基于統一建模語言的食品質量追溯系統分析

王新平，劉 萍*

（西安科技大學管理學院，陜西 西安 710054）

基于統一建模語言的食品質量追溯系統分析

王新平，劉 萍*

（西安科技大學管理學院，陜西 西安 710054）

為實現對食品質量信息的追溯與控制，本文在相關研究的基礎上，對食品質量追溯系統進行了需求分析，確定了其功能模塊。采用統一建模語言（unified modeling language，UML），對系統的業務流程、靜態模型和動態模型進行可視化建模，借助用例圖、時序圖和類圖設計了系統模型，并通過活動圖描述了系統內相關業務流程。

食品；質量追溯；統一建模語言；系統分析

近年來，食品安全的可追溯工作越來越受到關注和重視，被認為是管理和控制食品質量安全問題的重要手段。我國作為一個農業大國，農產品生產品種繁多、地域廣泛、生產環節極其復雜，這使得對農產品的生產和監管更加困難和充滿障礙。因此，人們越來越需要借助現代科技，保證農產品在不同形態下、不同物權轉移中、不同管理環節內，做到源頭可追溯、流向可跟蹤、信息可存儲、產品可召回［1-6］，對農產品的安全生產進行全程跟蹤和管理，從而提高生產流程的控制水平，提高產品質量。如何對食品進行有效跟蹤和追溯，建立有效的安全機制，從源頭上保證食品安全是個很有意義的課題。ISO 22000標準理解可追溯性系統規定“組織應建立且實施追溯性系統，以確保能夠識別產品批次及其與原料批次，生產和交付記錄的關系”［7］。食品追溯應與企業質量管理體系相結合，追溯系統首先應該是一個企業的內部質量控制系統。

食品信息可追溯系統作為食品質量安全管理的重要手段，是由歐盟為應對瘋牛病問題于1997年開始逐步建立起來的［8］。我國由于信息化等起步較晚，對食品質量信息追溯體系的研究也晚于西方國家。自2000年來，我國有關機構和科研領域在國家科技計劃以及各省市的資助下，積極開展食品可追溯技術及系統研究，主要集中在畜禽產品、蔬菜、水果、水產品、糧油產品等方面［9］。2004年6月起，由國家條碼推進工程辦公室開展的“蔬菜安全追溯系統研究及應用示范工程”在山東淮坊市壽光田苑蔬菜基地和洛城蔬菜基地實施。2005年昝林森等［10］利用事件驅動的面向對象編程技術研發了牛肉安全生產全過程質量跟蹤與追溯信息系統。之后，彭霞［11］提出了基于射頻識別（radio frequency identification，RFID）技術的海產品供應鏈溯源系統基本架構，在此基礎上，顏波［12］和孫傳恒［13］等從物聯網角度構建了水產品的追溯平臺，設計了分布式水產品追溯系統。2008年，楊信延等［14］結合信息技術，構建了一個以蔬菜安全生產管理為核心的蔬菜質量信息追溯系統。2009年，鄭火國等［15］采用信息編碼、多平臺溯源、硬件研發等技術，建立了多層次、多角色的糧油產品質量安全可追溯系統。結合標準體系，2010年，陳長喜等［16］開發了涵蓋肉雞生產與屠宰加工標準體系，具有第三方認證的肉雞產業技術體系生產監測與產品質量可追溯平臺。2015年，上海市食品藥品監督管理局開始執行《上海市食品安全信息追溯管理辦法》，對糧食及其制品、畜產品及其制品、禽及其產品、蔬菜、水果、水產品等十大類食品實施強制追溯，開啟了我國大范圍農產品和食品強制追溯的先河［17］。鑒于此，雖然我國目前對食品質量信息追溯已取得了一定的研究成果，但研究成果多是針對某一具體類別的產品來進行質量追溯系統的分析與設計，涉及到的多是產品種植或生產的某一個或幾個環節，沒有從食品鏈的角度系統地分析，適用性不強。因此，需要對食品行業可追溯體系進行進一步深入研究，探索出適合食品行業的可追溯系統，使可追蹤體系的實施應用得到規范標準化和普及，降低同行業內其他企業的可追蹤系統建設成本。

