物聯網技術在低溫乳制品冷鏈末端運輸中的應用

王群智，伍麗芳，勒格吉哈，蘇 暢，張 興，白 玥

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

0 引言

乳品行業是一個比較特殊的行業，不僅產業鏈長，而且環節多，涉及第一產業（農牧業）、第二產業（食品加工業）和第三產業（分銷、物流等）的縱向延伸，其鏈上任何一個環節出現質量問題，都會影響整體供應鏈的質量安全，并最終影響到消費者的食用安全。

若乳制品冷鏈配送出現斷鏈，其后果不僅是營養價值的降低，還有一定幾率造成乳制品變質。在其到達消費者手中并飲用過后，可能會產生腹瀉、嘔吐、脫水等一系列不良反應，危害消費者的健康，致使消費者對乳制品質量產生質疑，阻礙乳制品市場的健康發展。乳制品易變質，決定了其對溫度、時間和質量的高要求。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。

部分學者對引入不同技術，以維持生鮮貨物在運輸過程中的質量以及不同技術的優勢進行了研究。邱浩雯，等提出在運輸環節應用RFID技術通過讀寫器讀取標簽，可以獲得貨物運輸途中產品周圍溫度的變化，由此方便在運輸途中及時的調整溫度，保持生鮮的運輸環境的適宜。Choy,K.L，等提出了一種有效的監控系統，采用射頻識別（RFID）技術，通過制定可靠的程序防止食品變質。王杰，等將GPS/GIS技術應用于系統中，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系統在菠蘿供應鏈中的應用進行了對比，分析了RFID系統對比傳統溫度監控系統的優勢，并發現帶探針的RFID系統適合于低溫環境，不帶探針的RFID系統適合高溫環境，RFID系統最好能同時記錄環境溫度和容器溫度。HEIDI，等對多分布式無線傳感器對遠距離運輸的冷藏集裝箱溫度監控進行了研究，討論了利用RFID技術提高短貨架期產品供應鏈效率的潛力。E Abad，等對RFID智能標簽的實時可追溯性和在食品冷鏈監控中的應用進行了驗證，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控領域中具有的優勢。Mikko K?rkk?inen討論了利用RFID技術的數據采集系統對短倉儲期產品供應鏈的優勢，在Sainsbury的RFID實驗基礎上分析了RFID技術的應用對供應鏈各參與者的影響，得到RFID在可回收運輸集裝箱的應用能提供相應運營效益的結論。

部分學者研究了應用物聯網相關系統監管運輸過程中的車輛溫度及貨物質量變化。呂昳苗和寧鵬飛將物聯網技術應用到冷鏈物流監控環節，通過對比分析不同的物聯網體系結構特征，選擇基于USN結構的物聯網，構建冷鏈物流監控系統基本框架。Xiao，等開發了一種基于WSN與壓縮發送(CS)相結合的溫度檢測系統(MS-FCAP)，可以準確、高效的恢復采集到的傳感器數據，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的冷鏈物流監控終端的設計，實現冷鏈物流中溫度及其車輛在運輸途中狀態的選擇跟蹤、查詢等實時監控，以及車輛定位、溫度監控、車輛狀態實時預警等功能。胡江虹、楊紅霞，等態分別設計了不同的冷鏈物流車輛狀態遠程監控裝置，用于監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的冷藏溫度監測方案，形成了冷藏車溫度動態預警模型，能夠根據溫度變化，動態調節預警值,實現動態預警，為冷藏車溫度監測提供了一種新方法。汪庭滿，等利用無線射頻技術（RFID）和貨架期模型開發了冷鏈溫度監控系統，通過該系統記錄車輛信息和溫度信息，對批次產品的溫度實時監控，實現了水產品運輸全程的監控，以及對運輸后冷鏈產品貨架倉儲期的預測。林程志運用RFID+GPS+NB-IOT等現代信息技術手段，將硬件系統與軟件系統進行有機結合，提出冷鏈物流智能化設計的架構與關鍵技術，從而提高鐵路冷鏈運輸效率，解決鐵路冷鏈傳統物流模式存在的問題。

部分學者對不同技術下冷鏈物流的體系、經濟效益進行了研究。楊亞，等考慮RFID技術應用能解決生鮮農產品供應鏈新鮮度信息不對稱問題，建立集中和分散型供應鏈下RFID技術投資模型，研究RFID技術投資決策及協調契約。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系，并基于顧客導向，構建乳品冷鏈物流體系。Sang Hak Lee利用RFID技術具有可追溯生產源，并單獨管理產品的新鮮度功能的智能冷鏈系統，并對應用了RIFD技術的蛋類和化妝品冷鏈運輸經濟可行性進行了評價。Fan，等對應用在食品方向的條形碼-RFID雙向轉換設備進行了研究，發現這種設備能提高連續可追溯性。

