基于信息技術(shù)融合的云服務(wù)平臺在食品安全領(lǐng)域的應(yīng)用研究進(jìn)展

晏 斌,李唯正,梁 巖,3,張清凌,3,周啟鳴,4,陳漢明，陳宏運

(1.中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院,廣東深圳 518055;2.深圳市中科臺富科技有限公司,廣東深圳 518109;3.中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所,烏魯木齊 830011;4.香港浸會大學(xué)地理系,中國香港 999077;5.深圳市零下五十度集團有限公司,廣東深圳 518111；6.臺富科技(深圳)有限公司，廣東深圳 518040)

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基于信息技術(shù)融合的云服務(wù)平臺在食品安全領(lǐng)域的應(yīng)用研究進(jìn)展

晏 斌1,2,李唯正1,梁 巖1,3,張清凌1,3,周啟鳴1,4,陳漢明5，陳宏運6，*

(1.中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院,廣東深圳 518055;2.深圳市中科臺富科技有限公司,廣東深圳 518109;3.中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所,烏魯木齊 830011;4.香港浸會大學(xué)地理系,中國香港 999077;5.深圳市零下五十度集團有限公司,廣東深圳 518111；6.臺富科技(深圳)有限公司，廣東深圳 518040)

云服務(wù)平臺技術(shù)正越來越多地應(yīng)用在食品安全監(jiān)管領(lǐng)域。本文首先介紹了云服務(wù)平臺在食品安全領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用的技術(shù)基礎(chǔ),進(jìn)一步歸納總結(jié)該平臺近年來在食品生產(chǎn)加工監(jiān)控、流通監(jiān)管、追蹤溯源和大數(shù)據(jù)庫建設(shè)方面的應(yīng)用研究現(xiàn)狀,并分析其存在的不足之處和優(yōu)化路徑。最后對食品安全云服務(wù)平臺的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

信息技術(shù),物聯(lián)網(wǎng),云計算,大數(shù)據(jù),云服務(wù)平臺,食品安全

隨著中國經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高,人們不再滿足于溫飽問題的解決,而更多開始關(guān)注食品安全和衛(wèi)生及其是否營養(yǎng)和健康等問題。眾多研究表明,病原微生物、農(nóng)獸藥、重金屬、真菌毒素等污染物引發(fā)的食源性疾病是我國當(dāng)前凸顯的四類食品安全問題[1],也是世界食品安全中最突出的幾個問題[2-3]。國外有瘋牛病、致命病菌李斯特桿菌和口蹄疫病等的發(fā)現(xiàn),國內(nèi)近年來的劣質(zhì)奶粉事件、毒豇豆、甲醛白菜等食品中激素、農(nóng)藥、保鮮劑等殘留超標(biāo)中毒事件時有發(fā)生。據(jù)國家衛(wèi)生和計劃生育委員會通報數(shù)據(jù),2015年,中國28個省(自治區(qū)、直轄市)食物中毒類突發(fā)公共衛(wèi)生事件(以下簡稱食物中毒事件)報告169起,中毒5926人,死亡121人[4]。食品安全事件的頻繁發(fā)生降低了民眾小康生活水平,成為影響社會和諧發(fā)展與經(jīng)濟快速增長的障礙。

2016年,中國工程院重大咨詢研究項目《中國食品安全現(xiàn)狀、問題及對策戰(zhàn)略研究》成果發(fā)布,認(rèn)為我國當(dāng)前凸顯的四類食品安全問題,主要歸根于農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境污染嚴(yán)重、食品安全監(jiān)管體系尚未健全、科技支撐發(fā)展滯后等因素[1],而全球城市化進(jìn)程的加快也加劇了食品安全不可控因素的增加[5]。因此,一個信息完整和權(quán)威的食品安全服務(wù)共享平臺的建設(shè)成為公眾的迫切需求。將最新信息技術(shù)應(yīng)用于食品安全領(lǐng)域,可避免監(jiān)控系統(tǒng)重復(fù)建設(shè)和數(shù)據(jù)資源浪費等問題,實現(xiàn)從食品的原料獲取、生產(chǎn)加工、經(jīng)營流通和銷售監(jiān)管等食品各環(huán)節(jié)的高效管理,增強了食品安全透明度,更有益于為政府、企業(yè)、消費者提供科學(xué)、全面和統(tǒng)一的食品安全信息,推動我國食品產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)健康發(fā)展。

本文主要介紹融合物聯(lián)網(wǎng)、云計算和大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)的云服務(wù)平臺在食品安全領(lǐng)域的應(yīng)用,旨在為建設(shè)更加完善和可靠的基于三大信息技術(shù)的食品安全管理云服務(wù)平臺提供理論參考依據(jù)。

