岭南特色水果冷链物流智能调度与监控管理信息系统

彭 宾，黄家怿,2※，孟祥宝,2，谢秋波,2

（1.广州市健坤网络科技发展有限公司，广州 510630；2.广东省现代农业装备研究所，广州 510630）

岭南特色水果冷链物流智能调度与监控管理信息系统

彭 宾1，黄家怿1,2※，孟祥宝1,2，谢秋波1,2

（1.广州市健坤网络科技发展有限公司，广州 510630；2.广东省现代农业装备研究所，广州 510630）

针对目前岭南特色水果流通损耗大、成本高、物流环节多、效率低下等问题，本文提出应用捕食搜索算法（PSA）计算冷链物流的车辆最优路径，从而减小运输成本和提高效率。并将RFID技术与智能传感器、GPS、GIS、GPRS等技术相结合，开发了岭南特色水果冷链物流智能监控装置和调度管理信息系统，用于实现水果产品冷链物流在途及仓储时实时温湿度监控、地理位置跟踪、物流信息查询、分析等功能。该系统的研制为消除流通各环节中可能出现的各种问题提供有力保障，对保障水果产品的质量安全和提高岭南特色水果冷链物流整体质量与效率有明显促进作用。

PSA RFID 冷链物流 智能监控 岭南特色水果

0 引言

随着我国经济的发展，人们对农产品，尤其是新鲜水果、蔬菜、水产品、肉类等鲜活农产品的需求量越来越大，对其内在品质及安全性的要求也越来越高。若生鲜食品腐烂变质，会严重影响广大居民的健康安全。

我国农产品流通环节多，一般需经历商品化加工、运输、贮藏、分销、零售五个环节，历时长，信息在多次传递过程中存在衰减、失真和梗阻现象，使得物流效率大大降低。根据中国食品工业协会资料显示[1]，我国由于冷链问题造成了每年约1 200万t水果和1.3亿t蔬菜的浪费，果蔬损失率高达25%～30%，总价值约750亿元，其数量足以满足数亿人对农产品的需求。相比较而言，美国等发达国家的果蔬损失率控制在1.7%～5.0%以下。

近年来，政府逐步加大了对农产品物流的投入力度。国家发改委在《农产品冷链物流发展规划》中提出到2015年，我国要初步建成布局合理、设施先进、管理规范、网络健全、全程可控的一体化冷链物流服务体系，以降低农产品产后损失和流通成本，促进农民增收，确保农产品品质和消费安全[2]。

岭南果树种类丰富多彩，鲜果一年四季供应，素有“水果之乡”的盛誉。据调查，岭南地区有包括栽培、引种、野生及半野生在内的品种共计40多科、77个属、132个种和变种、500多个品种、品系和优稀类型。水果采后流通是农业生产的延续，为了保障采后水果品质，减少水果质量损耗与营养

流失，发展水果产品在生产、包装、运输、储存和终端销售的全程冷链保障十分必要。本文提出运用现代信息化经营和管理手段，建设岭南特色水果冷链物流智能监控和调度管理信息系统，实现物流路径优化、在途信息查询、实时温度监控和地理位置跟踪等功能，从而提高冷链物流整体效率，保证水果产品的质量和安全，为及时解决流通各环节中可能出现的问题提供有力保障。

1 国内外发展现状

冷链物流（Cold Chain Logistics）指在生产、贮藏、运输、销售直至最终消费前的各个环节中，将易腐败的生鲜食品始终保持在规定的低温环境下，以最佳的物流手段保证食品质量，减少食品损耗的一种物流体系[3]。在水果冷链物流过程中，要遵守“3T原则”，即流通时间（Time）、温度（Temperature）和产品耐藏性（Tolerance）要达到特定水果产品的要求。同时还要满足“3M条件”，即冷藏保鲜的工具手段（Mean）、方法（Method）和管理措施（Management）要达到一定要求[4，5]。

