食品质量安全可追溯体系具有许多环节，其中可追溯单元的划分是最为基础的技术环节。可追溯单元是指一批可追溯的对象。这些可追溯单元在生产中被认为是一个整体，有着共同的特征而且独一无二，在任何供应链条中都是产品信息的唯一标识。一般而言，可追溯单元由标识信息和记录信息两部分组成:标识信息的主要功能是确保追溯过程的连续性;记录信息的主要功能是实现企业内部追溯。可追溯单元的大小决定着可追溯系统的精度。可追溯单元大，追溯精度低，召回成本高，但系统的运行成本低;可追溯单元小，追溯精度高，召回成本低，但系统的运行成本高。因此，如何划分可追溯单元，要从产品、技术和经济等多维角度出发，确定追溯的最佳单元，实现追溯系统经济性平衡，从而在产品发生质量问题时实现快速召回，这样既保证产品质量的安全又降低企业损失[3]。
（1）基于单体的可追溯单元划分方法
表2-1商品猪信息
字段
字段名
类型
1
耳标号
nchar
2
圈栏
3
品种品系
4
5
戴标人
6
日期
datetime
为了规范畜牧业生产经营行为，加强畜禽标识和养殖档案管理，建立畜禽及畜禽产品可追溯制度，有效防控重大动物疫病，保障畜禽产品质量安全，从2006年7月1日起，农业部颁布的《畜禽标识和养殖档案管理办法》正式实施。其中畜禽标识编码由畜禽种类代码、县级行政区域代码、标识顺序号共巧位数字及专用条码组成，畜禽标识编码形式为:X（种类代码）-XXXXXX（县级行政区域代码）-XXXXXXXX（标识顺序号）。其中，猪的畜禽种类代码为1。
（2）基于批次的可追溯单元划分方法
批次是指在相似条件下生产、加工或包装的某一追溯目标单元的集合。该划分方法是将同一批次的产品视为一个可追溯单元，采用统一的编码，实现对追溯目标的产地、品质、数量、加工过程等信息的集合管理。这种方法追溯精度低，不能精确到特定环节和个体，但追溯系统运行成本较低，适用于单体价值低、数量多的快速消费类产品。目前，多应用于加工领域，如乳品追溯系统、果蔬产品追溯系统。下面主要以乳制品追溯体系为例详细介绍此划分方法。
产品批次根据生产日期、产品品种进行编号，保证产品批号的唯一标识原料乳和生产批次后，下一步的关键是建立原料乳和产品的批次及数量对应关系。原辅材料与产品之间的批次关联，存在一对一、一对多、多对一、多对多等4种情况。定义追溯复杂度为原辅料批次与产品批次的关联总数量。原辅料用于某批次产品的生产，即认为他们之间存在关联。
优化可追溯单元，可以提高追溯系统精度，有效降低风险扩散和缺陷产品的召回成本。目前，应用最多的优化方法主要有3种，表2-2对3种方法做了比较与分析。
表2-2可追溯单元优化分析与比较
优化方法
面向对象
理论基础
特点
可追溯单元优化流程
批次和单体
业务流程与关键控制点
能够识别关键追溯信息而剔除冗余的追溯信息，优化可追溯单元划分与信息采集，在系统决策支持与智能化方面不足
可追溯单元混合度优化
批次
数学建模
可追溯单元建模
计算机建模
通过计算机建模能够便于对可追溯单元进行分析与描述，利于系统开发
（1）可追溯单元流程优化
首先通过对生产、加工流程进行分析，然后确定产品质量安全的关键控制点分析可追溯单元质量传递关系，确定可追溯单元信息采集与管理，从而优化可追溯单元流程。张建等在对肉类食品供应链追溯单元识别与质量传递关系分析的基础上，确定了肉类食品供应链追溯单元的活动形式，以追溯单元的变迁过程为依据，对肉类食品追溯系统流程进行了优化，为追溯系统开发建立了基础。具体步骤如下：
第一步：原生产系统的实体标识，原生产系统的实体要定义为追溯单元必须对其进行唯一性标识，该标识同生产批次的编号有实质性的区别，一个生产批次可能包含多个追溯单元，同时，一个追溯单元也可能包含在多个生产批次中。
第二步：原生产链图形化描述，标识好生产系统的实体后，需要对生产链进行图形化描述，一般用树结构描述，树的节点表示追溯单元，连接父单元和子单元。
图2-1追溯单元的分解与合成图
第四步：原生产系统的可追溯性分析，根据前面三步的描述，该生产系统可以在一定程度上实现生产过程的追溯，根据标注分解率与合成率的精确程度，实现追溯的精确程度。
第五步：分解(合成)树分析，建立“优化过程区”，如图2-2所示，对每个追溯单元分析，试图以最小的分解率与合成率为基础，优化分解(合成)树。对不同的食品加工过程(考虑经济性和可行性)，不一定都能达到理论最优结果。
