2.7.2 我国冷链物流信息化技术现状

2.7.2.1 物流设施与设备现状

物流设施设备是现代化企业的主要作业工具之一，是合理组织批量生产和机械化流水作业的基础，物流设施设备是贯穿于物流全过程、深入到各作业细节的复杂技术支撑要素。对第三方物流企业来说，物流设施设备又是组织物流活动的物质技术基础，体现着企业的物流能力大小。物流设施的布局水平、物流设备的选择与配置是否合理，直接影响着物流功能的实现，影响着物流系统的效益。物流设施与设备是物流系统的物质技术基础和重要资产，涉及物流活动的所有环节，是物流技术水平高低的标志。

目前的物流设施与设备主要分为七大类，每个大类又各自分为许多小类。其中包括：①运输设施设备：公路运输设施与设备、铁路运输设施与设备、水路运输设施与设备、航空运输、管道运输设施与设备等；②仓储设施设备：各种货架、巷道堆垛起重机、输送设备、自动化高层货架仓库等；③物流装卸搬运设备：叉车、起重机械、连续输送机器等；④集装单元化设备：托盘、集装箱、集装箱装卸专用设备等；⑤流通加工设备：包装机械、切割机械、印贴标记条形码设备、拆箱设备、称重设备等；⑥自动分拣设备：条码自动识别设备、自动分拣机（带式分拣机、托盘式分拣机、浮出式分拣机、横向移出式分拣机等）；⑦工业企业物流设施设备。

近年来我国的物流设备越来越现代化、自动化，主要表现为：①社会化程度越来越高，设备结构越来越复杂，从研究、设计到生产直至报废的各环节之间相互依赖，相互制约；②设备向连续化、大型化、高速化、电子化方向发展，提高了生产效率；③能源密集型的设备居多，能源消耗大；同时设备投资和使用费用十分昂贵，属于资金密集型行业。而未来先进的物流设备发展将集中在以下几个方面展开：①大型化和高速化；②实用化和轻型化；③专用化和通用化；④自动化和智能化；⑤成套化和系统化；⑥低碳“绿色化”。

2.7.2.2 物流过程中的应用模型现状

物流设备实现自动化控制和有效操作的关键在于设备中嵌入了适用的应用模型，对于不同的物流设备，其模型的种类和适用性各不相同，目前在冷链物流过程中涉及的主要包括环境参数调控模型、农产品/食品货架期预测模型、车辆调度和配送路径优化模型、安全库存动态管理模型等。由于农产品/食品的种类多样性及生物学特殊性，其冷链物流过程中贮运环境温度、湿度以及自身冰点均存在很大差异，此外，不同的农产品/食品能耐受的低温和高温极限也各不相同，因此，不适宜的冷链物流温度或温度波动均会直接影响农产品/食品品质、风味变化或导致其生物腐败。基于农产品的生物学特征及其货架期的有限性，物流过程的环境调控、货架期预测以及延伸下来的车辆调度及配送路径优化及库存管理，均与农产品的生物学特征密切关联。

1.物流环境参数调控模型与管理系统

由于生鲜农产品/食品的品质与所接触的贮运环境密切联系，一般遵循时间-温度-耐藏性（Time-Temperature-Tolerance，TTT）原则，即温度越高，食品保持良好品质的时间越短。而贮运环境湿度越大，整个冷藏车厢和食品内微生物生长越快；湿度太小，食品表面过于干燥，外观品质差、重量损耗大。因此实时监测物流过程中的冷藏间或运输车厢的环境参数（温度、湿度）是品质预测的关键参数和预警前提。

目前国内用于农产品冷链物流的环境参数调控监测系统主要侧重于单向静态采集，事后分析，未实现定位、环境数据实时网络传输和预报功能。韩佳伟等研究比较了基于计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）数值模拟的冷藏车节能组合方式。刘敬辉等通过CFD仿真分析了风幕在开门时对冷藏车保温性能的影响，并对一种新开发的带外吸风方式风幕机的冷藏车性能进行了测试，表明在冷藏车门处设置风幕机可以减少冷藏车卸货过程中由于开门造成的冷量损失，与不设置风幕机的冷藏车相比，可明显降低冷藏箱内平均温度的上升速率。上述系统监测的物流车厢内环境参数还不够全面，系统功能相对比较单一，还没有实现对环境信息的数据处理、预报、定位，并与农产品品质预测关联。随着计算机硬件技术、数据无线传输技术以及RFID技术的快速发展，冷链物流监测将从仅仅能够获取数据到自动动态监测、传递和处理数据，实现物流过程产品信息和品质变化等信息实时、准确、透明和可追溯。随着冷链物流和食品质量安全追溯技术的日趋发展，集成RFID、GPRS、GPS、温湿度传感器和无线传感网络技术的“环境-品质-定位”智能化物流综合监控方法成为可能。

