铁路冷链物流智能化设计探讨

林程志

（华东交通大学 软件学院，江西 南昌 330013)

1 铁路冷链物流现状及存在问题

1.1 现状

近年来，冷链运输从过去以食品为主，扩大到食品、药品、电子元器件等更多品类，冷链运输用途不断拓宽，运输量逐年增大[1]，2014年中国冷链物流市场规模为1 480亿元，到2020年已达到4 850亿元，年均增长率近20%。尤其是2018 年被称为是“冷链政策年”，国务院以及商务部、国家发展和改革委员会、农业农村部、交通运输部、财政部等多部委陆续出台政策，如《关于推动物流高质量发展促进形成强大国内市场的意见》《关于推动农商互联完善农产品供应链的通知》等，从不同层面部署引领冷链物流行业健康发展[2]。铁路冷链运输在长距离、大批量冷链运输领域具备明显优势，为了铁路冷链运输更好地完成商品从厂家到客户的物流配送作业，提高配送效率和质量，设计能够实现对整个冷链物流配送过程进行作业跟踪、信息采集等综合管理的智能信息系统，对铁路冷链运输进行全过程管理和控制，从而实现铁路冷链运输高效可控，提高铁路冷链运输转运效率和客户满意度，提升铁路运输企业效益。

1.2 存在问题

通过深入调研，发现目前铁路冷链物流普遍存在转运效率较低、关键参数无法实时查看等问题。

（1）冷链商品转运过程中信息记录方式的效率较低。在目前铁路冷链运输环节中，冷链商品的转运均使用纸质的出入单据，然后再录入电脑，效率较低且容易出现差错。

（2）客户无法实时查询货物情况。客户对冷链物流过程中冷链商品全程环境的温湿度参数很敏感，担心在运输或存储过程中造成货物品质下降，特别是一些药物(如疫苗等)的冷链运输，对环境要求更高，一旦冷链运输过程出现问题，后果严重。

为了解决上述问题，采用现代信息技术手段设计铁路冷链物流智能信息系统，提出铁路冷链物流智能化架构与关键技术，为充分释放铁路冷链物流的潜力，提升铁路冷链运营安全，提高铁路冷链服务质量和市场竞争力提供支撑[3]。

2 铁路冷链物流智能化设计

2.1 铁路冷链物流智能化需求

针对铁路冷链物流过程中普遍存在的问题，智能化设计的需求如下。

（1）研究冷链物流过程中冷链商品的自动化出入库技术，摒弃传统的纸质出入单据，以满足物流过程中高效、准确的需求。

（2）遍历整个冷链物流过程中冷链商品的流通环节，在各个环节中，冷链商品的温湿度、位置信息都需要被实时记录并存储下来，这些数据是智能化的基础数据源。

（3）智能化设计架构中要考虑能够以友好、简洁的界面向用户展示所托运冷链商品温湿度等敏感参数信息，以满足客户的实时查询需求，从而打消客户对所托运冷链商品关键参数透明度的担忧。

2.2 铁路冷链物流智能化架构

通过铁路冷链物流流程和智能化需求分析，设计铁路冷链物流智能化架构，智能化架构包括数据采集层、传输层、数据存储层和应用层。铁路冷链物流智能化架构如图1所示。托运商品关键参数由数据采集层获取，传输层传到物联网(IOT)云平台中，在IOT云平台中存储数据，应用层融合并展现数据给客户。

（1）数据采集层。该层完成冷链物流智能化所需的数据源，包括冷链物流各环节中的货物信息、温湿度和位置实时数据等。货物信息主要在客户下单装箱、交付、入库或配送完成时，由手持终端或检测门完成采集。货物信息采集时采用的主要技术是射频识别(RFID)技术，RFID技术通过电磁场或交变磁场来实现信息的快速、无接触传递[4]。RFID系统包括读写器和标签，信息存储在标签中，可通过读写器进行读写。温湿度和位置实时数据主要在冷藏集装箱、冷藏仓库、配送时的冷藏货车车厢中进行实时采集。温湿度实时数据采集通过部署在冷藏容器中的温湿度传感器来实现，位置实时数据通过部署在车厢外侧的全球定位系统(GPS)模块来获取。GPS定位方式比较常见的有伪距离定位法、载波相位定位法和多普勒定位法等，应用最多的定位方法是伪距离定位法[5]。