第六步：生产过程的改进和优化，根据第五步的优化结果改进生产加工过程，定义追溯记录，选择合适的追溯单元的识别方式，定义追溯数据库，实施追溯系统。
图2-2追溯流程优化过程图
以追溯单元为基础的食品安全追溯系统优化方法明确了追溯单元定义的原则和方法，但对不同的食品加工过程(考虑经济性和可行性)，不一定都能达到理论最优结果，因此要实现快速有效的安全追溯必须在追溯系统中建立追溯单元危害性的隐含因果关系，图4是优化前与优化后的系统图。食品供应链可追溯单元识别与质量传递关系，确定了食品供应链可追溯单元的活动形式，以可追溯单元变迁过程为依据，对食品质量可追溯系统流程进行了优化，从而使可追溯系统更为简洁、实用和高效[5]。
（2）可追溯单元混合度优化
通过建立数学模型，确定优化目标，降低产品批次的混合度，进而寻求最优的可追溯单元传递模型，有效地降低产品质量安全风险扩散和不合格产品的召回成本。
通过建立数学模型可以在M批原料与P个订单的情况下，对原料批次与订单产品批次之间进行合理优化求解出最优的分配方案，可以有效地降低订单产品的原料批次混合程度，达到优化质量追溯精度的目标。再利用多目标优化方法求解最佳方案，并在某龙头水产加工企业验证，有效地缩小原料供应商的责任追踪范围。
本文提出的订单原料批次混合问题模型及解决方法从战略运营与生产操作两个视角对公司起到了一定的作用。从战略运营的角度看，降低订单原料批次混合程度一方面降低了由原料多批混合而产生质量问题的风险，另一方面可以提高质量追溯的精度，降低企业的召回成本及缩小原料供应商责任追踪的范围，提高产品的质量与核心竞争力。从生产操作的角度看，通过对原料批次的调优分配可以对产品生产的周计划或月计划的制定起到一定的指导作用，大大削弱对原有人员经验知识的依赖[6]。
（3）可追溯单元模型建模优化
利用FMECA、Petri网、D型图论、模糊概率等理论，研究可追溯系统建模与优化方法，将UML、XML、可信计算理论模型等建模技术引入可追溯系统建模中，以利于可追溯系统原型开发和提升运算速度。
基于行为建模的因果追溯方法，较好地解决了复杂仿真分析中因果关系追溯问题从仿真结果数据中提取行为及行为之间的因果关系信息，形成输出响应模型，然后以这些输出响应模型为依据，选取符合问题的因果追溯算法进行因果关系追溯，选取适合的知识提取方法提取因果知识，最终对仿真结果作出解释。该方法是一种面向行为的因果分析方式，它的主要特点是能够获取行为原因及其作用过程，分析过程定量化，并最大程度实现了分析过程的规范化和自动化[7]。
表2-3不同追溯信息采集技术比较
采集技术
功能
采集距离
抗污染性
价格
耐用性
信息量
周期性
条码
识别
近
弱
很低
易损
小
一次性
RFID
较远
强
较低
好
较大
循环
WSN
识别/感知
最远
较高
大
TTI
感知
最近
一般
最低
机器视觉
最高
（1）条码技术
1）条码技术概述
条码是将线条与空白按照一定的编码规则组合起来的符号，用于代表一定的字母、数字等资料。在进行辨识的时候，用条码阅读扫描，得到一组反射光信号，此信号经光电转换后变为一组与线条、空白相对应的电子讯号，经解码后还原为相应的字母数字，在传入计算机。条码辨识技术已经相当成熟，其读取的错误率约为百万分之一，首读率大于98%，是一种可靠性高、输入快速、准确性高、成本低、应用面广的资料自动收集技术。
条形码是迄今为止最经济、实用的一种自动识别技术。条形码技术具有以下几个方面的优点：
①输入速度快：与键盘输入相比，条形码输入的速度是键盘输入的5倍，并且能实现“即时数据输入”。
②可靠性高：键盘输入数据出错率为三百分之一，利用光学字符识别技术出错率为万分之一，而采用条形码技术误码率低于百万分之一。
③采集信息量大：利用传统的一维条形码一次可采集几十位字符的信息，二维条形码更可以携带数千个字符的信息，并有一定的自动纠错能力。
④灵活实用：条形码标识既可以作为一种识别手段单独使用，也可以和有关识别设备组成一个系统实现自动化识别，还可以和其他控制设备联接起来实现自动化管理。另外，条形码标签易于制作，对设备和材料没有特殊要求，识别设备操作容易，不需要特殊培训，且设备也相对便宜。
2）一维条码
