基于FTA/FMECA的肉類食品危害溯源方法

呂順意，張小栓,*，張 健，張 虎

(1.中國農業大學信息與電氣工程學院，北京 100083；2.北京信息科技大學經濟管理學院，北京 100192)

基于FTA/FMECA的肉類食品危害溯源方法

呂順意1，張小栓1,*，張 健2，張 虎1

(1.中國農業大學信息與電氣工程學院，北京 100083；2.北京信息科技大學經濟管理學院，北京 100192)

可追溯系統已經成為保證食品安全生產，聯系供應者與消費者的有效手段。目前肉類食品可追溯系統的研究多集中在生產信息的傳輸和系統的硬件實現方面，在生產監控信息的挖掘及產品安全建模方面的研究很少。本文將應用工業中成熟使用的風險分析方法FTA和FMECA引入到食品行業，構建一套確定肉類產品危害發生原因的溯源方法。并以肉牛屠宰企業中大腸菌群超標問題為例進行實證研究。結果表明，該方法在尋找危害原因、保證安全生產和完善生產規范方面效果顯著。

可追溯；FMECA；FTA；德爾菲法；危害原因優先數

近年來中國肉制品行業獲得了高速的發展，肉類產品已經成為對宏觀經濟形勢產生重大影響的戰略性食品。據相關統計資料表明，2008年中國肉制品行業全年產值達到1877億元，同比增長24.51%。21世紀初，我國肉類總產量已高達5600萬t，占當時世界總產量的27%，人均肉類消費量(44.7kg) 超過世界平均水平(43.1kg)，中國已經成為世界最大的肉類產銷市場。因此，我國肉類行業的發展態勢對世界肉類產業和結構及經濟貿易的穩定性舉足輕重。然而，近年來不斷發生的肉類食品安全事件使消費者產生了恐慌心理，不僅降低了公眾對肉類食品安全性和對政府監督管理的信任度，還影響著肉制品行業的良好發展。

歐盟、美國、日本等發達國家先后頒布了相應的食品安全跟蹤條例，對肉類食品從生產到餐桌的全過程進行監控，并要求相關企業必須建立和保存供應鏈全過程記錄。我國也從2000年起出臺了《農產品質量安全法》、《出境水產品追溯規程(試行)》、《畜牧法》等法規。國內外的研究人員對可追溯系統進行了廣泛的研究，其作為一種保證食品質量安全的有效手段已先后被各國企業采納并應用于實踐中。在國外，Moretti等[1]構建了水產品質量安全可追溯系統；Regattieri等[2]利用RFID技術設計了易腐類食品質量可追溯系統總體框架，利用實驗證實了架構可行性與有效性。在國內，陸昌華等[3]從2003年開始從事豬肉產品可追溯系統的研究，

并建立了基于NET架構的豬肉安全生產追溯系統；2006年昝林森等[4]開發了“牛肉安全生產全過程質量跟蹤與追溯信息系統”。但是，現有的可追溯系統研究更多的是側重于信息傳輸完整性和準確性，即如何以安全快捷的方式實現供應鏈可追溯信息傳遞，卻沒有很好的挖掘食品生產過程信息以提高食品安全生產控制與管理，大大限制了可追溯系統作為保證食品質量安全手段的作用。

故障樹分析(FTA)和失效模式、影響與危害度分析(FMECA)是工業中風險分析較為成熟的方法，用于幫助企業在故障診斷早期確定導致軟件失效的模塊，縮小故障定位的范圍。考慮到裝備的故障診斷與食品危害溯源分析都是在尋找原因，具有一定的相似性，Bertolini等[5]首先將FMECA方法引進到食品行業，用來識別系統應用中的關鍵點，提高追溯系統信息傳輸的完整性及準確性。在國內，劉麗欣等[6]也嘗試在肉類安全追溯系統中引入模糊FMECA方法對供應鏈中危害風險進行評估以確定關鍵控制點。這些研究在一定程度上有助于企業改善產品安全生產控制。

基于此，本文嘗試利用改進的FTA/FMECA綜合分析方法分析肉類食品加工中危害發生的原因，并結合生產過程記錄信息和德爾菲法，提出一套基于FTA/ FMECA的肉類食品危害溯源方法，并與可追溯系統集成，實現產品在生產流程中的定位可以幫助企業快速準確的召回產品，最小化企業的損失。

1 基于FTA/FMECA肉類食品危害溯源方法的理論框架

食品危害溯源分析是在已知產品經過的生產過程記錄信息的基礎上，利用這些信息獲得危害產品發生原因的過程。本文首先通過FTA及FMECA方法系統的分析危害發生的所有可能性原因，然后利用德爾菲法獲得危害原因發生可能性的判斷標準，最后通過產品生產記錄信息同判斷標準比較獲得產品危害發生原因的可能性排序。

