水產品藥物殘留快速檢測在線智能監控系統的研究與應用

章英英，章路，邢麗麗，傅國斌，孫文閃

(綠城農科檢測技術有限公司，浙江 杭州 310051)

我國是水產品生產大國，連續多年水產品生產總量居世界首位。隨著水產養殖業的蓬勃發展，水產品中藥物殘留問題日益突出，其殘留超標成為社會關注的食品安全熱點問題[1-2]。水產品中藥物殘留的檢測手段主要分為實驗室儀器定量檢測和現場快速檢測[3-9]2種，實驗室儀器定量檢測結果準確度、可信度高，但是存在周期長、成本高、時效性難以滿足市場流通實際需求的缺點。快速檢測技術[10-12]由于其快速、簡單、靈敏，包括樣品制備在內，能夠在短時間內出具檢測結果，作為實驗室儀器定量檢測的重要補充，水產品藥物殘留快速檢測技術得到快速的發展，為防控水產品安全風險隱患起到一定的作用，特別是在2015年新版《食品安全法》賦予快檢方法在執法監管中的法律地位以來，快速檢測技術在水產品藥物殘留檢測中的作用越來越重要，得到食品安全管理部門的高度重視，在快速檢測的投入力度也越來越大。但是水產品藥物殘留濃度低，快速檢測結果受樣品采集、運輸、制備、提取、濃縮、凈化、定容、環境溫度和反應時間等因素的影響，整個過程對快檢人員的綜合專業能力要求高。目前水產品藥物殘留的快檢人員主要由基層非專業人員構成，沒有經過專業檢測培訓，缺乏有效質量監控，存在操作過程不規范、檢測結果不準確、報告不嚴謹等問題，給政府的監管工作帶來很大的困難。

水產品藥物殘留快速檢測在線智能質控系統具有信息收集、智能識別[13-15]與判斷等功能，通過物聯網技術[7，13-14]，收集快檢過程中的人機料法環測等關鍵影響因素和參數，識別出檢測過程中的不規范操作，通過智能系統判斷檢測結果的可信度，該系統的建立和應用可以對快速檢測過程進行有效監控，確保結果的準確性、真實性與可溯源性[16]，為政府食品安全監管工作提供技術支撐。

1 系統總體架構

該系統主要包含前臺統一服務、中臺應用構建中心、后臺引擎平臺、基礎數據來源。

前臺統一服務主要是移動端對樣品進行拍照采集，記錄樣品的詳細名稱、地址，可視化數據并同步至桌面端。中臺應用構建中心由中臺管理系統、安全認證中心、統一資源調度中心、資源中心、組件中心組成，將數據更安全地存儲、更靈活地應用。后臺引擎平臺中擁有的多種應用引擎，使整體的過程更加便利，穩健保障用戶業務正常運行，并支持開發新的引擎添加使用。基礎數據來源主要對樣品的采集過程視頻記錄，全程多角度拍攝儀器區域。實驗過程中，對電子天平數據進行采集，記錄樣品編號、樣品方法、稱量質量，并對原始的記錄進行處理，填寫標準物質信息。環境監控主要完成對實驗室溫濕度的記錄與水浴鍋等加熱設備溫度的記錄，記錄起點時間至終點時間的平均值；標準物質冰箱溫度的記錄，對標準物質放入時掃碼，記錄冰箱編號。總體架構如圖1所示。

圖1 系統總體架構

2 數據采集與傳輸設備架構

根據對水產品藥物殘留快速檢測方法分析，篩選出整個過程的關鍵控制點，應用圖像、視頻、數據等方式進行數據采集和設備傳輸，從采樣、運輸、前處理、檢測、結果出具全過程進行質量控制。當對監督抽檢或風險監測的結果有疑義或是有檢測糾紛時，通過調用回放視頻、查看抽檢過程關鍵環節的監控數據等證據，判定檢測結果的可靠性，做到抽檢過程溯源。數據采集與傳輸設備架構如圖2。

3 數據服務構架

本系統應用服務器采用Tomcat，Tomcat為輕量級應用服務器，普遍運用在中小型系統和并發訪問量較為平穩的軟件部署，是兼顧性能、安全與便捷的中間件。在單位時間內訪問請求數急劇增加時，可以用相對較低的成本增加前端的處理能力。外界只能訪問前端的web服務，后端數據服務不可直接進行訪問，兼有良好的可擴展性和安全性。RTMP主要優勢在于流媒體的低延時傳輸，是現在編碼器輸出的工業標準協議，開放接口的編碼器(攝像頭等)通用支持RTMP輸出。RTMP協議支持的完善，軟件可在不同終端持續播放RTMP流且長時間不斷流。RTMP協議便于存儲與轉碼，適用于各種多來源視頻數據拼接與實時查看。J2EE能夠開發部署在異構環境中的可移植程序，適應于大型機、UNIX平臺以及Windows等操作系統，基于J2EE開發的應用程序不依賴任何特定操作系統、中間件、硬件。設計合理的J2EE程序開發一次就可部署到各種平臺。J2EE標準允許訂購與J2EE兼容的第三方組件，將各種功能插件部署到異構環境中，既實現開發速度快，又能保證多終端系統開發的數據穩定性。MySQL是一個成熟穩定的關系型數據庫，關系數據庫將數據保存在不同的表中，增加了速度并提高了數據的靈活性(圖3)。MySQL性能卓越，支持多種操作系統，提供多種API接口，支持多種開發語言，服務穩定，開放源代碼且無版權制約，用戶使用活躍，便于軟件開發后續升級與數據開放交互。同時MySQL數據庫支持各種高可用及數據備份方案，能在最大程度上保證數據一致性的同時確保數據安全不丟失，以達到真正意義上的高可用。本系統采用HTTP協議，WWW文件遵守這個標準。網站的訪問是以HTTP協議來傳輸和工作。由于HTTP協議簡單，標準規范，HTTP服務器的得以快速且準確地交換數據，降低了多系統數據交互的傳輸、研發成本。