1 云服務(wù)平臺概況

基于云計算技術(shù)的云服務(wù)平臺在農(nóng)業(yè)、食品行業(yè)、農(nóng)村信息化、電子政務(wù)、旅游業(yè)等領(lǐng)域已有應(yīng)用,如智能化專家管理系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控和遙感系統(tǒng)、智能旅游管理平臺、食品安全追溯系統(tǒng)等[6-8]。劉彤等[9]開發(fā)的基于大數(shù)據(jù)食品安全與營養(yǎng)云服務(wù)平臺架構(gòu)大致包括數(shù)據(jù)匯聚層、數(shù)據(jù)處理層、信息分析發(fā)布層與用戶應(yīng)用層。黎建輝等[10]構(gòu)建的全球食品安全信息監(jiān)控與分析云平臺主要包括分布式基礎(chǔ)設(shè)施層、分布式計算框架層、信息處理層和用戶服務(wù)層。概括起來,即構(gòu)建的食品安全云服務(wù)平臺應(yīng)包含:基于硬件設(shè)施和互聯(lián)網(wǎng)資源的食品信息采集;數(shù)據(jù)的篩選、集成和轉(zhuǎn)換等快速處理;數(shù)據(jù)的深入挖掘與分析;數(shù)據(jù)分析的結(jié)果服務(wù)于用戶等四大基本功能,其基本框架如圖1。通過信息和通信技術(shù)系統(tǒng)(ICT)支撐的云服務(wù)平臺有助于保障食品的穩(wěn)定供應(yīng)和食品產(chǎn)業(yè)鏈的效率提升并應(yīng)對來自農(nóng)業(yè)及其相關(guān)行業(yè)的挑戰(zhàn)[11]。

圖1 食品安全云服務(wù)平臺基本框架Fig.1 The basic framework of cloud services platform on food security

2 云服務(wù)平臺在食品安全領(lǐng)域的技術(shù)基礎(chǔ)

利用網(wǎng)絡(luò)得到資源及信息技術(shù)的服務(wù)稱為云服務(wù),其實質(zhì)是一種使用和交付模式,理論上存儲能力、計算能力無限,能夠更大程度上支持區(qū)域內(nèi)食品安全信息大數(shù)據(jù)化[12-13]。目前,功能較為完善的食品安全云服務(wù)平臺的構(gòu)建是以實驗室信息管理系統(tǒng)為基礎(chǔ),涉及到物聯(lián)網(wǎng)、本體化、云計算和大數(shù)據(jù)分析等先進(jìn)計算機分析技術(shù)的集成應(yīng)用[9-10,14]。構(gòu)建云平臺的底層基礎(chǔ)服務(wù),即搭建實驗室信息管理系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)使用的傳感器和GPS定位設(shè)備、連接融合環(huán)境和物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、本體庫數(shù)據(jù)開發(fā)設(shè)備、云存儲集群設(shè)備和云計算設(shè)備等[12,15]。底層基礎(chǔ)服務(wù)的構(gòu)建作為食品安全云服務(wù)平臺實現(xiàn)大數(shù)據(jù)分析功能的技術(shù)和資源支撐[16-17]。

實驗室信息管理系統(tǒng)(laboratory information management system,LIMS)即通過計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù),采用先進(jìn)的數(shù)據(jù)庫技術(shù)對實驗室的各種信息進(jìn)行全面管理的計算機信息技術(shù)[18]。企業(yè)通過建立內(nèi)部Internet體系結(jié)構(gòu)實現(xiàn)大范圍的數(shù)據(jù)共享,為質(zhì)量管理部門提供決策依據(jù)。劉彤等[9]以LIMS為基礎(chǔ),利用云計算和大數(shù)據(jù)技術(shù)對跨地區(qū)、跨部門的海量食品安全與營養(yǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)及相關(guān)輿情信息進(jìn)行匯集整合,建立了一個以檢測數(shù)據(jù)為支撐的交互平臺——食品安全與營養(yǎng)云服務(wù)平臺。

物聯(lián)網(wǎng)(Internet of things)技術(shù),即通過射頻識別設(shè)備(RFID)、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感裝置與互聯(lián)網(wǎng)連接在一起進(jìn)行信息交換和通信的技術(shù)。通過物聯(lián)網(wǎng)可以有效地采集食品(食用農(nóng)產(chǎn)品)生產(chǎn)、加工、儲存、流通、銷售等環(huán)節(jié)的信息,實現(xiàn)物品的智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理[14,19]。如王曉明[12]提出的物聯(lián)網(wǎng)和融合環(huán)境區(qū)域食品安全云服務(wù)框架模型,并初步探索其在食品安全監(jiān)控中的作用和功能。當(dāng)下物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已在食品工藝參數(shù)研究,食用原料種養(yǎng)殖的病蟲害和疾病預(yù)防、食品生產(chǎn)加工環(huán)境監(jiān)控和食品冷鏈物流及追蹤溯源等方面成熟應(yīng)用[15]。

