鐵路冷鏈物流智能化設(shè)計(jì)探討

林程志

（華東交通大學(xué) 軟件學(xué)院，江西 南昌 330013)

1 鐵路冷鏈物流現(xiàn)狀及存在問(wèn)題

1.1 現(xiàn)狀

近年來(lái)，冷鏈運(yùn)輸從過(guò)去以食品為主，擴(kuò)大到食品、藥品、電子元器件等更多品類，冷鏈運(yùn)輸用途不斷拓寬，運(yùn)輸量逐年增大[1]，2014年中國(guó)冷鏈物流市場(chǎng)規(guī)模為1 480億元，到2020年已達(dá)到4 850億元，年均增長(zhǎng)率近20%。尤其是2018 年被稱為是“冷鏈政策年”，國(guó)務(wù)院以及商務(wù)部、國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、交通運(yùn)輸部、財(cái)政部等多部委陸續(xù)出臺(tái)政策，如《關(guān)于推動(dòng)物流高質(zhì)量發(fā)展促進(jìn)形成強(qiáng)大國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的意見(jiàn)》《關(guān)于推動(dòng)農(nóng)商互聯(lián)完善農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈的通知》等，從不同層面部署引領(lǐng)冷鏈物流行業(yè)健康發(fā)展[2]。鐵路冷鏈運(yùn)輸在長(zhǎng)距離、大批量冷鏈運(yùn)輸領(lǐng)域具備明顯優(yōu)勢(shì)，為了鐵路冷鏈運(yùn)輸更好地完成商品從廠家到客戶的物流配送作業(yè)，提高配送效率和質(zhì)量，設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)整個(gè)冷鏈物流配送過(guò)程進(jìn)行作業(yè)跟蹤、信息采集等綜合管理的智能信息系統(tǒng)，對(duì)鐵路冷鏈運(yùn)輸進(jìn)行全過(guò)程管理和控制，從而實(shí)現(xiàn)鐵路冷鏈運(yùn)輸高效可控，提高鐵路冷鏈運(yùn)輸轉(zhuǎn)運(yùn)效率和客戶滿意度，提升鐵路運(yùn)輸企業(yè)效益。

1.2 存在問(wèn)題

通過(guò)深入調(diào)研，發(fā)現(xiàn)目前鐵路冷鏈物流普遍存在轉(zhuǎn)運(yùn)效率較低、關(guān)鍵參數(shù)無(wú)法實(shí)時(shí)查看等問(wèn)題。

（1）冷鏈商品轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中信息記錄方式的效率較低。在目前鐵路冷鏈運(yùn)輸環(huán)節(jié)中，冷鏈商品的轉(zhuǎn)運(yùn)均使用紙質(zhì)的出入單據(jù)，然后再錄入電腦，效率較低且容易出現(xiàn)差錯(cuò)。

（2）客戶無(wú)法實(shí)時(shí)查詢貨物情況?？蛻魧?duì)冷鏈物流過(guò)程中冷鏈商品全程環(huán)境的溫濕度參數(shù)很敏感，擔(dān)心在運(yùn)輸或存儲(chǔ)過(guò)程中造成貨物品質(zhì)下降，特別是一些藥物(如疫苗等)的冷鏈運(yùn)輸，對(duì)環(huán)境要求更高，一旦冷鏈運(yùn)輸過(guò)程出現(xiàn)問(wèn)題，后果嚴(yán)重。

為了解決上述問(wèn)題，采用現(xiàn)代信息技術(shù)手段設(shè)計(jì)鐵路冷鏈物流智能信息系統(tǒng)，提出鐵路冷鏈物流智能化架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)，為充分釋放鐵路冷鏈物流的潛力，提升鐵路冷鏈運(yùn)營(yíng)安全，提高鐵路冷鏈服務(wù)質(zhì)量和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力提供支撐[3]。

2 鐵路冷鏈物流智能化設(shè)計(jì)

