鐵路冷鏈物流智能化設計探討

林程志

（華東交通大學 軟件學院，江西 南昌 330013)

1 鐵路冷鏈物流現狀及存在問題

1.1 現狀

近年來，冷鏈運輸從過去以食品為主，擴大到食品、藥品、電子元器件等更多品類，冷鏈運輸用途不斷拓寬，運輸量逐年增大[1]，2014年中國冷鏈物流市場規模為1 480億元，到2020年已達到4 850億元，年均增長率近20%。尤其是2018 年被稱為是“冷鏈政策年”，國務院以及商務部、國家發展和改革委員會、農業農村部、交通運輸部、財政部等多部委陸續出臺政策，如《關于推動物流高質量發展促進形成強大國內市場的意見》《關于推動農商互聯完善農產品供應鏈的通知》等，從不同層面部署引領冷鏈物流行業健康發展[2]。鐵路冷鏈運輸在長距離、大批量冷鏈運輸領域具備明顯優勢，為了鐵路冷鏈運輸更好地完成商品從廠家到客戶的物流配送作業，提高配送效率和質量，設計能夠實現對整個冷鏈物流配送過程進行作業跟蹤、信息采集等綜合管理的智能信息系統，對鐵路冷鏈運輸進行全過程管理和控制，從而實現鐵路冷鏈運輸高效可控，提高鐵路冷鏈運輸轉運效率和客戶滿意度，提升鐵路運輸企業效益。

1.2 存在問題

通過深入調研，發現目前鐵路冷鏈物流普遍存在轉運效率較低、關鍵參數無法實時查看等問題。

（1）冷鏈商品轉運過程中信息記錄方式的效率較低。在目前鐵路冷鏈運輸環節中，冷鏈商品的轉運均使用紙質的出入單據，然后再錄入電腦，效率較低且容易出現差錯。

（2）客戶無法實時查詢貨物情況。客戶對冷鏈物流過程中冷鏈商品全程環境的溫濕度參數很敏感，擔心在運輸或存儲過程中造成貨物品質下降，特別是一些藥物(如疫苗等)的冷鏈運輸，對環境要求更高，一旦冷鏈運輸過程出現問題，后果嚴重。

為了解決上述問題，采用現代信息技術手段設計鐵路冷鏈物流智能信息系統，提出鐵路冷鏈物流智能化架構與關鍵技術，為充分釋放鐵路冷鏈物流的潛力，提升鐵路冷鏈運營安全，提高鐵路冷鏈服務質量和市場競爭力提供支撐[3]。

2 鐵路冷鏈物流智能化設計

2.1 鐵路冷鏈物流智能化需求

針對鐵路冷鏈物流過程中普遍存在的問題，智能化設計的需求如下。

（1）研究冷鏈物流過程中冷鏈商品的自動化出入庫技術，摒棄傳統的紙質出入單據，以滿足物流過程中高效、準確的需求。

（2）遍歷整個冷鏈物流過程中冷鏈商品的流通環節，在各個環節中，冷鏈商品的溫濕度、位置信息都需要被實時記錄并存儲下來，這些數據是智能化的基礎數據源。

（3）智能化設計架構中要考慮能夠以友好、簡潔的界面向用戶展示所托運冷鏈商品溫濕度等敏感參數信息，以滿足客戶的實時查詢需求，從而打消客戶對所托運冷鏈商品關鍵參數透明度的擔憂。

2.2 鐵路冷鏈物流智能化架構

通過鐵路冷鏈物流流程和智能化需求分析，設計鐵路冷鏈物流智能化架構，智能化架構包括數據采集層、傳輸層、數據存儲層和應用層。鐵路冷鏈物流智能化架構如圖1所示。托運商品關鍵參數由數據采集層獲取，傳輸層傳到物聯網(IOT)云平臺中，在IOT云平臺中存儲數據，應用層融合并展現數據給客戶。

（1）數據采集層。該層完成冷鏈物流智能化所需的數據源，包括冷鏈物流各環節中的貨物信息、溫濕度和位置實時數據等。貨物信息主要在客戶下單裝箱、交付、入庫或配送完成時，由手持終端或檢測門完成采集。貨物信息采集時采用的主要技術是射頻識別(RFID)技術，RFID技術通過電磁場或交變磁場來實現信息的快速、無接觸傳遞[4]。RFID系統包括讀寫器和標簽，信息存儲在標簽中，可通過讀寫器進行讀寫。溫濕度和位置實時數據主要在冷藏集裝箱、冷藏倉庫、配送時的冷藏貨車車廂中進行實時采集。溫濕度實時數據采集通過部署在冷藏容器中的溫濕度傳感器來實現，位置實時數據通過部署在車廂外側的全球定位系統(GPS)模塊來獲取。GPS定位方式比較常見的有偽距離定位法、載波相位定位法和多普勒定位法等，應用最多的定位方法是偽距離定位法[5]。