在日常生活中，若注意观察商品外包装可以发现，上面通常会印有一维条码。其是由条、空、字符构成的，为了达到表示信息的目的，这些条、空、字符都是按照一定规则组成的，如图2-3所示。对光线反射率较低的为条，对光线反射率较高的为空，其可以被特定的设备识读。它的优点有：制作使用成本低、输入方式快、可靠性高、读取方便等。
图2-3一维条码符号
尽管一维条码的流行为信息的传输提供了便捷，但是随着条码技术的应用越来越广，传统一维条码的缺点也逐渐暴露出来。由于一维条码携带信息量有限，只能在一个方向（通常是水平方向）上表示信息，所以信息密度较低，信息容量较小，成为一维条码发展的一个瓶颈。且一维条码仅仅能做到对商品的标识而无法做到对商品进行描述，人们要想知道商品标识的具体含义只能从后台的数据库提取相应的信息，如果没有数据库或网络的地方，商品标识的具体含义无法获得，标识也就没有任何意义。此外，一维条码对于汉字和图像信息的表示无能为力，在需要用到汉字、图像的场合就无法应用了。为了解决这一系列的问题，人们就开发出了二维条码。
2）二维条码
二维条码从一雄条码演变而来，信息容量増长了上百倍，从一维码的几十字节增加到现在的两千字节，并且二维条码可将文字，照片等多种字符进行编码，实现了在没有数据库和网络互连不方便的地方进行信息携带和传递。越来越多的人开始认识和接触二维条码技术。
①PDF417条码
PDF417条码所属的二维码类别为行排式二维条码。之所以被称作PDF417码是因为它的每一个字符都是由4个条和4个空共17个模块构成組。其结构图如图2-4所示。
图2-4PDF417二维码
PDF417编码符号周围一圈为空白区域主要用于识别本编码符号，其中中间区域为多行结构，每一行主要由七部分组成，包括左空白区，起始符，左行指示符，数据区，右行指示符，终止符，右空白区。此编码的纠错能力较强，编码的每一行既涉及到本行的基本信息，同时还记录一些反映位置用于错误纠正的字符的信息。所以，在某种特殊的恶劣环境下，一部分条码遭到损坏时也可以利用条码中的位置码进行相应的纠正从而顺利还原信息。PDF417码错误级别可分为9级，从0到8依次增强[9]。
②MaxiCode
MaxiCode又称为USS-MaxiCode（UniformSymbologySpecificationMaxiCode），由美国著名的包裝邮递公司UPS（UnitedParcelService）特别为满足高速度下物品扫描的需求而专门开发设计的一种二维条码，主要目的是实现对包裹的追踪和搜寻。MaxiCode主要有两部分组成，一部分是相互连接的平行六边形模块，另一部分是位于二维码图片正中必部位的定位图形。其整体结构如图2-5所示。
图2-5MaxiCode码结构图
MaxiCode码的定位图形（FinderPatter)是位于二维码图像正中心位置的三个等间距
的同心圆环。采用这种定位图形和平行六边形蜂巢式模块共同构建MaxiCode，这种图像结构实现了中也对称性，可以使MaxiCode进行全方位无障碍扫描，提升了扫描速度，改善了符号对扫描角度的限制[10]。
③QRCode
QRCode有许多强大的功能，如大容量的信息存储容量，高可靠性及超高的保密防伪性，并且它能够表示文字和图像等多种文本信息除了上述功能外，QRCode码也可以完成一个完整的360度无限制角度的高速读取二维码的操作，并能有效地表达大量的信息[11］。QRCode是专口针对亚洲汉字设计，适应其相应的语言文化环境的特点。尤其对中国汉字信息和日本汉字信息能够进行特殊的优化编码处理。
每一个QRCode二维条码都是一个正方形阵列模块，主要由编码区和功能图形共同构成。编码区域主要用于数据信息的存储，功能图形主要有下几部分组成，分别是位置检测图形、分隔符号、定位图形和校正图形[11］。QRCode符号周围是预留的空白区域宽度至少4个模块，围绕在符号周围，其图像结构，如图2-6所示。
图2-6QRCode的基本特征图