图1 铁路冷链物流智能化架构Fig.1 Intelligent architecture for railway cold chain logistics

（2）传输层。数据采集层采集到的数据，由该层传送到数据存储层进行存储。传输层采用窄带物联网(NB-IOT)技术实现。NB-IOT技术作为低功耗广域网的一种典型技术，非常适合对业务时延不敏感(下行命令的送达可能有1 ~ 6 s的延迟)、数据量收发小的蜂窝网络通信场景，具备广覆盖(由于采用了低频、窄带和重传等技术，与现有网络相比，NB-IOT具有接近20 db的增益[6]，故而穿透能力很强，甚至能覆盖传统无线通信信号无法到达的地下室)，低功耗(借助省电模式和扩展不连续接收模式，如果每天仅发送一次200字节报文到云平台，5号电池续航可达10年之久[7])，大连接(NB-IOT单扇区能支持5万个连接)，低成本(单个NB-IOT模组成本可降至30元以下)等特点。目前NB-IOT的理论上行峰值速率可达62.5 kb/s，下行也达到了21.25 kb/s[8]，NB-IOT技术特别适合铁路冷链物流的应用场景。

（3）数据存储层。数据采集层采集到的冷链货物信息、温湿度和定位实时数据，由传输层传输，存储在数据存储层。该层采用的是中国移动专为NBIOT技 术 开发 的OneNET平 台，NBIOT从监测现场发出来的数据均可存储在OneNET云平台中，可供应用层获取、处理和可视化。

（4）应用层。该层直接面向客户，当客户需要查询所委托冷链商品的温湿度或定位实时信息时，该层完成相关信息的数据融合，把客户感兴趣的信息以友好界面展示出来。

3 铁路冷链物流智能化业务流程 分析

铁路冷链物流智能化业务流程主要包括收单与装箱，铁路冷链运输，到达目的地后的交付、入库及配送等，铁路冷链物流承运方提供可在物流全过程随时查询所托运货物的温湿度与位置信息的移动端程序。业务流程详细阐述如下。

（1）收单与装箱。铁路冷链物流承运方(记为B)收到客户(记为A)的冷链物流服务订单时，B派冷藏集装箱运输车到A处提货，提货时B将A的货物绑定在标准托盘(1 200 mm×1 000 mm)上后再装入冷藏集装箱，每个托盘均在某个侧面固定一张RFID标签。装货时把每个托盘所装货物的名称、数量、重量、客户名称、下单时间和冷藏集装箱身份识别号(ID)等信息通过手持终端存入该托盘对应的RFID标签中，手持终端同时通过NB-IOT模块将这些信息及时发送到IOT云平台中。

（2）铁路冷链运输。B将冷藏集装箱运至铁路货场后，通过列车运送到目的城市。从B装好货开始，冷藏集装箱中的温湿度传感器和定位装置就以一定的频率采集冷藏集装箱中的温湿度和冷藏集装箱自身定位信息，然后通过NB-IOT模块将这些信息发送到IOT云平台中。

（3）交付。列车抵达目的地后，B根据A的订单要求，如果订单要求交付货物到当地非B旗下的冷储仓库，B则将冷藏集装箱运送至客户指定的冷储仓库，客户指定的冷储仓库验收后，用手持终端扫描托盘上的RFID标签，手持终端将相关信息上传到IOT云平台中，同时删除RFID标签中的信息，托盘带回，冷链运输完成。

（4）入库。列车抵达目的地后，B根据A的订单要求，如果订单委托B在目的地城市的冷储仓库存储货品，则B将冷藏集装箱直接运送到B在目的地城市的冷储仓库装卸站台，入库时，叉车将货物连同托盘取下，放置在冷储仓库的运输线上快速入库，运输线的前端设一道RFID读写器检测门，货物和托盘随着运输线通过检测门时，检测门上的读写器可以读出该托盘RFID标签的货物信息，并改写该托盘所入冷藏集装箱ID为所入仓库ID。同时读写器把这些信息传送至IOT云平台中。冷藏货物存储在冷藏仓库时，B冷藏仓库中的温湿度采集装置会以一定频率采集仓库温湿度信息，并传至IOT云平台中，由IOT云平台进行数据融合。

