智能化冷链物流综合防控技术体系研究

周 强，傅少川

(北京交通大学经济管理学院，北京 100044)

1 冷链物流发展现状及存在问题

冷链物流是指农产品经过预冷处理后，从原料产地通过冷藏车、低温液体运输车运往食品加工厂进行加工处理，经过冷藏车运往冷库进行保温储藏或直接由冷藏车运到卖场和消费者手里的物流过程［1］。冷链全程制冷技术是冷链物流的关键技术，在冷链物流各环节发挥着重要的作用，能够保障生鲜农产品品质和减少腐败变质。

1.1 发展现状分析

（1）冷链市场保持平稳较快增长。随着人们对绿色健康农产品需求的不断扩大，生鲜、农产品等易腐产品逐渐获得大家的认可并进入每家每户的餐桌，冷链物流行业得到百年难遇的发展机遇。

2018 年，我国冷链物流需求总量为18 050 万t，比2017 年增加3 300 万t，同比增长高达22%（如图1）；冷链物流市场规模全年实现3 035 亿元，比2017 年增长近485 亿元，同比增长高达19%（如图2）；全国冷库累积总量已经超过5 238 万t，全年新增加库容量为488 万t，同比增长大约10.3%；国内新开通的铁路专用冷链专线20 条左右，铁路冷链运量已经超过160 万t，一定程度上丰富了冷链运输的方式［2］。随着市场需求的进一步增加，加上政策和外部标准环境的持续推动，预计“十四五”期间冷链物流行业仍将持续快速增长。

图1 2013—2018 年我国冷链物流需求总量及年增长率

图2 2013—2018 年我国冷链物流市场规模及增速

（2）冷链物流设施设备区域分布差异化显著。受到经济发展的地域性特点和区域气候的影响，我国冷链中冷库主要集中在华东地区，华东地区的冷库容量占到我国总容量的38%，西南、华北、西北的冷库容量较少，占比均未达到10%；冷藏车遵循同样的分布规律，华东地区的冷藏车占我国冷藏车的35%，西南、华北、西北的冷库容量较少，占比均未达到10%（如图3）。由此可见，我国目前冷链物流的冷库、冷柜和冷藏车等基础设施设备分布不均衡，经济欠发达地区占比相对较低，冷链基础设施设备的结构性失衡最终导致冷链物流成本高，严重制约冷链物流行业的高效发展［3］。

图3 2017 年我国冷库容量和冷藏车分地区占比

（3）冷链物流水平与发达国家差距较大。我国冷链物流市场仍落后于发达国家，具有较大的提升空间。在冷链物流技术角度，国外尤其是美国的冷链已经拥有大量先进完善的设施设备，相比之下国内的冷链物流行业刚起步，信息化水平低，智能化装备落后，在物流运营过程中往往出现“断链”现象。表1 是中美冷链物流对比，从中能够看出在冷链利用率、人均冷库容量等方面，中国目前还有很大的发展空间，加快建设智能化冷链物流综合防控技术体系迫在眉睫［4］。

表1 中美冷链物流对比

1.2 发展存在的问题

（1）核心技术落后，设备设施发展滞后。冷链食品含有易腐蚀、易变质和易霉变的生化特性，冷链物流各环节必须严格应用冷藏技术和设备。我国冷链物流起步较发达国家晚，发展相对较慢，冷链物流的基础设施及配套设备相对落后，冷库和冷藏车数量不足，尚未形成完整的冷链物流系统。冷链物流设施分布失衡，冷库主要集中在东部沿海地区，中西部欠发达地区需求豁口大，区域失衡较严重。另外，在设备种类及功能上也存在失衡现象，大部分冷库冷柜设施无法精准控温，导致社会资源的巨大浪费。

（2）冷链物流成本高、能耗高。我国单位冷链运输能耗是发达国家的2 倍多，冷链物流成本占比高达70%［5］。由于冷链物流核心技术落后，加上近年来能源价格的持续上升，冷链行业被迫使用低标准的冷库、冷柜和冷藏车等设施设备，直接导致冷链物流成本居高不下。另一方面，生鲜、粮油等易腐食品本身具有易腐蚀易霉变的生物特性，目前在物流流通环节，由于基础设施配套不足，没有先进的冷藏系统、智能化的检测设备，高能耗高排放的运输车辆占比高，易腐食品在冷链运输中损失率大，产品价值降低，增加了不必要的物流成本和环境污染。

（3）“断链”现象显著。发达国家的冷链率能够实现100%，但是我国冷链行业资源分配不合理，基础设施设备技术含量低，物流环节衔接技术不足，生产地缺乏冷处理相关设施，使得物流过程各环节难以有效链接，造成冷链中断。另一方面，我国许多冷链企业对全程低温的认识观念不足，物流技术人员操作不合规，管理模式不合理，间歇性停用相关设施，导致整个冷链物流过程中经常出现“断链”现象［6］，大大制约了我国冷链行业的高效发展。

