SSH框架下基于遗传算法的冷链物流追踪与溯源系统

王 壮,王 洁

(1.连云港徐圩港口投资集团有限公司，江苏 连云港 222000；2.菲律宾莱西姆大学(八打雁校区) 研究生院，菲律宾 八打雁市 4200;3.盛虹炼化(连云港)有限公司，江苏 连云港 222000)

0 引 言

现代社会中，物流运输对于社会生产和人民生活都具有十分重要的影响。一些生鲜、易腐产品在生产、贮藏运输、销售、消费的各个环节都需要低温环境[1]。因此，冷链物流运输技术得以发展。

2020年初，新冠肺炎疫情迅速蔓延，不仅对我国的医疗卫生管理体系提出了严峻考验，也对社会的生产和人民的生活产生了强烈的冲击。研究表明，新冠病毒在低温与高湿环境下可存在长达1个月的时间[2]，而冷链运输环境具有的低温与高湿特点恰恰满足了病毒生存的需要。因此，在冷链物流运输过程中，为保障产品的安全和质量，应建立从生产供应源头到销售消费终端的透明信息链，实时监控冷链产品质量，并对其运输径迹展开跟踪和监控，严格按照要求做好新冠病毒防控和消毒工作。

文献[3]在了解冷冻生鲜农产品温度、湿度特殊要求的基础上，以ARM与ZigBee网关为核心设计了一种实时追踪系统，结合GPS定位系统将采集到的数据信息传输到ARM处理器中，但该系统的传感信号与实际信号的追踪结果吻合度较低，导致物流信息追踪效果较差。文献[4]设计了基于STM32的冷链物流监测追溯系统，利用RFID技术、北斗技术和传感器技术采集冷链运输车辆的行驶状态，将采集到的信息通过通信技术发送到终端服务器进行保存和分析，但在较长时间的运输追踪中，该系统存在追溯效率低的问题。文献[5]将物联网技术、果蔬保鲜期预测技术、无线射频识别与二维码技术进行了集成化应用，设计了冷链物流感知追踪系统，利用传感、网络、控制及用户层4层结构对冷链运输各环节进行无缝监控。文献[6]借助于区块链具有的去中心化和去信任化的优势设计了冷链物流追踪溯源系统。针对产品订单数据和冷链环境数据分别设计上链系统，并运用物联网设备设计信息认证机制。上述2种系统虽可以实现物流信息跟踪管理，但在整个过程中协调性能较差，各级分工均衡度有待提高。

SSH是Struts+Spring+Hibernate的一个集成框架，可以帮助开发人员在短时间内搭建结构清晰、可复用性强、便于维护的应用程序[7-8]。因此，以提高对冷链物流信息的追踪和溯源能力为目标，本研究在SSH框架中组建系统硬件环境，并利用遗传算法的组合优化能力提取追踪与溯源特征，从而完成对冷链物流追踪方案的设计。

1 追踪与溯源系统设计

本研究以抗干扰能力较强的STM32单片机为核心，单片机的实际工作频率可达到48 MHz，CPU应用程序空间为8 KB。并构建了冷链物流温湿度数据采集模块、定位及无线通信模块、射频识别和显示模块3个部分。其中，在无线通信模块中，利用换能器将采集到的冷链物流信息先变换为电信号，再转变为足够强度的高频电振荡信号，从而有效抵抗了环境因素对追踪溯源过程的干扰，提高了对冷链物流信息的识别能力。

1.1 温湿度数据采集

冷链物流是一项特殊的物流运输工作，其运输对象为在物流过程中对温度有特殊要求的产品[9]。有效地采集产品温湿度数据，可以在冷链物流运输过程中更好保证产品质量。

在系统的温湿度数据采集模块中，温湿度感应器由间隙材料制成，位于同一芯片上的可测湿元件由容性聚合体组成，并将A/D转换器与串口电路实现无缝连接。在冷链物流追踪系统设计中，运用此温湿度感应器既能保证数据的准确性又能对数据进行实时存储。在此基础上，将数字温湿度传感器直接与单片机相连接，在采集生鲜农产品的温湿度数据时，可以有效缩短操作时间，从而提高数据的采集效率。

