泛在網在食品安全領域的可行性研究
——以建設泛在食品安全網為例

張 浩

(北京郵電大學，北京 100089)

2019年5月，中共中央、國務院印發的《關于深化改革加強食品安全工作的意見》提出要建立食品安全追溯體系，逐步實現企業信息化追溯體系與政府部門監管平臺對接，互通互享信息；同時，要推進“互聯網+食品”監管，建立基于大數據分析的食品安全信息平臺，推進大數據、云計算、物聯網、人工智能、區塊鏈等技術在食品安全監管領域的應用，實施智慧監管。

當前，針對基于物聯網的食品安全信息平臺的構建已有相關研究，一定程度上緩解了食品安全領域中信息不對稱問題[1]，但由于物聯網數據的中心化，對于信息的真實性、透明性等問題的解決仍有一定局限性。近年來，通過引入區塊鏈技術，對食品溯源進行研究，采用“物聯網+區塊鏈”的方式，使得數據實現分布式存儲，保證了數據透明、真實且不可篡改[2-4]。上述研究有益于當前食品安全治理工作，但具有一定局限性，如京東公司利用區塊鏈技術進行打假、北京溯安鏈科技有限公司利用區塊鏈技術為高端白酒制作防偽智能鎖酒瓶蓋等[5]，通過單一企業或小范圍的引入區塊鏈對于整個食品行業的安全治理工作收效甚微，且成本過高，中小企業難以承擔。

綜合來看，解決食品安全問題最重要的一步是解決信息不對稱，即消費者、企業、監管機構、檢測機構以及新聞媒體等之間的信息不對稱，而目前的研究僅解決了部分信息真實、透明等問題，并未能打通從生產到物流再到銷售全產業鏈的信息互通，文章以此問題為核心，圍繞食品安全現狀中存在的諸多問題，在“物聯網+區塊鏈”的基礎上，引入大數據、云計算、人工智能、5G通信等技術，由政府主導、全員參與，構建泛在食品安全網，通過統一的網絡架構，旨在徹底解決食品安全領域信息不對稱問題。

1 食品安全現狀

黨的十八大以來，中國在體制機制、法律法規、產業規劃以及監督管理等方面采取了一系列重大舉措，食品安全形勢不斷好轉。但是，中國食品安全治理工作仍面臨諸多困難和挑戰，形勢復雜嚴峻。諸如微生物、重金屬對食品的污染，添加劑使用不規范，農藥、獸藥在食物中殘留超標，制假售假以及環境污染對食品安全的影響；違法成本過低，維權成本過高以及法制不夠健全，部分食品生產經營者主體責任意識不強；當前中國食品安全標準與最嚴謹標準要求之間尚存在一定差距，風險監測、評估預警等基礎工作環節薄弱，基層的監管力量和技術手段不能及時更新跟進，部分地方對食品安全的重視不足，安全與發展的矛盾仍然較為突出等[6]。

相比于西方國家，中國食品安全教育起步晚且開展效果不佳，當前所面臨的法律以及教育體系不健全，食品安全相關教育不具備針對性、持續性、時效性和創新性且存在管理滯后等一系列問題[7]。消費者對食品安全常識性知識教育匱乏，食品企業經營者法律知識和道德知識教育匱乏，行業行政管理者專業技術知識和道德知識教育匱乏，媒體工作人員食品安全常識性知識和道德知識教育匱乏[8]，因此，應建立食品安全教育體系，構筑食品安全教育平臺。

2012年至今，一系列食品安全信息化建設規劃相繼出臺，但是從國家層面看，目前的食品安全信息化建設仍然有很大的改善空間[9]，中國仍然缺乏統一、透明的食品安全信息體系。當前大數據、云計算、物聯網、人工智能、區塊鏈、5G通信等技術蓬勃發展，迫切需要落地應用，而針對食品安全領域的應用仍處于起步階段，為此，文章提出建設泛在食品安全網，進一步加強食品安全，確保人們群眾“舌尖上的安全”。

