循环肉类供应链数字孪生的概念框架 20221218

循 环 肉 类 供 应 链 数 字 孪 生 的 概 念 框 架原 作 M. R. Valero, B. J. Hicks, and A. Nassehi翻 译 方 建 勇每 年 有 超 过 9 亿 吨 的 食 物 流 失 ， 几 乎 占 温 室 气 体 排 放 总 量 的 10%。 减少 食 物 浪 费 被 认 为 是 应 对 当 前 气 候 危 机 的 关 键 ， 并 与 联 合 国 的 几 个 可持 续 发 展 目 标 相 联 系 。 这 对 能 源 和 资 源 密 集 型 食 品 （ 如 肉 类 ） 尤 其 重要 ， 预 计 到 2030 年 ， 肉 类 的 消 费 量 将 达 到 历 史 最 高 值 。 虽 然 浪 费 发生 在 供 应 链 的 各 个 阶 段 ， 但 有 关 食 品 从 生 产 到 消 费 者 的 旅 程 的 可 追 溯

数 据 仍 在 很 大 程 度 上 被 隐 藏 或 未 记 录 。 借 助 智 能 食 品 包 装 等 传 感 技 术以 及 大 数 据 和 物 联 网 等 数 字 技 术 的 最 新 进 展 ， 数 字 孪 生 为 监 控 和 控 制整 个 供 应 链 中 的 肉 类 产 品 和 流 程 提 供 了 宝 贵 的 机 会 ， 从 而 减 少 食 品 浪费 ， 并 将 副 产 品 重 新 纳 入 供 应 链 。 本 文 提 出 了 一 个 新 的 数 字 孪 生 框 架 ，该 框 架 整 合 了 肉 类 供 应 链 不 同 领 域 的 关 键 技 术 支 持 因 素 ， 以 实 现 “ 零浪 费 ” 、 循 环 肉 类 供 应 链 的 目 标 。1 引 言

个 人 和 组 织 食 用 的 食 物 是 具 有 减 肥 效 果 的 日 常 选 择 。 食 物 消 费 和 浪 费可 直 接 与 第 二 和 第 三 目 标 挂 钩 ， 间 接 与 第 十 二 个 可 持 续 发 展 目 标（ SDG） 挂 钩 。 据 估 计 ， 大 约 三 分 之 一 的 人 类 消 费 食 品 要 么 丢 失 ， 要么 浪 费 。 食 物 的 浪 费 相 当 于 严 重 的 环 境 破 坏 ， 从 污 染 到 商 品 的 损 失 以

及 制 造 食 物 所 需 的 能 量 。 减 少 粮 食 损 失 和 浪 费 的 环 境 影 响 深 远 ， 影 响到 可 持 续 发 展 目 标 （ 可 持 续 水 管 理 ） 、 可 持 续 发 展 目 标 （ 气 候 变 化 ） 、可 持 续 目 标 （ 海 洋 资 源 ） 、 可 持 续 增 长 目 标 （ 陆 地 生 态 系 统 、 林 业 、生 物 多 样 性 ） 和 许 多 其 他 可 持 续 发 展 目 标 ， 如 零 饥 饿 目 标 （ SDG） ，改 善 营 养 和 可 持 续 农 业 。肉 类 被 认 为 是 安 全 关 键 食 品 ； 这 意 味 着 它 们 易 受 腐 败 和 致 病 微 生 物 的影 响 ， 从 而 影 响 食 品 质 量 和 安 全 。 牛 肉 等 肉 类 生 产 的 碳 密 集 度 是 豆 腐的 30 倍 以 上 ， 绿 色 和 蓝 色 水 的 需 求 量 超 过 大 多 数 其 他 食 物 。 随 着 全