4 數據采集與傳輸設備

視頻數據采集采用海康威視DS-2CD1321-I網絡攝像機(最高分辨率可達1 920×1 080@30 fps，在該分辨率下可輸出實時圖像、支持雙碼流)。通過RTMP、RTSP等協議采集碼流，使用Flash或H5播放器在web端實時輸出圖像，并在后臺使用Nginx視頻流模塊對數據進行存儲。溫度采集為建大仁科RS-WS-WIFI-Y溫度濕度計(SDK開放接口可以進行二次開發)，通過socket通信協議，實時監控溫濕度記錄，并在后臺對數據進行存儲。通過數據采集與傳輸設備實現自動采集快檢設備數據，抽樣或檢驗人員自動人臉識別[17]，并通過手機端APP自動采集抽樣或檢測的地點，天平稱量數據可自動采集。人臉識別以圖像形式進行采集；抽樣過程的監控通過GPS全程定位實現，并實時監控樣品運輸狀況。快檢關鍵環節以視頻的方式采集，對前處理中的關鍵步驟進行全程監控，視頻采集儲存，當檢測數據結果異常或需要溯源時，可以調用視頻進行回查。數據采集傳輸設備采集到的數據匯總上傳至統一的智能監控管理平臺，進行統一管理。

5 檢測關鍵點智能評判

以酶聯免疫法測定水產品藥物殘留為例介紹如何實現檢測關鍵點智能評判。其操作關鍵控制點為人員能力、酶標盒中所有試劑和酶標板回溫溫度和時間、樣品稱量質量、樣品提取液pH值調節有效性、上樣、孵育、洗板、顯色液滴加、顯色、結果判定。

5.1 人員能力

快檢人員能力識別評判規則，是否經過培訓考核上崗，即有無上崗證，通過人臉識別與系統內人員資料庫進行比對，如發現檢測人員無上崗證，系統則會警告提示。

5.2 酶標盒試劑回溫

監控上樣前酶標盒中所有試劑和酶標板溫度是否置于20～25 ℃的室溫環境中30 min，若室溫未處于20～25 ℃時，溫度監控探頭感應后，系統會警告提示。

5.3 樣品稱量

監控樣品取樣量是否為(XX±0.0Y)g，若取樣量未處于(XX±0.0Y)g時，監控系統應能識別。監控設備通過數據線與天平進行連接，稱量數據穩定后會導入系統，系統根據預先設置的快檢方法進行判斷，如不符合取樣量范圍要求，出現警告提示。

5.4 pH值調節

監控提取上清液的pH值是否調節在7.0～8.5，若pH值未處于7.0～8.5時，監控系統出現警告提示，監控設施為攝像頭。

5.5 上樣

通過攝像頭監控樣本、質控樣和標準品加入到酶標板時編號表是否一致，加酶標二抗和抗體工作液時是否做到每一排不多加或者漏加。當上樣時與編號表不一致，或者多道移液器在同一位置加入2次同一種試劑或漏加試劑時，系統出現警告提示。

5.6 孵育

通過溫度探頭、時間監控器以及攝像頭監控是否將酶標板置于25 ℃避光環境中反應30 min，若孵育溫度及反應時間有一項未處于規定值，系統出現警告提示。

5.7 洗板

通過攝像頭監控倒掉微孔中溶液的時間與加入洗滌液的時間間隔是否小于10 s，洗板次數是否重復4～5次，如不符合方法規定要求，系統出現警告提示。

5.8 顯色

通過攝像頭監控加入底物A、底物B時是否做到每一排不多加或者漏加。當多道移液器在同一位置加入2次同一種試劑或漏加試劑時，系統出現警告提示。

通過溫度探頭、時間監控器以及攝像頭監控是否將酶標板置于25 ℃避光環境中反應15～25 min，若顯色過程溫度及反應時間未處于規定值，系統出現警告提示。

5.9 結果判定

通過攝像頭監控記錄標準品吸光值、質控點測定值、標準曲線線性擬合、結果計算是否規范有效，如標準品吸光值、質控點測定值、標準曲線線性擬合、結果計算出現異常，系統出現警告提示。

6 結論

水產品藥物殘留快速檢測在線智能監控系統的研究與應用，可以整體提升水產品藥物殘留快速檢測質控水平，及時發現可疑問題，并迅速采取相應措施，提高政府監督工作效率，加大監督力度，保障水產品食用安全，為政府監管工作提供一個在線智能監管平臺。該系統的建立和完善，將產生顯著的經濟、社會和生態效益，實現實驗數據由程序自動存儲和記錄，實現無紙化，節省實物存儲空間，減少實驗數據人為誤差性，保障了數據記錄的正確性和時效性；有利于實驗數據統一存儲和管理，方便統計、查詢，提高數據的利用率；能夠對歷史數據進行多維度分析和預測，強化風險參數檢測，提高實驗效果。