基于物聯網的食品安全監理模型研究

李夢尋, 劉宏志

“國以民為本,民以食為天,食以安為先”,食品是人類賴以生存和發展的物質基礎,食品安全問題關系人民飲食、生命安全和社會穩定,成為在追求健康穩定社會過程中的一個重大社會問題.然而,近些年我國食品安全問題屢有發生,食品安全形式十分嚴重.因此建立一個安全有效的食品安全監理機制顯得尤為重要.本文首先構建出食品安全監理模型,然后對此模型進行建模分析,再利用物聯網技術形成一個有效的食品安全監理機制[1].

1　食品安全監理模型

食品安全監理是指監理機構根據我國的食品安全法等相關法律制度,在食品的生產過程中,對食品中存在可識別的食品安全風險因素進行督察、監控和評價,并進行風險評估和控制,以確保食品的安全保證.利用物聯網技術將食品的生產信息和所存在的風險及時告知消費者以便建立健全的召回機制.其核心內容是對存在有害物質的食品進行風險分析和控制,利用物聯網技術進行管理,最終實現食品安全風險的可控制操作.

食品安全監理模型由六部分組成,即監理支撐要素、技術支持、監理階段、監理內容、監理對象和食品安全信息反饋[2].其相互關系如圖1[3].參考模型表明,食品安全的監理工作建立在監理支撐要素和技術支持的基礎上,在監理工作的各階段結合各項監理內容,對監理對象進行監督和管理,通過食品安全信息反饋以保證食品生產各階段的安全達到預期的目標,并能夠將信息及時地反饋給消費者以及各生產階段的監理人員.

圖1　食品安全監理模型Fig.1　Food safety surveillance model

2　食品安全監理技術

2.1　物聯網技術

物聯網技術是實現食品安全監管體系網絡化的核心.基于電子產品代碼(electric product code,EPC)的物聯網是在計算機互聯網的基礎之上,利用全球統一的物品編碼技術、射頻識別技術、無線數據通信技術等,實現全球范圍內的單件產品的跟蹤與追溯[4-5].利用物聯網技術,將從原材料生產到加工出產成品的所有食品都配備一個EPC標簽,把食品生產的每一階段的信息錄入標簽內,并隨時對食品中影響健康的物質進行定量和定性檢測分析,同時將這些食品信息整理并發布到網絡中.消費者在購物時,只要根據食品上的EPC標簽,就可以查到該食品在各個階段的所有信息,從而能夠清晰地看到整個食品從原材料到加工成產成品的整個流通過程以及其潛在的不安全因素.其工作示意圖如圖2.

圖2　基于物聯網的食品生產工作流程Fig.2　Process of food production based on Internet of things

2.2　食品安全檢測技術

食品安全檢測技術是食品安全保障不可或缺的重要組成部分.人們通常將農獸藥殘留、其他來源化學污染物、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的范圍[6].通過食品安全檢測技術,將食品中存在的對人體健康造成危害的成分檢測出來,并根據有關國家標準進行定性和定量分析,從而能夠形成一個全面的風險控制系統,有效地對市場流通領域的食品安全狀況進行把握和控制.食品檢測技術主要包括代謝學技術、原子熒光光譜分析法和酶抑制率法等方法[7].

在食品安全監理的每一階段,都要把記錄的食品相關信息錄入食品所帶的EPC電子標簽中,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網技術,使整個食品生產工作流程中食品的相關信息能夠得到及時有效的流通和反饋.每一階段所產生的食品相關信息都會通過EPC電子標簽記錄下來并進入數據庫,同時作為下一監理階段的信息基礎.

食品安全監理對象是針對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《中國食物成分表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.

食品安全監理內容主要是質量控制,食品的質量控制是整個監理過程的基礎.食品質量的檢測范圍有:農獸藥殘留、其他來源化學污染物、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　數學模型

根據參考模型,食品安全的監理工作是否達到預期的目標,要從食品質量控制是否達到標準、風險控制是否有效,這兩個方面進行綜合評估.通過對食品安全監理的目標和影響食品安全監理目標實現的各項因素建立函數模型,可以進一步分析食品安全監理對實現食品安全預期目標的影響.本分析建立在以下假設條件的基礎上.

1)本分析基于一個獨立的食品生產過程M,食品生產過程M不受戰爭、自然災害、行政等不可抗拒性因素的影響,且與其他食品生產過程不發生制約關系.

2)食品生產過程M所用的食品原料由S1,S2,S3…SN共N類食品構成.

3)食品生產過程M存在的風險程度R和每類食品Si存在的風險程度Ri的值根據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險程度R′和每類食品實際的風險程度R′i變更上下浮動不超過10%.

4)食品生產過程M的食品質量問題Q決定于各類食品Si食品質量問題Qi的加權值,權重根據各類食品Si所存在的風險程度Ri占食品生產過程總體M所存在的風險程度R的比例確定,食品質量問題為取值區間在[0,1]的模糊集合,0.4是允許食品存在質量問題的最高標準.

