物联网技术在危化品供应链中的应用设计

成都电子科技大学成都学院 / 孔昊

物联网技术在危化品供应链中的应用设计

成都电子科技大学成都学院 / 孔昊

物联网技术对提升危化品供应链的安全水平具有重要意义。本文从物联网技术架构角度，阐释了物联网技术在危化品供应链中应用层面的设计构想，以期构建物联网技术的实际应用。

物联网、危化品、供应链、应用设计

随着工业化进程的不断加深，近年来中国拥有超过10万家化工企业，生产着多达5万种化学品，其中危化品在生产、仓储、运输、分销和使用各环节的安全问题时常发生，暴露出我国危化品供应链在预警机制、应急响应速度和政府部门监管能力三方面仍有提升空间。

近些年，高速发展的物联网技术变得越来越成熟，且已开始在一些行业逐步应用。物联网技术的三大关键功能（实时可视化管理、实时远程控制和实时信息共享），对危化品供应链存在的上述问题的改善，有着重要的应用意义。

一、物联网的概念及主要支撑框架

1.物联网定义

在中国，目前物联网最为大家普遍接受的定义是由中国移动在其“物联网白皮书”中给出的，即通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统（GPS）、激光扫描器、环境传感器、图像感知器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

2.物联网主要架构

不同背景的研究者会给出不同的物联网架构，但基本相似。它们之间的最大不同之处就在于架构的层数。通常来说，物联网的主要架构由三层组成，即感知层、传输层和应用层，见图1。

图1的最下层是感知层，主要功能是识别、认知和收集目标的信息。它相当于物理接触层，由传感器、智能芯片、射频识别芯片等组成。以人体来比喻的话，感知层就像皮肤和五官，用于识别物体、收集信息、感知数据。感知层针对的范围可以是单个物体，可以是特定区域内的物体，也可以是特定行业内不同地方的一组物体。

中间层是传输层，由移动网络（2G/3G/4G）、固话网络、广域网和封闭的IP数据网络组成。信息经由感知层通过网关转化为可识别的数据，然后传输层接收、处理、再分配传输这些数据。可以将其简单地理解为人体的神经系统。

顶层是应用层，在这一层，人们可以通过物联网技术做许多复杂的事情。对使用者有价值的信息经过传输层的处理、再分配传输后，就需要通过应用层来完成控制指令的生成和执行。在感知层、传输层的支持下，应用层能实现许多典型的物联网场景设想，如智能交通、智能建筑、智能家居、智能物流、远程医疗、污染监控等。这些应用可以是行业内或行业外，也可以跨行业；用户可以是大众，可以是企业，可以是组织，也可以是政府部门。

图1 物联网的主要架构

二、物联网在危化品供应链中的应用设计

仅使用物联网技术的有关设备，还不能被称为应用物联网技术，因为收集的信息无处传输和共享。因此，物联网技术在危化品供应链中的应用目的，是通过有效整合各种资源，让供应链上的各方有效参与和及时沟通，形成一个新的服务和监控系统。在应用设计时，一个基于物联网技术的、信息传输标准统一的、兼容绝大部分企业和政府信息系统的公共服务平台应当优先构建。作为应用设计的核心部分，该平台能够最大化地整合资源，支持有关各方作出决定，并实现可视化管理、远程控制操作，以及各方之间的信息共享。随后，再围绕公共服务平台设计三个主要子系统，囊括供应链上的主要参与方，如制造商、物流供应商和销售商。

1.公共服务平台设计构想

公共服务平台应当给企业提供一个内部业务管理信息的存储场所，而且能作为制造商、物流供应商和销售商之间包括信息流、文档流和资金流的一个沟通场所，同时还能成为相关政府部门进行监管的窗口，以及相关个人获取决策信息的中心。而要实现这些功能，公共服务平台应具备标准化格式数据的能力且兼容市场上主流的企业和政府系统，以便高效率地让供应链上各方数据实现上传、下载、输出和输入。

（1）公共服务平台基本功能设计

首要基本功能是信息共享。信息的共享和透明程度会极大地影响供应链管理的有效性和效率，尤其是危化品供应链，因为它还包含政府部门的监管工作和针对事故的响应速度。该功能需要实现供应链上各方信息的快速上传、下行以及简单及时的相互传输。