从目前对物流环境调控模型和系统的研究来看，还存在着明显的不足，主要体现为：物流环境参数调控管理主要集中于研究通用冷藏农产品/食品的冷藏条件，没有针对不同品类的农产品/食品的适宜贮运环境参数进行调控，也较少考虑物流过程中的能耗成本投入问题，限制了物流过程经济效益的提高。物流过程的信息管理系统主要集中于基础数据的采集、存储与查询，所开发的管理系统多是单向、静态、事后分析与推理，没有实时动态过程控制与预测功能，局限性很大，实用性不高。

2.食品货架期预测模型与决策系统

快速监控和判定食品流通过程中的实时品质对于供应链上生产者和贸易者具有重要的现实意义。货架期预测模型是快速判定食品品质的重要手段。货架期是指产品可以被接受并且满足顾客质量要求的时间期限，当食品贮藏至某些品质特性达到不可接受时，即为货架期终点。食品货架期受微生物、酶类和生化反应等内部因素和温度、湿度、pH值、气体氛围、包装等外部因素的综合影响。传统的食品货架期依赖于感官评价、微生物数量和理化指标的综合判定，耗时费力，且不能及时反映产品剩余货架期。食品的货架期通常是厂商根据经验或在恒定贮藏条件下给定的，没有考虑贮运的温度和时间对产品实际货架期的影响，消费时往往错过营养和风味最佳期。近年来我国开始发展基于感官或光谱技术的食品快速评价方法和基于微生物预报技术的货架期预测模型，主要包括基于质量损失方程的货架期预测模型、基于预测微生物学的货架期预测模型、基于智能感官技术（电子鼻）的货架期预测模型以及基于光谱技术的品质快速分级与评价。在恒定、可控温度下的货架期预测已经取得了一定的效果，但在动态温度下，特别是冷链“断链”的情况下，如何提高货架期预测模型的准确性，尚需要针对不同食品的物性特征，进一步加强各种贮藏、运输设备、传感器与货架期模型的耦合度，实时进行校正，以提高准确度，增加实用性。

开发食品冷链货架期预测软件和决策支持系统，对于物流、仓储和分销过程均具有重要的指导作用。目前我国关于食品货架期的预测软件与决策支持系统的研究还很少，主要为大量的食品品质变化的基础数据，以及食品基础信息的查询与追溯系统，还没有对食品流通过程的实时品质等级以及食用风险进行预测和评估。

建立快速准确的货架期预测方法及其质量管理决策系统对于提升食品整个供应链的质量保障和分销管理能力具有重要的现实意义。采用现代无损检测技术和风险评估技术建立的货架期预测模型可以快速判定食品的剩余货架期和质量等级，但是需要对某种/某几种关键品质指标进行深入研究，构建有效精准的货架期预测模型，在此基础上开发应用软件，以便捷的方式输入参数和输出预测结果，同时经过风险分析确定风险等级及其概率，进而开发具有人工智能的质量预警系统。随着冷链监控技术、人工智能技术和信息传输技术等的迅速发展，这种用于食品冷链物流的质量预警系统将成为可能，但在决策系统中所涉及的温度实时监测技术、信息传输技术、货架期预测模型以及统计分析等硬件软件上的兼容问题有待进一步研究。