在計算機領(lǐng)域中,本體是對客觀存在物的系統(tǒng)描述,關(guān)心客觀現(xiàn)實的抽象本質(zhì),可以有效解決分布式異構(gòu)數(shù)據(jù)源模式和語義異構(gòu)的問題[20],增加底層數(shù)據(jù)庫的交互和融合,為上層云計算提供更規(guī)范和統(tǒng)一的數(shù)據(jù)倉庫。本體庫的建立對于云計算技術(shù)實現(xiàn)對源數(shù)據(jù)信息的分析具有重要的作用。張玉學(xué)[15]采用Protégé 2000本體開發(fā)工具,在數(shù)據(jù)源與本體之間構(gòu)建映射關(guān)系,實現(xiàn)不同系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換和融合及其海量異構(gòu)數(shù)據(jù)的挖掘和分析[21]。

云計算是一種通過因特網(wǎng)以服務(wù)的方式,從分布式處理、網(wǎng)格計算和并行處理等技術(shù)發(fā)展而來,包括分布式文件存儲和并行計算能力,提供動態(tài)可伸縮的、虛擬化的、資源的計算模式,具有擴展性高、通用性強、可靠性高、經(jīng)濟性好等特點。

基于實驗室信息管理系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的食品安全云服務(wù)品臺,在食品從生產(chǎn)到銷售的過程中通過接入不同參數(shù)和協(xié)議設(shè)備實時采集的數(shù)據(jù)以及歷史累積數(shù)據(jù)具有異構(gòu)性強、數(shù)量巨大和分析難度高等突出特點,導(dǎo)致信息不能交互共享和深入挖掘與分析[22]。通過結(jié)合云計算技術(shù),建立具有共享概念統(tǒng)一規(guī)范本體庫作為數(shù)據(jù)挖掘的支撐平臺,對提高食品信息的數(shù)據(jù)存儲能力和異構(gòu)數(shù)據(jù)挖掘效率,實現(xiàn)信息共享,同時也為食品安全預(yù)警和突發(fā)事件處理等方面提供決策支持。

3 云服務(wù)平臺技術(shù)在食品安全領(lǐng)域的應(yīng)用

食品安全問題是一個極為嚴(yán)肅的大眾性問題,涉及食品(食用農(nóng)產(chǎn)品)相關(guān)的養(yǎng)殖業(yè)、種植業(yè)、物流運輸業(yè)、加工業(yè)和批發(fā)零售業(yè)、餐飲業(yè)和健康醫(yī)療領(lǐng)域等多產(chǎn)業(yè)鏈。市場全球化、城市化進(jìn)程加速及物流業(yè)的發(fā)展推動食品的快速流通,其存在的危害因素越發(fā)復(fù)雜和多樣,加上食品還面臨新的傳染性更強的食源性病菌的出現(xiàn),食品安全風(fēng)險日益尖銳化[5,23-24]。開發(fā)的食品安全云服務(wù)平臺在解決食品從農(nóng)田到餐桌過程中的安全問題,對提高食品生產(chǎn)效率、改善食品品質(zhì)和增強食品安全管控及其穩(wěn)定供應(yīng)起到重要作用。

3.1 食品生產(chǎn)環(huán)節(jié)的應(yīng)用

綠色健康的食品原料供給和科學(xué)的食品生產(chǎn)及加工工藝是保障食品安全的前提條件。部分農(nóng)戶或生產(chǎn)商為追求經(jīng)濟效益,頻繁喂食激素、噴灑農(nóng)藥、過量施用化肥及濫用保鮮劑等,以縮短畜禽或作物的生長周期和延長食品的保質(zhì)期,引發(fā)如2013年5月份發(fā)生的“毒生姜”事件等各種食品安全問題。傳統(tǒng)食品生產(chǎn)原料包括農(nóng)林產(chǎn)品、畜牧產(chǎn)品等原材料的供應(yīng),而現(xiàn)代食品生產(chǎn)中的食品來源、食品安全流通和食用對象等信息也成為食品生產(chǎn)的資源。