食品質量追溯系統旨在對食品質量信息進行追蹤和溯源，其涉及到食品供應鏈上不同環節的質量信息數據的采集和傳遞，需要生產環節、流通環節和銷售環節等不同層次用戶的協作參與，是一個包含多個以信息系統和嵌入式系統為主的子系統的復雜系統。因此，本文采用面向對象技術的標準建模語言（unified modeling language，UML），它支持需求分析、系統分析、系統設計、系統構造和系統測試等各個軟件開發階段，可以從各個角度透視系統，從各個層面描述系統，從而準確地確定系統功能、結構與行為［18］，使系統的分析設計更直觀簡捷。本文結合我國食品安全現狀，在分析國內研究成果的基礎上，根據質量追蹤體系的特點，分析質量追蹤體系的需求，對食品行業質量信息可追溯系統進行了需求分析，對食品生產、流通和最終消費全過程所涉及的要素進行可追溯系統的構建，確定了系統的主要功能模塊，并通過UML建模語言對系統有關模塊建立了用例模型、動態模型和對象模型。

1 食品質量追溯系統需求分析

為滿足對食品質量信息可追蹤性的要求，本系統利用信息技術完成食品信息在供應鏈之間的傳輸和查詢［19］，最終達到對問題食品溯源實物，實現對問題食品的定向召回，從而促進食品質量的提高，增強消費者的安全感。經過分析，本系統需要實現的功能模塊主要有：綜合信息管理、質量監督監管、質量安全監測、記錄查詢打印和系統管理。系統的具體功能框架如圖1所示。

1.1 系統管理

系統管理包括用戶管理、系統說明和關于系統，主要以系統管理為主。系統的用戶以兩種身份進入系統進行操作，分別是系統管理員和一般用戶。其中，一般用戶包括了監管部門用戶、生產企業用戶和流通企業用戶及其他用戶。系統的用戶管理由用戶信息管理、用戶權限管理兩部分組成。用戶以不同身份登錄系統，其相應的權限也將不同。通過對不同用戶的分類管理和權限管理，提高了本系統的安全性，從而防止了無關人員獲取和執行其權限范圍以外的信息和操作。

1.2 綜合信息管理

該模塊包含了對生產單位管理、生產過程管理和追溯標識監管三部分。在系統中，用戶可以根據權限，對相應信息進行增加、修改、刪除和查詢等基本操作。生產過程管理可以對所在轄區內產品的生產批次、生產日期、原料采購、生產信息、采收和檢測的全過程信息進行管理；追溯標識管理包括產品標識的生成、打印和監管。其中，質量信息的獲取由生產企業的生產信息采集、流通企業的產品出入庫信息采集等子功能模塊組成，主要面向生產企業用戶和流通企業用戶。另外，在對質量信息進行查詢時，用戶可以按產品名稱、產品條碼來實時查詢產品的相關信息，或通過類別查詢某一類產品的相關信息，從而方便快捷地獲取所需信息。

1.3 質量監督監管

質量監督監管包括企業信用評價、公眾的查詢和舉報以及在線投訴處理3 個子功能模塊。在該模塊，質量監管部門的用戶可以根據企業日常的質量報表等反映出來的信息對企業的信用等級進行評定，可以對轄區內的名牌企業等進行公布表揚，其他用戶可以查看企業信用等級；還可在線及時處理用戶對食品的投訴信息。通過質量監管部門、企業和用戶的參與對食品企業進行監督，保證食品安全流通。

1.4 質量安全監測

該功能模塊主要包括實時檢測統計、不合格產品召回和檢測綜合查詢。該模塊主要用于監管部門用戶對產品的監測，如發現產品存在安全隱患，即可根據產品追溯標識、名稱等條件查詢對應產品，以召回產品，還可查看已召回產品的詳細信息。