2 泛在食品安全網概念

2.1 泛在網

2.1.1 概述 泛在網是由物聯網進一步發展而來，一般將物聯網的發展分為3個階段，即早期的傳感網階段、當前的物聯網階段和未來的泛在網階段[10]。1991年，施樂實驗室首席技術官Mark Weiser首次提出“泛在計算”概念；其后，日本野村綜研所在此基礎上提出了泛在網絡[11]，而Saha等[12]所闡述的普適計算與泛在網的核心思想一致。具體而言，泛在網即廣泛存在的網絡，以無所不在、無所不包、無所不能為基本特征，以實現任何人、任何物都能在任何時間、任何地點進行信息連接和交互。

2.1.2 泛在網與U-Japan U戰略最早是由日本和韓國提出，隨后被多個國家提到信息化戰略的日程上。以日本的U戰略即U-Japan為例，該計劃由日本于2004年提出，旨在全面建設泛在信息社會，使得任何人可以在任何地點、任何時間都能夠便捷通信，并將信息技術運用到各個領域，用以解決日本面臨的一系列社會問題。該計劃的實施使日本的經濟、社會發生了巨大變化，在醫療、交通、遠程支付、電子政務等領域取得了一系列成就[13]。日本的泛在社會建設為中國的信息發展提供了有益啟示，當下中國正處于5G通信大力建設時期，5G的廣覆蓋、大連接等優勢也將進一步推動中國泛在網絡的建設，促進更多產業實現落地應用。

2.1.3 泛在網與泛在電力物聯網 2019年3月，國家電網對建設泛在電力物聯網作出全面部署安排，計劃到2021年初步建成泛在電力物聯網，到2024年建成泛在電力物聯網，全面實現數據貫通、業務協同、統一物聯管理，進而全面形成共建共治共享的能源互聯網生態圈[14]。泛在電力物聯網通過“大—云—物—移—智”和區塊鏈、邊緣計算等先進技術實現電力各業務的人機交互和萬物互聯[15]，是泛在網在電力領域的一種表現形式和落地應用，也是中國建設泛在社會向前邁出的重要一步。至此，文章基于對泛在網的闡述及U-Japan與泛在電力物聯網建設的啟示，提出建設泛在食品安全網。

2.2 泛在食品安全網

泛在食品安全網對傳統的泛在網進行改進，并融合新技術，是泛在網在食品安全領域的具體表現形式和應用落地。泛在食品安全網通過大數據、云計算、物聯網、人工智能、區塊鏈、5G通信等技術將食品供應鏈上所有成員及其相關設備，監管機構、檢測機構、新聞媒體等連接起來，產生共享數據，對所有成員進行服務，同時，以政府或其下屬監管機構為樞紐，發揮平臺作用，為全行業和更多市場主體提供更多價值服務。

當前，物聯網技術雖在食品安全領域有一定的應用，如利用RFID(即無線射頻識別)、二維碼等標識農產品，實現全過程追溯，消費者通過掃一掃二維碼即可查看該產品在生產流通等各環節的相關信息。此舉雖對加強食品安全治理有一定幫助，但仍存在較多局限性，如缺乏對物流階段的信息記錄，無法實現全產業鏈信息互聯互通，無法確保各個環節信息的真實性等[16]。區塊鏈技術的引入雖能保證信息的真實準確，但并未達到對全產業鏈信息實現數據上鏈。泛在食品安全網的建設將打通食品供應鏈上原料采購、成品生產、批發零售以及物流等各個環節信息互聯互通，消費者、監管機構、檢測機構、新聞媒體及各企業之間等可實現全產業鏈監督。

3 泛在食品安全網設計架構

泛在食品安全網架構形式共分為4層，分別為感知層、網絡層、平臺層和應用層，如圖1所示。

3.1 感知層

感知層是該架構的最底層，主要功能是負責信息采集和信號處理，對整個食品供應鏈上原料采購、生產加工、批發零售、物流等所有環節進行數據采集，并通過邊緣計算(在靠近物或者數據源頭的一側，即網絡邊緣位置，部署通用服務器，提供IT業務環境和云計算能力，其目的是降低時延、節約帶寬、提升數據傳輸效率，進而能夠為用戶帶來更高質量的業務體驗[17])對采集到的數據信息進行初步處理。對于感知層的信息采集過程，采取區塊鏈技術對每一個供應鏈節點的產品都進行數據采集，并實時上鏈，將數據保存到區塊鏈上。區塊鏈上的成員有生產方、加工方、物流方、批發零售商、監管機構、檢測機構、消費者以及新聞媒體等。區塊鏈技術涉及到感知層的信息采集與平臺層的信息存儲環節，其具體實現將在平臺層進一步介紹。