使用DHT90数字式温湿度传感器能够保证稳定的采集状态和较高的采集精度，其所具有的两线制数字接口可随时在无需标定的条件下精确测量相对温湿度，且具有抗干扰性强、功耗低、响应速度快的优势，从而进一步提高物流信息采集结果的可靠性。

1.2 定位及无线通信

定位及无线通信模块可有效实现对物流信息的追踪[10-11]。本文系统的无线通信过程主要包括发送端、接收端、传输媒质3个部分。发送端中的换能器将被发送的信息变换为电信号，再在发射机中将电信号变为强度足够的高频电振荡，从而有效抵抗环境因素对物流信息传输反馈过程的干扰，而天线可将高频电振荡变成电磁波向传输媒质辐射[12]。

1.3 射频识别和显示

通过射频识别模块与显示模块可实现对数据信息的读写与展示。在利用射频技术识别物流信息的过程中，利用无线射频方式对记录媒体(冷链物流商品的电子标签或射频卡)进行读写，再通过无线通信结合数据访问技术连接数据库，对传感器标签进行实时追踪与监控，显示模块可将由射频识别模块所得到的读写数据信息有效展示。在识别过程中，通过电磁波实现对电子标签的读写与通信，从而实现非接触式的双向通信。同时，可根据物流位置将通信距离分为近场和远场，读/写设备和电子标签之间的数据交换方式也对应地被分为负载调制和反向散射调制[13-14]。

1.4 SSH框架层次设计

SSH是一个集成框架，可实现软件环境的高效集成处理，包含表示层、业务逻辑层、数据持久层和域模块层。

本研究在应用SSH框架后，在表示层中，展示冷链物流信息，首先通过页面实现信息交互，负责冷链物流信息的传送请求和接收响应工作，然后根据配置文件接收到的请求委派给业务逻辑层的控制器；在业务逻辑层中，管理服务组件负责提供业务模型，并利用控制器将服务请求发送给数据持久层处理，实现对冷链物流追踪数据的协作处理，同时也提供控制器处理、缓冲等服务，从而提升冷链物流追踪系统的性能并维护数据的完整性[15-16]；在数据持久层中，对冷链物流追踪信号对象进行映射化处理，通过与产品数据库交互，利用数据访问对象组件处理请求的追踪数据并返回处理结果，层级间的业务逻辑代码处理由域模块层完成，并最终用视图层展示在用户端。

综上所述，采用SSH框架既实现了视图、控制器与模型的彻底分离，也实现了业务逻辑层与持久层的分离。这样无论前端冷链物流信息如何变化，物流追踪的架构层次只需较小的改动就能实现追踪信息的有效传输。此外，物流数据库若发生变化也不会对前端的产品数据产生影响，大大提高了系统的可复用性。

1.5 追踪溯源方案设计

冷链物流追踪与溯源任务要求既能查询到冷链产品的来源，又能记录其运输流转过程。

在计算机领域中，最初的数据溯源主要都是对文档的溯源，数据溯源在数据库领域的定义为数据及其在数据库间运动的起源，溯源信息也被称为数据文档或者标识[17]。现今数据溯源技术普遍存在2个思路：一是通过日志审计方法查询以往日志记录得知数据的来源和流向；二是向数据中嵌入信息或做出标注，通过对嵌入信息或标注的提取来追溯到数据泄露的源头[18-19]。

针对冷链物流数据具有复杂性和变化性[20]，本研究在SSH框架的数据持久层中引入遗传算法。即在选择物流追踪溯源数据关联元组时，使用遗传算法进行水印的嵌入，从而在所选元组中间检查不同的属性组合，找出最佳属性对，达到最大化容量的同时满足最小化失真[21]，从而找到溯源信息的最优解。

遗传算法是一种通过模拟自然进化过程搜索最优解的方法，能够解决数据优化和最优值搜索问题[22]。在确定初始种群并对其编码后，计算种群适应度值。在遗传算法中，适应度值是描述种群中个体性能的重要指标。根据适应度值的大小，对优质个体进行选择。在本研究中，将目标函数直接作为适应度函数，将个体对应的值代入目标函数，所得结果即为适应度值。经过选择算子、杂交算子和变异算子的演化迭代，当种群中个体满足最优状态后，停止迭代，并输出最优属性对，及完成对于物品追踪数据的寻优。

