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利用情景分析和区间数方法监测和评估基于物联网的电子商务配送中的水果新鲜度
（来源：Ruan, Junhu,Shi, Yan.Monitoring and assessing fruit freshness in IOT-based e-commerce delivery using scenario analysis and interval number approaches[J].Information Sciences: An International Journal,2016,373:557-570.）
摘要：我们关注的是在电子商务交付中对运输途中水果新鲜度的监测和评估。通过比较传统零售业与电子零售业鲜果运输的实现过程，提出了一种基于物联网的水果电子商务配送监控框架。基于该框架的实现操作和监控模块，我们提出了一种基于两阶段情景模型的过境水果新鲜度评价方法。在第一阶段，我们使用一个边做边学的机制来开发一个场景构造方法，以此自动获得最合适的交付环境和每个场景的发生概率。在第二阶段，我们将区间比较技术整合到情景分析方法中，以解决过境水果的新鲜度评估。我们的方法的有效性和优势通过数值模拟得到了验证。
关键词：生鲜电商；物联网；新鲜度评估；情景分析；区间法
- 引言
随着电子商务以及信息技术的发展，零售业经历了一场革命。目前，电子零售在许多领域都比传统零售有优势，比如书籍、音乐、服装和电器。然而，新鲜农产品由于易腐烂和物流成本高等特点，给电子零售业带来了许多挑战，特别是在发展中国家[3,17]。最近，中国政府和电子商务巨头试图打入新鲜农产品电子零售。遇到的困难之一是确定如何监测和控制过境新鲜农产品的新鲜度[12]。如果没有先进信息技术的帮助，这些任务尤其困难[16,20,30]。在一项实证研究中，Shin 和 Eksioglu [32]观察到，无线射频识别设备(RFIDs)的应用大大提高了美国零售供应链的劳动生产率。
在文献中，一些最近的研究将相关信息技术应用于运输生鲜产品的监测和控制，并提出了具体的解决方案。例如，Ruiz-Garcia等人[28]将基于zigbee的无线传感器应用于水果物流监控，分析了传感器的电池寿命，评估了整个系统的可靠性。Abad等[1]提出了一种监控系统，该系统由位于送货卡车上的智能RFID标签子系统和位于送货节点上的商业读取/写入子系统组成，报告了该系统在洲际鲜鱼供应链中的优势。Kang 等[11]提出了一种模拟方法，用于评估基于 RFID 传感器的冷运输系统中优化模型的性能和确定关键参数值，而 Mainetti 等[18]则应用无线射频技术和 EPCglobal 标准来开发新鲜蔬菜产品的可追踪系统。Mejjaoulia 和 Babiceanu [19]提出了一个集成的 RFID 传感器网络系统，以优化易腐产品的运输，表明该系统有助于降低运营成本。Xiao 等[40]认为，传统监测系统需要大量的感官数据，这降低了数据传输的效率；因此，他们将无线传感器网络(WSN)与压缩发送(CS)相结合，开发了冷冻和冷冻水产品的温度监测系统。最后，Trebar 等[37]利用 RFID 传感器监测新鲜鱼类运输过程中发泡胶箱的温度，并提出了一种节省时间和能源的鱼类包装方法。
上述研究通过应用先进的信息技术和为新鲜农产品的运输提供实际支持，对新鲜农产品的监测和控制作出了具体贡献。然而，大多数研究集中在传统的供应链上，很少关注新鲜农产品的电子商务交付。在电子零售中，新鲜产品的交付与传统运输相当不同，这带来了新的挑战[13]。同时，不同种类的新鲜产品在电子实现中具有特定的特征[16]。基于这些观察结果，在这项工作中，我们关注电子商务交付中新鲜水果的监测。
监控系统的目的是在运输途中保持易腐产品的新鲜度。然而，在新鲜水果订单的电子履行过程中，新鲜度的损失可能会在任何时候发生。因此，对这些产品的实时评估是控制其新鲜度的关键。水果订单的电子履行通常涉及多个参与者进行各自的送货服务[25]。这个过程的复杂性和不确定性使得监测和评估中转水果的新鲜度变得困难。情景分析是通过考虑可能的事件及其发生概率来分析复杂不确定性的有效方法[5,8,15]。如上所述，新鲜水果订单的电子实现涉及多个操作链接和服务参与者，创造了一个充满不确定性的过程。运输途中水果的新鲜程度在不同的执行情况下会有所不同。因此，情景分析适用于识别水果订单的不同电子交付情况。