球 肉 类 消 费 量 在 本 世 纪 末 将 增 长 12%， 可 持 续 、 安 全 和 有 效 的 肉 类 生产 将 是 实 现 可 持 续 发 展 目 标 的 关 键 。食 品 储 存 、 包 装 、 运 输 和 销 售 方 面 的 技 术 进 步 有 助 于 提 高 食 品 供 应 链的 安 全 性 和 效 率 。 物 联 网 （ IoT） 、 大 数 据 等 新 兴 数 字 技 术 为 食 品 系 统的 转 型 提 供 了 越 来 越 多 的 机 会 。 在 正 在 开 发 的 各 种 数 字 技 术 中 ， 数 字孪 生 （ DT） 已 经 做 好 了 充 分 的 准 备 ， 可 以 支 持 解 决 食 品 链 中 的 许 多问 题 ， 如 损 失 和 浪 费 ， 提 高 产 量 和 效 率 以 及 全 球 肉 类 消 费 。 此 外 ， 随着 供 应 链 向 以 复 杂 、 相 互 关 联 和 相 互 依 赖 的 关 系 为 特 征 的 “ 价 值 网 ”

移 动 ， DTs 增 强 的 学 习 和 协 作 能 力 对 于 实 现 实 时 供 应 链 优 化 和 弹 性 至关 重 要 。尽 管 DT 技 术 目 前 正 在 进 行 试 验 ， 以 提 高 生 产 率 ， 尤 其 是 大 型 企 业 ，

但 其 应 用 通 常 仅 限 于 供 应 链 的 一 个 或 几 个 领 域 ， 因 此 错 过 了 DT为 “ 零浪 费 ” 循 环 肉 类 供 应 链 提 供 的 更 全 面 的 机 会 和 惠 益 。为 了 解 决 这 一 差 距 ， 本 文 提 出 了 一 个 循 环 肉 类 供 应 链 DT的 概 念 框 架 。本 文 的 组 织 背 景 信 息 与 第 节 中 循 环 肉 类 供 应 链 中 的 关 键 领 域 相 关 。 第3 节 提 出 了 循 环 肉 类 供 应 链 中 可 持 续 肉 类 生 产 的 DT 概 念 框 架 ， 并 对其 主 要 领 域 进 行 了 描 述 。 最 后 一 节 得 出 了 一 些 结 论 和 对 未 来 工 作 的 建议 。

2 背 景循 环 经 济 是 源 于 “ 零 浪 费 ” 理 念 的 生 产 模 式 ， 并 将 这 一 理 念 扩 展 到 减少 过 度 消 费 、 恢 复 和 再 生 生 态 系 统 和 自 然 资 本 。 循 环 经 济 旨 在 最 大 限度 地 利 用 资 源 ； 减 少 所 消 耗 的 材 料 资 源 ， 提 高 所 生 产 的 产 品 的 效 率 ，并 回 收 所 处 理 的 产 品 以 反 馈 到 循 环 中 。与 “ 获 取 -制 造 -处 置 ” 的 线 性 食 品 供 应 链 相 反 ， 循 环 供 应 食 品 供 应 链（ CFSC） 并 不 提 供 固 定 的 资 源 。 ACFC 希 望 减 少 从 生 产 、 储 存 、 运 输

到 最 终 用 户 的 各 个 阶 段 产 生 的 损 失 和 废 物 。 由 于 不 可 避 免 的 浪 费 ， 资源 被 重 新 利 用 以 提 取 能 量 （ 例 如 ， 使 用 厌 氧 消 化 器 ） ， 营 养 物 质 循 环回 到 食 品 生 产 系 统 ， 从 而 关 闭 循 环 。

本 文 确 定 了 圆 形 肉 类 供 应 链 的 8 个 关 键 领 域 ， 如 图 1 所 示 。 这 些 领 域包 括 ： 土 地 管 理 、 动 物 管 理 、 食 品 加 工 、 食 品 和 包 装 、 运 输 、 零 售 、家 庭 和 酒 店 以 及 废 物 管 理 。 土 地 管 理 是 指 涉 及 土 壤 或 植 物 的 任 何 形 式的 畜 牧 业 ， 以 及 牲 畜 的 动 物 管 理 。 食 品 加 工 与 产 品 和 包 装 的 区 别 在 于过 程 管 理 ， 而 不 是 加 工 和 包 装 食 品 的 输 出 。 运 输 包 括 食 品 在 任 何 阶 段的 运 输 。 零 售 涉 及 商 品 的 销 售 。

