基于物聯網的豬肉制品追溯系統研究

南　潮　丁志剛　鄭樹泉

1(上海市計算技術研究所　上海 200040)2(上海產業技術研究院　上海 201206)3(上海計算機軟件技術開發中心　上海 201112)4(上海嵌入式系統應用工程技術研究中心　上海 201112)

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基于物聯網的豬肉制品追溯系統研究

南潮1丁志剛2,3,4鄭樹泉2,3,4

1(上海市計算技術研究所上海 200040)2(上海產業技術研究院上海 201206)3(上海計算機軟件技術開發中心上海 201112)4(上海嵌入式系統應用工程技術研究中心上海 201112)

目前國內在肉品溯源方面的側重點是政府主導和企業主體的監管模式，而消費者作為肉品安全的最重要利益相關者并不能很有效地參與其中。針對這種情況，提出方便消費者的肉品溯源方案。方案首先對豬肉食品供應鏈的流程、肉品信息編碼的設計、系統總體架構等展開討論，說明其可行性。然后重點對系統功能進行劃分，并給出相關的數據交換模型、FSM模型。實驗結果表明，消費者通過手機等智能終端掃描二維碼標簽即可得到該肉品的基本信息和追溯碼，憑借該追溯碼消費者還能獲取更加詳細的有關信息，極大地方便了消費者對肉品信息的獲取。

物聯網食品安全肉制品追溯

0　引　言

日前，爆出的上海福喜肉品安全事件嚴重損害了消費者的權益和生命健康，使廣大消費者對食品行業的不信任和恐懼感愈發強烈，也再次將相關企業的擔當和政府公信推到了風口浪尖。近年，在肉類食品安全方面，除了對食品監管體系，即體制、相關法律法規等逐步完善以外, 國內外的肉類食品安全溯源系統的研究與開發工作也一直在開展[1-3]。歐盟要求自2006年起歐盟國家的動物肉制品、飼料以及其他加入飼料或食品的物質等必須具備可追溯性；美國政府采用的豬肉質量保證體系系統以危害分析和關鍵控制點為基礎，以監測關鍵控制點為工作重點，以期對整個豬肉食品供應鏈進行監控[4,5]；國家商務部實施建設的“全國肉類蔬菜流通追溯系統”，謝菊芳設計的工廠化豬肉安全生產溯源數字系統和安全豬肉全程可追溯系統等是我國在建立更加完善的肉類食品安全系統方面所做出的探索[6]。

可追溯模式主要可分為兩大類：“向上一步”-“向下一步”追溯模式和全程可追溯模式，前者是可追溯的最低要求。肉類食品的溯源是指在供應鏈的各個環節(飼養、屠宰加工、配送以及銷售等)中，肉制品及相關信息能夠被追蹤和回溯，使得肉制品的整個飼養經營活動處于有效地監控之中[5]。肉類食品溯源是一種以信息為基礎的先行介入措施，即在肉類食品質量和其安全管理的過程中正確而完整地收集溯源信息，雖然溯源本身并不能提高肉類食品的安全性，但溯源信息能有助于發現問題、查明事故原因，將事故造成的損失大大減小。

總體來講，目前我國在肉品溯源系統方面的側重點是政府主導的食品安全監管模式和以肉品供應鏈企業作為主體的溯源系統研究，消費者作為最重要的利益相關者并未能很好地參與其中。本文提出一種基于物聯網的肉類食品安全溯源系統解決方案，對豬肉制品從飼養、屠宰、配送、銷售等全過程信息進行采集，并分別上傳至中心平臺；平臺對數據進行整合、統計分析，采用預定的編碼方案，生成肉品對應的二維碼；消費者在零售門店購得肉品后，可憑手機等智能終端設備掃描該二維碼獲取其所需溯源信息，溯源平臺也給予消費者便利、友好的查詢途徑，極大地方便消費者對豬肉制品肉供應鏈溯源信息的獲取，使得潛在的肉品不安全因素給消費者帶來的損失進一步降低。

1　需求分析

在目前的豬肉類食品供應鏈中，從“飼養場到餐桌”，需要經過飼養場、屠宰廠、配送中心(批發市場)和零售市場等4個流通節點。如果其中任何一個節點出現問題，就有可能是肉制品處于不安全的狀態，導致事故發生。為了消除其飼養、加工、運輸、銷售等環節可能出現的安全隱患，可以采用兩種方法來實現肉類食品的安全管理：一是從源頭向消費端進行的追蹤，全面掌握整個供應鏈的信息，對采集的數據進行分析處理(大數據)，以實現預警機制；另一種是從消費端往源頭進行追溯，也就是消費者在零售市場購買豬肉制品后發現存在安全問題后，由追溯碼向溯源平臺提交查詢請求，溯源平臺對各個環節進行問題追溯，最終確定問題具體所在，這種方法也可以用于問題產品的召回。