全球市場化和城市化趨勢加劇形勢下,各食品生產(chǎn)和流通信息量龐大、分布范圍廣且變化迅速,傳統(tǒng)食品安全監(jiān)管體系已無法滿足現(xiàn)代環(huán)境下的食品安全管控需要,而充分使用最新信息技術(shù)可在食品的生產(chǎn)、流通和運營上實現(xiàn)科學(xué)管控及合理規(guī)劃。劉光明等[25]開發(fā)出一種基于云計算架構(gòu)的淡水魚封閉循環(huán)式養(yǎng)殖平臺,該平臺的使用系統(tǒng)轉(zhuǎn)變了傳統(tǒng)淡水魚養(yǎng)殖方式,有效解決養(yǎng)殖過程中抗生素濫用、淡水環(huán)境污染等引起的安全問題;Nugroho等[26]開發(fā)出一種實時監(jiān)測蒸發(fā)蒸騰的混合土壤水分和生長氣候控制的智能云灌溉控制器,通過設(shè)置每10 min觸發(fā)一個可執(zhí)行的功能來實時監(jiān)測番茄溫室內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù);鄧小云等[27]以食品安全檢測技術(shù)為基礎(chǔ),分析和研究食品安全相關(guān)的如農(nóng)藥殘留、污染物攝入量等風(fēng)險因素,提出基于云計算的食品安全監(jiān)理架構(gòu),以期利用信息化手段,形成食品安全監(jiān)理機制,實現(xiàn)食品安全風(fēng)險值的降低;倪志宏和俞建峰[8]提出了將云計算技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測和自動控制的方案,系統(tǒng)實現(xiàn)了對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的光照度、大氣環(huán)境溫濕度、CO2濃度、土壤濕度、土壤pH傳感數(shù)據(jù)等五類參數(shù)的實時監(jiān)測,同時能夠控制設(shè)備以調(diào)節(jié)環(huán)境參數(shù),并提供給瀏覽器和手機終端數(shù)據(jù)和存儲控制指令。研究表明,開發(fā)的作物遙感估產(chǎn)應(yīng)用系統(tǒng)、農(nóng)產(chǎn)品實時控制生產(chǎn)系統(tǒng)等云服務(wù)平臺可以智能化管理作物生產(chǎn),實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品/食品原料生產(chǎn)的實時管理,達(dá)到精細(xì)化管理食品生產(chǎn),提高資源使用效率,降低食品安全風(fēng)險[28]。趙青松等[29]提出了云環(huán)境下的作物生長模型算法實現(xiàn)方案,并以小麥生長模型上驗證了有效性。

3.2 食品供應(yīng)流通環(huán)節(jié)的應(yīng)用

食品的流通過程包括流通的食品本身、運輸?shù)墓ぞ呒傲魍ǖ姆较虻热齻€要素,其中任何一個要素出現(xiàn)問題將影響整個食品產(chǎn)業(yè)鏈的供需安全,因此,實現(xiàn)食品流通環(huán)節(jié)的完整監(jiān)控顯得尤為重要。在現(xiàn)代食品生產(chǎn)條件下,食品生產(chǎn)及流通已逐步實現(xiàn)以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為首要使用的自動化管理和智能檢測系統(tǒng)[14,30-31],而云計算和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的出現(xiàn)進(jìn)一步降低了物流成本并推進(jìn)物流信息化更高層次。

采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合云計算強大的儲存和運算能力可以即時獲得準(zhǔn)確的物流信息,包括食品信息、運輸車輛信息和流通方向信息的管理;同時,解決這一海量數(shù)據(jù)存儲及解析障礙問題,提供高效解析技術(shù)平臺,得出較為科學(xué)可行的分析結(jié)果,實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品流通過程中的監(jiān)控,解決食品包裝難、運輸難和倉儲難的突出問題;保障食品的新鮮度和實效性,減少流通過程中不必要的環(huán)節(jié)及損失,降低食品供應(yīng)鏈各個環(huán)節(jié)上的安全存貨量和運營資本,實現(xiàn)對食品進(jìn)行跟蹤和安全管控,以利于指導(dǎo)食品安全生產(chǎn)及流通[27,31]。韓福霞和劉宏志[32]利用云服務(wù)平臺構(gòu)建了食品安全實時監(jiān)理架構(gòu),可監(jiān)測食品生產(chǎn)到消費整個過程中如農(nóng)藥、激素殘留,環(huán)境污染等不安全因素的產(chǎn)生[33]。崔軍[34]設(shè)計了一個基于B/S模式面向Internet的實時食品監(jiān)控系統(tǒng)。在對食品安全監(jiān)管工作詳細(xì)調(diào)研的基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)功能模塊、數(shù)據(jù)庫和安全性設(shè)計及系統(tǒng)測試,獲得了運行良好的食品監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)傳輸功能給決策層提供了快速響應(yīng)和提前預(yù)警的便利服務(wù)。