这 与 家 庭 和 招 待 不 同 ， 后 者 主 要 涉 及 食 品 的 消 费 。 最 后 ， 废 物 管 理 涵盖 了 对 丢 失 和 浪 费 的 食 物 进 行 任 何 形 式 的 回 收 利 用 ， 为 循 环 提 供 资 源 。3 循 环 肉 类 供 应 链 的 数 字 孪 生 概 念 框 架数 字 孪 生 （ DTs） 通 常 被 描 述 为 包 括 物 理 对 象 、 它 们 的 虚 拟 对 等 体 以

及 它 们 之 间 的 数 据 连 接 。 DTs 关 闭 了 数 字 和 物 理 对 象 之 间 的 数 据 反 馈回 路 ， 因 此 数 据 在 物 理 和 数 字 对 象 之 间 双 向 流 动 。 所 有 这 些 DT 特 征和 关 系 都 在 循 环 肉 类 供 应 链 数 字 孪 生 的 概 念 框 架 中 得 到 了 明 确 阐 述（ 图 2） 。如 图 2 所 示 ， 实 物 资 产 和 数 字 资 产 之 间 的 数 据 具 有 双 向 流 动 性 。 在 传感 流 中 ， 物 理 对 象 的 测 量 状 态 数 据 流 向 数 字 领 域 ， 以 构 建 相 应 的 数 字对 象 。 后 者 生 成 与 物 理 领 域 中 的 战 略 、 决 策 和 行 动 相 对 应 的 可 操 作 数据 ， 这 些 数 据 从 数 字 对 象 流 回 到 物 理 对 象 （ 驱 动 ） 。

在 物 理 领 域 中 ， 每 个 区 域 中 的 物 理 对 象 的 实 时 状 态 数 据 通 过 感 测 边 缘设 备 来 收 集 。 无 线 传 感 器 网 络 （ WSN） 中 的 传 感 器 /换 能 器 阵 列 测 量相 关 的 物 理 参 数 ， 这 些 物 理 参 数 被 转 换 为 电 压 或 电 流 。 如 有 必 要 ， 接口 电 路 （ 如 模 数 转 换 器 ） 将 模 拟 电 信 号 转 换 为 数 字 格 式 。 在 每 个 WSN节 点 中 ， 微 控 制 器 （ 微 处 理 器 或 单 板 计 算 机 ） 收 集 数 字 化 传 感 器 数 据并 将 其 发 送 到 收 发 器 。 蓝 牙 、 Wi-Fi、 GPRS 和 NFC 等 无 线 通 信 技 术为 各 种 边 缘 设 备 提 供 了 连 接 能 力 。

网 关 通 常 位 于 连 接 的 设 备 附 近 。 有 时 ， 代 理 服 务 器 可 以 通 过 使 用 MQ遥 测 传 输 （ MQTT） 标 准 或 HTML 或 扩 展 消 息 和 呈 现 协 议 （ XMPP）收 集 和 处 理 数 据 以 将 其 发 送 到 Internet。 如 今 ， Android 智 能 设 备 和 等效 操 作 系 统 的 使 用 日 益 普 及 ， 因 为 它 们 可 以 用 作 3G 和 4G 网 络 的 网关 。鉴 于 在 食 品 /肉 类 供 应 链 的 不 同 领 域 收 集 的 大 量 传 感 器 、 数 据 量 和 数据 种 类 ， 对 于 如 此 庞 大 和 复 杂 的 数 据 集 ， 需 要 大 数 据 类 型 的 解 决 方 案 。虽 然 结 构 化 数 据 （ 如 温 度 、 位 置 等 ） 有 利 于 我 们 的 SQL 数 据 库 （ 如

