第二节　文献综述

一　国内外冷链发展研究现状

冷链物流起源于19世纪前期，随着制冷剂和冰箱的使用，冷链业快速发展。20世纪30年代初，欧美发达国家相继建立农产品冷链体系，并在接下来的几十年里逐步完善并广泛应用。在鲜食葡萄冷链运输方面，欧美发达国家已经普遍采用鲜食葡萄采后预冷、分级包装、气调贮藏和冷链运输规范配套处理方式，鲜食葡萄采后商品化处理几乎达到100%，形成完整的鲜食葡萄冷链体系。意大利早在1998年就实现葡萄采摘后95%进入气调保鲜库，并且对不同品种、不同产地的鲜食葡萄进行不同的冷链运输策略。日本在20世纪90年代末，已经在鲜食葡萄冷链上形成了一个比较成熟的市场体系，具有比较完整先进的冷链处理加工技术和配套设施，实现了“产地预冷—冷藏车运输—低温冷柜销售”的冷链流通(张俊巧，2007)。美国和德国等发达国家在运输过程中全部使用冷藏车或者冷藏集装箱，并配以EDI等先进的信息技术，采用铁路、公路、水路等多式联运，建立包括生产、加工、贮藏、运输、销售在内的鲜食葡萄流通冷链，使鲜食葡萄具有极大的冷藏运输率和运输完好率(郑海浪，2004)。卡罗尔(C.Carol，2007)强调有效的温度控制手段是保证冷链运输顺利进行的保证。哈利(F.Hallie，2005)指出冷链运输是冷链物流的重要组成部分，不仅可以保证易腐产品处于合适的环境中，而且还有助于降低企业成本，提高经济效益。

我国冷链运输业起步较晚，在20世纪50年代，由于易腐农产品进出口贸易的需要，冷藏车被用来保证产品的质量，防止腐烂变质，这是我国冷链运输业的开始。20世纪60年代，在我国几个大城市和农产品主要生产地出现一些冷库，保证肉、水产品等易腐产品的供应。1982年颁布的《食品卫生法》推动了我国农产品冷链物流业的发展。到了90年代，在北京、广州、上海等较发达地区的大型连锁超市，逐步形成比较完整的冷链体系。到2008年，我国冷链物流市场规模已达1.35万亿元，并以每年26%的速度增长(卜梅，2011)。尽管近几年我国冷链业逐步发展并完善，并且国家相继出台了一系列促进冷链业发展的政策，如表1－1所示，这些政策的实施为我国冷链运输的发展提供很好的平台，但在实际中，冷链运输工具保有量、冷链运输率等方面与发达国家相比还有很大差距(张建军，2013)。表1－2给出2010—2011年中国与发达国家冷链运输各项指标的对比。

二　农产品冷链监测发展研究

(一)农产品冷链监测技术发展研究

在传统运输过程中，车厢内环境数据的获取只是测量产品到达目的地时冷藏车厢内温度和产品的即时温度，然后手工输入计算机中(孙春华，2013)。图表记录仪的出现能将监测到的历史数据随着时间的推移打印到纸上，但是对于冷链运输过程来说，图表记录仪并不适用，因为监测数据被记录到纸上，数据量较大，无法及时查看、反馈，或者只是在开关门、装卸货时才对温度进行监测，整个运输途中发生的异常情况不能及时得到解决。条码技术通过编码、印刷、光传感等技术，将其所携带的数据利用光电扫描设备进行读取，快速准确地将数据录入电脑中进行处理，具有自动识别、成本低、部署便捷的优点，大大提高物流的效率(李有平，2003)。但是条码容量有限，不能实时采集传输冷链运输过程中冷藏车厢内的环境参数。电子温湿度记录仪能测量温湿度参数，并按照预定的时间间隔将其储存在自带的存储器中，完成监测功能后将其连接到电脑上，可以对记录数据进行分析、下载，监测运输过程中是否有异常情况的发生。但电子温湿度记录仪不能实现实时远程监控，监控中心数据获得具有滞后性。