云計算服務(wù)平臺以其擁有大規(guī)模計算的優(yōu)勢,在生鮮食品冷鏈物流方面的作用尤為突出。在冷藏食品包裝或運輸車中安裝食品環(huán)境實時監(jiān)控系統(tǒng),將實時環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送至云中心服務(wù)器[35],實現(xiàn)生鮮食品實時存儲環(huán)境如溫度、濕度、CO2濃度等條件參數(shù)進(jìn)行有效監(jiān)控、庫存管理和運輸車輛調(diào)度的優(yōu)化[33],提高物流效率。張馳等[36]基于云服務(wù)及組件集成技術(shù)設(shè)計了涵蓋生鮮果品、蔬菜、冷鮮肉等領(lǐng)域的生鮮農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流云服務(wù)系統(tǒng)。通過完善異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)檢測設(shè)備統(tǒng)一接入、軟件資源復(fù)利用和快速響應(yīng)用戶需求等方面,使得冷鏈物流信息化水平不斷提高,實現(xiàn)對生鮮食品冷鏈物流行業(yè)的資源進(jìn)行高度整合以及充分利用,滿足不同企業(yè)個性化需求,降低企業(yè)負(fù)擔(dān),達(dá)到經(jīng)濟效益最大化。

3.3 食品安全溯源系統(tǒng)與大數(shù)據(jù)平臺開發(fā)應(yīng)用

在農(nóng)業(yè)與食品安全信息化過程中,國內(nèi)外在食品溯源系統(tǒng)和大數(shù)據(jù)平臺建設(shè)方面的研究和應(yīng)用均投入了大量資源。各級政府從政策文件上就給予大力支持。美國于2002年6月12日正式實施了《反生物恐怖法》(USFDA,2002),要求所有食品以及每一批次食品都能被跟蹤(從農(nóng)田到餐桌)和被追溯(從餐桌到農(nóng)田);中國北京市出臺《2008年北京奧運食品安全行動綱要》,首先以蔬菜、豬肉等食品試點,加貼電子標(biāo)簽實現(xiàn)奧運食品全程追溯[37];中國上海市2015年頒布《上海市食品安全信息追溯管理辦法》,旨在進(jìn)一步強化本市食品安全信用體系建設(shè)。

云計算技術(shù)在食品安全溯源系統(tǒng)和大數(shù)據(jù)平臺的開發(fā)應(yīng)用起步較晚,但也有不少專家開發(fā)出基于云計算技術(shù)的食品安全監(jiān)控的平臺。邱榮洲等[38]開發(fā)一種食用菌安全生產(chǎn)管理與質(zhì)量溯源系統(tǒng),探索出企業(yè)“生產(chǎn)有記錄、過程留痕跡、質(zhì)量能追溯、產(chǎn)品可召回”的安全生產(chǎn)管理模式。黎建輝等[10]采用云計算、云存儲、分布式計算框架等功能組合搭建全球食品安全信息監(jiān)控與分析云平臺,實現(xiàn)了食品安全信息瀏覽、食品事件預(yù)警、統(tǒng)計分析和報告管理等功能,且成功地在礦泉水水源臟、注水肉、保鮮膜中塑化劑等食品安全問題。肖輝[39]等研究應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、云計算等最新技術(shù)建立一個權(quán)威的基于食品健康的信息收集、存儲、整合、分析和發(fā)布的食品安全健康大數(shù)據(jù)平臺構(gòu)想,以解決食品供應(yīng)鏈過程中有關(guān)食品供應(yīng)與健康保障的銜接問題和生產(chǎn)者、消費者、監(jiān)管部門和醫(yī)療機構(gòu)等相關(guān)者之間的信息不對稱問題,實現(xiàn)各個環(huán)節(jié)上的信息共享,發(fā)揮協(xié)同效應(yīng),提高數(shù)據(jù)有效供給,保障整個食品健康鏈的安全,但該大數(shù)據(jù)平臺仍處于理論研究階段,真正實現(xiàn)應(yīng)用還需更多關(guān)鍵技術(shù)的優(yōu)化;刁海亭等[40-41]采用云計算、物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代信息技術(shù),結(jié)合以GIS功能制作的蔬菜質(zhì)量安全相關(guān)空間數(shù)據(jù),建立起蔬菜質(zhì)量安全預(yù)警與追溯平臺,形象展示了蔬菜從開始種植到最后銷售所有環(huán)節(jié)的信息。陳聯(lián)誠等[42]設(shè)計出包括私有云、追溯和無線傳感網(wǎng)絡(luò)環(huán)境信息采集等三大子系統(tǒng)的食用農(nóng)產(chǎn)品安全追溯系統(tǒng),獲得系統(tǒng)網(wǎng)站性能的增強和網(wǎng)站響應(yīng)速度提升33%,而企業(yè)也可以在該追溯系統(tǒng)上發(fā)布產(chǎn)品和溯源查詢,實現(xiàn)資源共享及企業(yè)信息化成本的有效控制?？梢?基于云計算開發(fā)的追溯系統(tǒng)平臺正逐步在食品生產(chǎn)上發(fā)揮重要作用。