以QR码为例研究手机的二维条码识别技术在农产品质量安全追溯系统中的应用，提出的识别方法和思路略加修改同样也适用于其他二维条码。SymbianOS是目前应用最为广泛的手机操作系统之一，本文以条码生成技术和移动开发技术为基础，研究基于Symbian手机的自动对焦技术、图像处理技术和QR码解码算法等，构建基于手机二维条码识别的农产品质量安全追溯系统。系统架构图如图3.5所示。该系统主要包括4个功能模块:①二维条码图像采集功能模块:控制摄像头的状态(打开、关闭、自动对焦)以捕获食品包装上的二维条码。②图像预处理功能模块:摄像头捕获二维条码图案容易受到光照、角度、与摄像头的距离、摄像头像素数等因素的影响，所得到的二维条码会存在比较明显的歪曲、污损、倾斜等各种噪声和失真，导致不能译码或者错误的译码。为提高其可识读性，需进行灰度化、二值化等预处理。③条码识别功能模块:对预处理之后的条码图像进行倾斜矫正、条码分割和数据译码来识别条码，显示条码中的信息。④二维条码追溯功能模块:根据条码识别的农产品追溯号进行进一步的详细追溯信息查看[12]。
图2-7系统架构图
（2）RFID技术
与其他数据采集形式相比RFID有着很多优势，主要是以下五个优点。
RFID标签不需要像条码标签那样瞄准读取，只需要被置于读取设备形成的电磁场内就可以准确读到，更加适合与各种自动化的处理设备配合使用，同时减少甚至消除因人工干预数据采集而带来的因人力资源、效率降低和生产差错以及纠错而产生的成本。
RFID每秒钟可进行上千次的读取，同时处理许多标签，高效且高度准确。从而使企业能够在概不降低（甚至提高）作业效率，又不增加（甚至减少）管理成本的前提下，大幅度提高管理精细度，让整个作业过程实时透明，创造巨大的经济效益。
RFID标签上的数据可反复修改，既可以用来带载、传递一些关键数据，也使得RFID标签能够在企业内部进行循环的重复使用，将一次性成本转化为长期摊销的成本，进一步节约企业运行成本的同时，降低企业采用RFID技术的风险成本。
RFID标签的识读，不需要以目视可见为前提，因为它不依赖于可见光。因而可以在那些条码技术无法适应的恶劣环境，例如高粉尘污染、野外等环境下使用，进一步扩大自动识别技术的应用范围。
RFID技术能与条码技术混合使用，分别用于同一系统中各自最适合的环节，再加之移动计算技术，并将无线局域网和广域网作为企业有线网络系统的延伸扩展，便能真正让整个企业的所有现场作业流程与各种企业管理信息系统之间实现无缝连接，让作业现场的每一步操作都处在计算机管理信息系统的管理、监督和控制之下，从而使企业花费巨资兴建的管理信息系统的能力得以充分施展，实现整个投资效益最大化。
与传统的条形码等识别技术相比，其最大的特点就是非接触式，因此RFID读写速度快、范围大，能同时识别多个标签，且读写器可以直接与后台的信息系统连接，能够满足自动化管理的需要，RFID标签的存储容量比条形码大得多，且可擦写。除了可以用来标识农产品，还能储存更多有关农产品质量安全的信息，便于对农产品安全实施监控。RFID标签不受油渍、灰尘、药物等环境的影响，尺寸大小与形状多样化，用于农产品的标识，解决了条形码易破损，受环境限制大的缺点。
最近几年，为了提高整个农产品供应链的可追溯性，可读写、低功耗的RFID电子标签逐渐取代传统的只读型条形码。针对农产品在仓储和运输环节的环境参数监测问题，近年来出现了集成传感器的电子标签。该电子标签通过集成相应功能的传感器进而获得温度、湿度、气体浓度等环境参数。由于这种标签能够记录流通过程中的重要参数，进而找到问题出现的根源，降低产品召回率，便于责任认定，避免大规模群体中毒事件的发生。
1）RFID应用系统分类
便携式数据采集系统。它使用带有RFID阅读器的手持式数据采集器采集RFID标签上的数据。这种系统具有比较大的灵活性，适用于不宜安装固定式RFID系统的应用环境。
物流控制系统。在物流控制系统中，RFID阅读器被分散布置在既定的区域，阅读器直接与数据管理信息系统相连，而信号发射机是移动的，一般安装在移动的物体、人上面。当物体、人流经阅读器时，阅读器自动扫描标签上的信息并传送到数据管理信息系统以供存储、分析和处理，达到控制物流的目的。
定位系统。用于自动化加工系统中的定位以及车辆、轮船等的运行定位。阅读器放置在移动的车辆、轮船上或者自动化流水线中移动的物料、半成品、成品上，信号发射机嵌入到操作环境的地表下面。信号发射机上存储有位置识别信息，阅读器一般通过无线或有线的方式连接到主信息管理系统[14]。
下面用2个具体案例来描述条码技术与RFID技术在食品安全追溯系统中相结合来保证信息的完整追溯。
①案例1.