圖1 鐵路冷鏈物流智能化架構Fig.1 Intelligent architecture for railway cold chain logistics

（2）傳輸層。數據采集層采集到的數據，由該層傳送到數據存儲層進行存儲。傳輸層采用窄帶物聯網(NB-IOT)技術實現。NB-IOT技術作為低功耗廣域網的一種典型技術，非常適合對業務時延不敏感(下行命令的送達可能有1 ~ 6 s的延遲)、數據量收發小的蜂窩網絡通信場景，具備廣覆蓋(由于采用了低頻、窄帶和重傳等技術，與現有網絡相比，NB-IOT具有接近20 db的增益[6]，故而穿透能力很強，甚至能覆蓋傳統無線通信信號無法到達的地下室)，低功耗(借助省電模式和擴展不連續接收模式，如果每天僅發送一次200字節報文到云平臺，5號電池續航可達10年之久[7])，大連接(NB-IOT單扇區能支持5萬個連接)，低成本(單個NB-IOT模組成本可降至30元以下)等特點。目前NB-IOT的理論上行峰值速率可達62.5 kb/s，下行也達到了21.25 kb/s[8]，NB-IOT技術特別適合鐵路冷鏈物流的應用場景。

（3）數據存儲層。數據采集層采集到的冷鏈貨物信息、溫濕度和定位實時數據，由傳輸層傳輸，存儲在數據存儲層。該層采用的是中國移動專為NBIOT技 術 開發 的OneNET平 臺，NBIOT從監測現場發出來的數據均可存儲在OneNET云平臺中，可供應用層獲取、處理和可視化。

（4）應用層。該層直接面向客戶，當客戶需要查詢所委托冷鏈商品的溫濕度或定位實時信息時，該層完成相關信息的數據融合，把客戶感興趣的信息以友好界面展示出來。

3 鐵路冷鏈物流智能化業務流程 分析

鐵路冷鏈物流智能化業務流程主要包括收單與裝箱，鐵路冷鏈運輸，到達目的地后的交付、入庫及配送等，鐵路冷鏈物流承運方提供可在物流全過程隨時查詢所托運貨物的溫濕度與位置信息的移動端程序。業務流程詳細闡述如下。

（1）收單與裝箱。鐵路冷鏈物流承運方(記為B)收到客戶(記為A)的冷鏈物流服務訂單時，B派冷藏集裝箱運輸車到A處提貨，提貨時B將A的貨物綁定在標準托盤(1 200 mm×1 000 mm)上后再裝入冷藏集裝箱，每個托盤均在某個側面固定一張RFID標簽。裝貨時把每個托盤所裝貨物的名稱、數量、重量、客戶名稱、下單時間和冷藏集裝箱身份識別號(ID)等信息通過手持終端存入該托盤對應的RFID標簽中，手持終端同時通過NB-IOT模塊將這些信息及時發送到IOT云平臺中。

（2）鐵路冷鏈運輸。B將冷藏集裝箱運至鐵路貨場后，通過列車運送到目的城市。從B裝好貨開始，冷藏集裝箱中的溫濕度傳感器和定位裝置就以一定的頻率采集冷藏集裝箱中的溫濕度和冷藏集裝箱自身定位信息，然后通過NB-IOT模塊將這些信息發送到IOT云平臺中。

（3）交付。列車抵達目的地后，B根據A的訂單要求，如果訂單要求交付貨物到當地非B旗下的冷儲倉庫，B則將冷藏集裝箱運送至客戶指定的冷儲倉庫，客戶指定的冷儲倉庫驗收后，用手持終端掃描托盤上的RFID標簽，手持終端將相關信息上傳到IOT云平臺中，同時刪除RFID標簽中的信息，托盤帶回，冷鏈運輸完成。

（4）入庫。列車抵達目的地后，B根據A的訂單要求，如果訂單委托B在目的地城市的冷儲倉庫存儲貨品，則B將冷藏集裝箱直接運送到B在目的地城市的冷儲倉庫裝卸站臺，入庫時，叉車將貨物連同托盤取下，放置在冷儲倉庫的運輸線上快速入庫，運輸線的前端設一道RFID讀寫器檢測門，貨物和托盤隨著運輸線通過檢測門時，檢測門上的讀寫器可以讀出該托盤RFID標簽的貨物信息，并改寫該托盤所入冷藏集裝箱ID為所入倉庫ID。同時讀寫器把這些信息傳送至IOT云平臺中。冷藏貨物存儲在冷藏倉庫時，B冷藏倉庫中的溫濕度采集裝置會以一定頻率采集倉庫溫濕度信息，并傳至IOT云平臺中，由IOT云平臺進行數據融合。