同样，由于不确定性，在文献中使用模糊或区间信息开发模型也越来越流行[14,31,34,35]。水果监测传感器产生的数据，如温度和湿度信息通常是区间值。经典的情景分析不能直接用于处理每个可能的情景中的这些间隔数据。幸运的是，一系列文献解决了区间比较方法[4,45,47]。将区间比较方法整合到经典情景分析中可能为评估不同区间情况下过境水果的新鲜度提供可行的解决方案。
基于以上观察，本文提出了一个基于物联网(IOT)的水果电子商务配送监控框架。我们利用情境分析的方法，在电子订购水果的过程中构建配送情境，以提供配送过程中每个环节的新鲜度评估。同时，基于传感器数据的特点，我们将区间比较整合到基于场景的新鲜度评估方法中。
总而言之，在这项工作中，我们作出了以下贡献：
- 我们比较了传统零售和电子零售中的新鲜水果运输，并提出了一个基于物联网的水果电子商务交付监控框架。详细说明水果电子实施业务以及基于物联网的监测框架中的模块，为制定基于情景的方法评估过境水果新鲜度提供了基础。
- 我们将新鲜度评估情景分为情景构建阶段和新鲜度评估阶段。然后，我们使用一个边做边学的机制来开发一个场景构建方法，该方法可以自动地从实际交付操作中获得每个场景最适合的环境和每个场景的发生概率。
- 我们将区间比较技术整合到情景分析方法中，以评估中转水果的新鲜度。这种综合方法通过比较感应环境与每种情况下最适合的环境的相似性来评估新鲜度。
本文的其余部分组织如下。第二部分提出了一个基于物联网的框架，用于监控水果的电子商务交付，为新鲜度评估的情景分析部分提供了基础。在第三部分中，我们提出了一种基于情景的方法来评估中转水果的新鲜度，这种方法分为情景构建阶段和新鲜度评估阶段。第四部分介绍了实验结果，显示了我们的贡献的有效性和优势。第5部分总结了工作，并为未来的研究提供了建议。
- 基于物联网的水果电子商务交付监控框架
2.1. 水果电子商贸交付
在传统商业中，新鲜水果通常通过多种中介，如批发商、分销商和零售商，销售给最终消费者，如图1所示。在传统的零售渠道中，新鲜水果首先在农场采摘，然后运送到当地的加工中心(LPCs) ，在那里水果被洗涤、冷却、包装等。然后，经过加工的水果通常由批发商购买，批发商要么将水果存放在仓库里，要么直接运输给他们的经销商。在收到水果后，消费区的分销商通常会把水果送到各自的零售商那里。最后，这些零售水果必须放在零售商的货架上，直到消费者进入商店购买。
由于从农民向零售商转移农产品的复杂过程如上所示，零售商往往需要很长时间和高昂的成本才能在货架上储存水果供最终消费者购买。为了保持水果的新鲜度，水果通常是在冷链系统中运输的，尽管很大一部分水果在运输过程中会变质并被扔掉[44]。因此，新鲜水果的零售价格通常相对较高。然而，电子商务正在改变这种状况。
电子商务已经重塑了普通商品零售，正在转向鲜活产品。在水果电子商务中，图1所示的从农场到终端客户的长长的传统供应链经常被大大缩短。一种典型的水果类型的电子零售是“从农场到餐桌”的商业[43]。图2显示了从农场到餐桌的水果电子商务的基本过程(在终端配送中心(EDCs) ，水果从主干运输过渡到最后一英里的运输) : 当水果成熟时，甚至在成熟之前，农场在电子商务平台上发布水果供应信息; 客户通过电子商务平台向农场提交订单; 最后，农场根据收到的订单挑选水果并将其交付给适当的终端客户。
图1 传统水果商业配送
图2 从农场到餐桌的水果电子商务配送
与传统的水果零售相比，图2中描述的从农场到餐桌的水果电子商务具有以下一些具体优势：
- 在线农场可以在采摘之前出售他们的水果。在传统的商业模式中，农场必须采摘他们的水果，并通过多个中间商将其运送到零售商，然后顾客才能从零售商货架上的水果中选择。显然，在电子商务模式下，零售时间要长得多。
- 水果直接从农场运送到最终客户。因此，随着电子商务的引入，水果零售正从“推”模式转变为“拉”模式。在“拉”模式下，水果的流动是有方向的，这通常大大提高了新鲜度，降低了成本。