3.车辆调度配送路径优化模型

车辆优化调度问题（Vehicle Routing Problem，VRP）是现代物流研究中的一项重要内容。早期的车辆调度问题主要集中在静态的车辆调度问题上，描述的是一个运筹学中的优化问题，即：有一个配送中心，车辆数目和服务对象确定，总优化目标是用最少的车辆使总的行驶路程最短，而对服务时间没有具体要求。由于我国城市规模较大，多数物流公司在同一城市内一般设立多个配送中心，而且多种车型同时使用，再加上国内物流配送企业较低的专业化水平，因而导致了集货、送货和集送一体化的混合状况，使配送车辆的调度问题十分复杂，因此，物流配送车辆优化调度问题一直是物流过程研究的热点问题之一。目前多数研究集中在有车辆类型、车辆载重、客户时间窗等约束条件下，建立带有时间窗的多配送中心、多车型的综合物流配送优化调度模型，使总吨公里数最小。

车辆优化调度问题可根据不同性质具体分为以下四类：①按照运输任务分为纯装问题、纯卸问题以及装卸混合问题。按照车辆载货状况分为满载问题和非满载问题，满载问题是指货运量多于一辆车的容量，完成所有任务需要多辆运输车辆；非满载问题是指车的容量大于货运量，一辆车即可满足货运要求。②按照车辆类型分为单车型问题和多车型问题；按照车辆是否返回车场划分为车辆开放问题和车辆封闭问题。车辆开放问题是指车辆不返回其出发地，车辆封闭问题是指车辆必须返回其出发地。③按照优化的目标可分为单目标优化问题和多目标优化问题；按照有无休息时间要求可分为有休息时间调度问题和无休息时间调度问题。④组合优化的经典问题——旅行商问题（Traveling Salesman Problem，TSP），它是计算复杂性理论、图论、运筹学、最优化理论等领域中的一个经典问题。TSP通过扩展旅行商的数目进而可以得到多旅行商问题（即M-TSP），在M-TSP的基础上，已知客户需求及给每个旅行商加上容量约束就得到了经典VRP问题，在经典VRP问题中加上客户被访问的时间窗约束则称之为有时间窗的车辆优化调度问题。若将各种约束条件加入到问题的实际模型中，则可以得到各种车辆优化调度问题，这是一个理论研究逐渐逼近实际问题的过程。事实上，对于车辆优化调度问题的研究，考虑的约束条件越多，就越接近现实生活，但模型难度也随着这些约束条件的限制增加而变大。

随着农产品/食品产业链和物流领域的快速发展，对以运输为中心的物流配送活动提出了更高的要求，其中就包括农产品/食品品质的等级和货架期时限问题。就目前情况而言，我国的VRP研究和应用还不能很好地满足食品冷链物流发展的需要，因此，如何针对各种食品物流配送运输的特点，结合不同的启发式算法进行优势互补和消除缺陷，设计出通用性好、运算速度快、精度高的优良算法，这将是今后研究发展的方向。

2.7.2.3 冷藏运输环境信息感知

在食品冷藏运输过程中，温度、湿度等车厢内环境参数是冷链系统中非常重要的检测参数，食品质量会随着运输环境波动发生变化，一旦超过食品运输要求的温湿度范围，则可能导致食品发生化学或物理的变化，因此必须严格控制食品运输过程中的温湿度信息，尤其对于长途冷藏运输更要严格控制。温湿度监控系统在运输过程中对车厢内环境温湿度信息进行采集，并将采集数据立即上传网络，以便专业人员及时对食物所处环境进行调整，避免食物在运输过程中发生变质与损失。

温度和湿度是目前食品冷藏运输过程中需重点监测的两个参数，适用于各种产品和各个物流环节，其他需要监测的环境参数包括光照、空气含氧量、乙烯含量、硫化氢含量等，可根据具体食品物性特征及运输条件进行选择。针对单一温区、单一产品配送的冷藏车，现有传感器已可较好完成运输车内环境信息的实时采集、传输和存储。但对于多温区冷藏运输车，它比单温区冷藏运输要求更高、更复杂，目前尚缺乏多温运输过程中车内的温度场分布状况及其温度变化与相互影响的研究，对于多温区、多品类产品的冷链运输，尚需要深入研究并开发感知能力强、价格低廉的环境监测传感器或传感器阵列。此外，在运输过程中，一些不正规的运输公司为降低运输成本，可能间断关闭冷藏设备，因此需进一步加强感知技术和监管模式研究，确保车厢内环境参数的全程实时监测。