圖1 泛在食品安全網體系架構

此外，當前感知層面臨的最大困難是現場設備終端種類眾多，操作系統不統一。終端提供的數據和信息在到達平臺層前需經網關進行區域信息的整合和邊緣計算處理，如果沒有一個統一的終端設備操作系統，數據的清洗、編碼、解碼等過程都會受到影響。因此，在建設感知層初期就應實現終端標準化統一接入，即操作系統標準化。物聯網操作系統和一般的操作系統不同之處在于需要滿足易開發、輕量級、低功耗，同時具備可移植性、兼容性、快速啟動等特性，支持多傳感協同、多架構處理器、長短距連接，實現全連接覆蓋[18]。

3.2 網絡層

網絡層的作用是通過現有的傳感網、因特網、移動通信網、衛星通信網等基礎網絡設施，對來自感知層的信息進行接入和傳輸。當前限制物聯網進一步發展的最大問題是網絡問題，傳統的網絡無法滿足物聯網信號覆蓋、數據傳輸等方面的需求[19]。由于基礎通信平臺不夠完善，當前4G網絡覆蓋范圍有限且數據傳輸速率不夠快、時延高，而有線通信網絡和WiFi無線網雖可達到較高的傳輸速率，但部署不便，在系統的可伸縮性上不能達到要求，覆蓋范圍存在局限性，較難應用于大規模的物聯網產業，而中國5G(第五代移動通信技術)的快速發展可以解決當前困境。據了解，當前中國5G發展已處于世界領先水平[20]，預計在 2020 年將實現規模商用。5G的基本特征可以簡單概括為“三高兩低”，即高速率、高容量、高可靠性、低時延與低能耗，如表1所示。相較于4G，5G峰值速率不低于20 GB/s，提升1 000倍以上，為海量數據的傳輸提供強有力支撐；5G通信可連接海量設備，每平方公里可支撐100萬個移動終端，為食品物聯提供有力支撐；5G發送一個32 B的第2層協議數據單元成功概率高達 99.999%，對于食品行業繁重的數據采集及頻繁的數據傳輸工作顯得尤為重要；4G時延速率約為50 ms，而5G時延速率可達1 ms，甚至低于1 ms，極大提高了終端設備的及時響應能力；5G較低的能耗使得傳感器和通信設備無需經常進行充電或更換電池[21]，尤其針對食品行業需要持續大量進行數據采集的工作顯得尤為方便。綜上，網絡層采用以5G通信為基礎的融合網絡最為合適。

表1 5G通信應用于網絡層的優勢

3.3 平臺層

平臺層的作用是對來自感知層產生的數據進行數據存儲和數據處理，可分為數據存儲區和數據處理區。

3.3.1 數據存儲區 傳統的物聯網平臺層采取數據中心服務器集群方式存儲數據，一方面會造成數據的安全性和真實性無法得到保障，極易被非法攻擊者操控，對數據進行篡改；另一方面由于采集到的數據量龐大會造成數據中心服務器集群壓力過大。因此，對于數據存儲區引入區塊鏈技術，采用數據上鏈的方式對數據進行分布式存儲，如圖2所示。

圖2 數據存儲區示意圖

在整個食品供應鏈中利用條碼技術給食品單位一個唯一的標注，可以利用相關傳感設備對食品進行實時監測控制(如溫度、濕度傳感器監測控制食品運輸和倉儲過程中的溫度及濕度，用RFID標記食品在物流中的位置、路徑等信息)，基于區塊鏈技術來保證相關節點獲取必要的數據，并且每個數據都有各自的哈希散列，使其不可改變[22]。區塊鏈具有去中心化、不可篡改、開放透明等重要特征[23]。利用區塊鏈技術可以為實體經濟降低成本，提升效率，優化產業誠信環境，助推整個食品供應鏈規范發展。區塊鏈中數據不可篡改、分布式存儲等一系列特點為食品安全治理中的信息不對稱問題提供了解決方案，為商品的信息流、物流和資金流提供了透明機制，并且從算法層面保證了其安全性。區塊鏈技術的引入，使得供應鏈上、中、下游多方通過數據上鏈的記賬方式，保證了即使存在單方篡改數據、偽造賬本的情況，造假一方也難以獲取到區塊鏈上全部的鏈條節點來協作造假數據，從而使得數據造假成本大幅上升。