1.5 記錄查詢打印

該模塊主要負責系統中產品質量信息的匯總，繼而將質量信息生成生產日報表、生產周報表和質量統計月報表，形成質量檔案。

1.6 系統管理

系統維護包括用戶密碼修改、用戶權限設置、添加用戶等功能。主要對系統的用戶進行管理，是保證系統用戶有序、系統正常有效運行的基礎。

2 UML概述及應用

UML是目前被人們廣泛使用的一種面向對象的建模語言，它可以幫助用戶對軟件系統進行面向對象的描述和建模，對軟件開發生命周期的各個過程進行描述。無論在計算機領域、軟件行業還是在商業界，UML已經是人們用來對系統進行建模、對系統結構和商業結構進行描述時使用的統一工具［20］。UML為開發人員提供了標準的、易于理解的各種圖形來組建整個結構模型，并將這些模型以及它們之間的關系可視化，使模型能更清楚被用戶所理解，為用戶的使用提供了極大的方便。標準建模語言UML的重要內容可以通過用例視圖、邏輯視圖、實現視圖、進程視圖、部署視圖五類視圖來定義。一般稱作為“4+1”視圖［21］。

UML建模語言采用圖形符號將系統流程分析、系統需求、對象模型化定義到對象設計的整個開發過程完全標準化，以建立一套軟件系統從系統分析、流程設計到整體開發的標準表示方法［22］。UML從不同的抽象角度實現系統的可視化［23］，應用貫穿于系統開發的5 個階段［24-26］。

2.1 需求分析

UML的用例視圖可以表示客戶的需求。通過用例建模，可以對外部的角色以及它們所需要的系統功能建模。角色和用例使用它們之間的關系、通信建模的。每個用例都制定了客戶的需求。

2.2 分析

分析階段主要考慮所要解決的問題，可用UML的邏輯視圖和動態視圖來描述：類圖描述系統的靜態結構，協作圖、狀態圖、序列圖、活動圖和狀態圖描述系統的動態特征。在分析階段，只為問題領域的類建模，小定義軟件系統地解決方案的細節。

2.3 設計

在設計階段，把分析階段的結果擴展成技術解決方案。加入新的類來提供技術基礎結構，如用戶接口、數據庫操作等。分析階段的領域問題類被嵌入在這個技術基礎結構中。設計階段的結果是構造階段的詳細的規格說明。

2.4 構造

在構造或程序設計階段，把設計階段的類別轉換成某種面向對象程序設計語言的代碼。在對UML表示的分析和設計模型進行轉換時，最好要直接把模型轉換成代碼。因為在早期階段，模型是理解系統，是對系統進行結構化的手段。

2.5 測試

對系統的測試通常分為單元測試、集成測試、系統測試和接受測試幾個小同級別。單元測試是對幾個類或一組類的測試，通常由程序員進行；集成測試集成組件和類，確認它們之間是否恰當地協作；系統測試把系統當作一個“黑箱”，驗證系統是否滿足所有的需求。不同的測試小組使用不同的UML作為他們工作的基礎。單元測試使用類圖和類的規格說明，集成測試典型地使用組件圖和協作圖，而系統測試實現用例圖來確認系統的行為符合這些圖中的定義。

3 基于UML的食品質量追溯系統模型

基于食品質量追溯系統的需求分析，本文將通過用例模型、靜態模型、動態模型對系統進行描述、構造和可視化。

3.1 系統用例模型

用例圖用以描述系統的外部特性，它主要從系統用戶的角度來分析描述系統所需的功能和動態行為。因此，用例圖將直接影響用戶對最終系統的滿意程度［26］。

產品質量信息追蹤系統主要包含4 個用例：系統管理員、監管部門用戶、生產企業用戶、流通企業用戶。

3.1.1 系統管理員

由單位指定專人作為系統管理員對系統進行管理維護。系統管理員登錄系統后，主要職責是對系統進行用戶管理及系統維護，其中，用戶管理包括用戶權限設置、用戶信息管理等，系統管理員可以新建管理員、監管部門用戶、生產企業用戶和流通企業用戶，并為其授予相應的權限。

3.1.2 監管部門用戶

監管部門用戶進入系統后，主要負責所轄區域的用戶管理、讀取產品的條碼標簽信息、產品案件管理、生產企業產品出廠信息查詢、流通企業庫存情況查詢等。監管用戶可以對管轄內的企業建立生產類或流通類用戶，并對生產企業、流通企業的用戶信息進行統計、查詢，但不包括數據的增加、刪除、更改操作。