1.1溯源業務流程分析

通過對目前的豬肉類食品供應鏈中進行分析(如圖1所示)，其溯源業務流程大致如下[4-7]：

1) 在飼養環節，包括飼養場基本信息備案、種豬用藥飲水信息登記、豬種飼料信息登記、數據上報至中心數據庫等流程，其中上報信息包括飼養廠基本信息、豬種基本信息、健康狀況信息等；

2) 在屠宰環節，包括進場經營者(貨主、買主)備案、生豬進場登記、屠宰批次登記、宰前及宰后檢疫檢驗登記、交易(出廠)相關信息登記、數據上報至中心數據庫等流程，其中，上報信息包括屠宰廠基本信息、生豬進場信息、檢疫檢驗信息以及肉品交易信息等；

3) 在配送中心(批發市場)環節，包括進場經營者(批發商、零售商)備案、肉品進場登記、肉品檢測登記、肉品交易信息登記、數據上報至中心數據庫等流程，其中，上報信息包括配送中心基本信息、肉品進場信息、肉品檢測信息以及肉品交易信息等；

4) 在零售環節，包括供應商備案、索證(屠宰廠或批發市場交易憑證)驗貨、肉類包裝標簽(附追溯碼)打印以及信息上報至中心數據庫等流程，其中，上報信息包括零售商店基本信息、肉品進場信息和肉品銷售匯總信息等。

圖1　業務流程E-R圖

1.2追溯碼設計

流通節點包括飼養場、屠宰廠、配送中心(批發市場)、零售市場以及超市和產銷對接核心企業等，而流通節點企業本身從事交易活動的，具有流通節點和經營者雙重身份。這里的追溯碼由主體碼、肉類商品碼和交易流水號等三部分共28位十進制數字組成[7,8]。其中主體碼即用于豬肉類食品流通過程中識別主體身份的代碼，其又可以分為經營者主體碼和流通節點主體碼。主體碼由備案地行政區劃代碼和流通節點/經營者備案號兩部分組成，其中行政區劃代碼采用GB/T2260的6位數字碼，備案號即根據流通、經營節點的在主管部門的備案順序號，7位數字組成，如圖2所示。

圖2　主體碼示意圖

本文豬肉商品碼采用GB/T7635.1-2002中關于肉制品的分類代碼，由8為數字組成，部分內容如表1所示[9]。

表1　肉類分類代碼(部分)

交易流水號則是按照交易的時間順序自動生成的一段7位的數字代碼。追溯碼總體結構如圖3所示。

圖3　追溯碼示意圖

2　架構設計

2.1系統架構圖

基于物聯網的豬肉制品追溯系統總體框架結構如圖4所示。通過采集飼養場、屠宰廠、配送中心(批發市場)、零售市場等節點的飼養、生產加工、流通、銷售等數據信息，建立溯源中心數據庫，各個節點采集的源數據信息需與溯源中心數據庫無縫對接，數據提交給溯源系統平臺后，溯源系統平臺由上述的追溯碼生產相應的二維碼[10,11]，消費者購得貼有二維碼的肉類食品后，用手機等智能終端掃描該二維碼，便可獲得相關溯源信息。

圖4　系統架構圖

系統采用主從式數據庫[12]，溯源中心數據庫為主數據庫，豬肉供應鏈上4個主要流通節點數據庫為從數據庫，每個從數據庫實時記錄本節點的信息，上傳到主數據庫，如此既方便了消費者對供應鏈各節點的溯源信息獲取，也便于監管機構對相應企業進行監督。

從豬種由飼養場到消費者購得肉品的流程，稱其為“肉品流”，是肉品從源頭流向消費端的過程，也是溯源信息收集的路徑，途經每一個流程的原始數據經本系統采集之后及時(1小時之內)上傳至溯源中心數據庫，相關源數據信息至少保留2年以上。

消費端發起查詢請求到最終獲取所需溯源信息的流程，稱其為“溯源信息流”，系統平臺從溯源中心數據庫取得源數據，消費者購得肉品后，通過手機等終端與平臺系統進行交互，獲取所需溯源信息。

2.2消費者查詢流程

消費者可以采用手機等具備二維碼掃描功能的智能終端獲取肉品的溯源信息。具體流程如圖5所示，首先啟動攝像頭對準二維碼，在手機等終端成功識別并解碼后，將得到肉品基本信息和對應的追溯碼，若消費者已得到所需信息，即可結束查詢，否則可憑借追溯碼向系統發出查詢請求以獲取更多的追溯信息，系統會校驗消費者提供的追溯碼并在驗證通過后向消費者提供詳細的追溯信息，以滿足消費者對掌握其所購肉品信息的需求。