基于云計算的食品安全溯源系統(tǒng)和大數(shù)據(jù)平臺,減少了溯源數(shù)據(jù)庫本地服務(wù)器存儲數(shù)據(jù),提高了溯源速度,降低了平臺維護成本,確保所建平臺具有可擴展性和伸縮性,有效實現(xiàn)食品生產(chǎn)、流通到餐桌及后續(xù)飲食健康等一些列環(huán)節(jié)的監(jiān)控數(shù)據(jù)存儲、管理控制和大數(shù)據(jù)分析等功能。此外,大數(shù)據(jù)平臺不僅可為食品安全管理信息化提供理論和技術(shù)參考,而且可為食品安全追蹤和溯源提供數(shù)據(jù)和決策支持。同時,還有助于輔助政府、企業(yè)等組織實施食品流通的高效管理及進(jìn)一步方便消費者通過網(wǎng)絡(luò)和手機客戶端了解掌握食品生產(chǎn)相關(guān)信息數(shù)據(jù),促進(jìn)信息的互通共享,避免食品安全問題的發(fā)生,保障人民群眾生命健康。

4 存在問題和優(yōu)化路徑

基于現(xiàn)代信息技術(shù)的食品安全云服務(wù)平臺的出現(xiàn)給食品安全領(lǐng)域帶來了新的活力,傳達(dá)了更多的食品安全意識。但該類云服務(wù)平臺處于理論研究階段居多,部分已獲得初級應(yīng)用產(chǎn)品,真正實現(xiàn)高效和完整的食品安全信息監(jiān)控需亟待解決一些技術(shù)和管控機制的問題。

4.1 信息采集的快速檢測技術(shù)亟待更新

中國人口眾多,生鮮蔬菜、肉制品、蛋奶類制品消費量巨大,其檢測和監(jiān)控的工作量巨大,迫切需要改進(jìn)檢測方法,滿足快速而準(zhǔn)確的要求。傳統(tǒng)檢測方法具有檢出限低、準(zhǔn)確度高等優(yōu)點,但同時也有耗時長、儀器不易攜帶、操作復(fù)雜、耗材成本高等諸多缺點。由于食品保質(zhì)期短、分布廣等特殊性,傳統(tǒng)檢測方法通常無法滿足大量、快速、及時、簡便的要求。同時,由于激素、抗生素類藥物的使用,導(dǎo)致環(huán)境中增加了大量藥品污染物及其代謝物,目前此類污染物大部分的潛在危害還未知,有可能通過源頭環(huán)境進(jìn)入食物鏈。由于此類新型污染物種類繁多,開發(fā)傳統(tǒng)檢測方法需要耗費大量的人力、物力及財力。酶聯(lián)免疫吸附分析方法(ELISA膠體金檢測法)作為新型快速檢測方法,與傳統(tǒng)方法相比不僅方法研發(fā)速度更快、成本更低,還具有特異性強、靈敏度高、分析容量大、檢測周期短、操作簡單等優(yōu)點,能夠滿足低成本和高檢測量的要求,實現(xiàn)對種類繁多、分布廣泛污染物的篩選、方法開發(fā)、快速檢測和實時監(jiān)控[43-44]。另外,新的生鮮食品快速無損檢測技術(shù)——光譜分析技術(shù)在生鮮肉營養(yǎng)品質(zhì)、食用品質(zhì)、加工品質(zhì)和安全品質(zhì)等檢測的應(yīng)用,實現(xiàn)了生鮮食品質(zhì)量安全檢測無需預(yù)處理、易操作、無損壞、測試重現(xiàn)性好和在線分析且效率高等功能特點;改進(jìn)了感官、理化和微生物檢驗等傳統(tǒng)肉品檢測方法存在的檢測效率低、耗時長、食品損壞大等問題[45]。光譜技術(shù)通過與機器視覺和超聲波等新型無損檢測技術(shù)的有機融合,將實現(xiàn)在線檢測評價生鮮肉品質(zhì)安全的目標(biāo)。由此可知,以ELISA膠體金技術(shù)和光譜分析技術(shù)為基礎(chǔ)的食品安全快檢設(shè)備是食品安全檢測的發(fā)展方向。