（5）配 送。当B收 到A发来的配货通知时，B根据A的订单，在冷储仓库中安排分拣，重新组合托盘中的货物，等待调度发货的货物装在一批托盘中，更新托盘RFID标签中所装货物的信息，将更新后的信息上传至IOT云平台中。B发货时把调度托盘装入B的配送冷藏货车中，同时B将调度托盘RFID中的相关信息用手持终端扫出，上传到IOT云平台中。B的配送冷藏货车上也装有温湿度传感和定位装置，会通过NB-IOT模块以一定的频率将温湿度和定位信息传到IOT云平台。B的配送冷藏货车到达配送点验收完毕后，B的工作人员用手持终端扫描托盘上的RFID标签，并将相关信息上传到IOT云平台中，同时删除RFID标签中的信息，托盘带回，冷链运输完成。

（6）查询。B提供可在整个冷链运输过程随时查询所托运货物温湿度与位置信息的移动端程序。

铁路冷链物流智能化业务流程如图2所示。

图2 铁路冷链物流智能化业务流程Fig.2 Intelligent business process of railway cold chain logistics

4 铁路冷链物流智能化关键技术

4.1 货物温湿度与位置信息实时监测关键技术

采用GPS+温湿度传感器+NB-IOT技术，实现对托运货物温湿度与位置信息的远程实时监测。监测系统部署在冷藏集装箱、冷储仓库、冷链配送货车上，系统中控制温湿度传感器和GPS模块以一定频率采集冷链货物的温湿度和定位数据，并通过NB-IOT模块将数据发送到IOT云平台。监控系统的硬件采用模块化设计，主要包含主控制模块、温湿度传感器模块、GPS模块、NB-IOT模块和电源模块，各个模块相互独立，除电源模块之外，模块之间采用接口电路进行数据的传输。监测系统软件部分包括嵌入式软件设计和OneNET平台软件设计2部分。嵌入式软件运行在STM32单片机中，由STM32单片机以一定的频率采集温湿度信息、定位经纬度信息，并通过AT指令控制NB-IOT模块，将采集到的数据发送到OneNET平台中。同时开发基于移动端的程序，客户可以通过移动端程序查询冷链运输货物的温湿度和位置信息。温湿度与位置远程实时监控关键技术如图3所示。

图3 温湿度与位置远程实时监控关键技术Fig.3 Key technologies for the remote real-time monitoring of temperature, humidity, and location

为了保障数据在传输、存储和使用过程中的安全，对实时数据进行加密。系统加密算法采用128位高级加密标准(AES)。AES算法是一种典型的对称加密算法，数据采集层获取的数据先进行 AES (128)加密，然后再进行传输、存储与使用。应用层对数据使用时再进行AES (128)解密即可。

4.2 冷链货品高效出入库关键技术

采用RFID+NB-IOT技术，实现冷链货品的高效出入库。在装货时把每个托盘所装货物的名称、数量、重量、客户名称、交付时间和每个托盘所入冷藏集装箱ID等信息通过手持终端存入该托盘对应的RFID标签中，在运输、配送、交付环节中使用手持形式或固定形式(入库时的检测门)的RFID读写设备(集成了RFID读写器功能与NBIOT无线通信功能)来对托盘上货物的信息进行自动高效获取，并通过NB-IOT技术传送到OneNET平台上。冷链货品高效出入库技术如图4所示。

图4 冷链货品高效出入库技术Fig.4 Efficient warehousing technology for cold chain goods

5 结束语

以铁路冷链运输商品实时监测、高效配送为目标，分析铁路冷链物流智能化设计的需求，同时实现了相关功能，能够有效提高冷链货物的转运效率，并让客户可以随时查询商品在铁路冷链运输过程中的温湿度、位置等信息，从而有效保证冷链商品送达的速度和质量。铁路冷链物流智能化将给客户带来更好的体验，对加快传统铁路冷链物流向现代智能铁路冷链物流转型发展，进一步提升冷链物流市场竞争力，具有重要支撑作用。在具体运用过程中，仍然需要根据实际情况不断完善和改进铁路冷链物流智能化设计，使其更加符合客户和运输企业各方面需求，产生更好的社会效益和经济效益。