感官數(shù)字化在應(yīng)急演練中的應(yīng)用

王佳寧，趙瑛博，陶冬冰，白 冰，鄭 艷

（沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，遼寧沈陽 110866）

食品是人類賴以生存和發(fā)展的最基本的物質(zhì)條件。隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，在滿足溫飽的前提下，人們對食品安全的關(guān)注度日益增高。食品安全與人民生命健康息息相關(guān)，是基本的民生問題和重大的經(jīng)濟(jì)問題。安全的食品環(huán)境是社會經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展的必備條件之一。從田間到餐桌涵蓋了種植、養(yǎng)殖、加工、保存、運(yùn)輸、銷售、消費(fèi)等環(huán)節(jié)，任何環(huán)節(jié)產(chǎn)生的食品安全風(fēng)險都會沿著產(chǎn)業(yè)鏈傳導(dǎo)，并最終損害消費(fèi)者利益，動搖國民經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)[1]。近年來，盡管我國政府不斷加大對食品企業(yè)的監(jiān)管力度，但由于食品供應(yīng)鏈長、風(fēng)險傳導(dǎo)快、監(jiān)管難度高，食品安全問題仍時有發(fā)生[2]。

2011 年10 月5 日修訂的《國家食品安全事故應(yīng)急預(yù)案》明確食品安全事故是指食物中毒、食源性疾病、食品污染等源于食品，且對人體健康有危害或者可能有危害的事故；食品安全事故共分4 級，即特別重大食品安全事故（Ⅰ級）、重大食品安全事故（Ⅱ級）、較大食品安全事故（Ⅲ級） 和一般食品安全事故（Ⅳ級）。2015 年，中華人民共和國衛(wèi)生部頒布了新的《食品安全法》。新法總則中明確提出“食品安全工作實(shí)行預(yù)防為主、風(fēng)險管理、全程控制、社會共治，建立科學(xué)、嚴(yán)格的監(jiān)督管理制度”。由于食品安全突發(fā)事件具有爆發(fā)急、波及廣、影響大、危害重的特點(diǎn)，黨的十九大把防范化解食品安全重大風(fēng)險作為決勝全面建成小康社會三大攻堅戰(zhàn)的首要戰(zhàn)役。2018 年，經(jīng)國務(wù)院批準(zhǔn)成立國家市場監(jiān)管總局，主管全國食品安全；并成立應(yīng)急管理部，統(tǒng)籌領(lǐng)導(dǎo)全國安全應(yīng)急管理工作。新機(jī)構(gòu)的設(shè)置表明國家對食品安全突發(fā)事件的高度重視，在此形勢下，針對于食品安全突發(fā)事件的應(yīng)急演練工作顯得尤為重要。通過開展應(yīng)急演練活動，在事件真正發(fā)生前暴露預(yù)案和程序的缺陷，提高各級預(yù)案之間的協(xié)調(diào)，加強(qiáng)不同應(yīng)急部門、機(jī)構(gòu)之間的協(xié)調(diào)合作，明確各自的崗位和職責(zé)，提高應(yīng)急人員的熟練程度和技術(shù)水平，增強(qiáng)公眾對突發(fā)事件的信心和應(yīng)急意識[3]。此外，利用感官數(shù)字化新技術(shù)對食品進(jìn)行分析以減少此類突發(fā)事件的發(fā)生，做到預(yù)防為主、科學(xué)檢驗(yàn)、系統(tǒng)監(jiān)控，進(jìn)而從根本上實(shí)現(xiàn)食品安全的“社會共治”。