无线射频技术(RFID)是20世纪40年代发展起来的一种非接触式自动识别技术，由阅读器(Reader)与电子标签(TAG)及应用软件系统三个部分组成(R.Jedermann，2007;赵秋艳，2012)。利用射频信号的空间传输特性，可以实现冷链运输过程监测参数的自动识别并获取相关信息(R.Jedermann，2009)。在国外，E.Abad (2009)开发了应用于食品冷链和追溯系统的RFID智能标签监控系统，可监控温度、相对湿度等指标，并通过水产品的洲际冷链运输进行了系统验证; S.L.Tomas (2008) 将RFID温度标签置于产品包装内，而不是车厢内壁，监测冷链运输产品的温度; J.Moureh (2009)使用RFID温度标签对冷链运输过程菠萝的温度进行监测，并与传统的温度记录仪进行对比，表明RFID温度标签能够更加准确地记录冷链过程的温度，并且能更快地进行数据的读取。在国内，B.Yan (2009)等利用RFID标签和GPS技术实现了冷链运输过程中温度监控和实时定位;王以忠(2008)等针对果蔬冷链运输，提出基于RFID的温湿度记录系统，每隔一段时间记录一次冷藏车厢的温湿度，并写入RFID卡中，能够准确记录果蔬保鲜的温湿度参数;佳颖(2008)通过温度传感器实时采集冷链运输过程的温度数据，并将之传递给RFID标签，确定由温度引发的品质变化的时间。

无线传感网络能够为用户提供实时冷藏车厢内的环境信息，比如温度、湿度、气体浓度等，帮助用户及时发现问题，调整管理策略，真正实现冷链运输的自动化、智能化与网络化(E.D.Soledad，2011)。Kacimi (2009)提出了一种基于WSN的自组织低能耗冷链温度控制系统，该系统采用对等结构并且不需要基站的支持;吕广鹏(2009)等设计了基于网络的血液冷链实时监控系统，该系统融合了WSN和GSM通信技术，可自动采集存储运输和贮存过程中血液温度数据，并能实现四种报警;郭斌(2011)根据果蔬产品冷链配送对环境监控的多测点、多要素和便捷性等方面的要求，构建了车辆运输环境中的无线传感器网络，开发了配套软件，解决了数据采集和实时监测问题。在传感器布局优化方面，R.Jedermann (2009)通过分析冷藏车中局部温度差异，对冷藏车中RFID标签设置数量问题进行优化，保证冷藏车中使用最少的传感器数据得到尽可能准确的温度数据，降低冷链成本;汪庭满等(2011)通过分析温度传感器监测冷藏车内的温度历程，给出冷藏车内温度场分布特征和梯度差异，应用克里金插值法确定了冷藏车内传感器数量。目前，无线传感网络在精细农业，比如精确灌溉、温室控制、动植物生长监测等领域的应用已有相关研究(G.Vellidis，2008;张荣标，2008;何东健，2010)。采用无线传感网络构建冷链运输监控系统，具有部署方便，成本低廉等优势，可以有效实现冷链运输监测的数据采集和传输，是冷链运输数据监测的一个重要发展趋势(F.J.Pierce，2008; C.Nelson，2007; P.Y.Chen，2007)。

时间—温度指示器(Time－Temperature Indicator，TTI)是一种新型的温度智能感知标识，能够通过颜色变化记录与跟踪被监测产品的时间温度变化历程(M.J.Kim，2012; R.Philippe，2004)。TTI近些年发展迅速，在水产品、果蔬、畜禽等领域被广泛应用。在水产品领域: Nga (2011)利用TTI模拟鲜鱼配送链的变温过程，证明TTI在2℃以下能以变色过程模拟新鲜度指标，并且结果可靠，在监视鲜鱼供应链温度历程方面具有潜在的应用价值; Mai (2011)利用化学型TTI监测不同温度环境下鳕鱼的货架期变化，对鳕鱼冷链供应链进行优化; M.Ellouze (2011)验证了微生物型TTI在冷薰鲑鱼品质监测中的有效性。在畜禽领域: H.Vaikousi (2009)研究了微生物型TTI在牛肉和鸡肉气调包装中的应用，指出TTI能够有效保证消费者的餐桌安全; Wendie (2004)利用TTI研究了温度变化对牛奶品质的影响;谷雪莲等(2005)研制了时间温度指示器监测产品经历的温度过程，并在预测牛乳货架期中进行应用。在果蔬领域: E.Bobelyn (2006)利用TTI在恒温和变温两种情况下监测蘑菇类产品的储运过程，指出TTI参数的选取十分重要; M.C.Giannakourou (2003)利用酶型TTI监测豆类和菌类储运、销售过程中的温度历程。