RFID技术
屠宰阶段：在屠宰线挂猪的扁担钩上安装RFID电子标识，对屠宰线进行改造，在信息采集点安装读写装置，读取扁担钩RFID电子标识的存储信息，完成追溯信息由养殖场到屠宰厂的传递。
条码技术
流通阶段：由于流通、销售环节需要高速的读取大量白条肉信息，并同时具有低成本需求，因此我们采用可重复利用的PVC条码绑带标签，实现流通阶段个体识别，条码绑带在售出后可回收，大大地降低了成本。出库时采用手持条码读取设备读取白条肉上的绑带标签；在超市接收白条肉也用手持条码设备。考虑到出库处信息采集的环境（低温、潮湿、多霜），手持条码扫描设备充分满足实用需求[8]。
②案例2
针对实际中个体电子标识成本较高等问题，目前，我国对生猪标识普遍采取耳标与条形码相结合的方法，在保留塑料耳标的前提下，增加了与数字编码一致的二维码。与原来相比，在成本增加不多的基础上大大提高了耳标的自动识别水平。但是，相对于电子标识读取方式来说还是不够灵活，另外塑料耳标还有消耗、破坏、受环境影响等问题。目前国内先进的技术有RFID、DNA分型及视网膜识别等。RFID的成本较高，对操作人员的技术要求也比较高。就目前我国以散养为主的养殖方式来说，大面积推广应用电子标识还有一定的经济困难。
图2-8猪肉产品全程可追溯工作原理示意图
（3）WSN技术
无线传感器网络节点的优化部署研究可以有效提高传感器网络覆盖率和降低能耗，增长网络寿命。目前，常用的优化算法有虚拟力算法(VFA)、萤火虫群优化(GSO)、粒子群算法(PSO)、蛙跳算法(SFLA)、混沌果蝇算法（FOA）等，国内的研究者在这些算法的基础上提出了很多WSN布局的优化算法[22]。
表2-4国外不同类型TTI的比较
TTI类型
原理
主要物质
扩散型
利用有色酯质染料的扩散原理
有色酯质染料
根据不同酯质物质的熔点进行响应，并由温度情况决定扩散速率。
聚合反应性
通过生成有色的高聚物的深浅程度
生成高聚物
使用前必须存储在极低的温度环境下，因为在成为产品前就开始相应
酶型
酶催化底物水解产生酸，，导致体系浓度升高引起酸碱指示剂的颜色发生变化
酶
温度的高低直接影响酸碱指示剂的颜色变化
微生物型
它是通过乳酸菌等微生物在生长代谢过程中产酸，引起pH降低而引起酸碱指示剂的颜色变化
乳酸菌等微生物
①电子型TTI
②酶型TTI
（5）机器视觉技术
信息传输是信源将信息经信道传送到信宿，并被信宿所接收的过程。这个过程包括发送、传输和接收。在进行食品质量追溯时，供应链上有多个主体参与，而这些主体一般根据自身业务需要建设各自的追溯系统。这些系统建设时缺乏统一规划，存储的数据是独立、分散的，数据源存在很大差别，形成了众多异构数据，使得各个主体之间的追溯信息传输困难。
然而，可扩展标记语言的产生，使可追溯信息传输已经从最初的不同供应链主体各自设计开发自身的数据传输模式，发展到应用统一的、标准化的信息传输方式。这有效增加了系统的兼容性，提高了可追溯信息的传输效率，实现了不同供应链主体的无缝连接，有助于食品质量安全可追溯体系的顺利实施。可扩展标记语言（Extensiblemarkuplanguage，XML）是一种允许用户根据需要自己定义标记的源语言，具有平台无关性、易于扩展、交互性好和语义性强等特点，是最常见的异构数据库之间进行电子数据交换（Electronicdatainterchange，EDI）与传输的标准[32]。
图2-9产品质量跟踪追溯体系一般模型
为更好地说明跟踪追溯技术中的数据传输过程，这里以产品质量跟踪追溯体系一般模型为例，如图3.8所示。产品质量的跟踪系统包括从产品原料数据输入，各工艺加工数据传输，直到成品销售完成的全过程（如图2-9中从Ⅰ、Ⅱ到Ⅲ）。企业内网（Intranet）的构架，企业中心数据库服务器支撑着产品生产业务过程中的各个环节（点）及节点（KP1，2，…n）上的数据管理。追溯系统则是跟踪系统的逆过程，可依赖于企业外网Extranet、互联网Internet、无线网络传输等，从商品反溯到销售（点）、各环节工艺加工、直至产品原料等上游的每一个生产节点（图3.7中所示从Ⅲ、Ⅱ到Ⅰ）。两者构成一个基于数据传输的完整的产品生产及销售的跟踪追溯体系[33]。
（1）传输过程
1）源点采集的信息传输
网络拓扑结构是指在网络当中设备与传输媒介形成的点与线的物理构成模式，它决定了网络的工作方式和性能。信息的准确获取是食品质量安全追溯的基础，而这些基础信息的获取离不开传感器，因此，合理的传感器选择、布局和优化对信息的准确获取起着决定性作用。传感器布局优化属于典型的集合覆盖和多目标组合优化问题，求解难度较大。