4.2 信息的融合和本體轉(zhuǎn)化

食品安全信息網(wǎng)中的海量數(shù)據(jù)分布在不同的數(shù)據(jù)庫中,來自不同傳感器、檢測終端和不同語義集信息源,如與食品原料生產(chǎn)和流通的溫度、激素種類和濃度、光照、濕度、污染源種類和濃度、氣體濃度比例、時間和空間信息等眾多參數(shù)信息組合存在異構(gòu)數(shù)據(jù)源模式和語義異構(gòu)問題,實現(xiàn)該類數(shù)據(jù)源的互操作是云服務(wù)平臺建立的基礎(chǔ)。在此過程中如何引入不同模型理論、神經(jīng)算法網(wǎng)絡(luò)、計算機資源等建立起完善的預(yù)測和檢測模型,才能實現(xiàn)模型的高效使用和食品安全快速評估功能。同時,基于不同實驗室信息管理系統(tǒng)的檢測檢驗數(shù)據(jù)源,需要對具體的信息進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)范的本體轉(zhuǎn)化,實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的精準(zhǔn)查詢,有助于不同系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換和融合。

4.3 加強食品企業(yè)信息化建設(shè)

據(jù)不完全統(tǒng)計,截止2016年2月份經(jīng)過行業(yè)監(jiān)管部門和工商管理部門登記注冊過的食品企業(yè)全國約320萬家,規(guī)模在一個億以上的企業(yè)占比不足1.5%,主要是中小型規(guī)模企業(yè)[46]。目前,中國有部分食品龍頭企業(yè)已走上國際化道路,部分產(chǎn)品已為國際市場所接受,但整體看來,中國的食品生產(chǎn)加工企業(yè)基礎(chǔ)還比較薄弱,量大面廣、技術(shù)簡單、規(guī)模體量小、低層次雷同企業(yè)多,普遍存在整體素質(zhì)不高、生產(chǎn)經(jīng)營管理不規(guī)范、安全隱患多等問題[46]。造成這一現(xiàn)象的主要原因,除食品企業(yè)門檻較低、缺乏高技術(shù)人才之外,另一個因素是企業(yè)缺乏對食品安全信息化的認(rèn)識,未能充分利用最新信息技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)等提高食品企業(yè)生產(chǎn)和管理水平;再次是,各個計算機軟件功能無法實現(xiàn)鏈接,從而導(dǎo)致信息傳遞不暢,無法實現(xiàn)信息及時共享[37]。當(dāng)下情況,大部分企業(yè)仍然停留在基礎(chǔ)管理的信息化階段,高水平管理信息化還需要推廣到?jīng)Q策支持、質(zhì)量管理、產(chǎn)品溯源等方面,充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)用于企業(yè)提高產(chǎn)品質(zhì)量、提升管理決策水平、建立食品安全溯源的重要手段。

4.4 功能完善且安全的云服務(wù)平臺開發(fā)

目前,國內(nèi)在食品安全云服務(wù)領(lǐng)域的研究還處于起步階段,部分試用的檢測系統(tǒng)、溯源系統(tǒng)或初始設(shè)備被證實有部分應(yīng)用價值[9-10,39],但仍存在很多復(fù)雜的問題如運行低效、安全信息發(fā)布渠道不暢和數(shù)據(jù)存儲安全及隱私保護等急需解決,并沒有功能完善且安全的云服務(wù)產(chǎn)品和系統(tǒng)[47-49]。食品安全云服務(wù)平臺實施監(jiān)控過程的真實性、一致性和系統(tǒng)性問題仍然沒有得到解決,缺乏有效且不間斷的信息傳遞載體和軟硬件計算分析系統(tǒng);另外,食品安全信息的快速檢測和互聯(lián)網(wǎng)載體的食品安全文本信息的有效抓取及垃圾信息的排除與云計算載體存在多系統(tǒng)整合問題都需獲得有效解決。因此,基于物聯(lián)網(wǎng)和云計算及大數(shù)據(jù)功能的食品安全云服務(wù)平臺,需要建立多維(多時態(tài),地理空間,多屬性)食品檢測參數(shù)的實時分析系統(tǒng),并依據(jù)評估指標(biāo),綜合評估食品的安全性,進(jìn)一步依據(jù)地理信息的時空建模理論,建立食品安全信息的長期歷史檔案,提供可靠的存儲、管理模式等技術(shù)支撐。同時,從環(huán)境、用戶、數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)四個方面構(gòu)建多維信息安全模型,來保障食品信息的機密性、完整性和可行性。

