生鲜电商冷链装配优化：提高物流效率与服务质量的研究

张美娟 杨小丽 吴鑫锟 吴睿儿

摘 要：生鲜电商行业得益于方便快捷的服务特性与电商技术的支持，近年来发展迅猛，市场交易额逐年攀升。但与之矛盾的是，运输冷链商品所需冷链物流装配服务未能达到企业目标，在出库包装上，生鲜企业缺乏科学的模型支持决策，依据经验添置冰袋数目，导致成本高昂。本文研究了生鲜电商食品冷鏈耗材装配优化问题，通过建模求解等过程为冷链运输场景下的食品包装提供优化方案，在满足生鲜流通温度区间的条件下，使包装耗材总成本最小，调和了企业成本与用户满意度之间的矛盾，为企业提供理论依据和实践参考标准。

关键词：生鲜电商；冷链物流；仿真与建模；装配优化；服务质量

本文索引：张美娟，杨小丽，吴鑫锟，等.<变量 2>[J].中国商论，2023（12）：-104.

中图分类号：F724.6 文献标识码：A 文章编号：2096-0298（2023）06（b）--04

随着电子商务行业的兴起，我国生鲜电商市场规模近年迎来了高速发展。电商大数据库显示，生鲜电商行业2022年渗透率预计达10.28%，生鲜电商交易规模预计达5601.4亿元，同比增长20.25%。在生鲜产品全球化、多元化、定制化需求的驱动下，丰富的冷链运输和包装方式随之涌现出来。然而，在如火如荼的繁荣表象之下，生鲜食品的冷链管理发展前路仍困难重重，主要有以下两点：

第一，冷链耗材是生鲜产品包装的必需品，商家为了保证产品品质与服务质量，必须配备足够的干冰、冰袋、保温袋等冷链耗材。

第二，冷链耗材显著增加了运输成本，且冷链食品的装配要求现阶段缺乏行业标准。

这两方面的问题亟须一种既能在理论层面科学可行，又能在企业实际操作运营中调和矛盾的解决方案。

在已有文献中，涉及装配优化的相关研究焦点往往是一般商品；涉及冷链物流的相关研究又较多关注生鲜易腐品，针对冷链耗材包装优化方面的研究较为缺乏。在冷链企业中，装配环节缺乏相应行业标准与理论依据，企业的一线作业员往往根据经验进行决策，非常容易造成耗材浪费或食品腐坏，对企业的成本控制造成阻碍。

综合以上情况，本文对生鲜电商企业的冷链食品包装耗材优化问题展开研究，构建优化模型，分析策略，并得到相应优化决策，以期为企业提供理论依据和实践参考标准。

1 文献综述

1.1 冷链适宜产品及相应温度区间划分

黄艳和章学来（2015）总结出目前冷链适合的产品包括：（1）初级农产品：蔬菜、水果；水产品；肉、禽、蛋；花卉产品。（2）加工食品：禽、肉、水产品等包装熟食；快餐原料； 速冻食品；果蔬饮料，冰激凌和奶制品。（3）特殊商品：药品、试剂、疫苗等。不同产品所需的冷链储运温度不同，对于冷藏产品而言，-10～4℃是最适宜的储运温度，冷冻食品则是-18℃。

陆翔华（2005）对冷链商品适宜运输温度作出更精细的划分，划分出生鲜产品冷链存贮及流通温度带：冷温带（20℃以下、10～0℃）、过冷带（0～-5℃、-10～-18℃）和冻温带（-23～-30℃、-30～-50℃）（见表1）。

1.2 保温箱自身条件、环境温度、冰袋等条件对内装物温度的影响

曾姝莉等（2019）指出：发泡聚苯乙烯泡沫箱在不同环境温度条件下具有保温效果，加入冰袋后，可以有效延长泡沫箱的保温时间。通过试验表明，泡沫箱内尺寸大小、冰袋数量、壁厚、冰袋与农产品质量比都会影响泡沫箱的保温效果。

王益光等（2003）在试验中证明，冰的致冷能力是相对稳定的，也就是说，一定数量的冰熔化时吸收的热量是不变的，但其制冷效果取决于当时外界温度。也就是与当时环境温度的高低关系很大，如果室温很高，就会明显降低冰的制冷效果。

1.3 仿真温度数据测定

Bridget Paulus利用COMSOL传热模块模拟仿真器官在运输过程中的温度变化，使得器官在规定时间内保持适当的温度，以确保器官不遭腐坏。

2 问题描述与模型建立

2.1 研究问题

本文研究生鲜食品在冷链运输中的包装优化问题。研究方式上通过建立数学模型、物理仿真、函数参数拟合、模型求解、实例分析五个研究步骤，在给定订单信息，如待包装的物品信息（包括物品尺寸、物品运输要求温度区间）、包装信息（包括冰袋规格、保温泡沫箱尺寸）、物品配送信息（配送时间）、环境信息（包括环境温度）条件下，求解出满足物品配送过程中所需内置冰袋数量，在规定时间内满足其运输温度区间要求，并实现总成本最小化。