2.7.2.4 产品位置感知

产品位置感知传感器主要监测冷链设备的位置及其运动状况。常用的定位主要包括GPS导航、北斗导航、蜂窝定位、室外定位、室内仓库\超市的定位、RFID定位等。

GPS（Global Position System，全球卫星定位系统）在食品物流领域中主要用于食品运输车辆的跟踪与三维导航。GPS技术跟踪是利用GPS物流监控管理系统，结合GPS技术的行车路线软件能够随时跟踪货运车辆与货物的运输情况，使货主及车主随时了解车辆与货物的位置与状态，保障整个物流过程的有效监控与快速运转。基于Internet的GPS，是GPS定位信息通过国际互联网传递的一种新的应用方式，它具有成本低、信息透明、易跟踪监控、监控范围更广等特点，比较适应中小物流仓储企业。使用了网络GPS的车辆能够实现实时监控、双向通信、动态调度、数据存储分析等功能。

近年来，我国自主研发了北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System-"BDS"），是继美国全球卫星定位系统和俄罗斯全球卫星导航系统之后第三个成熟的卫星导航系统。北斗系统由空间端、地面端和用户端组成，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并具短报文通信能力，已经初步具备区域导航、定位和授时能力，定位精度优于20m，授时精度优于100ns。北斗导航系统是覆盖我国本土的区域导航系统，覆盖范围东经70°～140°，北纬5°～55°。北斗卫星系统已经对东南亚实现全覆盖。目前北斗的民用研究已呈现蓬勃发展之势，需要加强其在冷链物流过程中的应用开发。

在产品运动状态感知方面，主要包括加速度传感器、转速传感器、开关传感器等，主要用于振动测试、安全防护等。目前这类传感器已比较成熟，可针对具体的应用场合进行优化选择。

2.7.2.5 产品品质感知

产品品质感知是保证冷链食品质量和安全的关键环节。食品的品质包括以下五个方面：

外表品质：颜色、光泽、形状、大小等。

物理品质：质构、重量、硬度、黏度、弹性等。

营养品质：糖度、酸度、维生素、碳水化合物、脂肪含量等。

安全品质：有害微生物、毒素、有害代谢产物、农兽药残留、重金属等。

感官品质：新鲜度、色、香、味、形、口感等。

传统的冷链物流侧重于冷冻食品的运输，因此重点关注了品质安全，即冷冻食品是否发生变质。随着生鲜物流的发展，消费者对食品的要求已不仅仅只是停留在理化指标合格、微生物指标达标、农兽药残留符合标准等基本的安全指标，人们开始越来越关注功能成分等营养品质，关注色香味、新鲜度等感官品质。每个消费者面对产品时，首先感受到的是产品的感官质量，然后才会判断是否喜欢以及是否购买，感官质量是消费者购买产品的第一驱动力并始终影响消费者的购买意向，直接关系到产品的市场销售情况。对于生鲜食品，在冷链中其感官质量极易发生变化，如风味、质地、外观等，这些都逃不过消费者挑剔的感觉器官。因此，如何在冷链过程中，实时监测食品的上述品质参数，是进行物流调控、预警的基础。