2 智能化综合防控技术体系

生鲜、农产品等易腐食品具有时效性、易腐败的特点，在冷处理、仓储、生产加工、运输和销售过程中任何一个环节，如果没有及时对产品环境中温度、湿度、空气等条件进行实时准确的监控，就可能发生产品腐败、变质等问题［7］。针对前面提出的冷链物流发展问题，基于物联网、云计算和大数据技术，结合国家食用农产品监测平台，设计一套智能化冷链物流综合防控体系（如图4），实现针对生鲜、农产品等易腐食品的全国统一监控、实时监测、安全预警和追溯，其中体系核心子系统包括对生鲜、农产品等易腐食品的实时监控、安全预警和食品追溯功能。

图4 智能化冷链物流综合防控体系

2.1 智能化冷链物流综合防控系统架构

由于RFID、温湿度传感器等物联网技术能够准确进行数据采集，同时实现分析数据、传输数据、反馈数据的功能，因此在构建智能化综合防控体系时，考虑将物联网技术作为信息采集主要工具。基于物联网和云计算技术构建的冷链物流综合防控体系，以系统层次结构为基础，融入生鲜、农产品等易腐食品安全预警、食品追溯的运作规则，进而开发设计相应的系统架构（如图5）。

系统架构具体涵盖应用层、服务层、数据层、传输层和物理层。应用层是系统的展现层，系统架构设计的好坏是通过应用层得以体现，目前通用的应用方式主要包括手机终端APP、ERP 接口、应用平台和新媒体手段。服务层是系统权限的管理层，包括对生鲜、农产品等易腐食品的实时监控、安全预警、食品追溯和信息查询等管理和配置，同时根据不同用户性质配置相应的管理权限。数据层是冷链物流综合防控体系的数据核心，涵盖WEB 服务器、数据库服务器、接口服务器及应用服务器，采用云计算实现海量数据的快速处理、建模和深度挖掘。传输层通过OS、4G/5G、Zigbee、WIFI 等现代传输技术，将物理层获取的关键数据传输到数据中心，比如温湿度信息、车辆实时监控信息、参与者用户信息等。物理层是系统底层，也是系统关键的部分。主要实现包括RFID、EPC、无线传感器、有线监控设备等物联网技术的硬件管理，智能化信息收集终端快速掌握易腐食品的物理特征参数，为数据层提供数据支持。

图5 智能化冷链物流综合防控系统架构

2.2 实时监控

能够准确地确认易腐食品的物理状态，对于优化食品的质量和经济可行性至关重要［8］。生鲜等易腐食品从原材料开始直到最终达到消费者的手中，全冷链过程的任何环节都要考虑在内，建立信息采集系统［9］，通过生物快检、识别和物联网技术，将采集的详细信息汇总到监控中心，达到全程实时监控的目的。打造一条封闭循环的信息网络和服务链条，实现统一的监控管理和查询方案，记录冷库、冷柜、冷藏车等实时的温度、湿度、空气等参数变化情况。同时面向政府监管部门、冷链相关厂家、企业和消费者，实现可以随时查询掌握情况、及时纠正控制问题（如图6）。借助信息公共平台的开放性和透明性，最大程度地降低冷链物流过程中信息损失和中断风险，提高智能化实时监控效率。

图6 智能化冷链物流实时监控运行原理

2.3 安全预警

针对监测预警的研究最早可追溯至19 世纪末［10］，国内预警管理暂时处于初步应用阶段，应用在生鲜、农产品等易腐食品冷链物流管理领域更是凤毛麟角。在本文中的“预警”重点放在对腐败、变质等风险的事前评估和预判上，通过安全预警防止事态的恶化和无限放大。安全预警系统是智能化冷链物流综合防控系统的重要组成部分［11］，易腐食品的预警实际上是针对突发情况，比如产品腐败、溃烂、遗失、变质等，进行的事前风险分析，通过信息采集和获取，随时掌握冷链物流各个环节的易腐食品的参数情况，借助风险评价模型和影响因素分析模型［15］，针对多种类、多地点的多维数据，掌握事件发生的内在规律和联系，通过数据分析和互联网技术，采用包括阈值法、卷积神经网络和马尔可夫模型等算法，提出合理准确的预防机制，建立整体风险分析的等级评估，提高整个智能化系统的决策效率。安全预警系统还要包括应急处置功能，在精准预测分析的基础上，针对不同的产品、不同流通环节设计有针对性地应急措施，实现科学高效的应急处置机制（如图7）。