2.2 数学模型建立

本文将冷链食品运输包装优化问题转化为以下模型优化问题。

其中，式（1）表示目标函数，即总成本最小化；式（2）表示温度函数约束，即在运输时内装物温度必须在合理区间内；式（3）限制了冰袋与内装物的体积之和须小于或等于保温箱体积；式（4）限制了泡沫箱必选且仅能选择一种；式（5）为冰袋的整数约束，同时规定了0表示未选择某种泡沫箱，1表示选择某种泡沫箱。

特别地， 表示温度变化函数，与冰袋的数量、环境温度、泡沫箱容积、待包装物品的属性有关。为便于后续拟合，将T函数拆解为两种：令Tmax代表内装物温度最大值函数，Tmin代表温度最小值函数。

3 研究设计及算法

首先，设计仿真实验，并以实验数据对T函数进行多段折线拟合，刻画较为精确的T函数。其次，设计算法，并在Matlab上加以实现。最后，根据实际数据进行实例求解，并对优化结果进行分析与总结。

3.1 物理场仿真

本文采用COMSOL Multiphysics进行物理场仿真实验。由于模型建模参数较为复杂，整体采用了COMSOL的传热模块。

在物理场建立运输物的包装模型。如图1所示，泡沫箱（保温箱）以泡沫为材料，呈长方体，最上方置有箱盖。内装物（食品）置于泡沫箱中央，并于其四周添置蓄冷剂（冰袋）。

在工具栏设定内装物体积、保温箱（泡沫箱）尺寸体积、环境温度、运输时间，为内装物的四周添置一定体积的冰，并进行模拟运输温度计算。全过程结束后，如图2所示。

实验为每个算例在8种不同冰体积下的运输过程进行仿真模拟，相应得到内装物在运输过程中的温度最大值、最小值分别随冰体积波动情况完整数据。

3.2 参数拟合

将每个实例的8组温度数据点描绘在二维平面上，并在origin2023中用多段折线函数分别拟合Tmin关于冰体积的函数和Tmax关于冰体积的函数。

3.3 算法设计

为求解2.2节中的数学模型，并在Matlab软件上实现，在算法设计上利用蒙特卡洛算法，并利用上述拟合出的分段线性函数结果，根据运输中要求保持的温度区间，预测最优的冰袋配给，估算包装和冰袋的最低总价。

输入运输中要求保持的温度区间：、，输出。X是冰袋数目，定义为从1～1000的随机整数，用rand（）函数生成；Xv是冰袋体积，由冰袋数目乘上冰袋体积换算而来（见表2）。

在相应的线性分段区域内，利用相应的分段函数、计算、。如果计算出来的温度在要求的温度 区间内，且比前代的值更小时，更新 ，通过多次迭代搜索得到最少的冰袋数，最后计算出最少的总价。

4 实例

说明：如表3所示，在十组实例中，所有冰袋规格均为

其中，（环境温度（ ））、（运输时间（h））、 （内装物体积（m3））、 （箱子容量（m3））是算法设定的初始参数，根据常见的冷链情况运输设置。

另外 ，和 分别表示模型可以维持内装物的最低温和最高温，可以根据商家需求输入相应的温度区间。是通过算法求解出来的在不同要求下的最优冰袋数目； 是对应的成本（包括不同大小的箱子的费用、所用冰袋的费用）。

比较算例结果可以发现，组别一、组别二计算出的最优冰袋数与后八组数目相差较大。深入分析算例的初始设定条件可知，造成偏差的因素可能与运输的环境温度过高（39℃）、运输时间过长（72h）有关。在实际冷链运输时，温度过高或运输时间过长仍选用以冰袋进行保温需要消耗大量冰袋。针对以上问题，对后续算例初始设定进行以下调整：

首先，设定待运输的物品先在长途运输的过程中始终处于冷藏车或冷链专用运输车的环境温度下，到达仓库后立刻入库进入相应的温度区间下贮藏。然后，在短途运输和小批量但高频的订单配送中采用冰袋保持低温。

经改进后的实例结果可见，后八组的最优冰袋数目明显减少，同时包装内可以通过冰袋维持的温度在降低，基本可以满足生鲜物品的短途运输和适宜温度，具有较宽的可控温度范围。

对比组别六和组别七可发现，两组实例环境温度相同，运输时间基本相等，但由于组别七的内装物体积是组别六的4倍，泡沫箱体积约为组别六的2.5倍，为维持内装物在相近的温度区间内，组别七使用的冰袋数更多。

5 结语

本文针对当下冷链耗材成本与控温之间存在的矛盾，在技术上，首先，构建优化包装方式的数学模型，通过物理仿真实验进行数据收集；其次，拟合出影响温控的关键函數；最后，依托计算机软件计算出具体的包装优化物理仿真模型实例。结果表明，在满足温度要求区间的前提下实现了成本的最小化。本文的研究成果提供了一种实现顾客需求与降低耗材成本的可行路径。

参考文献

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