图2 公共服务平台的逻辑架构设计

图3 公共服务平台的系统架构设计

第二个基本功能是信息分析和处理。伴随物联网技术，数十亿计甚至更多的物体会参与连接并实时上传信息，而当前绝大部分的企业管理系统无法处理如此庞大的数据量。同时，由于危化品的性质，也不能简单地收集信息再分享，而需要对信息进行分析处理从而识别危化品的实时状态，保证企业或政府能够针对危险情况做出有效的应对。

（2）公共服务平台架构设计

公共服务平台的逻辑和系统架构设计，如图2、图3。

2.制造商子系统设计构想

公共服务平台下的制造商子系统不同于普通制造企业的生产管理系统，因为它不仅要具备一般生产管理系统的功能，还要具备根据不同危化品的具体要求对环境状态实时监测的功能。比如，一些危化品接触到水分会燃烧，那该系统就应具备监测生产环境实时湿度的能力。而这些信息的采集则可通过感知层的一些工具和设备，如RFID标签、嵌入式传感器或红外设备等进行收集。然后不间断地将信息通过3G/4G网络、局域网、有线网传输至该子系统，再由该子系统将信息格式标准化后共享至公共服务平台。

（1）制造商子系统架构设计

制造商子系统的逻辑架构设计，如图4。

（2）功能模块设计

制造商子系统的内部功能模块包括企业资源规划（ERP）、订单管理系统（OMS）和存货管理系统（IMS），如图5。换句话说，制造商子系统应该兼容当前主流的管理系统。ERP的主要功能是管理企业的物料、人力、财务和信息资源。OMS用以管理来自供应链下游的订单，除了可以帮助企业接收、审核订单，安排生产计划外，还能帮助企业关注危化品的具体流向，防止被用于违法情况。IMS不仅具有一般存货管理的功能，还应具备环境监测能力。因此，企业的监控中心总能了解危化品生产和存储的实时情况，政府部门通过公共服务平台的信息共享和查询也能随时随地监控到该企业的危化品生产和存储的实时状态，而不用担心频繁地去企业实地检查进而干扰到企业生产。而当任何环节开始出错，企业监控中心和相关政府部门均可以从公共服务平台接收到预警，这样他们就可以做出迅速响应。比如，传感器监测到不能接触水分的危化品存储区域湿度逐渐上升，而操作人员并未采取措施时，则经由平台对管理人员和相关政府部门发出预警，管理人员可远程启动通风设备，政府部门则可提前做好应急准备。

图4 制造商子系统的逻辑架构设计

图5 制造商子系统内部功能模块设计

制造商子系统的外部功能，主要包括三个模块，即企业信息发布、外部信息接收和信息查询，如图6。通过这些功能模块，制造商就可以及时地了解行业或合作伙伴的信息，或者发布自己的信息供平台上其他使用者搜索和查询，可以简单高效地与供应链的上、下游企业（业务合作伙伴）及监管部门进行实时沟通。

3.物流商子系统设计构想

对物流商子系统而言，实现实时可视化监控功能是非常重要的，特别是在运输和仓储过程中。该子系统中，应大量使用RFID技术、GPRS/GIS以及普通或嵌入式传感器，以建立危化品实时监控机制。这个机制由信息采集设备、车辆实时监控终端和远程遥控系统组成，实现对物流过程中危化品的实时状态监测、实时位置追踪、安全预警、远程操控、信息查询等。

（1）物流商子系统架构设计

物流商子系统的逻辑架构设计，如图7。

（2）内部功能模块设计

物流商子系统的内部功能模块，主要是由运输管理系统和仓储管理系统构成，如图8。运输管理系统的主要功能是管理物流业务，发送和接收相关文档及管理车辆团队，如车辆的调度安排和在途的车辆管控。仓库管理系统则类似于制造商子系统中的库存管理系统。但是，物流商多以第三方物流提供商为主，意味着他们的仓库可能存储许多不同制造商的危化品。而不同的危险化学物质可能会相互反应导致事故,为避免这种情况，仓储管理系统应该具备分区管理和分区环境监测的功能。