圖5　消費者查詢流程

3　系統關鍵功能實現

3.1溯源系統功能設計

(1) 基礎數據模塊

本模塊主要由管理員進行操作，即對飼養場、屠宰廠、配送中心(批發市場)以及零售市場采集的數據進行收集、驗證以及存儲等，錄入信息包括寫入到電子標簽的生豬有關信息，和各流通節點主動上傳到溯源中心數據庫的數據。

(2) 信息統計分析模塊

本模塊主采用一些數理統計算法和數據挖掘計算基礎數據模塊采集來的數據進行分析、處理，得到準確又及時的統計結果和有一定廣度、深度的統計分析報告，另外，本模塊為發布公示模塊提供數據源。

(3) 信息查詢模塊

消費者在購買肉類食品后，用手機掃一掃超市、菜場等零售門店提供的二維碼，便可得到該肉品的來源、類別、保質期等一些基本信息和相應的追溯碼，另外如需更加詳細信息，消費者可登錄系統，憑此追溯碼發出查詢指令，溯源系統平臺即將與該肉品相關的詳細信息反饋給消費者。

(4) 信息發布公示模塊

根據信息統計分析模塊產生的結果形成統計報表，并以友好的方式呈現給消費者。同時也會根據消費者提供的意見和建議，將消費者感興趣的信息動態實時地發布出去。

(5) 投訴建議模塊

消費者在購買豬肉制品后，如發現質量問題，可登錄系統進行投訴，管理員會根據消費者填寫的投訴表單，核實情況后，立即做出合理決策，以確保將消費者的損失降至最低。同時也會收集用戶的意見和建議等反饋信息，讓消費者吃上“放心肉”。

(6) 系統管理模塊

本模塊包括管理員管理和注冊用戶管理，管理員分為超級管理員和普通管理員，普通管理員的權限由超級管理員來分配并對其管理，用戶注冊信息的審核和相關權限的設置由管理員完成。

3.2豬肉制品溯源信息交換模型

為了實現溯源中心數據庫與各節點數據庫的溯源信息及時、方便地交換，本文采用獨立于軟件和硬件并具有自我描述性的XML語言描述溯源信息并建立溯源信息交換模型。在豬肉制品供應鏈各個流通節點業務流程的基礎上，將溯源信息按流通節點、節點信息層次關系劃分成樹形結構[13]，圖6所示是溯源信息樹的部分內容。

圖6　溯源信息樹(部分)

“良構”的XML還需要通過DTD、XMLSchema等驗證才能保證其“合法性”，相對于DTD，XMLSchema更完善、功能更強大，本系統采用XMLSchema來定義豬肉制品溯源信息交換數據格式。按照圖6所示的溯源信息結構，定義不同層次的元素、屬性、子元素、子元素次序、子元素數目、元素和屬性默認值和限定值等。頂層的是根元素，為詳細溯源信息，并且擁有追溯碼屬性，該屬性唯一且必須，聲明語句[13]如下：

根元素下面有飼養場、屠宰廠、配送中心、零售市場等4個復雜類型的子元素，即流通節點元素，每個流通節點包含該節點所需上傳的信息構成的子節點元素，依次層層遞推。以肉品交易信息下的肉品信息元素為例，肉品交易信息包含肉品名稱、肉品編碼、肉品重量、肉品單價等4個子元素，聲明片段如下：

…

3.2.3 進樣精密度與重復性 取“2.4.6”項下中間濃度對照品溶液，按“2.2”項下方法進行檢測，連續進樣6次，計算硫酸鹽峰面積的RSD為0.4%（n=6），表明儀器精密度良好。取注射用硫酸核糖霉素適量，按“2.4.3”項下制備供試品溶液，共6份，同法檢測，計算硫酸鹽峰面積的RSD為1.1%（n=6），表明重復性良好。

…

各個流通節點需將采集的數據信息按照以上的XMLSchema定義的文檔結構生成XML數據文檔，XML經網絡傳輸到溯源數據中心后，再按照規則將XML文檔數據轉換，存到溯源中心數據庫。

3.3豬肉制品追溯系統FSM(有限狀態機)模型

溯源系統平臺采用B/S結構，與傳統的基于順序控制流程的應用系統不同，Web應用系統[14]是由用戶提交表單和向服務器發出請求等驅動的，而用戶的某些預料之外的操作可能會打亂之前定義的程序邏輯。本文通過分析用戶查詢溯源信息的流程，給出了肉品溯源系統FSM模型處理消費者請求和服務器響應事件，以更好地響應消費者對溯源信息的查詢請求，同時也為進一步探索肉類食品追溯系統業務邏輯的完備性和用戶行為描述提供理論支持。