（5）配 送。當B收 到A發來的配貨通知時，B根據A的訂單，在冷儲倉庫中安排分揀，重新組合托盤中的貨物，等待調度發貨的貨物裝在一批托盤中，更新托盤RFID標簽中所裝貨物的信息，將更新后的信息上傳至IOT云平臺中。B發貨時把調度托盤裝入B的配送冷藏貨車中，同時B將調度托盤RFID中的相關信息用手持終端掃出，上傳到IOT云平臺中。B的配送冷藏貨車上也裝有溫濕度傳感和定位裝置，會通過NB-IOT模塊以一定的頻率將溫濕度和定位信息傳到IOT云平臺。B的配送冷藏貨車到達配送點驗收完畢后，B的工作人員用手持終端掃描托盤上的RFID標簽，并將相關信息上傳到IOT云平臺中，同時刪除RFID標簽中的信息，托盤帶回，冷鏈運輸完成。

（6）查詢。B提供可在整個冷鏈運輸過程隨時查詢所托運貨物溫濕度與位置信息的移動端程序。

鐵路冷鏈物流智能化業務流程如圖2所示。

圖2 鐵路冷鏈物流智能化業務流程Fig.2 Intelligent business process of railway cold chain logistics

4 鐵路冷鏈物流智能化關鍵技術

4.1 貨物溫濕度與位置信息實時監測關鍵技術

采用GPS+溫濕度傳感器+NB-IOT技術，實現對托運貨物溫濕度與位置信息的遠程實時監測。監測系統部署在冷藏集裝箱、冷儲倉庫、冷鏈配送貨車上，系統中控制溫濕度傳感器和GPS模塊以一定頻率采集冷鏈貨物的溫濕度和定位數據，并通過NB-IOT模塊將數據發送到IOT云平臺。監控系統的硬件采用模塊化設計，主要包含主控制模塊、溫濕度傳感器模塊、GPS模塊、NB-IOT模塊和電源模塊，各個模塊相互獨立，除電源模塊之外，模塊之間采用接口電路進行數據的傳輸。監測系統軟件部分包括嵌入式軟件設計和OneNET平臺軟件設計2部分。嵌入式軟件運行在STM32單片機中，由STM32單片機以一定的頻率采集溫濕度信息、定位經緯度信息，并通過AT指令控制NB-IOT模塊，將采集到的數據發送到OneNET平臺中。同時開發基于移動端的程序，客戶可以通過移動端程序查詢冷鏈運輸貨物的溫濕度和位置信息。溫濕度與位置遠程實時監控關鍵技術如圖3所示。

圖3 溫濕度與位置遠程實時監控關鍵技術Fig.3 Key technologies for the remote real-time monitoring of temperature, humidity, and location

為了保障數據在傳輸、存儲和使用過程中的安全，對實時數據進行加密。系統加密算法采用128位高級加密標準(AES)。AES算法是一種典型的對稱加密算法，數據采集層獲取的數據先進行 AES (128)加密，然后再進行傳輸、存儲與使用。應用層對數據使用時再進行AES (128)解密即可。

4.2 冷鏈貨品高效出入庫關鍵技術

采用RFID+NB-IOT技術，實現冷鏈貨品的高效出入庫。在裝貨時把每個托盤所裝貨物的名稱、數量、重量、客戶名稱、交付時間和每個托盤所入冷藏集裝箱ID等信息通過手持終端存入該托盤對應的RFID標簽中，在運輸、配送、交付環節中使用手持形式或固定形式(入庫時的檢測門)的RFID讀寫設備(集成了RFID讀寫器功能與NBIOT無線通信功能)來對托盤上貨物的信息進行自動高效獲取，并通過NB-IOT技術傳送到OneNET平臺上。冷鏈貨品高效出入庫技術如圖4所示。

圖4 冷鏈貨品高效出入庫技術Fig.4 Efficient warehousing technology for cold chain goods

5 結束語

以鐵路冷鏈運輸商品實時監測、高效配送為目標，分析鐵路冷鏈物流智能化設計的需求，同時實現了相關功能，能夠有效提高冷鏈貨物的轉運效率，并讓客戶可以隨時查詢商品在鐵路冷鏈運輸過程中的溫濕度、位置等信息，從而有效保證冷鏈商品送達的速度和質量。鐵路冷鏈物流智能化將給客戶帶來更好的體驗，對加快傳統鐵路冷鏈物流向現代智能鐵路冷鏈物流轉型發展，進一步提升冷鏈物流市場競爭力，具有重要支撐作用。在具體運用過程中，仍然需要根據實際情況不斷完善和改進鐵路冷鏈物流智能化設計，使其更加符合客戶和運輸企業各方面需求，產生更好的社會效益和經濟效益。