Oracle、 MySQL 等 ） 用 于 数 据 存 储 ， 但 NoSQL 数 据 库 （ 例 如 MongoDB、Cassandra 等 ） 允 许 包 含 非 结 构 化 数 据 （ 例 如 农 作 物 、 动 物 、 股 票 等的 数 字 照 片 和 视 频 文 件 ） 。

原 始 数 据 可 以 存 储 在 数 据 湖 中 ， 用 于 后 续 的 数 据 挖 掘 。 从 描 述 分 析 开始 ， 对 数 据 进 行 存 储 和 清 理 ， 以 评 估 物 理 对 象 的 状 态 ， 这 将 告 知 相 应数 字 对 象 的 模 型 。 通 过 人 工 智 能 ， 机 器 学 习 从 收 集 到 的 相 关 数 据 中 获取 见 解 ， 可 以 了 解 为 什 么 会 发 生 任 何 特 定 事 件 或 物 理 对 象 状 态 的 变 化 。结 合 历 史 数 据 ， 预 测 分 析 能 够 预 测 未 来 事 件 的 可 能 性 。 使 用 规 定 性 分析 ， 可 以 获 得 关 于 如 何 实 现 特 定 结 果 （ 例 如 ， 最 大 化 产 量 等 ） 的 见 解 。根 据 从 物 理 对 象 收 集 的 实 时 数 据 ， DT 数 字 对 象 基 础 的 主 模 型 被 用 于生 成 关 于 物 理 对 象 （ 驱 动 ） 上 执 行 的 决 策 和 动 作 的 可 操 作 数 据 ， 即 通

过 致 动 器 。 鉴 于 有 限 的 资 源 （ 如 水 、 燃 料 等 ） ， 强 化 学 习 有 助 于 实 现特 定 目 标 （ 如 作 物 产 量 、 动 物 生 长 、 及 时 交 付 仓 库 、 零 售 商 等 ） 的 资源 分 配 。 数 据 仓 库 可 以 用 作 此 过 滤 的 可 操 作 数 据 （ 例 如 ， 数 字 对 象 数据 ） 的 存 储 库 。3.1 适 用 于 循 环 肉 类 供 应 链 的 DT 概 念 框 架图 3 显 示 了 应 用 于 循 环 肉 类 供 应 链 的 拟 议 数 字 孪 生 概 念 框 架 。 通 过 整合 所 有 领 域 、 过 程 、 对 象 和 技 术 ， 可 以 提 高 食 品 供 应 链 的 可 追 溯 性 、

可 控 性 和 安 全 性 ： 从 饲 料 作 物 、 动 物 、 加 工 、 分 配 、 销 售 、 使 用 和 处置 食 品 。 供 应 链 中 的 数 据 和 知 识 是 相 互 关 联 的 （ 图 4） ， 因 此 生 产 、规 划 、 资 源 使 用 和 物 流 都 得 到 了 优 化 ， 以 减 少 浪 费 和 成 本 。

土 地 管 理 。 除 植 物 /作 物 生 长 和 环 境 条 件 （ 太 阳 辐 射 /光 照 水 平 、 温 度 、湿 度 等 ） 外 ， 物 理 对 象 的 状 态 和 属 性 （ 如 土 壤 pH 值 、 水 分 含 量 和 营养 水 平 （ 如 氮 （ N） 、 磷 （ P） 和 钾 （ K） ） 可 在 DT 的 传 感 阶 段 进 行 监测 。 对 于 水 等 稀 缺 资 源 ， DTs 可 以 帮 助 资 源 分 配 （ 如 灌 溉 ） ， 以 满 足特 定 条 件 （ 如 土 壤 湿 度 ） ， 从 而 实 现 产 量 最 大 化 （ 驱 动 ） 。动 物 管 理 。 该 区 域 的 实 物 范 围 从 单 个 动 物 （ 例 如 ， 通 过 GPS/位 置 数据 的 运 动 和 休 息 水 平 以 及 放 牧 模 式 ） 到 环 境 /住 房 条 件 （ 例 如 ， 温 度 、湿 度 、 光 照 水 平 等 ） 。 DTs 可 以 通 过 监 测 、 预 测 和 影 响 动 物 行 为 和 环