传统的化学分析需要进行样品前处理，耗时费力，具有破坏性，难以在冷链过程中实时监测。针对化学分析的不足所发展的系列快速无损检测技术，主要是运用各种物理学的方法如声、光、电等对物料进行检测分析，常用的检测方法的原理涉及力学方法、电子学方法、光学方法、电化学方法、生物学方法等。常用的传感技术包括嗅觉、味觉、视觉传感器技术，光谱分析技术和生物传感器技术。电子鼻主要由气敏传感器阵列、信号预处理单元和模式识别系统3个部分组成，主要应用在饮料、酒类、茶叶、烟草、鱼和肉等食品挥发气味的识别和分类，其目的是对之进行质量分级和新鲜度判别。比如利用电子鼻可对梨、桃和苹果的成熟度进行检测，采用神经网络分析方法，能把水果样品分成未熟、成熟和过熟3个类别，还能预测水果的贮藏天数。电子舌技术是20世纪80年代中期发展起来的一种分析、识别液体味道的新型检测手段，试验证明，电子舌可以对人的5种基本味感：酸、甜、苦、辣、咸进行有效识别。机器视觉又称计算机视觉，它是利用图像传感器获取物体图像来模拟人的视觉功能，结合计算机和模式识别技术从图像中提取信息，进行处理并加以理解，最终用于实际检测和控制，比如利用颜色信息对水果、猪肉的新鲜度进行判别。光谱检测技术主要包括近红外光谱、中红外光谱、荧光光谱、拉曼光谱、激光诱导击穿光谱等，这类技术主要是对食品中有机物分子、官能团信息进行检测，从而定性或定量地判别食品品质，包括各种营养元素检测、品质劣变监测。光谱分析技术的优点在于检测速度快，可实现非接触式测量，非常适合在冷藏运输过程中进行实时监测，缺点是这类仪器比较精密，易受灰尘、高湿、振动等外界条件的干扰，另外需要针对具体食品类别建立模型，建模成本较高，且需要专人维护。生物传感器是一种对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号从而进行检测的仪器，其敏感元件由生物活性材料（如酶、抗体、微生物、DNA等）和物理化学换能器组成，可直接或间接地检测生物分子等相关参数值。生物传感器具有灵敏度高、选择性好、响应快、可以现场检测等特点，因此作为一种新型检测手段正迅猛发展，目前广泛应用于食品中的添加剂、农药及兽药残留、对人体有害的微生物及其产生的毒素以及激素等多种物质的检测。

在冷链物流过程中，除了监测产品本身的品质参数外，还需要监测其新陈代谢及质量变化的相关参数的传感器，如乙烯含量监测传感器、硫化氢含量监测传感器等。然而目前食品品质快速实时检测技术的研究大多仅限于室内静态条件下的研究，缺乏车载、实时检测仪器、装置及相应的品质预测模型，因此目前冷链物流过程中大多仅针对温湿度等环境参数进行监测，较少涉及产品本身品质的实时监测，随着生鲜电商的发展，以及消费者对食品新鲜度和营养的关注，食品品质的实时监测将成为必然趋势。

2.7.2.6 开关门与载重感知

易腐食品在低温贮运过程中，开关门次数与持续时间是影响冷库与车厢内部温湿度波动的重要原因之一，同时外部热流的渗入也会增加制冷机组负荷与能耗，且易对货物造成二次污染，甚至会由此加速食品腐败进程。因此，开关门次数与时间的最佳化设置以及开关门自动化监控设备的研发等已成为当今研究热点，目前主要以传感器、视频监控与远程门禁控制等物联网技术，实现对开门次数、持续时间以及出入人员的智能化监控，并通过远程授权方式实现对贮运过程开门次数的严格监管，从而保障食品所处环境的稳定性与自身品质的安全性，提升冷链规范化与标准化管理。

在冷链运输过程中，超载会加大货物彼此之间的挤压力，导致厢体内部气流与温湿度分布不均，甚至形成制冷盲区，从而加大货物损失与浪费。此外，货物超载也易引发交通事故，危害驾驶员人身安全。因此，基于物联网技术解决超载超限问题也已成为目前冷链行业实现精细化监管的重要手段。

2.7.2.7 产品包装标识

食品冷链物流包装标识技术体系包括三层：感知基础层、主体标识层和应用层，如图2-85所示。感知基础层是自动标识技术的载体，主体标识层是载体对应的具体对象，应用层是标识技术在物流中的各种应用。目前在食品物流方面的主流自动识别技术集中在条码技术和射频技术。

条码技术是自动识别技术中的主要技术之一，也是应用最广泛的信息追踪技术，它可实现食品信息的快速、准确采集和农产品追踪、质量监管。食品在基地包装好后，由加工人员依据配送过程，为产品加上条码，条码主要包含生产信息、配送车辆信息等，通过相应的条码读取设备对食品上的条码进行扫码，就能读出条码所含信息。利用条码技术，通过对企业的物流信息进行采集跟踪，可以满足企业针对物料准备、生产制造、仓贮运输、市场销售、零售管理等全方位的信息管理需求，消费者可以实现对问题产品的追溯查询。条码技术的应用解决了数据采集和数据录入的“瓶颈”问题，极大地提高了系统运行效率和数据准确性，并大大降低了运行成本，是现代食品物流不可或缺的重要工具。目前常用的条码标识有：一维条码有商品条码EAN条码和UPC条码、物流条码39条码、交叉25码和UCC/EAN-128条码；二维条码有行排式二维条码，如PDF417条码，矩阵式二维条码、QR条码等。鉴于一维条码没有自动纠错功能、条码尺寸过大、信息容量小、对产品的详细描述依赖预先建立的数据库，二维条码已逐渐被重视与使用，除继承了一维条码的优点外，它还具有信息容量大、可靠性高、保密防伪性强等优点。