1 感官數(shù)字化在食品質(zhì)量檢測中的應(yīng)用

感官數(shù)字化是指利用數(shù)字化手段模擬人的感官功能，對數(shù)據(jù)進(jìn)行識別和分析，將模糊信息定量化，具有所需樣本量要求小、操作簡便、精確、敏捷、便捷等特點(diǎn)，有效縮短了檢測時長，提高了檢測效率[4]，如電子鼻、電子舌、電子眼、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等。近年來，發(fā)生的多起食品安全突發(fā)事件反映出我國食品檢測體系存在的不足和問題，因此加強(qiáng)和完善我國食品安全檢測技術(shù)體系，顯得尤為重要和迫切[5]。食品質(zhì)量的檢測主要包括人工感官評價和理化指標(biāo)檢測。人工感官評價實(shí)用性強(qiáng)、操作簡單，易受周圍環(huán)境及經(jīng)驗(yàn)的影響、一致性差、評價結(jié)果具有較強(qiáng)的主觀性。理化指標(biāo)檢測的結(jié)果客觀可信，但操作復(fù)雜、檢測時間長、成本高等缺點(diǎn)。感官數(shù)字化技術(shù)的出現(xiàn)，在食品品質(zhì)監(jiān)控、食品評價、食品安全監(jiān)測等領(lǐng)域顯示出巨大的潛力。

1.1 電子舌在食品檢驗(yàn)中的應(yīng)用

電子舌是以用類脂膜作為味覺傳感器[6]，分析固體、液體的氣味變化，該技術(shù)可應(yīng)用于食品的味道評價及比較[7]、溯源[8]、質(zhì)量分級[9]、摻偽鑒別和加工過程監(jiān)測[10-11]。Paup V D 等人[12]發(fā)現(xiàn)應(yīng)用傳統(tǒng)感官評價方法對含辛辣化合物的食品進(jìn)行分析時，十分容易造成分析人員的感官疲勞，影響結(jié)果的準(zhǔn)確性，而采用電子舌分析技術(shù)則可快速準(zhǔn)確地對不同種、不同濃度辛辣化合物進(jìn)行有效區(qū)分。Schlossareck C等人[13]在研究辣味帕內(nèi)爾奶酪風(fēng)味時，同樣發(fā)現(xiàn)了人體感官在受到辛辣物質(zhì)刺激時易出現(xiàn)疲勞現(xiàn)象，即使在最大程度減少疲勞的情況下，分析人員仍無法準(zhǔn)確區(qū)分不同濃度的辛辣化合物，而電子舌對其的鑒別度高達(dá)93%，因此在實(shí)際應(yīng)用中，可用電子舌技術(shù)或結(jié)合感官評價方法分析辛辣食品。Lipkowitz J B 等人[14]應(yīng)用電子舌分析全脂契達(dá)奶酪老化后風(fēng)味的變化，結(jié)果表明電子舌比感官評價人員更及時、敏感的發(fā)現(xiàn)和識別到奶酪風(fēng)味的變化，且具有更客觀、靈敏度高等優(yōu)勢。Thiago R.L.C.Paixao 等人[15]應(yīng)用電子舌檢測牛奶是否摻假，試驗(yàn)以純牛奶、稀釋牛奶和添加了過氧化氫的牛奶為研究對象，應(yīng)用電子舌進(jìn)行檢測，結(jié)果顯示出明顯的差異性，說明電子舌能準(zhǔn)確檢測食品摻假問題。

電子舌常用來檢測食品中的味覺物質(zhì)，在食品檢驗(yàn)中的應(yīng)用十分廣泛，能夠快速鑒別食品的種類，判斷食品質(zhì)量，識別食品摻假問題，保障食品安全，電子舌技術(shù)對食品行業(yè)的發(fā)展起到重要的推動作用。目前，如何減小電子舌設(shè)備的體積，提高機(jī)器的檢測速率和精準(zhǔn)度，減小檢測誤差，還是科研人員的研究重點(diǎn)。