图7 智能化冷链物流安全预警运行原理

2.4 食品追溯

考虑冷链物流环节的不同参与主体，遵循生鲜、农产品等易腐食品的“向前一步，向后一步”的设计原则，设计实现在冷处理、仓储、加工、运输和销售冷链过程中的食品追踪和追溯功能。由于易腐食品种类繁多，涉及到的冷链环节众多，增加了农产品信息追溯和追踪难度。区块链［12］具有防止虚假信息篡改和乱入的技术优势，能够辅助实现生鲜、农产品等易腐食品追溯信息的客观性和真实性。

具体运行流程包括产品标识、数据录入、数据访问（如图8）。借助RFID 射频识别等数据载体、电子数据交换等全球统一标识系统，对冷链物流过程进行食品标识，同时将获取的数据存储数据中心。在冷链参与各个主体企业内部进行信息维护或不同企业之间进行交易的过程中，通过区块链技术实现记载操作记录，由于区块链技术本身固有的特性保证了追溯系统的稳定性和真实性。食品追溯就是为了实现快速准确地找到问题环节和原因，有针对性地采用措施，从而将损失降到最小。根据食品信息数据可追溯到相应的冷链物流环节和参与主体，通过采取挽救措施或补救办法，避免发生更大范围、更为严重的易腐食品安全问题，从而改善生鲜、农产品等易腐食品的流通现状，有助于建设品质更高、更为安全可靠的冷链物流。

图8 智能化冷链物流食品追溯运行原理

3 相关建议及改进措施

3.1 提高冷链物流核心技术

参与冷链运输的食品都是果蔬、水产品等易腐食品［14］，不同种类食品对保鲜、保温技术要求大不相同，因此必须提高冷链物流核心技术，综合应用在冷库、冷藏车和冷柜等基础设施设备中。生产环节借助RFID 详细准确地记录果蔬、水产品等易腐食品的多维生产信息；冷链加工环节通过温湿度传感器、有线摄像头等记录加工全过程，将获取的数据全部存入数据中心，为食品安全预警和追溯提供前期准备；运输环节将GPS、信息采集技术、无线通讯技术等应用在冷链运输车设备中，作为物联网信息采集终端的一部分；仓储环节重点研发冷库、冷箱等设备智能感官技术，实时监测并确保库内易腐食品最优的贮藏条件；销售环节利用识别技术、VR 传感等新技术实现场内生鲜、农产品等易腐食品的高效监控，为监管部门和消费者提供准确快速的溯源管理。加速推进冷链物流的基础设施智能化建设，推广新技术在不同物流环节的应用，初步建成布局规范、设备先进、技术标准体系完整的智能化冷链物流综合技术体系。

3.2 多式联运实现跨区域冷链运输

21 世纪以来我国冷链行业极速发展，目前已初步形成“五纵二横绿色通道”生鲜食品物流网络［13］。由于冷链运输具有协调性和成本高的特点，因此在规划过程中应科学构建跨区域冷链运输系统。考虑以物流全环节为核心，兼顾不同品种易腐食品的生化特性，同时协调长短运输距离之间多元运输协调的问题；在改进冷藏车技术的基础上也要提升火车、轮船和航空的冷藏技术，实现食品从农田到餐桌的物流运输高效衔接；考虑冷链物流中转枢纽和大型产销地批发市场建设，以此为契机增强企业的战略合作意识，建立果蔬、水产品等生鲜食品的基础产业联盟；从冷链物流中心到大型连锁超市、体验店、新概念店的配送过程，考虑采用小吨位、灵活度高、针对短途的末端配送体系，解决生鲜、农产品等易腐食品的冷链物流配送“最后一公里”的问题。

3.3 发展冷链物流绿色科技

目前国家大力推广发展绿色物流及相关产业技术，为此需要研发绿色共享冷柜、物流箱、低耗节能冷藏车等冷链物流核心设施设备，采用物联网技术实现物流环节的全程实时监控和信息的无缝对接。绿色环保、循环使用是综合防控技术体系设计原则之一，在智能化实时监控、安全预警、食品溯源和安全交付等功能基础上，融入绿色设计理念，鼓励“绿色+”成为冷链物流技术设计的重要参考因素，加深多元冷链运输环节的设施共享程度，最终达到冷链物流节能降耗的目的。

4 结论

在当今时代背景下，人们物质生活水平提高带来对果蔬、水产品等生鲜易腐食品的需求激增，完成冷链物流过程配套的基础设施的设备数量和质量又远达不到所需水平，因此产生了一系列的冷链物流问题。对此提出的智能化冷链物流综合防控体系，在充分整合发挥新技术、新理论的基础上，对易腐食品实现监控、预警、追溯，实现从农田到餐桌的全程智能化防控，能够解决目前冷链物流各环节出现的基础设施建设水平低、技术含量不足和“断链”的问题，实现冷链物流产业的高效绿色发展。