2.1 鐵路冷鏈物流智能化需求

針對(duì)鐵路冷鏈物流過(guò)程中普遍存在的問(wèn)題，智能化設(shè)計(jì)的需求如下。

（1）研究冷鏈物流過(guò)程中冷鏈商品的自動(dòng)化出入庫(kù)技術(shù)，摒棄傳統(tǒng)的紙質(zhì)出入單據(jù)，以滿足物流過(guò)程中高效、準(zhǔn)確的需求。

（2）遍歷整個(gè)冷鏈物流過(guò)程中冷鏈商品的流通環(huán)節(jié)，在各個(gè)環(huán)節(jié)中，冷鏈商品的溫濕度、位置信息都需要被實(shí)時(shí)記錄并存儲(chǔ)下來(lái)，這些數(shù)據(jù)是智能化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源。

（3）智能化設(shè)計(jì)架構(gòu)中要考慮能夠以友好、簡(jiǎn)潔的界面向用戶展示所托運(yùn)冷鏈商品溫濕度等敏感參數(shù)信息，以滿足客戶的實(shí)時(shí)查詢需求，從而打消客戶對(duì)所托運(yùn)冷鏈商品關(guān)鍵參數(shù)透明度的擔(dān)憂。

2.2 鐵路冷鏈物流智能化架構(gòu)

通過(guò)鐵路冷鏈物流流程和智能化需求分析，設(shè)計(jì)鐵路冷鏈物流智能化架構(gòu)，智能化架構(gòu)包括數(shù)據(jù)采集層、傳輸層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層和應(yīng)用層。鐵路冷鏈物流智能化架構(gòu)如圖1所示。托運(yùn)商品關(guān)鍵參數(shù)由數(shù)據(jù)采集層獲取，傳輸層傳到物聯(lián)網(wǎng)(IOT)云平臺(tái)中，在IOT云平臺(tái)中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，應(yīng)用層融合并展現(xiàn)數(shù)據(jù)給客戶。

（1）數(shù)據(jù)采集層。該層完成冷鏈物流智能化所需的數(shù)據(jù)源，包括冷鏈物流各環(huán)節(jié)中的貨物信息、溫濕度和位置實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等。貨物信息主要在客戶下單裝箱、交付、入庫(kù)或配送完成時(shí)，由手持終端或檢測(cè)門(mén)完成采集。貨物信息采集時(shí)采用的主要技術(shù)是射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)，RFID技術(shù)通過(guò)電磁場(chǎng)或交變磁場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)信息的快速、無(wú)接觸傳遞[4]。RFID系統(tǒng)包括讀寫(xiě)器和標(biāo)簽，信息存儲(chǔ)在標(biāo)簽中，可通過(guò)讀寫(xiě)器進(jìn)行讀寫(xiě)。溫濕度和位置實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)主要在冷藏集裝箱、冷藏倉(cāng)庫(kù)、配送時(shí)的冷藏貨車(chē)車(chē)廂中進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。溫濕度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集通過(guò)部署在冷藏容器中的溫濕度傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)，位置實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)部署在車(chē)廂外側(cè)的全球定位系統(tǒng)(GPS)模塊來(lái)獲取。GPS定位方式比較常見(jiàn)的有偽距離定位法、載波相位定位法和多普勒定位法等，應(yīng)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(gòu)Fig.1 Intelligent architecture for railway cold chain logistics