1.1 FTA/FMECA的對比分析

FTA分析是一種圖形演繹分析法，通過對產品故障的各種因素(包括硬件、軟件、環境、人為因素等)進行分析，表明哪些模塊的故障、外部事件或者它們的組合導致故障發生的邏輯圖。其缺點是缺乏對單一故障原因的全面分析。FMECA是分析產品的每一模塊、組建所有可能產生的故障模式及其對產品造成的可能影響的一種歸納方法。其缺點是針對單模式進行分析，且在反映環境條件對產品的影響方面具有局限性。將兩種分析方法結合起來使用能有效的克服單獨使用邏輯圖或分析表格時的缺陷。

1.2 FTA/FMECA的集成框架

在綜合了FTA、FMECA及德爾菲技術的基礎上，結合食品行業危害發生的特點，本文構建了一套通過挖掘產品生產過程中的衛生監控記錄信息，確定產品危害發生原因的危害溯源模方法，如圖1所示。

圖1 基于FTA/FMECA的產品危害溯源方法Fig.1 Construction of the traceability method for production hazard based on FTA/FMECA

該方法首先通過收集企業常規檢驗危害事件作為頂事件進行FTA分析，得到導致危害發生的邏輯圖；確定危害發生的所有可能原因組合(最小割集)，再從中選擇底事件展開FMECA分析：1)分析危害模式、危害原因、危害影響及危害處理等信息，為后面危害原因等級標準判斷及危害管理提供信息支持；2)利用前面對于危害發生原因的全面分析，通過德爾菲法得到各危害原因污染嚴重度等級劃分標準，再利用問題產品的加工過程衛生監控記錄找出可能危害原因，并通過危害原因優先數方法對危害原因可能性排序。該方法具體步驟如下：

第一步，肉類食品危害事件最小割集求解

食品危害FTA分析的目的是在食品生產加工過程中，通過分析造成食品危害的各種因素(設備、環境、操作、人為因素等)，畫出邏輯關系圖，從而確定食品危害原因的各種可能組合，直觀的反映危害發生的可能路徑及相互關系。

針對于食品微生物污染的特點，本文參照國家軍用標準GJB/Z 768A—1998《故障樹分析指南》對FTA分析方法做以下假設和規定，以適于食品行業的產品危害分析。

假設1 頂事件為已經發生的事件，即危害發生概率為1。

假設2 本文界定危害發生與否的依據是國家標準中的要求和規定。當環境條件和生產操作完全符合國家標準中的規定，認為危害一定不會發生。即危害發生的概率為0。

危害事件最小割集分析的具體過程如下：

1)根據食品行業危害發生的特點對工程用故障樹分析方法進行必要的假設和規定；

2)考慮到按照整個生產鏈進行分析的過程復雜性且每個車間的狀況存在差異性，將整個生產鏈按車間劃分成區段進行分段分析；

3)以國家標準中規定的產品生產必須檢測的有毒有害物質及微生物危害作為頂事件進行FTA分析，畫出邏輯關系圖；

4)根據故障樹中危害原因之間的邏輯關系求取最小割集，找出頂事件發生的所有原因事件及原因事件的組合。

表1 危害模式影響分析表Table 1 Analysis of hazard modes and effects

第二步，肉類食品危害事件影響分析

故障模式影響及危害性分析(FMECA)是分析系統中每一種產品所有可能產生的故障模式及其對系統造成的所有可能影響，并按每一個故障模式的嚴重程度及其發生概率予以分類的一種歸納分析方法。本文參照國家軍用標準GJB/Z 1391—2006《故障模式、影響及危害性分析指南》，以工程用FMECA分析方法為基礎進行適當改造，并加入德爾菲法和定義了危害原因優先數方法，以使FMECA分析方法適用于食品行業的產品危害分析。

對于食品危害FTA分析總結出的底事件(既危害原因)，利用改造的FMEA表(表1)對危害原因進行全面分析，總結出產品危害發生的所有危害模式及其影響，并整理危害的檢測方法、改進補償措施及危害處理等內容，這些內容對改善產品安全生產及危害產品處理提供信息支撐。

第三步，德爾菲法確定危害發生等級判斷標準

通過前面對于食品危害模式進行的分析，得到了所有的危害原因及組合。考慮到目前對于微生物生長預測模型的研究大多考慮單因素影響，而且對于企業中的產品污染存在污染微生物種類多且不固定、微生物初始菌落數無法確定和菌間的相互作用更加復雜等特點。利用專家意見反饋的方法進行微生物污染預測是目前比較合理的手段。德爾菲法是一種采用匿名發表意見的方式以集結專家的共識和搜集各方意見的管理技術。本文應用德爾菲法[7]對食品產品危害原因進行了分析。得到危害原因污染嚴重度等級劃分標準。