同時，利用區塊鏈技術可以解決信息不對稱問題，一方面信息透明可以實現全產業鏈上所有人員進行有效監督；另一方面信息透明將使得優勝劣汰，優質企業得以發展，劣質企業得以淘汰，進而整個行業水平得以提升。在一些商業化的應用場景中，合理使用區塊鏈技術還能為品牌背書，從而為企業帶來額外收益[24]，進一步增強企業競爭力，加強優質企業之間的合作。

3.3.2 數據處理區 由圖3可知，數據處理區由政府或其下屬權威機構負責，通過從數據存儲區獲取數據，將海量的信息資源運用大數據、云計算、人工智能等技術進行數據運算和數據挖掘，整合成更有價值的信息、知識、智慧，輔助人們進行決策和預警，進一步為全行業成員提供服務，同時，也有助于提升國家層面實現宏觀調控的能力。

圖3 數據處理區示意圖

3.4 應用層

應用層是該架構系統的用戶接口，位于架構的最頂端，一方面通過區塊鏈的直觀數據用戶可以了解食品在全產業鏈上各個環節的信息；另一方面通過分析處理后的數據還可以為用戶提供豐富的特定服務。用戶包括消費者、企業、政府等監管機構以及檢測機構、新聞媒體等。應用層接收平臺層傳來的信息，并對信息進行可視化呈現。應用層可以是以網站的形式存在，包括APP、公眾號、小程序等方式，涉及到人機互動的都屬于應用層的范圍。

消費者可以在應用平臺查看食品在全產業鏈各個環節的信息，也可以查看相關檢測機構對一些食品出具的檢測報告等。企業可以通過應用平臺尋找優質合作伙伴，由于區塊鏈技術的開放透明、不可篡改等特點，將解決企業合作之間信息不對稱所導致的一系列問題。而通過應用層，企業過往信息都記錄在案并公開透明，使得企業違法違規成本大幅上升。政府或其下屬監管機構可以通過應用平臺對食品供應鏈全過程進行實施監督，發現問題便可及時處理，公眾同時可以監督相關問題的處理進展，解決了監管機構當前監管力度不夠、執行力不足等突出問題。檢測機構也可以對相關食品進行檢測并出具檢測報告，通過應用平臺，公眾可以對檢測報告進行查看，實現食品安全信息共享。媒體也可通過應用平臺進行監督，及時曝光供應鏈上違法違規行為。同時，全體成員都可以在應用平臺學習食品安全相關法律法規知識，使得經營者規范自己的行為，消費者在遇到食品安全問題時及時保護自己的合法權益，進一步改善當前中國食品安全教育落后等問題。

綜上可知，食品安全應當實行綜合監管，讓全體社會成員都參與到食品安全的監管中來，充分發揮各方主體在食品安全治理中的協同作用[25]。泛在食品安全網的應用層建設正是構筑了這樣一個信息平臺，解決了企業、消費者、監管監督機構之間信息不完全和信息不對稱問題，實現了對食品安全的全產業鏈監督。

4 結論

泛在食品安全網是泛在網的落地應用。文章提出通過對傳統意義上的泛在網進行改進，融合大數據、云計算、人工智能、區塊鏈、5G通信等新興技術，解決傳統物聯網中網絡傳輸、數據中心化、數據造假以及信息不透明等問題。通過建設這樣一個互聯互通的大型食品安全網絡，將產業鏈上、中、下游企業、消費者、監管機構、檢測機構、新聞媒體等通過整合后的網絡連接起來，實現真正意義上的全員信息共享、互聯互通，從而解決食品安全領域中信息不對稱這一大痛點，對全產業鏈上各個環節形成約束，進而保障食品安全。此外，泛在食品安全網的建設也將有助于解決中國較為落后的食品安全教育問題，同時對中國高科技產業的落地應用有一定的借鑒意義。