基于物聯(lián)網(wǎng)的食品安全監(jiān)理模型研究

李夢(mèng)尋, 劉宏志

“國(guó)以民為本,民以食為天,食以安為先”,食品是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ),食品安全問(wèn)題關(guān)系人民飲食、生命安全和社會(huì)穩(wěn)定,成為在追求健康穩(wěn)定社會(huì)過(guò)程中的一個(gè)重大社會(huì)問(wèn)題.然而,近些年我國(guó)食品安全問(wèn)題屢有發(fā)生,食品安全形式十分嚴(yán)重.因此建立一個(gè)安全有效的食品安全監(jiān)理機(jī)制顯得尤為重要.本文首先構(gòu)建出食品安全監(jiān)理模型,然后對(duì)此模型進(jìn)行建模分析,再利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)形成一個(gè)有效的食品安全監(jiān)理機(jī)制[1].

1　食品安全監(jiān)理模型

食品安全監(jiān)理是指監(jiān)理機(jī)構(gòu)根據(jù)我國(guó)的食品安全法等相關(guān)法律制度,在食品的生產(chǎn)過(guò)程中,對(duì)食品中存在可識(shí)別的食品安全風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行督察、監(jiān)控和評(píng)價(jià),并進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和控制,以確保食品的安全保證.利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將食品的生產(chǎn)信息和所存在的風(fēng)險(xiǎn)及時(shí)告知消費(fèi)者以便建立健全的召回機(jī)制.其核心內(nèi)容是對(duì)存在有害物質(zhì)的食品進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析和控制,利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行管理,最終實(shí)現(xiàn)食品安全風(fēng)險(xiǎn)的可控制操作.

食品安全監(jiān)理模型由六部分組成,即監(jiān)理支撐要素、技術(shù)支持、監(jiān)理階段、監(jiān)理內(nèi)容、監(jiān)理對(duì)象和食品安全信息反饋[2].其相互關(guān)系如圖1[3].參考模型表明,食品安全的監(jiān)理工作建立在監(jiān)理支撐要素和技術(shù)支持的基礎(chǔ)上,在監(jiān)理工作的各階段結(jié)合各項(xiàng)監(jiān)理內(nèi)容,對(duì)監(jiān)理對(duì)象進(jìn)行監(jiān)督和管理,通過(guò)食品安全信息反饋以保證食品生產(chǎn)各階段的安全達(dá)到預(yù)期的目標(biāo),并能夠?qū)⑿畔⒓皶r(shí)地反饋給消費(fèi)者以及各生產(chǎn)階段的監(jiān)理人員.

圖1　食品安全監(jiān)理模型Fig.1　Food safety surveillance model

2　食品安全監(jiān)理技術(shù)

2.1　物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)食品安全監(jiān)管體系網(wǎng)絡(luò)化的核心.基于電子產(chǎn)品代碼(electric product code,EPC)的物聯(lián)網(wǎng)是在計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)之上,利用全球統(tǒng)一的物品編碼技術(shù)、射頻識(shí)別技術(shù)、無(wú)線數(shù)據(jù)通信技術(shù)等,實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)的單件產(chǎn)品的跟蹤與追溯[4-5].利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),將從原材料生產(chǎn)到加工出產(chǎn)成品的所有食品都配備一個(gè)EPC標(biāo)簽,把食品生產(chǎn)的每一階段的信息錄入標(biāo)簽內(nèi),并隨時(shí)對(duì)食品中影響健康的物質(zhì)進(jìn)行定量和定性檢測(cè)分析,同時(shí)將這些食品信息整理并發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)中.消費(fèi)者在購(gòu)物時(shí),只要根據(jù)食品上的EPC標(biāo)簽,就可以查到該食品在各個(gè)階段的所有信息,從而能夠清晰地看到整個(gè)食品從原材料到加工成產(chǎn)成品的整個(gè)流通過(guò)程以及其潛在的不安全因素.其工作示意圖如圖2.