综合上述冷链监测技术的发展，表1－3对不同监测技术进行对比。

(二)农产品冷链监测指标发展研究

随着无线传感网络技术和多传感器集成技术的发展，冷链监测指标逐步多样化。A.Ogasawara (2006)采用RFID温度标签对冷链运输过程温度进行追踪管理，并且根据标签位置、包装情况对温度数据进行区分管理; G.L.Ruiz (2008)采用基于Zigbee的无线传感器网络对水果冷链运输的温湿度指标进行实时监测;张雷(2012)研究发现，冷链运输过程中温度、相对湿度和二氧化硫体积含量等环境参数对葡萄的品质有较大影响，基于模块化思想设计了集成传感器对这三种指标进行监测，满足鲜食葡萄冷链运输监测的要求;张平(2012)以氧气和二氧化碳为监测指标，研究了低温贮运期间巨峰葡萄在塑料薄膜和箱式自发气调过程中的品质和生理变化。周然(2007)研究了运输过程中不同强度的振动对梨的机械损伤及储藏品质的影响，检测和比较了运输过程中卡车前后不同位置的振动情况以及对应位置装载梨的机械损伤情况，证明较强的运输振动不但造成梨严重的机械损伤，还影响运输结束后梨的储藏品质;王广海(2013)设计了液氮充注气调控制系统，采用多种传感器对果蔬运输过程中的保鲜环境成分，包括氧气、二氧化碳、温度、相对湿度等指标进行监测，延长果蔬保鲜周期。

表1－4总结了目前农产品冷链运输过程中常见的监测指标。

(三)农产品冷链数据传输技术发展研究

数据传输是数据采集系统与数据处理系统的中介，是决定整个监测系统能否正常运转的核心环节。基于GSM (Global System for Mobile Communication)的短消息数据传输和在此基础上的基于GPRS的分组数据传输使得冷链物流运输过程中采集的数据能够实现远程监控。邹晓红(2005)基于GSM设计了冷藏车温度监测系统，利用GSM短信业务将冷藏车的温度值实时传送给控制中心，为了保证可靠地数据通信，通过设置通信密码防止广告、系统通知、恶意破坏等无效的短信数据对系统的干扰，使控制中心可以及时掌握冷藏车温控系统的运行状态，对食品的安全运输提供可信的保证;潘迪夫(2005)构建了冷藏车状态监控信息管理与服务系统，车载系统与监控中心间采用GSM短消息业务进行数据传输，证明GSM适合多车辆运营的集中监控;赵长青(2010)基于最新RFID技术，结合GPRS和GSM网络技术，设计开发了食品冷链运输的温度监控与预警系统，能够实现对运输过程中食品温度的实时监控和预警，有效保证冷链食品运输中食品品质;陈超(2012)结合自组织网络、无线网络、蜂窝网络等多种网络技术，设计了一种车载自组织网络，由道路上行驶的车辆节点和路边基础设施组成，能支持车辆间和车辆与路边基站的通信;顾延涛(2012)设计了基于ZigBee和GSM的农产品物流信息采集系统，该系统利用ARM11处理器控制ZigBee无线传输模块和GPS模块接收数据，将采集的数据通过GSM网络传输到数据管理中心，具有高效、稳定和使用方便等特点，实现了嵌入式车载信息的有效采集;韩芝侠(2011)提出一种基于GPRS移动通信与新一代无线网络通信技术的监控系统，设计了系统网络节点的硬件平台，给出了网络协调器和终端节点的软件设计流程。