1.2 電子鼻在食品檢驗(yàn)中的應(yīng)用

電子鼻可識別食品中不同的揮發(fā)性成分，以鑒別食品的摻假情況，區(qū)分食品品種，檢測其新鮮度等。Tian Xiaojing 等人[16]為檢測羊肉餡的摻假情況，采用傳統(tǒng)技術(shù)與電子鼻技術(shù)相結(jié)合的方法，通過對肉餡中揮發(fā)性成分的測定，電子鼻能夠準(zhǔn)確識別羊肉餡中的豬肉成分及其含量，在食品摻假檢測中具有廣闊前景。Zheng Xianzhe 等人[17]應(yīng)用電子鼻對4 個不同品種的長粒水稻進(jìn)行檢測，通過對水稻氣味的分析，顯示出不同品種水稻在香氣成分上存在較大差異。Nurjuliana M 等人[18]以豬肉、其他肉類和肉制品為研究對象，利用電子鼻對其中的揮發(fā)性成分進(jìn)行測定，結(jié)果表明電子鼻可有效識別肉的種類。Tian Xiuying 等人[19]應(yīng)用電子鼻檢測貯藏于15，10，5 ℃條件下帶魚和豬肉的新鮮度，通過對總揮發(fā)性鹽基氮（TVB-N） 的測定可分析帶魚和豬肉的腐敗過程。TVB-N 也是表征雞蛋新鮮度的重要指標(biāo)，Liu Peng等人[20]利用電子鼻測定常溫貯藏期雞蛋的TVB-N 含量，結(jié)果表明電子鼻能區(qū)分不同貯藏期的雞蛋以評價其新鮮度。卞瑞姣等人[21]應(yīng)用電子鼻技術(shù)對冷藏不同天數(shù)的秋刀魚氣味進(jìn)行分析，結(jié)果表明隨著冷藏時間的延長，秋刀魚的氣味特征發(fā)生顯著變化，顯示出明顯的魚腥味和酸敗味。Guo Hu- ihua 等人[22]發(fā)現(xiàn)電子鼻可區(qū)分新鮮和不新鮮的桃子，且具有操作簡便、檢測快速、準(zhǔn)確度高、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)。

近年來，電子鼻技術(shù)得到了快速的發(fā)展，在肉類、水產(chǎn)品、果蔬等食品行業(yè)的應(yīng)用十分廣泛，利用電子鼻技術(shù)結(jié)合其他檢測方法對食品的氣味進(jìn)行檢測，就可以鑒別食品的質(zhì)量，特別是對食品新鮮度的檢測，顯示出速度快、精度高等優(yōu)勢。但電子鼻技術(shù)還存在一定的局限性，如易受環(huán)境影響，穩(wěn)定性差、適用范圍有限等，這些問題還需要進(jìn)一步解決，但隨著科學(xué)技術(shù)手段的發(fā)展，未來電子鼻技術(shù)的應(yīng)用將更加廣泛。

1.3 電子眼在食品檢驗(yàn)中的應(yīng)用

電子眼可用于檢測食品顏色、形狀的細(xì)微變化，具有靈敏度高的特點(diǎn)，開始逐漸應(yīng)用于食品檢驗(yàn)中。李成吉等人[23]建立核桃外觀模型，利用計算機(jī)視覺系統(tǒng)對核桃的外觀缺陷進(jìn)行識別，結(jié)果顯示該系統(tǒng)可快速準(zhǔn)確地識別正常、黑斑、破損核桃，可用于核桃的篩選分級。黃星奕等人[24]采用計算機(jī)視覺結(jié)合電子鼻技術(shù)對菠菜新鮮度進(jìn)行無損檢測，分析貯藏期內(nèi)菠菜中葉綠素含量的變化，顯示出檢測速度快、成本低等優(yōu)勢。目前，電子眼在預(yù)測水果的成熟方面已取得較大進(jìn)展，通過對木瓜[25]、蘋果[26]、香蕉[27]的果皮顏色特征進(jìn)行檢測以預(yù)測其成熟，準(zhǔn)確度可達(dá)85%以上。R Quevedo 等人[28]以香蕉果皮紋理作為其成熟程度的指標(biāo)，用計算機(jī)視覺系統(tǒng)記錄香蕉表皮的變化，隨著紋理的增加，香蕉成熟度隨之增加。