圖2　基于物聯(lián)網(wǎng)的食品生產(chǎn)工作流程Fig.2　Process of food production based on Internet of things

2.2　食品安全檢測(cè)技術(shù)

食品安全檢測(cè)技術(shù)是食品安全保障不可或缺的重要組成部分.人們通常將農(nóng)獸藥殘留、其他來(lái)源化學(xué)污染物、生物毒素和食品添加劑與飼料添加劑等歸為食品安全檢測(cè)的范圍[6].通過(guò)食品安全檢測(cè)技術(shù),將食品中存在的對(duì)人體健康造成危害的成分檢測(cè)出來(lái),并根據(jù)有關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行定性和定量分析,從而能夠形成一個(gè)全面的風(fēng)險(xiǎn)控制系統(tǒng),有效地對(duì)市場(chǎng)流通領(lǐng)域的食品安全狀況進(jìn)行把握和控制.食品檢測(cè)技術(shù)主要包括代謝學(xué)技術(shù)、原子熒光光譜分析法和酶抑制率法等方法[7].

在食品安全監(jiān)理的每一階段,都要把記錄的食品相關(guān)信息錄入食品所帶的EPC電子標(biāo)簽中,以保證食品信息的連貫性和有效性[8-9].信息反饋是指基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),使整個(gè)食品生產(chǎn)工作流程中食品的相關(guān)信息能夠得到及時(shí)有效的流通和反饋.每一階段所產(chǎn)生的食品相關(guān)信息都會(huì)通過(guò)EPC電子標(biāo)簽記錄下來(lái)并進(jìn)入數(shù)據(jù)庫(kù),同時(shí)作為下一監(jiān)理階段的信息基礎(chǔ).

食品安全監(jiān)理對(duì)象是針對(duì)日常生活中各類的食品.本文所參考的食物分類方法是根據(jù)《中國(guó)食物成分表2004》中的食物分類方法,將日常生活中的食物分成21大類,每一大類中根據(jù)食物的屬性和加工方法分為不同的亞類,并將那些難以分配到某一具體亞類的食物歸入到相應(yīng)食物類中的“其他”的亞類中[10].包括谷類及制品、蔬菜水果類及制品、畜肉禽肉類及制品等近800種.

食品安全監(jiān)理內(nèi)容主要是質(zhì)量控制,食品的質(zhì)量控制是整個(gè)監(jiān)理過(guò)程的基礎(chǔ).食品質(zhì)量的檢測(cè)范圍有:農(nóng)獸藥殘留、其他來(lái)源化學(xué)污染物、生物毒素和食品添加劑與飼料添加劑等[10].

3　建模分析

3.1　數(shù)學(xué)模型

根據(jù)參考模型,食品安全的監(jiān)理工作是否達(dá)到預(yù)期的目標(biāo),要從食品質(zhì)量控制是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)、風(fēng)險(xiǎn)控制是否有效,這兩個(gè)方面進(jìn)行綜合評(píng)估.通過(guò)對(duì)食品安全監(jiān)理的目標(biāo)和影響食品安全監(jiān)理目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的各項(xiàng)因素建立函數(shù)模型,可以進(jìn)一步分析食品安全監(jiān)理對(duì)實(shí)現(xiàn)食品安全預(yù)期目標(biāo)的影響.本分析建立在以下假設(shè)條件的基礎(chǔ)上.

1)本分析基于一個(gè)獨(dú)立的食品生產(chǎn)過(guò)程M,食品生產(chǎn)過(guò)程M不受戰(zhàn)爭(zhēng)、自然災(zāi)害、行政等不可抗拒性因素的影響,且與其他食品生產(chǎn)過(guò)程不發(fā)生制約關(guān)系.

2)食品生產(chǎn)過(guò)程M所用的食品原料由S1,S2,S3…SN共N類食品構(gòu)成.

3)食品生產(chǎn)過(guò)程M存在的風(fēng)險(xiǎn)程度R和每類食品Si存在的風(fēng)險(xiǎn)程度Ri的值根據(jù)人群食物攝入量模型與污染物分布模型所確定[11],要求最終得出的總體風(fēng)險(xiǎn)程度R′和每類食品實(shí)際的風(fēng)險(xiǎn)程度R′i變更上下浮動(dòng)不超過(guò)10%.

4)食品生產(chǎn)過(guò)程M的食品質(zhì)量問(wèn)題Q決定于各類食品Si食品質(zhì)量問(wèn)題Qi的加權(quán)值,權(quán)重根據(jù)各類食品Si所存在的風(fēng)險(xiǎn)程度Ri占食品生產(chǎn)過(guò)程總體M所存在的風(fēng)險(xiǎn)程度R的比例確定,食品質(zhì)量問(wèn)題為取值區(qū)間在[0,1]的模糊集合,0.4是允許食品存在質(zhì)量問(wèn)題的最高標(biāo)準(zhǔn).