图6 制造商子系统外部功能模块设计

图7 物流商子系统的逻辑架构设计

图8 物流商子系统内部功能模块设计

图9 物流商子系统外部功能模块设计

图10 销售商子系统的逻辑架构设计

在运输管理系统中，物流供应商可以通过GPRS/GIS获取车辆实时位置信息，一旦偏离路线或者预测将经过人群高密度地区，则启动安全预警提醒司机和管理人员；还可以通过传感器知悉在途危化品的实时温、湿度及压力等状态，以及通过无线网络远程遥控车辆的某些功能，例如检测到危化品温度偏高而司机并未注意，则远程遥控车辆降低空调温度。这些实时信息同样经由该系统将数据标准化后共享至公共服务平台，供客户实时查询或相关政府部门随时监管。

而在仓库管理系统中，除了能像制造商子系统中的库存管理系统一样对储存环境进行监测和预警外，物流供应商还可通过手持或固定的RFID读取器，在仓储过程中不间断地收集来自不同制造商的产品信息，通过无线网络实时传输至物流商子系统并共享至公共服务平台。这将使得制造商和销售商更容易、清晰地追踪自己的产品。

物流商子系统的外部功能模块，如图9同制造商子系统的外部功能模块一致：企业信息发布、外部信息接收和信息查询。物流供应商可通过这些功能模块，及时地了解行业或合作伙伴的信息，收悉政府监管部门的信息，或者发布自己的信息供平台其他使用者搜索和查询，可以简单高效地与供应链的上、下游企业（业务合作伙伴）及监管部门进行实时沟通。

4.销售商子系统设计构想

在危化品供应链下游，有着许多大大小小的销售商。他们是连接危化品和最终消费者的桥梁。但是一般来说，在中国经销商通常会与第三方物流商进行合作而不是拥有自己的仓库。因此，对于危化品状态实时监控的工作可以交给物流供应商，不用重复设计在该子系统中。但是，物联网技术中的嵌入式传感器、RFID标签和EPC代码仍然需要被设计应用，以加强对危化品消费流向的监控、跟踪及追溯。

（1）销售商子系统架构设计

销售商子系统的逻辑架构设计，如图10。

（2）内部功能模块设计

销售商子系统包含两个内部功能模块，即销售管理系统、使用追踪和废弃回收管理系统，如图11。销售管理系统主要用于订单管理、零售管理和日常管理。订单管理的主要功能是在对日常业务和历史需求分析的基础上，制作和发送订单给制造商，并保存历史订单。零售管理主要是初步收集和预处理来自于每一个销售点的销售信息，并传输它们至子系统供日常管理中的分析和统计。日常管理则是通过来自于零售管理和物流商库存水平的信息，来支持订单的制作。当然，如果某些销售公司拥有自己的仓库，那库存管理、环境状态监测和预警的功能，则将额外设计在销售管理系统的日常管理功能中。

使用追踪和废弃回收管理系统主要用于跟踪已销售的危化品，以及管理使用后危化品的追溯、回收工作。跟踪已销售的危化品可保证其在正确的地点被使用于正当的生产或经营活动中，如监测到任何违法、违规使用风险，系统将自动通过平台对管理人员和相关政府部门发出预警。而危化品的安全问题贯穿整个供应链，从原材料到废弃。经销商追溯、回收废弃的危化品将大大减少对环境的影响以及潜在的对周围住民的伤害。

图11 销售商子系统内部功能模块设计

图12 销售商子系统外部功能模块设计

销售商子系统的外部功能模块，如图12。类似于制造商子系统和物流子系统，不过它多了一项功能模块——政府部门的监督。通过前三个功能模块，销售商也能及时地了解行业或合作伙伴的信息，或者发布自己的信息供平台其他使用者搜索和查询，可以简单高效地与供应链的上、下游企业（业务合作伙伴）及监管部门进行实时沟通。但是考虑到销售商在整条危化品供应链上是连接危化品和最终消费者的纽带这个特殊地位，比起供应链上的其他参与者，政府部门应当更加重视对销售商的监督。因此，单独设计的监控功能模块，能让政府部门更为直接地监督危化品的销售活动，更容易对危化品进行跟踪和追溯。

三、结论

物联网技术对提升危化品供应链的安全水平有重大意义。本文抛砖引玉提出了一个在危化品供应链上应用物联网技术的设计构想。在这个设计中，供应链上的各参与方将被集成在一个公共服务平台上。围绕这个平台，三个子系统的设计考虑兼容制造商、物流商和销售商。通过平台和子系统的功能，能够将物联网技术应用于危化品供应链，以提高安全水平和应急响应速度，解决供应链上各方有限的沟通问题。