境 条 件 （ 感 知 ） ， 深 入 了 解 动 物 健 康 和 福 利 。 结 合 动 物 饲 料 /作 物 数 据 ，DTs 可 以 帮 助 农 民 和 农 场 兽 医 保 持 动 物 健 康 和 生 长 的 最 佳 条 件 （ 驱动 ） 。食 品 加 工 。 DTs 可 以 优 化 将 原 料 转 化 为 最 终 产 品 的 过 程 。 也 就 是 说 ，来 自 切 割 和 装 弹 、 冷 却 、 渲 染 等 过 程 的 关 键 环 境 （ 例 如 ， 温 度 ） 和 操作 条 件 （ 例 如 ， 机 器 叶 片 等 ） 受 到 监 控 （ 传 感 ） 和 控 制 （ 驱 动 ） ， 以提 高 质 量 和 控 制 （ 例 如 ， 避 免 过 度 修 剪 等 ） 。 结 合 相 关 运 营 和 市 场 数据 （ 例 如 ， 原 材 料 可 用 性 、 客 户 需 求 等 ） ， BigData、 AI 驱 动 的 DTs

可 以 通 过 改 进 需 求 和 供 应 预 测 ， 在 运 营 规 划 和 调 度 中 增 加 额 外 的 效 率 。食 品 和 包 装 。 通 过 传 感 和 物 联 网 方 面 的 创 新 ， DTs 可 以 利 用 智 能 包 装

等 技 术 进 步 来 监 测 和 控 制 加 工 /成 品 的 安 全 和 质 量 。 智 能 包 装 配 有 集成 传 感 器 和 智 能 标 签 ， 可 以 测 量 （ 传 感 ） 新 鲜 度 标 记 和 识 别 食 品 中 有害 成 分 的 存 在 。 对 于 Actuation， 智 能 主 动 包 装 在 提 供 增 强 功 能 方 面 显示 出 了 很 有 希 望 的 结 果 ， 当 发 生 损 坏 时 可 以 警 告 用 户 以 保 护 产 品 。 后者 的 实 例 包 括 CO2 释 放 垫 和 抑 制 肉 中 微 生 物 生 长 的 抗 微 生 物 防 腐 剂释 放 剂 ， 以 及 减 少 脂 肪 氧 化 的 抗 氧 化 剂 释 放 剂 。运 输 食 物 从 农 场 到 岔 口 的 路 线 是 复 杂 、 独 特 和 不 可 预 测 的 。 DTs 可 以捕 获 产 品 在 供 应 链 中 的 独 特 历 史 ， 从 而 提 高 可 追 溯 性 和 认 证 。 关 于 传

感 ， 在 车 辆 中 使 用 物 联 网 供 电 传 感 器 进 行 食 品 分 配 和 储 存 有 着 巨 大 的机 会 。 结 合 定 位 （ 如 GPS） 和 智 能 包 装 技 术 ， DTs 可 以 监 测 运 输 和 储存 过 程 中 的 环 境 条 件 和 食 品 质 量 演 变 ， 为 配 送 和 仓 库 运 营 和 规 划 提 供信 息 （ 启 动 ） 。

零 售 零 售 阶 段 食 物 浪 费 的 原 因 通 常 包 括 不 适 当 的 储 存 设 施 和 条 件 （ 例如 ， 冰 箱 /冰 柜 错 误 ） 、 货 架 上 的 控 制 和 质 量 检 查 （ 例 如 ， 产 品 超 过 了“ 最 早 ” 日 期 ） 以 及 不 准 确 的 库 存 预 测 ， 如 库 存 过 多 。 借 助 物 联 网 和智 能 （ er） 包 装 （ 传 感 ） 等 技 术 ， DTs 可 以 为 零 售 部 门 提 供 一 个 宝 贵的 机 会 ， 通 过 提 供 准 确 的 使 用 日 期 来 通 知 库 存 管 理 和 规 划 ， 从 而 减 少浪 费 ， 从 而 对 定 价 （ 例 如 ， 更 低 /更 具 竞 争 力 的 定 价 ） 和 运 营 效 率 （ 激励 ） 产 生 影 响 。家 庭 和 酒 店 。 只 有 在 英 国 ， 家 庭 和 酒 店 业 每 年 产 生 近 760 万 食 物 垃 圾 ，