美国等西方发达国家在水果等鲜活农产品的流通方面，多以物流网络的形式提供产品和相关服务，以满足顾客需要[6，7]。普遍采用水果采后冷却、气调储藏、洗果、涂蜡、分级和冷链运输一系列规范配套的处理方式，使得水果采后商品化处理量几乎达到100%。并配以EDI（Electronic Data Interchange）系统等先进的信息技术，建立了包括生产、加工、储藏、运输、销售在内的完整的新鲜水果冷链流通体系，使得新鲜果品具有极大的冷藏运输率和运输水果完好率[8，9]。

我国是水果生产大国，但产地基础设施不完善，大部分产地未能解决分选、分级、预冷、保鲜等水果采摘后的处理问题，使得水果在采后流通过程中的损失每年超过生产总量的30%[10]。我国冷链技术起步较晚，虽然近年来政府和企业逐步开始重视和支持其发展，但水平依旧较低，特别是预冷处理、冷藏运输等环节尤为薄弱，使得现有的冷链流通难易形成完整、连贯的系统。

2 捕食搜索算法

车辆路径问题（VRP）自Dantzing和Ramser于1959年首次提出该问题以来，一直是运筹学和组合优化领域的研究前沿与热点。车辆最优路径的确定是降低物流成本的有效方法之一，能解决一个起始点、多个终点的货物运输中，如何降低物流作业费用，并保证服务质量的问题，包括决定使用多少辆车，每辆车的行驶路线等。VRP的一般描述是：为服务于己知的一组顾客的一个车队，设计一组开始和结束于一个中心（设施）出发点的最小费用路径，每个顾客只能被服务一次，而且一个车辆服务的顾客数不能超过它的能力[11]。

目前国内外对VRP求解算法的研究较多，大体上可分为精确算法和启发式算法两种[12，13]。精确算法主要应用于早期规模较小的VRP研究，随着计算规模的增大，使得计算量成指数增长，严重限制了精确算法在实际中的应用。启发式算法早期的代表有 Clarke和 Wright提出的节约法[14]、Gillett和Miller提出的扫描法[15]、Bramel和 Simchi提出的LBH法[16]等。近年来以遗传算法（GA）为代表的现代启发式算法备受关注，也成为了VRP算法的一个新方向[17，18]。但是，上述方法多是对单设施的VRP模型进行求解，而对于多设施的问题涉及不多。

动物学家在研究动物的捕食行为时发现，尽管动物物种的不同造成其身体结构千差万别，但它们的捕食行为却惊人地相似。动物在没有发现猎物迹象时，在整个捕食空间沿着一定的方向以较快的速度寻找猎物；一旦发现猎物，则放慢步伐，并在猎物附近区域进行集中搜索，以找到更多猎物。研究人员通过模拟动物的这种捕食策略，提出了一种新的现代启发式算法，即捕食搜索算法（PSA），利用控制搜索空间的限制大小来实现局域搜索和全局搜索以及它们之间的转换，具有很好的局部集中搜索和跳出局部最优的能力[19-21]。

在车辆调度的现实情况中，物流配送网络的顾客（或配送中心）之间不能都有直接最短配送线路，即便在交通十分发达的大城市中，也无法做到这一

点。因而为保证完成对所有顾客的配送任务，一些顾客可能会被多次访问。基于以上因素，本文提出以实际的物流配送网络为基础，采用了PSA对冷链物流的车辆路径模型进行求解，建立岭南特色水果冷链物流配送路径优化的模型。

3 结果与讨论

本文首先采用模型分析，设计平台使用框架，再到系统设计，最终实现应用集成。并通过实验和实地试用验证系统的可行性和有效性，最后进行了产品化设计。

PSA算法主要实现步骤为：对VRP进行捕食搜索寻优时，先在整个搜索空间进行全局搜索，直到找到一个较优解；然后在较优解附近的区域（邻域）进行集中搜索，直到搜索很多次也没有找到更优解，从而放弃局域搜索；接着再在整个搜索空间进行全局搜索；如此循环，直到找到最优解（或近似最优解）为止。捕食搜索这种策略能很好地协调局部搜索和全局搜索之间的转换，在较差区域进行全局搜索以找到较好区域，即对解空间进行广度探索；然后在较好区域进行集中搜索，即对较好区域进行深度开发。