3.1.3 生產/流通企業用戶

在系統中，生產企業與流通企業用戶的操作基本一致。生產企業用戶登錄系統后，主要負責及時更新、添加最新產品出廠信息，并讀取產品的條碼信息，以及對歷史生產產品信息進行查詢。另外，生產企業用戶只能對自己的用戶信息進行修改，對自己企業的產品信息進行增加、刪除、修改、查詢等操作。

流通企業用戶登錄系統后，主要負責添加最新產品出入庫信息，并讀取產品的條碼信息，以及對歷史出入庫產品信息進行查詢。另外，流通企業用戶只能對自己的用戶信息進行修改，對自己企業的產品信息進行增加、刪除、修改、查詢等操作。

基于質量追溯系統的功能及業務流程，在系統中，每類參與者由于類型、等級不同，各類用戶在系統中擔任的角色也不同。系統的用例圖如圖2所示。

3.2 系統靜態模型

在系統分析部分，系統靜態模型主要通過建立概念模型來描述現實世界的類與對象以及它們之間的關系［27］，在UML中，靜態模型主要通過類圖表示。食品質量追溯系統類圖如圖3所示。系統管理員和系統用戶聯系起來。監管部門用戶、流通領域用戶和生產領域用戶是系統用戶的3 種，它們與用戶類之間是泛化關系。生產企業產品信息管理和流通企業產品信息管理都依賴于產品條碼所攜帶的產品基本信息。一個系統管理員可以建立多個用戶，所以管理員和用戶是一對多的關系；一個用戶可以查看多個產品的生產、出入庫信息，并對其進行管理，同樣，某一產品信息可被多個用戶同時管理，因此，產品生產信息管理類和產品出入庫信息管理類與用戶是多對多的關系；管理員和相應用戶可以監管零個或多個產品案件，所以，管理員和用戶與產品監測之間是多對多的關系。

通過類圖分析可知，由這些類構成的系統記錄了與產品相關的信息，實現了產品質量信息的管理，是質量追蹤的依據。一旦有產品發生質量問題，用戶可以依據產品條碼對該產品記錄進行快速、準確的定位，追蹤出產品的流通信息和生產信息，根據產品條碼查詢出產品的基本信息，對問題產品進行定位。

3.3 系統動態模型

系統動態模型包括交互模型和行為模型［20］。交互模型一般包括時序圖和協作圖，行為模型一般指活動圖和狀態圖。本文根據需要，在對系統進行動態建模時，主要采用了時序圖和活動圖來對系統進行分析。

3.3.1 時序圖

時序圖強調按時間順序描述系統各元素之間的消息傳送［27］。時序圖的縱軸從上到下表示時間順序，橫軸從左到右表示有關聯的各個相關對象，關系密切的相關對象安排在相鄰位置。食品質量追溯系統的時序圖主要有5個：1）用戶管理模塊中系統內各類用戶管理的時序圖；2）用戶進入系統的時序圖；3）綜合信息管理的時序圖；4）質量監督監管的時序圖；5）質量安全監測的時序圖。其中，綜合信息管理的時序圖為核心，因此，本文主要以信息采集與查詢的時序圖為例進行說明，具體如圖4所示。

由圖4可知，系統中產品信息的采集主要由系統中的生產企業用戶和流通企業用戶完成。在進行信息采集時，如果是新產品，用戶首先要讀取產品的條碼信息，然后在系統中錄入產品的其他必錄信息，包括生產單位和生產過程信息。監管部門用戶進入系統查看產品信息時，首先要選擇輸入條件，可以是產品條碼、也可以是產品名稱，系統數據庫會根據查詢條件將相應的產品信息返回給監管部門用戶。生產企業、流通企業用戶查詢時，輸入查詢條件，即可獲取并查看企業產品信息。

3.3.2 活動圖

活動圖是UML中一種用來描述系統動態行為的圖，它由一系列的動作組成，主要描述系統各活動之間是如何協同工作的。當一個操作必須以一定的順序完成一系列活動時，就可以采用活動圖來描述相關活動的順序。