RFID（Radio Frequency Identification）即射频识别，通过将RFID电子标签附着在物品表面，阅读器可无接触地读取并识别电子标签中所保存的电子数据，从而达到自动识别物品的目的。与条形码相比，RFID有防水、防磁、耐高温、使用寿命长、读取距离大、标签上数据可以加密、存储数据容量更大、存储信息更改自如等优点。近年来研发成功的带温度传感器的RFID标签，能够识别食品温度变化的准确时间，实时收集温度数据，同时又能对其所处环境温度进行测量、记录、监控和分析，对食品冷链过程实现可视化的温度控制，并可对冷链物流中流通的产品、车辆、设施设备等进行远距离智能化的识别及并对相关信息进行自动化采集和传输，同时起到自动监管、溯源的作用。在生鲜食品上贴标签是RFID使用中的一大难题，因为水能够吸收无线电波，而大多数的易腐食品，像肉类、水果、蔬菜和奶制品，含水量都很大，平均含有大约90%的水分，目前已找到解决这一技术难题的方法，并且已经将其运用于生鲜食品的追踪中。然而，RFID标签目前成本较高，限制了其在食品物流领域的广泛应用。考虑到RFID标签成本问题，要给每一小单元农产品都加上电子标签是不现实的，通常采取条码与RFID技术相结合的方式来对食品加以追溯、识别，即在小单元农产品表面附上低成本的条码，在运输的车辆上贴上RFID标签，实现物流配送过程中的单品可追溯。另外，RFID标签在技术上存在安全隐患，RFID标签无法对阅读器进行身份验证，RFID标签一旦接近阅读器，就会无条件自动发出信号，无法辨别扫描器是否合法，只要有一台阅读器，任何人都能获取贴有RFID标签的货品信息。其次，技术标准不统一也是影响RFID标签推广使用的一大障碍。

2.7.2.8 感知信息的传输

在感知信息的近距离传输方面，无线传感器网络是新一代的传感器网络，具有非常广泛的应用前景，其发展和应用，将会给人类的生活和生产的各个领域带来深远影响。ZigBee技术是一种应用于近距离范围内，低传输数据速率下各种电子设备之间的无线通信技术，由于其具有成本低、体积小、实时性强、功耗低、抗干扰性强、嵌入性好等特点，广泛应用于工农业生产中。GIS（Geographic Information System，地理信息系统）、GPS（Global Positioning System，全球定位技术）及无线通信技术的集成可实现对冷链运输过程的实时监测与信息的图形化表达。GIS/GPS在物流领域的应用分为四个方面：车辆和货物的跟踪；货物配送路线规划和导航；信息查询；指挥与决策。目前，GIS、GPS及无线通信技术的集成应用在果蔬冷链运输过程中的研究与应用在国内刚刚起步，仅在少数大型物流企业得到应用，中小企业在这方面基本上是空白。

在感知信息的远距离传输方面，目前主要的远距离无线通信技术有GSM、GPRS、3G和4G，其中GSM、GPRS在物流环节的信息传输中应用较为广泛，3G业务则正处在发展壮大阶段，4G技术正处在发展初期。远距离无线通信技术是保障食品物流各环节信息进行传输与交换的基础，3G、4G的出现为食品物流发展提供了新的契机，通过与智能手机相结合，能够更加精准地实现车辆定位、货物全程监控，其强大围栏功能可以让物流企业精确掌握货物出发与到达状态，能进一步提升行业整合能力，促进中小食品物流企业信息化发展。

信息传输技术在食品物流中主要应用在仓储终端与服务器的通信、配送终端与服务器的通信、交易终端与服务器的通信等方面，将终端采集到的图片信息、环境信息、服务请求、GPS定位等信息传输到监管服务器，为食品物流的远程监控和管理提供了技术实现手段。