食品的外觀是其重要的感官特征，極大地影響其市場價值，也是影響消費(fèi)者選擇的關(guān)鍵因素。目前，市場中還有很大一部分的食品企業(yè)采用人工進(jìn)行分級篩選、質(zhì)量檢測，這種方法存在主觀性強(qiáng)、耗時、成本高等問題。近年來，研究人員基于食品的尺寸、顏色、質(zhì)地、形狀等設(shè)計了各種電子眼系統(tǒng)，用來取代人工評價，進(jìn)行食品的質(zhì)量缺陷檢測，具有人工檢測無法比擬的優(yōu)勢。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在應(yīng)急演練中的應(yīng)用

食品安全突發(fā)事件頻發(fā)，凸顯了政府及相關(guān)部門在事故應(yīng)急處理方面存在的預(yù)防機(jī)制不健全、應(yīng)急預(yù)案不合理、培訓(xùn)演練不到位等諸多問題。食品安全事故發(fā)生后，應(yīng)急處理措施不當(dāng)，不僅會危害人們的生命安全，也會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[29]。因此，有針對性地開展應(yīng)急演練顯得尤為重要。但傳統(tǒng)的應(yīng)急演練由于場地緊缺、設(shè)施落后、方式不當(dāng)?shù)榷喾N因素，演練效果不明顯，對公眾的教育意義有限。所以，在食品安全監(jiān)管的新形勢下，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR 技術(shù)） 不僅可以解決上述問題，同時還會極大地增強(qiáng)相關(guān)人員及消費(fèi)者的現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)感。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是通過借助計算機(jī)手段模擬一個三維空間，為參與人員提供聽覺、視覺、嗅覺、觸覺等多種感官的實(shí)時模擬與實(shí)時交互，讓參與人員能夠沉浸到計算機(jī)所創(chuàng)建的系統(tǒng)中，利用多種傳感器與多維化的信息環(huán)境發(fā)生交互作用，從虛擬環(huán)境信息中獲取感性和理性的認(rèn)識[30]。應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)急演練系統(tǒng)進(jìn)行突發(fā)事件應(yīng)急處理、訓(xùn)練，解決了傳統(tǒng)應(yīng)急演練中存在的多種問題，可實(shí)現(xiàn)突發(fā)事件應(yīng)急救援模擬演練，彌補(bǔ)實(shí)訓(xùn)演練中資源緊缺的客觀局限，總體投入成本少、對環(huán)境污染小、安全性高，可對演練任務(wù)進(jìn)行多重設(shè)計模擬。虛擬訓(xùn)練環(huán)境更為逼真，使參與人員真正感受突發(fā)事件發(fā)生的情景，參與性更強(qiáng)，通過對模擬突發(fā)事件發(fā)生后各個過程的場景進(jìn)行切換，對參與人員進(jìn)行重點(diǎn)明確的訓(xùn)練。因此，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在應(yīng)急演練中極具發(fā)展前景，近年來該技術(shù)在應(yīng)急演練中的應(yīng)用越來越多，均取得了顯著成效。