应用PSA计算冷链物流的车辆最优路径，具有一定的应用创新性。该算法简洁、有效，是求解VRP这类复杂组合优化问题的一种较好方法。这样，可以全程记录控制条件、作物生长状况与调节变化进行对比，适当修订控制参数，实现最优化管理。

采用上海秀派电子科技有限公司生产的SP-THT-100温度电子传感标签，内置2.4G有源RFID芯片和温度传感器，具有全自动识别和较高的识别率，能实时在线自动获取环境温度数据并存储在RFID芯片内，还可通过RFID天线发送到RFID读写器，再通过GPRS无线传输系统传送到监控中心。温度电子传感标签内部的超薄纽扣电池能够连续使用三年以上，当电池电量过低时能自动报警，掉电时可保存10 y以上。产品外观形貌如图1所示：

图1 温度电子传感标签实物图

该温度电子传感器标签还具有如下特性：①空气中的识别距离最远可达80 m；②工作频段在2.4～13.56 MHz；③射频输出功率-20～0 dBm；④存储空间可扩充至最大256 KB；⑤ID号码为64 bit；⑥工作温度为-40～80℃，保存温度为-60～85℃，温度敏感度达0.5℃；⑦能抗10V/m，0.1～1 000 MHz AM调幅电磁波的电磁干扰；⑧震动：10～2 000 Hz 15g三个轴。有利于及时掌握水果产品冷链运输状况，减少执行差错，降低水果产品质量损耗，增强冷链物流的技术能力，提高管理效率、透明度和真实度。

在运输过程中，将RFID温度监测器放入物品包装或货箱中。结合运用GPS，GIS，GPRS和智能传感等先进技术，开发了水果产品冷链物流智能调度和监控管理信息系统。监测器按照系统预定的时间间隔周期性地记录运输过程中的水果环境温度，系统通过安装在仓库、配送中心等各节点的读写器将这些数据读取之后自动上传至监控中心的信息平台存储和处理，用户可以随时上网下载与之相对应的记录数据，从而实现货物在途信息查询、实时温度监控和地理位置跟踪等功能。同时可以向消费者提供方便的查询手段，向社会公布水果产品的安全溯源信息。系统详细拓扑图和架构图详见图2和图3。

图2 水果产品冷链物流智能调度和监控管理信息系统拓扑图

图3 水果产品冷链物流智能调度和监控管理信息系统架构图

其中，水果冷链运输信息监控子系统，主要用于实时采集水果产品在运输过程中的温度、位置等信息，后台信息系统负责对采集的信息进行存储、分布式处理和发布。该子系统根据冷藏车的具体温

度控制需求，建立了温度管理接口程序和GPS车载终端控制指令程序。通过GPS车载终端随时侦测温度传感器的感知温度来调整控制，保证所运送的生鲜水果处于恰当的温度，从而保证了货物的质量。

基于WebGIS的水果产品冷链物流配送子系统，主要用于实现物流配送信息的收集、存储，并利用Interne网络实现物流信息的自动化处理和动态数据采集。以Web数据库中配送信息构成空间对象的属性，开发了用于物流配送的GIS应用系统，利用WebGIS技术实现货物空间位置和配送网络的直观展现。针对物流配送的共性问题（综合算法的效率、复杂度），分析、选择算法，实现算法在配送业务流中的集成和在Web平台上的发布，并保留功能扩展能力，解决诸如网络流量均衡、最优路径、最小费用等实际问题。采用最优化模型，实现算法改进，以提高软件的运行效率。并利用GIS工具的空间分析功能，对已有的优化结果空间对象进行付诸优化和定性分析。

农产品信息管理子系统能提供网上订货（订单处理）、仓库管理等功能，实现了农产品供应各项数据的采集、汇总、快速检索和统计分析功能，能显著提高工作效率和管理水平。

在标准化方面，借鉴国际标准，依据国家标准和行业标准，结合实际，根据HACCP原理和GMP（GoodManufacturing Practice，良好操作规范），制定、修改、完善新鲜果蔬，尤其是广州的名特优产品的产前、产中、产后的地方标准。加快食品安全、农药残留量、质量及新鲜果蔬采后整修、分选、分级、清洗、预冷、包装、冷藏、气调贮藏、催熟、运输、销售等环节技术标准和规范的制定并加强推广工作。