（2）傳輸層。數(shù)據(jù)采集層采集到的數(shù)據(jù)，由該層傳送到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層進(jìn)行存儲(chǔ)。傳輸層采用窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IOT)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。NB-IOT技術(shù)作為低功耗廣域網(wǎng)的一種典型技術(shù)，非常適合對(duì)業(yè)務(wù)時(shí)延不敏感(下行命令的送達(dá)可能有1 ~ 6 s的延遲)、數(shù)據(jù)量收發(fā)小的蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信場(chǎng)景，具備廣覆蓋(由于采用了低頻、窄帶和重傳等技術(shù)，與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)相比，NB-IOT具有接近20 db的增益[6]，故而穿透能力很強(qiáng)，甚至能覆蓋傳統(tǒng)無(wú)線通信信號(hào)無(wú)法到達(dá)的地下室)，低功耗(借助省電模式和擴(kuò)展不連續(xù)接收模式，如果每天僅發(fā)送一次200字節(jié)報(bào)文到云平臺(tái)，5號(hào)電池續(xù)航可達(dá)10年之久[7])，大連接(NB-IOT單扇區(qū)能支持5萬(wàn)個(gè)連接)，低成本(單個(gè)NB-IOT模組成本可降至30元以下)等特點(diǎn)。目前NB-IOT的理論上行峰值速率可達(dá)62.5 kb/s，下行也達(dá)到了21.25 kb/s[8]，NB-IOT技術(shù)特別適合鐵路冷鏈物流的應(yīng)用場(chǎng)景。

（3）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層。數(shù)據(jù)采集層采集到的冷鏈貨物信息、溫濕度和定位實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，由傳輸層傳輸，存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層。該層采用的是中國(guó)移動(dòng)專為NBIOT技 術(shù) 開(kāi)發(fā) 的OneNET平 臺(tái)，NBIOT從監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)出來(lái)的數(shù)據(jù)均可存儲(chǔ)在OneNET云平臺(tái)中，可供應(yīng)用層獲取、處理和可視化。

（4）應(yīng)用層。該層直接面向客戶，當(dāng)客戶需要查詢所委托冷鏈商品的溫濕度或定位實(shí)時(shí)信息時(shí)，該層完成相關(guān)信息的數(shù)據(jù)融合，把客戶感興趣的信息以友好界面展示出來(lái)。

3 鐵路冷鏈物流智能化業(yè)務(wù)流程 分析

鐵路冷鏈物流智能化業(yè)務(wù)流程主要包括收單與裝箱，鐵路冷鏈運(yùn)輸，到達(dá)目的地后的交付、入庫(kù)及配送等，鐵路冷鏈物流承運(yùn)方提供可在物流全過(guò)程隨時(shí)查詢所托運(yùn)貨物的溫濕度與位置信息的移動(dòng)端程序。業(yè)務(wù)流程詳細(xì)闡述如下。

（1）收單與裝箱。鐵路冷鏈物流承運(yùn)方(記為B)收到客戶(記為A)的冷鏈物流服務(wù)訂單時(shí)，B派冷藏集裝箱運(yùn)輸車(chē)到A處提貨，提貨時(shí)B將A的貨物綁定在標(biāo)準(zhǔn)托盤(pán)(1 200 mm×1 000 mm)上后再裝入冷藏集裝箱，每個(gè)托盤(pán)均在某個(gè)側(cè)面固定一張RFID標(biāo)簽。裝貨時(shí)把每個(gè)托盤(pán)所裝貨物的名稱、數(shù)量、重量、客戶名稱、下單時(shí)間和冷藏集裝箱身份識(shí)別號(hào)(ID)等信息通過(guò)手持終端存入該托盤(pán)對(duì)應(yīng)的RFID標(biāo)簽中，手持終端同時(shí)通過(guò)NB-IOT模塊將這些信息及時(shí)發(fā)送到IOT云平臺(tái)中。

（2）鐵路冷鏈運(yùn)輸。B將冷藏集裝箱運(yùn)至鐵路貨場(chǎng)后，通過(guò)列車(chē)運(yùn)送到目的城市。從B裝好貨開(kāi)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(guò)NB-IOT模塊將這些信息發(fā)送到IOT云平臺(tái)中。