5)對(duì)于食品生產(chǎn)過(guò)程M來(lái)說(shuō),人體在各類食品Si中所攝入的有害物質(zhì)在體內(nèi)存留的時(shí)間為Ti.

基于以上假設(shè)條件,我們可以得出為使食品生產(chǎn)過(guò)程M達(dá)到預(yù)期的監(jiān)理目標(biāo),對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的風(fēng)險(xiǎn)程度R′和食品質(zhì)量合格度Q兩者的約束關(guān)系,即約束條件1:

根據(jù)假設(shè)條件2、3和乘法分配率,上式進(jìn)一步推導(dǎo)為約束條件2:

3.2　食品生產(chǎn)過(guò)程M存在的風(fēng)險(xiǎn)程度R分析

因?yàn)镽=∑Ri,我們可以通過(guò)單獨(dú)分析每一個(gè)Ri來(lái)確定R.根據(jù)食品生產(chǎn)過(guò)程的特點(diǎn),子系統(tǒng)Si存在的風(fēng)險(xiǎn)程度Ri可分有害物質(zhì)的攝入量RiP,有害物質(zhì)的損害程度RiD兩個(gè)部分,即:Ri=f(RiP,RiD),各部分分析如下.

1)在分析實(shí)際情況過(guò)程中若沒有重大的不可預(yù)知事件發(fā)生,實(shí)際的有害物質(zhì)攝入量RiP′通過(guò)實(shí)際對(duì)食品中有害物質(zhì)的檢測(cè),并利用人群食物攝入量模型與污染物分布模型可以得出.若有害物質(zhì)攝入量q增加,則導(dǎo)致風(fēng)險(xiǎn)程度R′i的增加和食品質(zhì)量問(wèn)題Qi的增加.

2)有害物質(zhì)的危險(xiǎn)程度RiD與各類食品Si的風(fēng)險(xiǎn)控制目標(biāo)有關(guān).可將有害物質(zhì)的危險(xiǎn)程度RiD能造成的損害劃分為5個(gè)等級(jí):無(wú)明顯性傷害、輕度傷害、明顯性傷害、致殘、致死,其對(duì)應(yīng)的等級(jí)分別為1、2、3、4、5[12]. 有害物質(zhì)的危險(xiǎn)程度 RiD 第一級(jí)別的危險(xiǎn)程度在食品生產(chǎn)過(guò)程立項(xiàng)時(shí)可以基本確定,設(shè)其風(fēng)險(xiǎn)值為常量Fi1,其他級(jí)別的風(fēng)險(xiǎn)值Fin符合以時(shí)間為自變量的遞增函數(shù)Fi1(t),Fin(t)可以在區(qū)間[0,Ti]的積分來(lái)計(jì)算,隨著時(shí)間的增長(zhǎng),在不同時(shí)期Fi1(t)無(wú)限趨近于Fin,即:

但在實(shí)際的風(fēng)險(xiǎn)控制過(guò)程中Fi1(t)由兩部分組成,即有效的損害Fia(t)和無(wú)效的損害Fir(t).有效的損害是人體所攝入的污染物一直存留在人體內(nèi),并對(duì)人體產(chǎn)生危害作用;無(wú)效的損害是人體所攝入的污染物沒有存留在體內(nèi),隨著攝入后排出體外.其中有效的損害Fia(t)對(duì)F′in產(chǎn)生正積分:∫Fia(t)d t;無(wú)效的損害 Fir(t)對(duì) F′in不 產(chǎn)生積分 ( ∫Fir(t)d t=0 ).