5)對于食品生產過程M來說,人體在各類食品Si中所攝入的有害物質在體內存留的時間為Ti.

基于以上假設條件,我們可以得出為使食品生產過程M達到預期的監理目標,對生產過程的風險程度R′和食品質量合格度Q兩者的約束關系,即約束條件1:

根據假設條件2、3和乘法分配率,上式進一步推導為約束條件2:

3.2　食品生產過程M存在的風險程度R分析

因為R=∑Ri,我們可以通過單獨分析每一個Ri來確定R.根據食品生產過程的特點,子系統Si存在的風險程度Ri可分有害物質的攝入量RiP,有害物質的損害程度RiD兩個部分,即:Ri=f(RiP,RiD),各部分分析如下.

1)在分析實際情況過程中若沒有重大的不可預知事件發生,實際的有害物質攝入量RiP′通過實際對食品中有害物質的檢測,并利用人群食物攝入量模型與污染物分布模型可以得出.若有害物質攝入量q增加,則導致風險程度R′i的增加和食品質量問題Qi的增加.

2)有害物質的危險程度RiD與各類食品Si的風險控制目標有關.可將有害物質的危險程度RiD能造成的損害劃分為5個等級:無明顯性傷害、輕度傷害、明顯性傷害、致殘、致死,其對應的等級分別為1、2、3、4、5[12]. 有害物質的危險程度 RiD 第一級別的危險程度在食品生產過程立項時可以基本確定,設其風險值為常量Fi1,其他級別的風險值Fin符合以時間為自變量的遞增函數Fi1(t),Fin(t)可以在區間[0,Ti]的積分來計算,隨著時間的增長,在不同時期Fi1(t)無限趨近于Fin,即:

但在實際的風險控制過程中Fi1(t)由兩部分組成,即有效的損害Fia(t)和無效的損害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,并對人體產生危害作用;無效的損害是人體所攝入的污染物沒有存留在體內,隨著攝入后排出體外.其中有效的損害Fia(t)對F′in產生正積分:∫Fia(t)d t;無效的損害 Fir(t)對 F′in不 產生積分 ( ∫Fir(t)d t=0 ).

3)在生產過程中,實際的風險R′i與有害物質攝入量RiP′和有效的損害Fia(t)有關,設存在以q為自變量的遞增函數R(q),使得因有害物質攝入量產生的風險值符合R(q),則:

3.3　食品質量問題的分析

采用模糊數學的方法對質量合格度進行度量分析.根據假設條件子系統Si的權重子系統食品質量問題Qi的值與有害物質攝入量RiP′和各子系統實際存在的風險值F′in有關,目前已有很多文章對系統質量的度量進行了分析,可以借鑒他們的研究成果,此處不做具體分析,而假設存在以q和F′in為自變量的遞減函數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演變為以下3式構成的組合約束條件3:

基于以上分析,降低有害物質的攝入量q和有效的損害Fia(t)的值,有利于提高食品的質量,降低食品中存在的有害風險,促進食品安全體系的完善,即達到食品安全監理的預期目標.監理的工作圍繞這兩點開展,可以分階段、分內容,做進一步的風險分析.通過對有害物質的攝入量q和有效的損害Fia(t)進行組合,產生一個表明導致風險水平狀態的水準,如圖3.變量q與變量Fia(t)的組合造成了一定的風險,如果此風險超出了這個參照水準,就要對此進行干預管理.根據數據分析得出參照水準的參照點或崩潰點,并在坐標平面內形成一個光滑的曲線,曲線右部形成一個扇形區域,在該區域內就是超過預期的承受風險的值,在該區域外則是可接受的風險值.

圖3　風險水平狀態的水準Fig.3 Standard level of risk status

該圖表明,在扇形區域外,即使有害物質的攝入量很大,但其有效損害并沒有達到很高的級別,從而得出的風險水平狀態在可接受的范圍內;同理,當有效損害達到較高級別時,由于其攝入量沒有達到一定的量,也不能構成風險較高的狀態.只有在扇形區域內,才能構成危險.

4　結束語

本文建立了基于物聯網的食品安全監理的模型,把食品的生產過程分成四個階段并作為食品安全的監理階段,以監理支撐要素為保障,以物聯網技術和食品安全檢測技術為支持,對整個食品生產過程進行質量、風險控制及信息、合同管理,以達到將食品安全隱患降至最低,保障市場食品供應的質量安全.通過對此監理模型的建模分析,進行了理論問題的探討.從食品質量問題的定性分析到有害物質攝入量的定量分析,對食品安全進行風險分析和控制,利用物聯網技術將相關信息對社會發布,使廣大消費者對食品的安全度有所了解,從而實現監理機構對市場流通的食品的有效監管.雖然本文從理論上進行了一定的研究,但還需對實際問題加以進一步的探討,這也是今后需要研究的問題.