豬肉制品追溯系統的運行狀態由查詢消費者的操作行為和服務器的響應狀態改變，本文定義的系統運行狀態和驅動事件如表2所示。

表2　系統狀態/事件描述

M=(K,∑,f,q0,Z)

其中：

K={q0,q1,q2,q3,q4,q5,q6,q7}

∑={i1,i2,i3,i4,i5,i6,i7,i8}

Z={q0}

f由如下狀態轉換方程組定義：

f(q0,i1)=q1;f(q1,i2)=q2;f(q1,i8)=q7;f(q2,i3)=q3

f(q3,i6)=q4;f(q3,i7)=q5;f(q4,i5)=q3;f(q5,i4)=q3

f(q5,i8)=q7;f(q3,i6)=q6;f(q6,i8)=q1

圖7給出了對應的狀態轉換圖,通過該圖對肉品溯源系統的描述，有利于處理好系統規范和設計之間的關系。

圖7　狀態轉換圖

3.4應用實例

本文以無皮鮮或冷卻片大豬肉(肉品商品碼21113014)為例展示實際溯源過程。溯源系統平臺調取生豬飼養、屠宰加工、配送、零售等環節上傳至溯源中心數據庫的溯源數據后，對肉品進行標簽編碼，消費者購得所需肉品后，會得到如圖8(a)所示的二維碼標簽。

消費者利用智能手機等帶二維碼掃描功能的設備掃描該二維碼即可得到如圖8(b)所示的肉品基本信息和追溯碼。憑此追溯碼，消費者可向溯源系統平臺發出查詢詳細溯源信息的請求。系統對溯源碼進行解析后，首先在數據庫中查詢該產品數據存在與否。若無則返回報錯信息，說明該肉品為假冒偽劣產品，消費者可拒絕購買；若存在，系統會根據不同請求提取該追溯碼對應的溯源信息反饋給消費者。

4　結　語

通過對豬肉食品供應鏈的全流程分析，設計了符合豬肉制品行業的追溯碼，并對系統架構展開分析，對系統的功能模塊進行劃分，詳細描述了系統查詢功能，并給出了豬肉制品追溯系統的信息交換模型和FSM模型，以期對系統的完備性提供理論支持。系統突出了消費者在食品安全體系中的主體地位，在智能手機普及的時代，消費者通過手機便能方便實時地獲取肉品的溯源信息，應用前景較好。但如何使得獲取的源信息更加客觀、數據的時效性更好以及各流通節點之間信息溝通更加有效仍然需要進一步的研究和改善。

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STUDYONPORKPRODUCTSSOURCE-TRACINGSYSTEMBASEDONINTERNETOFTHINGS

NanChao1DingZhigang2,3,4ZhengShuquan2,3,4

1(Shanghai Institute of Computing Technology,Shanghai 200040,China)2(Shanghai Industrial Technology Institute,Shanghai 201206,China)3(Shanghai Development Center of Computer Software Technology,Shanghai 201112,China)4(Shanghai Embedded System Engineering Research Center,Shanghai 201112,China)

Atpresent,theemphasisintermsofmeatproductstraceabilityinChinaistheregulatorymodeofgovernmentguidingandenterprisesbeingmainentities,buttheconsumersasthemostimportantstakeholdersofmeatsafetycannoteffectivelyinvolvedin.Inviewofthissituation,weproposedthemeatproducestraceabilityschemetofacilitateconsumers.Inthescheme,theporkproductssupplychainprocess,thedesignofmeatproductsinformationcodesandtheoverallsystemarchitecturearediscussedfirsttoillustratethefeasibilityoftheprogram.Thenwefocusedonthedivisionofsystemfunctions,andpresentedthecorrelateddataexchangemodelandFSMmodelofthesystem.Experimentalresultsshowedthat,consumerscouldimmediatelygetthebasicinformationandtracingcodesofthemeatproductsbyscanningtheirtwo-dimensionalcodelabelswithsmartterminalssuchasmobilephonesandothers,withthetracingcodetheconsumerscouldobtainmoredetailedinformation,whichgreatlyfacilitatedconsumers’acquisitiononmeatinformation.

InternetofthingsFoodsafetyMeatproductTraceability

2014-11-03。上海市科委重大項目(13DZ1512100)。南潮，碩士生，主研領域：物聯網。丁志剛，研究員。鄭樹泉，高工。

TP311

ADOI:10.3969/j.issn.1000-386x.2016.03.021