为了改善传感器节点随机部署时的不合理分布，提高网络覆盖效果，许多学者在该领域付出努力并已形成较为成熟的成果。李强懿等将虚拟力算法进行了改造，提出基于证据理论的节点部署方案[34]。宋明智等在标准PSO算法的基础上提出了一种带有动态因子惯性权重的自适应PSO算法，并将其用于解决无线传感器网络覆盖优化问题，提高了网络的最大覆盖率[35]。徐跃州等提出一种简单、高效的混沌果蝇算法，并应用于无线传感器网络的节点布局[36]。周国庆等基于ZigBee设计开发了节能型水产养殖环境监测系统。系统采用了低功耗的节点设计方案和低功耗的软件设计方案，降低了节点的能耗，延长了网络生存周期[37]。
一般，实际信息传输中不同的拓扑结构各有自身的传输特点和应用场景。WSN网络常用的3种拓扑方式分别是星型拓扑结构、树型拓扑结构、网状型拓扑结构。这里以树型拓扑结构的WSN网络为例，对路由节点数据传输情况进行分析说明。
图2-10WSN中数据传输过程
图2-11路由节点数据消减模型
2）工艺加工过程的追溯信息传输
基于二维条码内嵌上游各业务关键节点一维条码的混合条码数据传输技术，实现加工过程的追溯。局域的车间产品数据追溯是车间产品数据跟踪的可逆过程（参照图2-12）。一般地，当产品出现问题，希望系统能迅速、准确的追溯到车间加工的每一个环节（业务节点）。由于采取业务过程中的节点一维条码标识和成品二维条码标识的混合技术，用户通过识别二维条码信息内容，可逐一显示出内嵌的上游各业务节点一维条码信息，反溯出产品的生产业务过程，从而方便地实现车间的局域追溯[38]。
图2-12各加工阶段数据传输模型
3）成品至产品销售后的全程追溯的信息传输
基于本体与XML的数据融合传输技术，实现对物理上分布的企业成品数据的无缝连接和产品信息传输共享，使用户逻辑上面向一个综合的虚拟数据库的操作，从而便捷地实现产品从成品到销售的全程追溯。并且当信息量比较大时，可以结合采用压缩技术。
基于混合条码数据传输追溯技术，更适合于车间产品数据追溯。而普通消费用户、质监部门、供应或销售的上下游企业等的追溯则需要更完善的追溯技术。因此更适合采用主从式的数据传输模式，即一个物理上分布、逻辑上数据融合共享的虚拟数据库体，作为追溯体系的数据层（如图2-13），基于Web，或者基于无线传输单元（WirelessDataTransmitUnit，WDTU），利用GPRS/CDMA网络平台，使所有可追溯点和数据中心的服务器构成一个基于IP的广域网作为网络层，不同用户通过Web或GPRS/CDMA，实现从销售到生产的广域的全程产品追溯。
图2-13主从式数据传输模型
（2）溯源数据的压缩技术
1）压缩传感
追溯信息采集优化可以通过压缩传感，减少所采集的数据，提高传输效率，延长传感器能量与寿命。
压缩传感理论是DonohoD，CandesE及华裔科学家Tao等在2006年提出的一种新的采样理论方法[40]。它不同于常规的Nyquist—Shannon采样，它在采样环节实现了边采样边压缩，使采样频率降低的同时，数据维数也得到了压缩。可以理解为将传统采样方法中的采集与数据压缩两个过程合二为一，如图2-14所示。
图2-14压缩传感过程图
2）压缩传输
①有损压缩传输
②无损压缩传输
（3）安全策略
1）传输安全性要求
采用XML作为Web服务传输数据的方法，那么在Web上传输和存储的XML文档数量将会非常巨大，包含的数据内容也将非常丰富。如果有些数据包含了一些敏感信息，那么就需要考虑这些数据的安全。
2）XML数据传输安全方案
在现有的XML数据安全传输方案中，针对信息敏感程度不同的安全处理，大致的方案可分为如下四类：
①基于分布式管理分级
根据业务的需求和管理人员的配置，在系统中通过定义管理单元及其具有自相似性的多级、分布式管理的体系结构。是一种基于主动防御策略的安全传输模型。该方案主要是增强系统管理的有效性，提高数据管理的效率。
②基于访问控制权限
③基于传输协议分级加密
④基于不同保密性的分级加密
为了适应不同的保密性需求，根据选取的关键信息的类型的不同组合及数量将保密性分级别。该方案根据对不同的应用场合选用不同的安全级别。针对各种信息进行深入分析，找出关键信息进行保密性强的加密措施。