首先确定2个溯源信息的属性对，然后分别计算两者的均值a和差值b，得

(1)

式中：a为均值；b为差值；Vx、Vy为属性对；T为属性参数。然后运用遗传算法，通过遗传、变异、交叉操作得到改变后的属性数值为

(2)

2 实验与结果分析

为验证上述基于SSH框架的冷链物流追踪与溯源系统的实际应用效果，设计如下实验并加以分析。在实验用PC机中装载Windows 10操作系统，设定冷链物流传感器方位角度在0°～90°内变化，运输车辆车厢温度保持在7 ℃左右，干扰信号最高设置为70 dB。

为避免实验结果的单一性，将文献[3]设计的基于ARM9和ZigBee的生鲜农产品冷链物流追踪溯源系统和文献[4]设计的基于STM32的冷链物流追踪溯源系统作为对比方案，从物流信息有效识别次数和溯源成功率2个角度，与本文系统共同完成性能验证。

2.1 有效识别次数验证分析

首先以物流信息有效识别次数为验证指标，检验3种系统的应用性能。有效识别次数能够反映追踪溯源系统对冷链物流标签信息的识别能力，可由Windows 10操作系统后台智能统计。

实验共设计90次识别实验，物流信息有效识别次数越多，证明系统的识别能力越好，可有效实现对冷链物流信息的准确追踪。3种系统的识别结果如图1所示。

图1 不同系统的物流信息有效识别次数对比Fig.1 Comparison of effective identification times of logistics information of different systems

从图1可知，随着待识别标签数的增多，本文系统与文献[3]的有效识别次数在后期均有所减少，而文献[4]的有效识别次数呈现出先增加后减少的趋势。但相比之下，本文系统的有效识别次数更多，最低的有效识别次数也可达到83次。说明本文系统可有效实现对冷链物流信息的准确追踪。

产生上述结果的原因在于本文系统在无线通信模块中，利用换能器将采集到的冷链信息先变换为电信号，再转变为足够强度的高频电振荡信号，有效抵抗了环境因素的干扰。同时，本文系统数据采集模块中的两线制数字接口可随时在无需标定的条件下精确测量环境信息，具有抗干扰性强、功耗低、响应速度的优势，从而提高了对冷链物流信息的识别能力，从而实现了对冷链物流的有效追踪。

2.2 溯源成功率验证分析

以溯源成功率为指标，在不同的无线信道噪声的干扰下，进一步验证不同系统的溯源能力。溯源成功率的计算方式为准确溯源次数与总溯源次数的比值。实验结果如表1所示。

表1 不同系统的溯源成功率对比结果Tab.1 Comparison results of traceability successrate of different systems

从表1可知，随着无线信道噪声的增加，不同系统的溯源成功率有所下降。在5种不同的无线信道噪声下，文献[3]的平均溯源成功率为84.764%，文献[4]的平均溯源成功率为76.964%。相比之下，本文系统的平均溯源成功率更高，可达到94.55%，说明本文系统可实现对冷链物流信息的准确溯源。

产生上述结果的原因在于本文系统在软件环境构建过程中对SSH框架层次进行了设计，实现了溯源任务的层次分离，降低了一些环境干扰因素对架构层次的影响，提高了系统的可复用性。而且由于不同层次之间的耦合度较小，本文系统还应用了遗传算法强大的搜索和优化能力，进一步提高了冷链物流溯源效果。

3 结 语

本文在设计SSH框架的基础上，结合遗传算法实现了对冷链物流信息的追踪与溯源。在该系统的无线通信模块中，利用换能器采集到的冷链信息变换为高频电振荡信号，使其能够抵抗环境因素的干扰。同时，利用SSH框架降低了环境干扰因素对溯源过程的影响，使得本文系统的物流信息有效识别和溯源效果较好。

虽然该系统具有较高的应用性能，但仍存在优化空间。在接下来的研究中，将研究如何更好地将渗透分析技术渗透到追踪溯源系统中，更好地实现系统安全防御，为冷链物流追踪溯源过程提供更加智能化和安全化的监管及后期数据维护。