其 中 75%是 可 以 避 免 的 。 英 国 家 庭 产 生 废 物 的 主 要 原 因 是 没 有 及 时 使用 食 物 ， 450 万 仍 可 食 用 的 食 品 被 丢 弃 ， 相 关 损 失 近 140 亿 英 镑 。 通过 准 确 、 “ 实 时 ” 的 使 用 日 期 ， DTscan 为 消 费 者 和 专 业 人 士 提 供 了 巨大 的 价 值 ， 以 更 好 地 规 划 膳 食 和 库 存 ， 最 终 减 少 家 庭 和 HFSS 食 物 浪费 。废 物 管 理 。 食 物 垃 圾 和 副 产 品 可 以 通 过 多 种 方 式 重 新 整 合 到 供 应 链 中 ，例 如 通 过 重 新 分 配 剩 余 的 食 物 和 转 向 动 物 饲 料 。 也 就 是 说 ， DTs 可 以帮 助 管 理 和 协 调 盈 余 再 分 配 （ 捐 赠 者 和 受 益 人 之 间 ） 和 废 物 再 利 用 （ 例

如 ， 控 制 环 境 条 件 以 将 废 物 转 化 为 堆 肥 ） 。

4 结 论 和 未 来 挑 战 /工 作每 年 ， 食 物 垃 圾 占 温 室 气 体 排 放 总 量 的 10%， 并 产 生 超 过 9 亿 吨 的 残留 物 。 预 计 未 来 十 年 全 球 人 口 将 达 到 90 亿 ， 减 少 食 物 浪 费 对 于 应 对当 前 的 气 候 危 机 和 实 现 联 合 国 可 持 续 发 展 目 标 至 关 重 要 ： 尽 管 浪 费 发生 在 供 应 链 的 各 个 领 域 ， 但 大 多 数 拟 议 的 基 于 技 术 的 解 决 方 案 仍 将 每个 领 域 视 为 筒 仓 。 为 了 克 服 这 一 限 制 ， 本 文 提 出 了 数 字 孪 生 的 第 一 个框 架 ， 该 框 架 整 合 了 “ 零 浪 费 ” 循 环 肉 类 供 应 链 中 所 有 关 键 领 域 的 关键 技 术 支 持 因 素 。 肉 类 是 人 们 特 意 选 择 的 ， 因 为 它 是 能 源 和 资 源 最 密

集 的 食 品 之 一 。 随 着 全 球 需 求 的 不 断 增 长 ， 未 来 十 年 将 达 到 历 史 最 高水 平 ， 在 肉 类 供 应 链 的 所 有 领 域 实 现 效 益 最 大 化 至 关 重 要 。

这 一 框 架 是 食 品 供 应 链 新 概 念 思 维 的 起 点 ， 它 利 用 数 字 孪 生 来 整 合 所有 领 域 、 过 程 、 对 象 和 技 术 ， 以 实 现 可 持 续 的 “ 零 浪 费 ” 食 品 供 应 链 。虽 然 适 用 于 肉 类 行 业 ， 但 拟 议 的 概 念 框 架 是 全 面 和 多 功 能 的 ， 着 眼 于关 键 的 食 品 供 应 链 领 域 ， 可 以 在 相 关 性 和 适 用 性 几 乎 没 有 损 失 的 情 况下 用 于 和 适 应 食 品 行 业 。未 来 的 工 作 将 侧 重 于 该 框 架 的 实 施 ， 生 成 模 拟 模 型 是 在 肉 类 /食 品 供应 链 中 创 建 和 应 用 DT 的 第 一 步 。