本节主要从货架期/品质预测技术、食品质量诊断与控制技术、预警系统、数据挖掘技术、技术选择、系统集成框架这几部分进行研究。
这里以食品货架期建模预测理论为出发点，阐述货架期预测的研究方法和研究进展，对不同类型的预测模型及其应用进行对比分析，最后展望食品货架期预测的未来重点研究方向，以期为准确了解食品货架期动态信息，优化食品质量安全控制提供理论基础。食品货架期预测建模理论如下[46]：
食品从生产到最终消费的过程中，在化学反应和微生物的共同作用下，品质会逐渐发生变化，产生腐败、变质，以及不良气味等现象，直至货架期终点。
图2-15食品品质衰变机理与货架期研究方法
该方法的理论依据是:食品腐败过程中发生的众多化学反应对环境条件的反映在一定范围内是相似的，比如一定范围内的温度升高，可以提高酶促反应速率，相对湿度可以通过影响底物传送来影响酶促反应速率等。从建模的角度看，基于不同的原理，主要有5种方法，如表2-5所示。
表2-5食品货架期预测主要模型
模型
适用指标
化学动力学
一级反应模型，二级反应模型
理化指标、
菌落总数
形式简单，适用性比较强，通常与Arrhenius方程结合使用，且只考虑温度的影响
微生物生长动力学
一级反应模型，二级反应模型，三级反应模型
菌落总数，
特定腐败菌
更接近食品品质变化的本质，除温度外，还考虑了pH值、水分活度等因素
人工智能
BP神经网络
多指标综合分析
不依赖于明确的品质变化模型，从而在一定程度上减少系统误差;具有自学习能力
统计学
威布尔危险值分析(WHA)
感官评价
易受评价主观性的影响
基于温度
Q10模型
理化指标，
通常只适用于较小的温度范围
类别
研究对象
指标选择
肉类
冷却猪肉
菌落总数、TVB-N(挥发性盐基总氮)、TBAＲS(硫代巴比妥酸反应产物)、pH值、色值、主成分因子
香肠
气味、颜色
冷鲜猪肉馅
热杀索丝菌
水产品
大黄鱼
不同温度下的特定腐败菌;产H2S菌数
带鱼
细菌总数、TVB-N、鲜度指标K值
罗非鱼
特定腐败菌-假单胞菌
果蔬
草莓
维生素C、颜色
葡萄
硬度
上海青蔬菜
维生素C、叶绿素、颜色参数、黄度、色差
鲜切西兰花
维生素C
鲜枣
霉菌菌落总数
番茄
番茄汁
维生素C、细菌总数
其他类食品
速冻水饺
酸价、过氧化值、饺皮含水率、亨特白度
枣
牛奶
类芽孢杆菌数、细菌总数、酸度
鸡蛋
质量、蛋黄系数、气室高度
米糠油
过氧化值(POV)
食品货架期预测建模方法与应用如下[47]：
（1）基于化学动力学的食品货架期预测方法
基于化学动力学预测方法的出发点是:食品品质指标的变化大多是由化学反应引起的，其变化速率会受到环境因素的影响，比如温度、湿度、气体环境等。
（2）BP神经网络方法
BP神经网络(Backpropagationneuralnetwork)是一种人工智能建模方法，由Ｒumelhart等于1986年提出，近年来在食品货架期预测领域的应用相对比较广泛。比如，潘治利等应用BP神经网络研究了波动温度下速冻水饺有效积温与剩余货架期的关系，验证试验表明，预测效果优于传统动力学的方法。
为了保证食品供应链过程中的质量安全，通过分析食品质量安全风险因素与表征标识，总结食品质量安全风险传播规律及模式，建立相应的故障诊断规则，有助于发现追溯中潜在的薄弱环节，快速发现食品安全故障，实施快速召回，防止故障的扩散与恶化;同时提出可能采取的预防改进措施，消除或减少危害发生的可能性，提高追溯系统可靠性及安全性水平[48]。
当食品出现安全隐患时，如何快速，有效追溯到哪个环节出现问题，这时就需要运用关联规则挖掘的Apriori算法和频繁模式树(FP-tree)的数据挖掘技术，来优化分解食品安全关键要素数据分析系统中的安全关键因子[49]。
例如，当检测一批奶粉的某些金属风险因子含量时，利用算法，找出含量值不符合国家规定的值，然后顺着这个风险因子添加流程的路线进行追溯，可以快速准确查到出问题的环节。进而帮助决策者实施决策，来减少不安全食品给人们带来的损失。
（1）FTA分析法