1)參照國家軍用標準《故障模式、影響及危害性分析指南》(GJB/Z 1391—2006)，本文定義了危害模式歷史發生概率的等級劃分標準及污染嚴重度的等級劃分標準，見表2、3所示。

2)整理企業產品發生危害的歷史記錄，按照表2中危害模式發生概率的劃分標準，整理所有危害原因及原因組合歷史發生概率的等級。

3)根據表3中對污染嚴重度等級劃分定義，利用德爾斐法給出某具體危害原因的污染嚴重度等級的判斷標準。對于文字描述性危害原因(如屠宰畜體腸道菌群污染)，專家給出污染具體表現的嚴重度劃分標準，質檢員根據污染情況做出嚴重度記錄；對于數據描述性危害原因(如溫度)，質檢員只需做出數據記錄，查閱利用德爾菲法專家給出的污染嚴重度等級劃分表獲得嚴重度等級。

表2 歷史發生概率的等級劃分Table 2 Rating of occurrence probability of historical hazards

表3 污染嚴重度的等級劃分Table 3 Rating of pollution severity

第四步，危害原因優先數方法確定可能危害原因排序

危害原因優先數(HRPN)方法是對產品危害的每個危害原因的HAPN值進行排序，得到危害發生原因的可能性排序。產品危害某個危害原因的HAPN等于該危害原因歷史發生概率等級(OPR)和污染嚴重度等級(PSR)的乘積。

確定某具體危害發生原因的可能排序具體流程如下：

1)查閱每日生產監控記錄，通過記錄的異常信息對所有危害原因及組合進行判斷，得到造成危害發生的可能危害原因及原因組合。

2)查閱通過德爾菲法獲得的等級劃分表，得到可能危害原因及組合的OPR和PSR值，帶入危害原因優先數公式，最終獲得危害發生原因的排序。

2 實證分析

2.1 案例選取及數據來源

以山東省一家生產冷鮮牛肉的企業作為實證分析對象，企業的主要生產車間由屠宰車間、排酸間、分割車間、包裝車間及冷藏庫組成，配備輪轉電動提升機、

剝皮機、開胸鋸、步進輸送機、四分體鋸、切片機、分割輸送機及真空包裝機等設備。

為了減少由于個人的觀點而引起的偏見，專家組由大量的學術界人士、質檢人員及生產經理組成，專家組整理企業近3年的生產記錄信息，通過構建的產品危害溯源模型分析危害模式及危害原因的劃分等級。下面以企業產品加工時易出現的大腸菌群超標問題為例，說明本文構建的產品危害溯源模型在確定產品危害發生原因方面的有效性。

2.2 產品大腸菌群超標最小割集求解

本實例選取肉牛屠宰流程中屠宰加工間(從致昏到加工成二分體的場所)區段大腸菌群超標作為頂事件進行危害分析，根據危害統計資料和專家經驗繪制了圖2所示的邏輯關系圖，邏輯圖略去了微生物生長滿足的必然發生條件。

圖2 屠宰加工間大腸菌群超標FTA分析Fig.2 FTA analysis of the problem of coliform counts in beef cattle slaughtering workshops exceeding the standard

從圖2可以看出，產品加工過程中屠宰加工間大腸菌群超標主要由X1～X8這8個主要危害原因構成。如果初始污染嚴重，即使環境狀況符合安全生產標準，X1、X2、X4、X5和X6也可以直接導致產品表現出大腸菌群超標，如圖2左分支所示情況；而如果初始污染程度較輕，則可能出現因環境狀況適宜菌落生長出現菌群超標現象，如圖2右分支所示。

對于大腸菌群超標的原因及原因組合，根據故障樹的與/或門的性質和割集的定義可方便求出最小割集為：{X1}、{X2}、{X4}、{X5}、{X6}、{X1,X7}、{X2,X7} {X3,X7}、{X4,X7}、{X5,X7}、{X6,X7}、{X1,X8}、{X2, X8}、{X3,X8}、{X4,X8}、{X5,X8}、{X6,X8}。

2.3 產品大腸菌群超標危害模式影響分析

在產品大腸菌群超標危害原因最小割集分析結果的基礎上，通過查閱相關資料，對生產中出現的大腸菌群超標的影響、檢測方法、補償措施及處理方法等進行總結。得到產品大腸菌群超標FMEA分析結果，如表4所示。

由表4可以看出，通過危害模式識別號和危害原因識別號可以唯一標識一種危害發生的原因。危害影響、檢測方法、改進措施及危害處理等內容為危害預防和危害補救方案的提出提供信息支持。