3)在生產(chǎn)過(guò)程中,實(shí)際的風(fēng)險(xiǎn)R′i與有害物質(zhì)攝入量RiP′和有效的損害Fia(t)有關(guān),設(shè)存在以q為自變量的遞增函數(shù)R(q),使得因有害物質(zhì)攝入量產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)值符合R(q),則:

3.3　食品質(zhì)量問(wèn)題的分析

采用模糊數(shù)學(xué)的方法對(duì)質(zhì)量合格度進(jìn)行度量分析.根據(jù)假設(shè)條件子系統(tǒng)Si的權(quán)重子系統(tǒng)食品質(zhì)量問(wèn)題Qi的值與有害物質(zhì)攝入量RiP′和各子系統(tǒng)實(shí)際存在的風(fēng)險(xiǎn)值F′in有關(guān),目前已有很多文章對(duì)系統(tǒng)質(zhì)量的度量進(jìn)行了分析,可以借鑒他們的研究成果,此處不做具體分析,而假設(shè)存在以q和F′in為自變量的遞減函數(shù)ψ(q,F′in),使得:Qi= Ψ(q,F′in),即:Qi= Ψ ( q,∫Fia(t)dt).

基于以上分析,約束條件2演變?yōu)橐韵?式構(gòu)成的組合約束條件3:

基于以上分析,降低有害物質(zhì)的攝入量q和有效的損害Fia(t)的值,有利于提高食品的質(zhì)量,降低食品中存在的有害風(fēng)險(xiǎn),促進(jìn)食品安全體系的完善,即達(dá)到食品安全監(jiān)理的預(yù)期目標(biāo).監(jiān)理的工作圍繞這兩點(diǎn)開展,可以分階段、分內(nèi)容,做進(jìn)一步的風(fēng)險(xiǎn)分析.通過(guò)對(duì)有害物質(zhì)的攝入量q和有效的損害Fia(t)進(jìn)行組合,產(chǎn)生一個(gè)表明導(dǎo)致風(fēng)險(xiǎn)水平狀態(tài)的水準(zhǔn),如圖3.變量q與變量Fia(t)的組合造成了一定的風(fēng)險(xiǎn),如果此風(fēng)險(xiǎn)超出了這個(gè)參照水準(zhǔn),就要對(duì)此進(jìn)行干預(yù)管理.根據(jù)數(shù)據(jù)分析得出參照水準(zhǔn)的參照點(diǎn)或崩潰點(diǎn),并在坐標(biāo)平面內(nèi)形成一個(gè)光滑的曲線,曲線右部形成一個(gè)扇形區(qū)域,在該區(qū)域內(nèi)就是超過(guò)預(yù)期的承受風(fēng)險(xiǎn)的值,在該區(qū)域外則是可接受的風(fēng)險(xiǎn)值.

圖3　風(fēng)險(xiǎn)水平狀態(tài)的水準(zhǔn)Fig.3 Standard level of risk status

該圖表明,在扇形區(qū)域外,即使有害物質(zhì)的攝入量很大,但其有效損害并沒有達(dá)到很高的級(jí)別,從而得出的風(fēng)險(xiǎn)水平狀態(tài)在可接受的范圍內(nèi);同理,當(dāng)有效損害達(dá)到較高級(jí)別時(shí),由于其攝入量沒有達(dá)到一定的量,也不能構(gòu)成風(fēng)險(xiǎn)較高的狀態(tài).只有在扇形區(qū)域內(nèi),才能構(gòu)成危險(xiǎn).

4　結(jié)束語(yǔ)

本文建立了基于物聯(lián)網(wǎng)的食品安全監(jiān)理的模型,把食品的生產(chǎn)過(guò)程分成四個(gè)階段并作為食品安全的監(jiān)理階段,以監(jiān)理支撐要素為保障,以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和食品安全檢測(cè)技術(shù)為支持,對(duì)整個(gè)食品生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行質(zhì)量、風(fēng)險(xiǎn)控制及信息、合同管理,以達(dá)到將食品安全隱患降至最低,保障市場(chǎng)食品供應(yīng)的質(zhì)量安全.通過(guò)對(duì)此監(jiān)理模型的建模分析,進(jìn)行了理論問(wèn)題的探討.從食品質(zhì)量問(wèn)題的定性分析到有害物質(zhì)攝入量的定量分析,對(duì)食品安全進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析和控制,利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將相關(guān)信息對(duì)社會(huì)發(fā)布,使廣大消費(fèi)者對(duì)食品的安全度有所了解,從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)理機(jī)構(gòu)對(duì)市場(chǎng)流通的食品的有效監(jiān)管.雖然本文從理論上進(jìn)行了一定的研究,但還需對(duì)實(shí)際問(wèn)題加以進(jìn)一步的探討,這也是今后需要研究的問(wèn)題.