FTA（FaultTreeAnalysis，故障树分析法）是一种将系统故障形成原因按树枝状逐级细化的图形演绎方法。它以系统所不希望发生的事件作为分析目标，根据事件的因果逻辑关系，利用逻辑推理方法逐级追溯引起系统所不希望发生事件的那些最基本的直接因素。根据建立好的故障树，基于布尔代数方法可以建立顶事件和基本事件关系的结构函数，进而可实现故障树最小割集的定性分析和顶事件发生概率、基本事件重要度等问题的定量分析[50]。如图2-16所示，FTA方法能够将可能造成系统不希望发生事件的各种因素联系起来，有利于找到系统的薄弱环节。陈洪根将FTA与BN（BayesianNetwork，贝叶斯网络）结合，利用贝叶斯网络具有的描述事件多态性和故障逻辑关系非确定性的能力，弥补FTA法由于上述不足所导致的定量分析过程存在的准确性问题[51]。
图2-16食品质量安全故障树
（2）FMECA模型
FMECA（FailureMode，EffectsandCriticalityAnalysis，故障模式、影响和危害性分析方法）作为一种主动检验的半定量分析方法，是以故障模式为基础，对故障的严重程度和发生的概率进行分类，并在分类的基础上进行归纳分析。Massimo等将FMECA方法应用于食品和食品生产过程，探测可追溯系统中的关键点[52]。如图2-17、表2-7所示。
图2-17FMEA分析步骤
表2-7危害模式影响分析表
危害处理
备注
识别号
模式
原因
局部
全局
（3）Petri网
Petri网是一种可以用网状图表示的数学模型，它能较好地描述系统的结构，表示系统中的并行、同步、冲突及因果依赖等关系，并以网图的形式，简洁、直观地模拟离散事件系统，分析系统的动态性质，易于在所构造的模型基础上直接实现控制系统。相对于其他的建模方法，在食品质量安全追溯系统中Petri网分析方法和技术可用于流程模型的分析，在清晰度和准确性方面要优于传统的建模方法。目前已有国内外学者利用Petri网研究食品质量安全追溯体系。牛楠利用Petri网构建了畜类产品生产信息科追溯系统[53]；于合龙等利用Petri网模型设计并实现了水稻质量安全可追溯物联网系统[54]。如图2-18所示。
图2-18肉牛生成加工危害关系Petri网模型图
（4）HACCP体系
HACCP（HazardAnalysisCriticalControlPoint，危害分析和关键控制点）是食品安全的预防性管理原理。通过识别和评价食品在生产、加工、流通、消费等过程中存在的（包括实际存在和潜在的）危害，找出对食品安全有重要影响的关键控制点，采取必要的措施进行预防和纠正，降低危害发生的可能性，达到保障食品安全的目的。周洁红等针对国内已实施HACCP体系的企业进行了研究，分析了该体系的应用现状与应用瓶颈。目前已有很多追溯系统应用了HACCP体系管理规范食品的种植（养殖）、加工和流通体系。任晰等利用HACCP计划确定了对罗非鱼产生危害的关键因素，开发了基于Web的罗非鱼养殖质量安全追溯系统[55]；Koutsoumanis等在对冷藏食品链的关键控制点进行风险评估和预测的基础上，开发了冷藏食品质量监测和安全保证系统[56]。如表2-8所示。
表2-8HACCP计划一览表
（5）统计过程控制
图2-19控制图示例
根据农产品及食品供应链的组成及物联网技术的层次，本研究团队构建了“一核、双轴、三链”的技术体系框架，如图2-20所示。“一核”即是实现农产品质量安全溯源的核心目标，“双轴”即是以农产品从生产到监管溯源的供应链为横轴，以物联网技术从信息感知、信息传输到信息处理与决策为纵轴，“三链”即面向供应生命周期的产品链、面向供应链主体的服务链和面向物联网的技术链。
图2-20农产品质量安全溯源技术体系框架
在信息处理与决策方面，通过构建面向供应链不同环节的应用系统实现智能管理与决策支持。面向生产与加工企业构建安全生产与加工管理系统，实现生产信息实时采集、不同包装单元编码标识、生产预警决策、产品品质分析等功能;面向物流配送企业构建仓储配送管理系统，实现产品品质控制、配送调度监控、仓储智能决策、冷链配送管理等功能;面向批发零售企业构建市场交易管理系统，实现市场准入管理、交易主体识别、销售过程控制、电子交易管理等功能;面向消费者构建质量安全溯源系统，实现可视化溯源、条码识别、射频识别、短信溯源等功能;面向政府职能部门构建质量安全监管系统，实现应急处理、认证监管、评价规划、现场监管等功能。
在应用系统方面，应将成熟的农业智能决策模型结合到供应链管理系统中，实现对农产品质量的过程控制。在追溯平台建设方面，各级政府应建立多部门协调的统一追溯平台，解决不同部门之间的管理壁垒，同时为消费者提供一个可信的追溯渠道[65]。
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