在食品質量信息追蹤系統中，有明確活動的有系統管理員、政府監管部門用戶、生產企業用戶、流通企業用戶等，由于生產企業信息是質量追溯的關鍵，因此，本文以生產企業用戶為例建立活動圖，具體如圖5所示。

系統中產品信息的采集主要來自生產企業用戶和流通企業用戶。生產企業用戶主要負責產品的生產出廠信息的采集，而流通企業用戶主要負責產品的出入庫信息的采集。生產企業用戶首先登錄系統，如果為新用戶，則需要系統管理員為其授予相應權限方可進入系統操作。進入系統后，生產/流通企業用戶可以對企業產品和內部用戶進行管理。在實現企業產品管理時，用戶查詢歷史產品信息，如果有新產品，則首先讀取新產品的條碼信息，并將相關信息錄入系統數據庫，更新數據庫。在用戶管理中，生產企業用戶可以對企業內的用戶進行增加、刪除、修改、查詢。

4 結 語

“民以食為天，食以安為先”。食品安全關乎每個人。食品安全問題不僅會損害消費者的權益和健康，還會阻礙食品行業的持續發展，進而影響社會穩定和經濟發展。為應對食品安全問題，有效提升食品質量水平、提振社會消費信心［28］，滿足企業與消費者對食品質量信息的需求，將生產和消費聯系起來，在保證質量的過程中，亟需運用信息化手段，建立食品質量追溯系統，來有效地標識食品生命周期的各個環節，以保持食品的供應鏈信息、保障食品質量。本文結合我國食品安全現狀，在分析國內外對食品質量追溯研究現狀的基礎上，對食品質量追溯系統進行需求分析，確定了該系統的五大基本功能模塊，分別是綜合信息管理、質量監督監管、質量安全監測、記錄查詢打印和系統管理，每個功能模塊下又包括不同的子功能模塊，涵蓋了食品從生產到銷售過程中的各環節，其用戶包括生產部門、企業和公眾消費者。由于食品質量追溯系統的是一個包含多個以信息系統和嵌入式系統為主的子系統的復雜系統，因此本文采用功能強大且適用性強的UML建模語言，介紹了該系統建模中部分主要的用例模型、靜態模型、行為模型和交互模型，通過用例圖、類圖、時序圖和活動圖從靜態和動態兩個方面對系統進行了描述和分析。該食品質量追溯系統從食品鏈的角度系統地分析了為食品質量追溯系統的需求，為保障食品產業質量安全信息的可追溯性提供了保障，具有普適性。同時，提供了食品鏈中食品與來源之間的聯系，確保食品源的清晰，以實現“從農田到餐桌”的質量監控和追溯。

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Food Quality Traceability System Based on Unified Modeling Language

WANG Xinping， LIU Ping*
（School of Management， Xi'an University of Science and Technology， Xi'an 710054， China）

To realize the traceability and control for food quality information based on relevant studies， this paper analyzes the requirements for food quality traceability system， and determined its function module. Using unified modeling language（UML）， the system's business process， static model and dynamic model are visualized. The system model is designed by means of use case diagram， sequence diagram and class diagram； at the same time， the related business processes are described by activity diagram.

food； quality traceability； unified modeling language； system analysis

10.7506/spkx1002-6630-201609045

U415

A

1002-6630（2016）09-0244-06

王新平， 劉萍. 基于統一建模語言的食品質量追溯系統分析［J］. 食品科學， 2016， 37（9）： 244-249. DOI：10.7506/spkx1002-6630-201609045. http：//www.spkx.net.cn

WANG Xinping， LIU Ping. Food quality traceability system based on unified modeling language［J］. Food Science， 2016，37（9）： 244-249. （in Chinese with English abstract） DOI：10.7506/spkx1002-6630-201609045. http：//www.spkx.net.cn

2015-09-05

國家自然科學基金面上項目（70873094）；陜西省高校哲學社會科學重點研究基地規劃項目（14JZ027）

王新平（1970—），男，教授，博士，研究方向為質量管理與系統工程。E-mail：34443679@qq.com

*通信作者：劉萍（1991—），女，碩士研究生，研究方向為質量管理與工程。E-mail：1186453168@qq.com