2.4 產品大腸菌群超標可能原因排序確定

最后本文引進德爾菲法及定義危害原因優先數方法對危害原因進行排序：

1)查詢產品發生危害當日的生產記錄。整理當日出現的異常信息記錄。具體步驟如下：

第一步， 檢測到當日屠宰加工間溫度記錄出現15℃(＞12℃)；第二步，屠宰操作規程檢測中發現結扎肛門的塑料袋出現破裂，少量腸道糞便外瀉現象；第三步，劈半鋸表面大腸菌群(發酵法)測定記錄為20個/cm2。通過異常情況信息記錄，得到可能的危害原因或組合為：{X1,X7}。

2)通過表2的劃分標準，查得危害原因{X1,X7}和{X5,X7}的OPR值分別為3和4。

3)表5為利用德爾斐法得到的屠宰加工間溫度在12～16℃畜體腸道菌群污染畜體的污染嚴重度等級劃分標

準。表6為測得加工機械表面大腸菌群為10～30個/cm2時污染嚴重度等級劃分標準。通過查閱表格得到兩種原因組合的PSR值分別為2和3。

表4 屠宰加工間大腸菌群超標FMEA分析Table 4 FMEA analysis of the problem of coliform counts in beef cattle slaughtering workshops exceeding the standard

4)將獲得的危害原因的OPR值及PSR值帶入危害原因優先數公式得{X1,X7}和{X5,X7}的HAPN值分別為6和12，則危害原因組合{X5,X7}為本產品大腸菌群污染的可能性最大。

表5 畜體腸道菌群污染嚴重度等級劃分Table 5 Rating of pollution severity for intestinal flora

表6 屠宰車間大腸菌群污染嚴重度等級劃分標準Table 6 Rating of pollution severity for coliform counts in beef cattle slaughtering workshops

3 結 論

目前，對于肉類食品可追溯系統的研究主要集中在生產信息的傳輸和系統的硬件實現方面，缺乏對產品質量安全建模方面的研究。本文分析了肉牛屠宰企業的產品加工流程，根據肉類食品行業危害發生的特點，將工程用風險分析方法FTA和FMECA引入到食品行業并同德爾菲法相結合，通過挖掘企業的產品衛生監控記錄信息，構建了適用于食品行業危害原因分析的危害溯源模型。該模型能通過挖掘產品監控信息找到危害發生的原因，同時，模型對危害發生原因的系統分析也為危害產品的處理及監控記錄的完善提供了信息支持。在企業中使用模型分析大腸菌群超標的結果表明，這種方法在尋找危害原因、定位責任人、保證安全生產和完善生產規范等方面效果顯著。

但是應用FTA和FMECA所建立的危害溯源模型，涉及的食品生產信息量較大，除了所獲取與積累的專家經驗知識之外，還需要食品加工企業本身已經具備了長期的、完整的、準確的生產監控記錄，以保證危害原因溯源的精度與深度。因此，食品加工企業在首先完善自身生產監控記錄與日志管理的基礎上，通過導入質量安全可追溯系統，集成追溯模型，提高食品質量安全可追溯系統的智能化信息處理能力，進而加強企業食品安全管理水平，從達到最終確保食品質量安全的目的。

[1] MORETTI V M, TURCHINI G M. Traceability issues in fishery and aquaculture products[J]. Veterinary Research Communications, 2003, 27(Suppl1): 497-505.

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An FTA/FMECA-based Traceability Method for Hazard Identification in Meat Foods

LU..Shun-yi1，ZHANG Xiao-shuan1,*，ZHANG Jian2，ZHANG Hu1
(1. College of Information and Electrical Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China；2. School of Economics and Management, Beijing Information Science and Technology University, Beijing 100192, China)

Traceability systems have become an effective method of providing safe food supplies and connecting producers and consumers. In the current period, most studies of traceability systems for meat foods focus on production information transmission and system hardware implementation. However, there have been fewer studies on mining of production information and setting up of product safety models. In this study, FTA and FMECA which have been widely used as two mature risk analysis approaches in combination with Delphi method were introduced into the food industry to set up a traceability method for determining hazard sources in meat foods. Meanwhile, the method was applied to analyze the problem of coliform counts in beef cattle slaughtering workshops exceeding the standard. It was found that the method was effective in finding hazard sources, ensuring production safety and improving production regulations.

traceability；FMECA；FTA；Delphi method；hazard reason priority number

TS207.7

A

1002-6630(2010)17-0115-05

2010-01-07

國家自然科學基金項目(30700481)；中國農業大學基本科研業務費專項(2009-1-103)

呂順意(1984—)，男，碩士，主要從事農業信息化技術方面的研究。E-mail：lsy519519@126.com

*通信作者：張小栓(1978—)，男，副教授，博士，主要從事農業系統工程、農業信息化技術、食品質量安全信息技術研究。E-mail：zhxshuan@cau.edu.cn