（3）交付。列車(chē)抵達(dá)目的地后，B根據(jù)A的訂單要求，如果訂單要求交付貨物到當(dāng)?shù)胤荁旗下的冷儲(chǔ)倉(cāng)庫(kù)，B則將冷藏集裝箱運(yùn)送至客戶指定的冷儲(chǔ)倉(cāng)庫(kù)，客戶指定的冷儲(chǔ)倉(cāng)庫(kù)驗(yàn)收后，用手持終端掃描托盤(pán)上的RFID標(biāo)簽，手持終端將相關(guān)信息上傳到IOT云平臺(tái)中，同時(shí)刪除RFID標(biāo)簽中的信息，托盤(pán)帶回，冷鏈運(yùn)輸完成。

（4）入庫(kù)。列車(chē)抵達(dá)目的地后，B根據(jù)A的訂單要求，如果訂單委托B在目的地城市的冷儲(chǔ)倉(cāng)庫(kù)存儲(chǔ)貨品，則B將冷藏集裝箱直接運(yùn)送到B在目的地城市的冷儲(chǔ)倉(cāng)庫(kù)裝卸站臺(tái)，入庫(kù)時(shí)，叉車(chē)將貨物連同托盤(pán)取下，放置在冷儲(chǔ)倉(cāng)庫(kù)的運(yùn)輸線上快速入庫(kù)，運(yùn)輸線的前端設(shè)一道RFID讀寫(xiě)器檢測(cè)門(mén)，貨物和托盤(pán)隨著運(yùn)輸線通過(guò)檢測(cè)門(mén)時(shí)，檢測(cè)門(mén)上的讀寫(xiě)器可以讀出該托盤(pán)RFID標(biāo)簽的貨物信息，并改寫(xiě)該托盤(pán)所入冷藏集裝箱ID為所入倉(cāng)庫(kù)ID。同時(shí)讀寫(xiě)器把這些信息傳送至IOT云平臺(tái)中。冷藏貨物存儲(chǔ)在冷藏倉(cāng)庫(kù)時(shí)，B冷藏倉(cāng)庫(kù)中的溫濕度采集裝置會(huì)以一定頻率采集倉(cāng)庫(kù)溫濕度信息，并傳至IOT云平臺(tái)中，由IOT云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。

（5）配 送。當(dāng)B收 到A發(fā)來(lái)的配貨通知時(shí)，B根據(jù)A的訂單，在冷儲(chǔ)倉(cāng)庫(kù)中安排分揀，重新組合托盤(pán)中的貨物，等待調(diào)度發(fā)貨的貨物裝在一批托盤(pán)中，更新托盤(pán)RFID標(biāo)簽中所裝貨物的信息，將更新后的信息上傳至IOT云平臺(tái)中。B發(fā)貨時(shí)把調(diào)度托盤(pán)裝入B的配送冷藏貨車(chē)中，同時(shí)B將調(diào)度托盤(pán)RFID中的相關(guān)信息用手持終端掃出，上傳到IOT云平臺(tái)中。B的配送冷藏貨車(chē)上也裝有溫濕度傳感和定位裝置，會(huì)通過(guò)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(tái)。B的配送冷藏貨車(chē)到達(dá)配送點(diǎn)驗(yàn)收完畢后，B的工作人員用手持終端掃描托盤(pán)上的RFID標(biāo)簽，并將相關(guān)信息上傳到IOT云平臺(tái)中，同時(shí)刪除RFID標(biāo)簽中的信息，托盤(pán)帶回，冷鏈運(yùn)輸完成。

（6）查詢。B提供可在整個(gè)冷鏈運(yùn)輸過(guò)程隨時(shí)查詢所托運(yùn)貨物溫濕度與位置信息的移動(dòng)端程序。

鐵路冷鏈物流智能化業(yè)務(wù)流程如圖2所示。

圖2 鐵路冷鏈物流智能化業(yè)務(wù)流程Fig.2 Intelligent business process of railway cold chain logistics

4 鐵路冷鏈物流智能化關(guān)鍵技術(shù)

4.1 貨物溫濕度與位置信息實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)