目前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要在火災(zāi)、地震等應(yīng)急演練中得到應(yīng)用。隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，大型公共建筑數(shù)量急速增加，但同時存在嚴(yán)重的火災(zāi)隱患，傳統(tǒng)的演練方式耗費(fèi)大量的人力物力，且演練流于形式，效果不明顯。因此，研究人員將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入火災(zāi)應(yīng)急演練，以解決這些問題。張磊[31]以大型高鐵站公共建筑為例，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建模型，建立高鐵站火災(zāi)演練系統(tǒng)，較傳統(tǒng)方式優(yōu)勢明顯，達(dá)到了更好的演練效果。劉林等人[32]將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到消防演練中，建立數(shù)字消防系統(tǒng)并將其應(yīng)用到實(shí)際工作中，有效解決了消防系統(tǒng)的許多問題，顯示出虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)廣闊的應(yīng)用前景。劉敦文等人[33]研究并構(gòu)建了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的隧道火災(zāi)應(yīng)急培訓(xùn)系統(tǒng)，對應(yīng)急救援人員、管理人員進(jìn)行培訓(xùn)，節(jié)約了成本，提高了安全性及相關(guān)人員的應(yīng)急處理能力。蔣國民等人[34]研究了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在石化應(yīng)急演練中的應(yīng)用，企業(yè)員工和消防人員可在系統(tǒng)中對石化事故引起的火災(zāi)、泄露事件進(jìn)行模擬演練，提高企業(yè)對突發(fā)事件的處理能力，保障企業(yè)的安全生產(chǎn)。周柏賈等人[35]研究虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在地震中的應(yīng)用，構(gòu)建了虛擬地震應(yīng)急演練系統(tǒng)，演練人員可在系統(tǒng)模擬出的地震災(zāi)害現(xiàn)場中，對出現(xiàn)的不同情況做出相應(yīng)決策，提升地震應(yīng)急救援人員和管理人員的快速反應(yīng)和應(yīng)急處置能力。

將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入食品安全突發(fā)事件應(yīng)急演練中，建立典型事故模型，對事故現(xiàn)場進(jìn)行模擬。在系統(tǒng)中參與人員可選擇不同的角色，如事故救援人員或應(yīng)急管理決策人員，系統(tǒng)根據(jù)不同角色提供不同的模擬演練任務(wù)，進(jìn)行各類訓(xùn)練，構(gòu)建多角色、多任務(wù)的應(yīng)急演練新系統(tǒng)。應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)急演練系統(tǒng)，無論是在應(yīng)用范圍、時間選擇，還是在演練難易程度和安全性上都有著傳統(tǒng)演練方式所無法比擬的優(yōu)越性。

3 結(jié)語

主要介紹了數(shù)字化感官技術(shù)在食品檢驗(yàn)和應(yīng)急演練中的應(yīng)用。在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建的逼真場景中，參與人員可達(dá)到與真實(shí)演練同樣甚至更好的效果，大大提高了對食品安全事故的應(yīng)急處理能力。同時，電子感官能準(zhǔn)確識別食品中有害成分及其含量，當(dāng)食品安全突發(fā)事件發(fā)生后，利用電子感官結(jié)合其他檢測手段可及時精準(zhǔn)地找出有害成分，遏制事件的進(jìn)一步發(fā)展。感官數(shù)字化技術(shù)顯示出了客觀準(zhǔn)確、靈敏快速、重復(fù)性好、成本低等諸多優(yōu)勢，已廣泛應(yīng)用于許多方面，符合當(dāng)前發(fā)展大趨勢，是具有廣闊前景的新興技術(shù)。

目前，感官數(shù)字化技術(shù)由于發(fā)展還處于初級階段，在許多方面存在不足，如電子感官需要由訓(xùn)練有素的專業(yè)人員進(jìn)行操作，試驗(yàn)過程需要制備大量的樣品，且不能對樣品含量進(jìn)行準(zhǔn)確描述，易受環(huán)境變化影響，數(shù)據(jù)處理方法不成熟等。此外，器械高昂的費(fèi)用和有限的資源也限制了該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)急演練系統(tǒng)由于技術(shù)不成熟、專業(yè)人員缺乏，使其應(yīng)用范圍十分有限。感官數(shù)字化在應(yīng)急演練中的應(yīng)用促進(jìn)了食品安全應(yīng)急管理的研究，對推動我國食品安全應(yīng)急管理能力提升和人才培養(yǎng)具有深遠(yuǎn)意義。隨著科技不斷發(fā)展，感官數(shù)字化技術(shù)將會更加高級智能，在應(yīng)急演練方面的應(yīng)用也會越來越廣泛。