目前比较常见的通信方式可以分为有线通信网络和无线通信网络。由于冷链运输一般为长距离运输，有线通信网络满足不了冷藏车移动性的需求。无线通信网络采用技术有多种: WiFi技术、蓝牙技术、Zigbee技术、GSM/GPRS技术等，前三种属于短距离无线通信技术，而后者属于远程数据传输技术。

表1－5对常用的几种无线通信数据传输技术指标进行了对比。

三　农产品品质衰变机理和品质变化建模研究

在农产品品质衰变机理方面，李琛(2013)通过实验研究了冷藏车厢环境与葡萄品质的关系，测量不同温湿度及运输条件下葡萄品质的变化规律，包括重量损失率、含糖量变化、硬度变化、维生素C含量变化等，证明冷藏可以大大降低葡萄的呼吸速率，降低新陈代谢速度，保证鲜食葡萄的品质;朱志强(2013)以玫瑰香葡萄为试材，研究了不同保鲜剂结合冰温对玫瑰香葡萄采后贮藏品质及生理的影响，指出保鲜剂结合冰温能有效减少葡萄贮藏期间的失重、脱粒、腐烂，延迟可溶性固形物、可滴定酸、VC含量的下降，较好保持葡萄的外观和口味，并能使葡萄果肉的硬度、弹性、凝聚性、咀嚼性维持在较高的水平。

在农产品品质变化建模方面，T.Tsironi (2009)研究了变温条件下冷冻虾的TVB－N和TMA值，建立了基于Arrhenius方程的货架期预测模型;朱耀强(2012)探讨了鲩鱼片贮藏过程中的品质变化并建立其剩余货架期的预测模型，采用修正的Gompertz模型描述各温度下细菌总数的增长规律，优于一级化学反应动力学模型和Logistic模型。郭全友(2012)探讨不同温度范围内导致产品腐败的原因和开发货架期预测模型，通过对低温和变温贮藏下养殖大黄鱼感官、理化和微生物质量指标及细菌种群的研究，确定上述温度条件下的货架期和特定腐败菌，开发出三种货架期预测模型，并用恒温和变温下的货架期进行验证。依据TTI颜色变化过程建立的动力学模型主要有Yan动力学模型(S.Yan，2006)、Taoukis和Labuza动力学模型(P.Taoukis，1989a)以及Baranyi和Roberts模型(J.Baranyi，1994)。Taoukis和Labuza动力学模型适应范围比较广，能够对各种TTI进行动力学评价(A.Nopwinyuwong，2010) ; Yan动力学模型以及Baranyi和Roberts模型分别适合于酶型和微生物型TTI动力学的评价(M.Ellouze，2010; H.Vaikousi，2009; M.J.Kim，2012)。

四　文献评述

综上所述，国内外学者在鲜食葡萄冷链运输监控方面积累了一定的理论与实践经验。这些研究的发展趋势主要体现在:

(一)监测技术:由人工离线管理发展到智能化在线监测

传统的冷链监测只能获取冷藏车到达目的地后车厢内的温度，不能监测运输过程中车厢内的环境状态。随着无线传感网络的发展，能够实现冷链运输过程数据的实时采集、传输和反馈，形成更加完整的冷链过程监控体系，使冷链运输监测系统向着低能耗、高品控、智能化方向发展，提高追溯的准确性。

(二)监测指标:由单一温度指标监测发展到多指标全面监测

除了对冷链过程温度进行监测之外，湿度、振动、气体浓度等多指标监测使冷链运输监测参数逐渐趋向全面化。将多传感器监测技术与数据融合、数据挖掘、人工智能等技术相结合，处理多传感器采集的海量数据，实现对冷藏车厢环境参数的准确监控和实时预警。目前，尚缺乏针对鲜食葡萄冷链运输监测过程的多传感器数据融合方法研究。

(三)建模方法:从简单数据分析发展到综合系统建模

从简单的实验方法分析运输产品品质变化机理，发展到综合利用人工智能、系统工程等方法建立高效实用的系统模型，不仅能够描述恒温下运输产品的品质衰变过程，还能描述变温下运输产品的质量安全状态，准确快速地预测产品货架期，为农产品质量安全追溯体系的建立提供决策支持。