情況，對于了解送奶員詳細配送信息亦能提供幫助。

面向奶站生成的日/周/月一覽表，見表1，包含的內(nèi)容有日期、箱內(nèi)溫度、箱內(nèi)溫度變化速率、箱外溫度、箱外溫度平均變化速率、移動速度、平均每瓶乳制品的配送時間、總運輸里程、總運輸時間、警告次數(shù)、報警次數(shù)。各指標下方還有對應(yīng)具體值，如最大、最小值等。其中，箱內(nèi)溫度及箱外溫度在正常情況下記錄的為從出發(fā)到完成最后一瓶乳制品的配送期間出現(xiàn)的最大或最小值；在異常情況下，則記錄從出發(fā)到回到奶站期間的最大或最小值。

表1 奶站用保冷送奶箱監(jiān)控數(shù)據(jù)一覽表

通過日/周/月一覽表，管理人員可以了解奶站過去一日/周/月的整體概況。通過記錄數(shù)據(jù)與標準值的對比，可知奶站配送情況與正常情況之間的偏移程度。

面向公司生成的日/周/月一覽表，見表2，包含的內(nèi)容有奶站編號、奶站、日期、箱內(nèi)溫度、箱內(nèi)溫度變化速率、箱外溫度、箱外溫度平均變化速率、移動速度、平均每瓶乳制品的配送時間、總運輸里程、總運輸時間、警告次數(shù)、報警次數(shù)。

表2 公司用保冷送奶箱監(jiān)控數(shù)據(jù)一覽表

在一覽表中，通過送奶箱的內(nèi)外溫度及變化速率，可以全方面掌握末端配送過程中保冷送奶箱整體溫度環(huán)境；通過移動速度、平均每瓶乳制品的配送時間可以掌握送奶員整體配送效率；通過總運輸里程及總運輸時間可以掌握奶站整體送奶員工作量情況。

當出現(xiàn)異常時，生成的一覽表，見表3。其內(nèi)容包括日期、奶站編號、送奶箱編號、送奶員編號、送奶員姓名、送奶員聯(lián)系方式、訂單編號、出發(fā)至出現(xiàn)異常的總時間、出發(fā)至出現(xiàn)異常的總路程、最高移動速度、箱外溫度、箱外溫度平均變化速率、平均每瓶乳制品的配送時間、箱內(nèi)溫度、箱內(nèi)溫度平均變化速率。

表3 異常情況一覽表

對于上述三個一覽表而言，其中標準值的規(guī)定如下。指標最大值的標準值為歷史數(shù)據(jù)里，每天正常情況中的最大值，再對所有的最大值不斷取其平均值。正常情況即表明該最大值的數(shù)據(jù)為排除了警告與報警情況后的數(shù)據(jù)。對所有最大值不斷取平均值，即表明標準值會因歷史數(shù)據(jù)的更新而進行更新。指標平均值的標準值為歷史數(shù)據(jù)里，每天正常情況中的平均值，再對所有的平均值不斷取其平均值。正常情況即表明該平均值的數(shù)據(jù)為排除了警告與報警情況后的數(shù)據(jù)。對所有的平均值不斷取平均值，即表明標準值會因歷史數(shù)據(jù)的更新而進行更新。通過對配送過程中記錄的不同指標與標準值進行對比，管理人員可以掌握出現(xiàn)的異常狀況并分析其原因，并對奶站或送奶員加以督促改正。

4 結(jié)語

（1）引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，采用RFID溫度標簽對保冷送奶箱運輸過程中的移動路線及相應(yīng)的溫度變化進行記錄，可以對運輸過程中箱體內(nèi)部溫度進行監(jiān)控，便于后期根據(jù)運輸過程中發(fā)生的異常進行線路、配送量或配送時間的調(diào)整，以此保證低溫乳制品冷鏈末端配送質(zhì)量，改善冷鏈運作中出現(xiàn)的問題。

（2）末端配送過程中設(shè)定警告值和質(zhì)量臨界值，便于掌控配送過程中溫度變化情況，防止質(zhì)量不合格的乳制品進入消費者手中。

（3）按周期對異常數(shù)據(jù)進行分析并調(diào)整配送路線、配送量或配送時間，不斷自我改進，提高配送質(zhì)量和效率。

（4）本文的警告值與質(zhì)量臨界值未給出較為具體的數(shù)值或公式，后續(xù)可針對相應(yīng)方向進行研究。