- 中间环节的数量大大减少。如图2所示，从农场到餐桌的水果电子商务配送一般由七个操作组成——几乎是传统水果商务配送中配送链路数量的一半，如图1所示。这种变化不仅缩短了运输时间，而且降低了成本。
- 由于有针对性的运输和较少的中间商，在水果电子商务中更容易追踪供应链，这有助于解决水果安全问题。
2.2基于物联网的监控框架
基于图2所示的从农场到餐桌的水果电子商务配送过程，我们提出了一个相应的使用 iot 相关技术的监测框架，如图3所示的全球定位系统(GPS)、 RFID 传感器标签、无线传感器网络、移动通信网络(如 GRPS/CDMA)和 Internet。
这个框架由八个主要模块组成。每个模块都有一个特定的角色，并配备了相应的物联网相关技术。(1) Farm 模块。随着先进的信息和控制技术在农场的广泛应用，对智能农业(即精细农业)作出了广泛的贡献。详情请参阅现存著作[6,10,33]。在我们的框架中，农场模块可以使用温度传感器、湿度传感器、光敏传感器、二氧化碳传感器、土壤传感器和照相机等设备收集农场的环境数据。在这个模块中收集的传感器信息被转移到数据处理服务器并存储在服务器中。(2) Vehicle 模块。车辆模块用于物理连接农场，LPC，EDC 和客户模块。车辆配备了冷却和传感子系统。冷却子系统的目标是保持车辆环境在最适合的条件下保持运输中水果的新鲜度。感应子系统是控制车辆环境的先决条件。在我们的框架中，传感子系统是常见的基于 RFID 传感器的系统的一部分[11,19,46]。(3) LPC 模块。在农场采摘后，水果被运送到 lcp。如上所述，新鲜水果的加工包括清洗、冷却和LPC模块中的包装。LPC模块的另一个关键操作是将RFID传感器标记到水果上。RFID 传感器中的信息可能包括原产地、生长条件、加工程序、运输服务提供商、指定的 edc 和最终客户。利用这些信息，水果订单可以顺利地从 LPCs 运送到客户手中。(4) EDC 模块。在这个模块中，水果从不同的 lpc 收集并分发到相应的客户区域。一个具体的 EDC 经常收到来自不同农场的水果订单，一辆具体的运输车辆经常访问多个 EDC，在这些 EDC，水果需要从大型运输卡车转移到中型或小型车辆。在 EDCs，传统的手工分拣通常很费时间。在我们的框架，RFID 阅读器，可以自动识别和分类成批标记的水果，使用在 EDC 模块，以减少所需的时间，传输水果订单在 EDC。(5) Customer模块。目前，有三种主要的接收模式: 送货上门，智能接收，第三方接收[2,9,24,39]。在家庭送货模式中，水果订单直接送达客户。这种模式是目前最常见的模式。在智能接待系统中，水果订单被送到配有冷却系统和消息传递系统的盒子中，顾客一旦将水果订单放入接待盒中，就会收到短信提醒。在第三方接收模式中，水果订单被送到第三方，如社区服务中心和当地零售商店。(6)沟通模块。通信模块由各种子系统组成，如局域网、无线传感器网络、 GPS、移动通信网络和互联网。该模块连接所有相关方，包括农场、运输服务提供商、 lpc、 edc 和客户，几乎所有的信息都通过通信模块传播。(7)服务器模块。服务器模块是信息处理框架的核心。数据由数据处理服务器存储和处理，可以集中或分散[41]。这个模块的关键作用是评估监测水果的新鲜度，并发送及时的操作命令。因此，新鲜度评估的准确性对整体框架非常重要[38]。在下一节中，我们将为这个问题提供具体的解决方案。(8)终端模块。过境水果的所有信息和操作指令应通过各种终端，例如固定终端、便携式终端和移动终端，随时随地可以访问。这些终端可以被农场、运输机、 LPCs、 EDCs 和客户使用。
基于场景的方法来评估中转水果的新鲜度
正如导言中提到的，情景分析是一种预测和评估技术，用于分析可能发生的事件和每个事件的发生概率。这种技术已被广泛用于复杂的决策问题。虽然新鲜水果电子零售比传统水果零售简单得多，但不确定性依然存在，而且新鲜度的丧失会因电子零售过程的运作和环境而有所不同。因此，在这项工作中，我们分析情景评估中转水果的新鲜度，然后开发了一个两阶段的情景评估方法。
3.1 新鲜度评估的情景分析
确定如何表示场景是场景分析的先决条件。正如我们在图 2 中所看到的，水果电子商务交付由在相应环境中实现的多个操作组成，每个操
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