采用GPS+溫濕度傳感器+NB-IOT技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)托運(yùn)貨物溫濕度與位置信息的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)部署在冷藏集裝箱、冷儲(chǔ)倉(cāng)庫(kù)、冷鏈配送貨車(chē)上，系統(tǒng)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(shù)據(jù)，并通過(guò)NB-IOT模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到IOT云平臺(tái)。監(jiān)控系統(tǒng)的硬件采用模塊化設(shè)計(jì)，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(gè)模塊相互獨(dú)立，除電源模塊之外，模塊之間采用接口電路進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件部分包括嵌入式軟件設(shè)計(jì)和OneNET平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)2部分。嵌入式軟件運(yùn)行在STM32單片機(jī)中，由STM32單片機(jī)以一定的頻率采集溫濕度信息、定位經(jīng)緯度信息，并通過(guò)AT指令控制NB-IOT模塊，將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到OneNET平臺(tái)中。同時(shí)開(kāi)發(fā)基于移動(dòng)端的程序，客戶可以通過(guò)移動(dòng)端程序查詢冷鏈運(yùn)輸貨物的溫濕度和位置信息。溫濕度與位置遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)如圖3所示。

圖3 溫濕度與位置遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)Fig.3 Key technologies for the remote real-time monitoring of temperature, humidity, and location

為了保障數(shù)據(jù)在傳輸、存儲(chǔ)和使用過(guò)程中的安全，對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。系統(tǒng)加密算法采用128位高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)(AES)。AES算法是一種典型的對(duì)稱加密算法，數(shù)據(jù)采集層獲取的數(shù)據(jù)先進(jìn)行 AES (128)加密，然后再進(jìn)行傳輸、存儲(chǔ)與使用。應(yīng)用層對(duì)數(shù)據(jù)使用時(shí)再進(jìn)行AES (128)解密即可。

4.2 冷鏈貨品高效出入庫(kù)關(guān)鍵技術(shù)

采用RFID+NB-IOT技術(shù)，實(shí)現(xiàn)冷鏈貨品的高效出入庫(kù)。在裝貨時(shí)把每個(gè)托盤(pán)所裝貨物的名稱、數(shù)量、重量、客戶名稱、交付時(shí)間和每個(gè)托盤(pán)所入冷藏集裝箱ID等信息通過(guò)手持終端存入該托盤(pán)對(duì)應(yīng)的RFID標(biāo)簽中，在運(yùn)輸、配送、交付環(huán)節(jié)中使用手持形式或固定形式(入庫(kù)時(shí)的檢測(cè)門(mén))的RFID讀寫(xiě)設(shè)備(集成了RFID讀寫(xiě)器功能與NBIOT無(wú)線通信功能)來(lái)對(duì)托盤(pán)上貨物的信息進(jìn)行自動(dòng)高效獲取，并通過(guò)NB-IOT技術(shù)傳送到OneNET平臺(tái)上。冷鏈貨品高效出入庫(kù)技術(shù)如圖4所示。

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

5 結(jié)束語(yǔ)

以鐵路冷鏈運(yùn)輸商品實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、高效配送為目標(biāo)，分析鐵路冷鏈物流智能化設(shè)計(jì)的需求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了相關(guān)功能，能夠有效提高冷鏈貨物的轉(zhuǎn)運(yùn)效率，并讓客戶可以隨時(shí)查詢商品在鐵路冷鏈運(yùn)輸過(guò)程中的溫濕度、位置等信息，從而有效保證冷鏈商品送達(dá)的速度和質(zhì)量。鐵路冷鏈物流智能化將給客戶帶來(lái)更好的體驗(yàn)，對(duì)加快傳統(tǒng)鐵路冷鏈物流向現(xiàn)代智能鐵路冷鏈物流轉(zhuǎn)型發(fā)展，進(jìn)一步提升冷鏈物流市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，具有重要支撐作用。在具體運(yùn)用過(guò)程中，仍然需要根據(jù)實(shí)際情況不斷完善和改進(jìn)鐵路冷鏈物流智能化設(shè)計(jì)，使其更加符合客戶和運(yùn)輸企業(yè)各方面需求，產(chǎn)生更好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。