4 对行业发展的推动作用

本项目由广州市健坤网络科技发展有限公司与广州市从化万祺水果专业合作社合作研发与推广。在技术上，利用RFID、GPS、传感器技术、移动物流信息技术等关键技术，实现岭南特色水果冷链物流的应用。通过岭南特色水果冷链物流智能监控和调度管理信息系统，实现货物在途信息查询、实时温度监控和地理位置跟踪等功能。在生产和流通环节上，以农民专业合作社为主体，以先进的信息技术为手段，以提升农民专业合作社信息化水平为基础，以增强和提高农民专业合作社经营能力为重点，促进农民持续增收，在地方农产品龙头企业的带动下实现规模化、产业化。广东省当前约2 000多个城镇计算，未来5年按每城镇平均建设一个农民专业合作社示范点的需求，需要至少2 000多套冷链物流智能监控和调度管理信息系统，如果再扩展到全国，需求量将翻好几倍，市场前景十分广阔。

通过发展先进的保鲜、冷链物流信息管理技术，采用专业化的物流服务，降低物流成本，培育冷链物流的各环节主体的组织化程度，促进培育壮大冷链物流的各环节主体，降低在冷链物流中农产品流通损耗和成本，从而不断提高岭南特色水果的质量和产销。

5 结语

国外的冷链物流技术的发展已经相当成熟，在冷藏运输过程中大多采用了自动温度检测设备以及自动温控设备，能实时的监督冷藏箱内的温度变化从而保证冷链物流的产品不会发生质变。我国目前的冷链设施和冷链装备不足，原有设备陈旧，发展和分布不均衡，无法为生鲜食品流通系统提供低温保障，以至于在冷链技术的应用上远远落后于国外。

本文采用带温度传感RFID电子标签的监测器，及时对数据集中存储和处理，实现冷链温度的全程、实时监控和预警，显著提高了我国冷链物流的信息化和标准化水平。通过技术成果的进一步实施，一方面，有利于降低水果产后损失和流通成本，对进一步推动农业农村经济稳定发展、促进农民持续增收，具有十分重要的意义。另一方面，在当前对食品安全性和内在品质要求越来越高的情况下，减少对化学保鲜剂依赖的同时，满足人民群众对新鲜、营养的岭南特色水果产品的需求，并可为农业生产管理的信息化以及冷链物流产业的标准化发展奠定基础。

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Peng Bin1,Huang Jiayi1,2*,Meng Xiangbao1,2,Xie Qiubo1,2
（1.Guangzhou Jiankun Network Technology Development Co.,Ltd,Guangzhou,China; 2.Guangdong Institute of Modern Agricultural Equipment,Guangzhou,China)

To the problems of circulation loss,high cost,logistics link and low efficiency of Lingnan characteristic fruit,we applied predatory search algorithm(PSA)to calculate the optimal vehicle routing to further reduce costs and improve efficiency of transport.And we developed an intelligent monitoring and scheduling management information system of cold chain logistics of Lingnan characteristic fruits,by combining RFID technology and intelligent sensing,GPS,GIS and GPRS.The system has the features of querying in-transit information of cold chain logistics,monitoring real-time temperature and tracking location.The result shows that the system can reflect most problems that might occur in every links of circulation,ensure quality and safety of fruits,and greatly improve the whole quality and efficiency of cold chain logistics.

PSA,RFID,cold chain logistic,intelligent monitoring,Lingnan characteristic fruit

天河区科技计划项目（201308YG060），2012年度省级现代农业科技提升专项，2011年广东省现代信息服务业发展专项资金项目（GDEID2011IS039）

彭宾（1984—），男，本科，助理工程师，主要从事行业信息化项目策划与实施工作。通信地址：广州市天河区五山路261号广东省现代农业装备研究所办公楼A213，510630。Email:pengbin@e-jiankun.com

※通讯作者：黄家怿（1980—），女，博士，工程师，主要从事农业信息化及智能装备的研究。通信地址：广州市天河区五山路261号广东省现代农业装备研究所办公楼A510，510630。E-mail：huangjy@e-jiankun.com