5 總結(jié)與展望

隨著社會分工越加明細(xì),食品從農(nóng)田到消費者飲食乃至后續(xù)對消費者健康的影響等各環(huán)節(jié)日益復(fù)雜,在食品供應(yīng)全球化、人口流通加快、氣候環(huán)境變化加劇和食源性病菌迅速傳播的大環(huán)境下,食品被污染的可能性明顯增大,導(dǎo)致食品安全問題的發(fā)生成為大概率事件。政府管理部門和食品生產(chǎn)企業(yè)在食品安全管理中所承擔(dān)的任務(wù)和面臨的問題,無論在廣度、深度、復(fù)雜程度上都是前所未有[50]。為此,采用新一代信息技術(shù)資源,充分發(fā)揮空間統(tǒng)計工具在食品安全領(lǐng)域的重要功能應(yīng)用[51],對食品全產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)乃至餐桌后環(huán)節(jié)(食品對消費者健康的影響環(huán)節(jié))實現(xiàn)自動化信息采集與分析、管理和決策,及時預(yù)警潛在風(fēng)險和發(fā)現(xiàn)即時問題,實現(xiàn)食品從生產(chǎn)到餐桌以及餐桌后的每一環(huán)節(jié)的可監(jiān)控和可追溯性。

在城市化加速形成、全民關(guān)注食品安全及健康的時代背景下,食品安全管控與全民健康保障密切關(guān)聯(lián)。特別是城鄉(xiāng)居民生活的轉(zhuǎn)變促使人類與食品的關(guān)系更加復(fù)雜,在快速城市化的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)食品安全需要更全面的了解城市和食物系統(tǒng)之間的緊密關(guān)系[5]。食品安全云服務(wù)平臺集信息采集、存儲、分析、發(fā)布和溯源等功能,能夠解決食品全產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)及后續(xù)健康醫(yī)療過程中的生產(chǎn)者、運營者、消費者、監(jiān)管者及醫(yī)療機構(gòu)乃至第三方評估機構(gòu)之間的信息滯后和不對稱問題,實現(xiàn)食品的預(yù)警和嚴(yán)控、嚴(yán)檢、嚴(yán)查、嚴(yán)管和嚴(yán)防,切實保障食品安全和品質(zhì)。其應(yīng)用前景廣闊,可進(jìn)一步推廣至政務(wù)、三農(nóng)服務(wù)、氣候環(huán)境與海洋監(jiān)測和高校教育資源等信息化建設(shè)領(lǐng)域。隨著基礎(chǔ)設(shè)施的完善和信息技術(shù)的進(jìn)步,食品安全云服務(wù)平臺將會在食品全產(chǎn)業(yè)鏈信息化建設(shè)中廣泛應(yīng)用,這對當(dāng)前復(fù)雜環(huán)境劇增的食品安全風(fēng)險、提前預(yù)警食品安全事故發(fā)生和促進(jìn)全民健康均具有十分深遠(yuǎn)的作用和意義。

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Advances in application of cloud service platform in the field of food security based on information technology fusion

YAN Bin1,2,LI Wei-zheng1,LIANG Yan1,3,ZHANG Qing-ling1,3, ZHOU Qi-ming1,4,CHEN Han-ming5,CHEN Hong-yun6，*

(1.Shenzhen Institutes of Advanced Technology,Chinese Academy of Sciences,Shenzhen 518055,China; 2.Shenzhen TF-CAS Technology Co.,Ltd.,Shenzhen,518109,China; 3.Xinjiang Institute of Ecology and Geography,Chinese Academy of Sciences,Urumqi 830011,China; 4.Department of Geography,Hong Kong Baptist University,Hong Kong 999077,China; 5.Shenzhen 50 degrees below zero Group Co.,Ltd.,Shenzhen 518111,China; 6.Triumphant Force Technology(Shenzhen)Co.Ltd.,Shenzhen 518040,China)

With in-depth development of the technologies of cloud service platform,they have been increasingly applied in the field of food safety regulation. This paper first introduced the technology basis of cloud services platform to implement application in the field of food safety,a more comprehensive summarization and analysis of the application and research status of that platform in food industry during recent years were given,such as monitoring for food production and manufacturing,regulation for circulation,tracking and traceability as well as big database construction,etc. The existing deficiencies and a good route of optimize were also discussed. Furthermore,the application prospects of cloud services platform on food safety were put forward.

information technology;internet of things;cloud computing;big data;cloud service platform;food security

2016-10-28

晏斌(1962-)，男，博士，研究員，研究方向：食品/環(huán)境微生物與生物信息學(xué)，E-mail：yanbinai6017@yahoo.com。

*通訊作者:陳宏運(1984-)，男，碩士，工程師，主要從事植物農(nóng)產(chǎn)品深加工產(chǎn)品的開發(fā)研究，E-mail：304031137@qq.com。

深圳市科技計劃項目(CXZZ20150422152108120)；深圳市科技計劃項目(CXZZ20150504150105135)；中國科學(xué)院“百人計劃”(A類)項目([2014]No.63.)。

TS201.1

A

1002-0306(2017)11-0385-06

10.13386/j.issn1002-0306.2017.11.066