還有部分學者對冷鏈運輸的現有技術進行了研究分析。鐘曉峰，等介紹了國外鐵路冷藏運輸裝備的技術現狀,分析了各種冷藏運輸裝備的性能特點,并結合我國現有冷藏運輸裝備技術現狀，提出了關于我國鐵路冷藏運輸裝備技術發展方向的建議。鄧汝波，等從保溫有效性、便攜性與經濟性、應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計分析，針對未來藥品長時間運輸所需要的溫度監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制冷車配送階段中的溫度監控，已有不少學者研究過其中所需要的技術及相應的模型。但針對乳制品末端配送入戶階段冷鏈運作改善的方法、數據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，應用物聯網技術中的GPRS和RFID技術，設計了一套溫度監控及報警方法。包括溫度監控中收集數據的方式、收集的數據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等物聯網技術，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，統一在箱內對角線兩處安裝RFID溫度標簽，全方面掌握保冷送奶箱箱體內溫度變化情況。同時，對箱體外側亦設置一個RFID溫度標簽，用于實時監測運輸過程中箱體的外側溫度變化，便于后期對運輸狀況進行分析。該溫度標簽的內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數據分組的方式無線傳輸數據到企業的服務器中，以保證在運輸過程中信息可以順利進行記錄。除了對溫度的監控裝置外，保冷送奶箱還會安裝GPS定位系統，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 末端運輸與數據采集

在對末端配送進行監控前，基于企業自身乳制品產品特點，為該溫度監控系統設定兩個溫度值，一個是質量臨界值，當保溫箱體內溫度達到質量臨界值時，有極大可能箱內乳制品已出現變質情況；另一個為警告值，當保溫箱體溫度達到警告值時，即箱內乳制品所處環境溫度達到了乳制品最適宜環境溫度的臨界值，但未達到導致乳制品變質的程度。而對于箱體內溫度處于警告值與質量臨界值之間的情況，根據自身產品特點設定一個函數，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，哪怕箱體內溫度未超過質量臨界值，此時箱體內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系統及GPRS模塊將會記錄及傳送箱體的內外溫度及送奶員的路徑信息。當某個保溫箱體內溫度達到警告值時，向相應送奶員的手機發出警告短信，并在電腦上記錄在案。意在告知送奶員，箱內溫度已超過乳制品的最佳存儲溫度，應加快配送速度，確保乳制品的品質與口感。

當保冷送奶箱箱內溫度處于警告值與質量臨界值之間的某個值，并達到了一定時間值后，向相應送奶員的手機發出召回短信，向相關負責人發送提示信息，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。

當箱體溫度達到質量臨界值時，向相應送奶員手機發出警告信息的同時，向相關負責人發送提示信息，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，如何通過已有的數據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定一個范圍，計算送奶員進入該范圍內的時間，當其大于預設值時，系統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時，對送奶箱發回的溫度及位置信息僅記錄不報警，此時系統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，再次計算送奶員進入該范圍的時間，當其大于預設值時，系統調出該送奶員首次離開該范圍之后的溫度數據。若存在超過質量臨界值或超過警告值并達到一定時間的情況，系統向送奶員、相關負責人同時發送信息，回收剛配送的乳制品，并將箱內剩余乳制品帶回奶站銷毀。二次進行數據調用的原因是，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時，暫停報警，僅對溫度位置數據進行記錄。當再次送奶時，對記錄進行調用分析，若箱內溫度正常，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。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 數據分析與改善

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。

針對所收集的數據進行分析，企業根據自身的監管情況，設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、送奶員姓名及聯系方式。該類信息可明確出現異常情況的奶站、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、出發時間、回奶站時間、進入客戶x米的范圍內的時間、離開客戶x米的范圍內的時間、警告次數和報警次數。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原因，并對其進行修改。隨時記錄的信息包括里程、箱內溫度、箱內溫度變化速率、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，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米的范圍內的時間之差除以乳制品配送量。

每位送奶員每次出發時，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、箱內溫度和箱外溫度。該類表格信息用于統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，包含的內容有日期、箱內溫度、箱內溫度變化速率、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、報警次數。各指標下方還有對應具體值，如最大、最小值等。其中，箱內溫度及箱外溫度在正常情況下記錄的為從出發到完成最后一瓶乳制品的配送期間出現的最大或最小值；在異常情況下，則記錄從出發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控數據一覽表

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。通過記錄數據與標準值的對比，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，包含的內容有奶站編號、奶站、日期、箱內溫度、箱內溫度變化速率、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、報警次數。

表2 公司用保冷送奶箱監控數據一覽表

在一覽表中，通過送奶箱的內外溫度及變化速率，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。

當出現異常時，生成的一覽表，見表3。其內容包括日期、奶站編號、送奶箱編號、送奶員編號、送奶員姓名、送奶員聯系方式、訂單編號、出發至出現異常的總時間、出發至出現異常的總路程、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、箱內溫度、箱內溫度平均變化速率。

表3 異常情況一覽表

對于上述三個一覽表而言，其中標準值的規定如下。指標最大值的標準值為歷史數據里，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據為排除了警告與報警情況后的數據。對所有最大值不斷取平均值，即表明標準值會因歷史數據的更新而進行更新。指標平均值的標準值為歷史數據里，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據為排除了警告與報警情況后的數據。對所有的平均值不斷取平均值，即表明標準值會因歷史數據的更新而進行更新。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 結語

（1）引入物聯網技術，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的溫度變化進行記錄，可以對運輸過程中箱體內部溫度進行監控，便于后期根據運輸過程中發生的異常進行線路、配送量或配送時間的調整，以此保證低溫乳制品冷鏈末端配送質量，改善冷鏈運作中出現的問題。

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

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

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