基于物聯網的新疆特色農產品全產業鏈質量安全追溯系統研究

趙向豪 陳彤 姚娟

摘要：農產品質量安全問題日益嚴峻，已經嚴重影響到社會經濟發展與人民健康。為促進新疆維吾爾自治區特色農業健康發展，采用全產業鏈的過程可追溯理念，構建基于物聯網的新疆特色農產品全產業鏈質量安全追溯系統。該系統中宏觀架構和微觀層面信息層指標體系的設計，融合了源頭治理與過程追溯的理念，實現了農產品產業鏈內產品信息的縱向聯通，為農產品“從田間到餐桌”的質量安全管理提供了技術路徑。在平臺層的支撐下，部門層通過對信息層采集到的農產品產業鏈各環節信息進行規范處理，并通過應用層的信息疊加功能實現產品質量信息的互聯互通，實現農產品產業鏈終端擁有全產業鏈各環節的產品質量信息，為農產品產業鏈節點部門、政府管理部門及消費者提供產品質量信息及追溯等服務。

關鍵詞：質量安全;物聯網;全產業鏈;追溯系統;新疆特色農產品

中圖分類號： S126;TS207.7 ?文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）16-0335-04

收稿日期：2018-04-24

基金項目：新疆研究生科研創新項目（編號：XJGRI2017059）。

作者簡介：趙向豪（1986—），男，河南漯河人，博士研究生，主要從事農業經濟政策與理論研究。

我國是典型的農業國家，農業提供支撐國民經濟建設與發展的基礎產品。黨和政府始終高度重視農業安全問題，并把農業安全作為經濟發展的重大課題加以解決。自1978年以來，隨著家庭聯產承包責任制的實施，在農業技術、信息技術的幫助下，我國農業生產力得到極大提高，農產品極為豐富。特別是在2004—2015年糧食產量實現了十二連增，總量達到6.21億t[1]。但管理體制、生產環境、質量管理、市場風險等方面存在的問題已經明顯地暴露出來，在一定程度上威脅著我國的農業安全。特別是農業生產與流通環節的問題已經嚴重影響了農產品質量安全。多年來，我國糧食生產是靠過量的農藥、化肥、激素和農膜等投入獲得增產。這種粗放的農業生產方式使農業生產投入品的污染擴散到土壤里，破壞農田生態系統，并隨著農作物的生長進到農作物果實組織中，直接威脅著農產品質量安全[2]。同時，在農產品的流通過程中，過量的食品添加劑也嚴重威脅著農產品質量安全。此外，工業污染和生活污染的負外部性及其傳導路徑也嚴重影響著農業生產環境及農產品質量[3]。這種從田間到餐桌的污染傳導路徑嚴重影響著農產品質量及人民的健康。如何解決我國農業發展過程中的農產品質量安全問題，對于實現農業現代化、“健康中國2030”綱領目標具有重要的歷史意義。新疆維吾爾自治區地處我國西北內陸邊陲，是糧、棉、果、畜等特色農產品的生產集聚地，如何保障特色農產品質量安全，對維護新疆特色農業發展具有重要的現實意義。

1 文獻回顧與問題的提出

農產品質量安全日益得到學術界的廣泛關注，且研究成果較多。農產品質量安全問題是農產品市場處于非最優均衡狀態下的結果，其存在的根源在于農業產業鏈結構、信息不對稱與市場非正當競爭。基于此，耿寧等構建了技術路徑下基于結構調整、質量信號傳遞與政府監管的農產品質量激勵機制[4]。在政府和市場“雙失靈”的情況下，李淑文等指出農產品質量安全應該尋求制度安排，并構建市場、政府、中立第三方“三位一體”的農產品質量安全制度微觀管理保障體系[5]。彭建仿基于互惠共生下的邏輯路徑，提出優化源頭農戶與企業共生關系，加強供應鏈協同管理，構建農產品質量安全機制，有助于提升農產品質量安全管理的效率[6]。章力建等認為，做好農產品質量安全信息化、檢驗檢測技術和國際合作交流有助于解決農產品質量安全問題[7]。

可追溯制度是保障農產品質量安全的有效手段和未來發展的方向。農產品可追溯制度是農產品從生產到流通各環節的追蹤應用系統，能夠為產業鏈節點主體、消費者和政府管理部門提供詳實可信的農產品信息，有助于農產品質量控制和產品召回。其中，“可追溯”是指農產品供應體系中產品的構成、流向及信息記錄系統，能夠有效提高農產品供應鏈的透明度。國際上，歐盟率先引入農產品可追溯制度，將其納入到法律框架下，并首先應用到活牛和牛肉制品領域。之后，美國、加拿大、日本、英國等國分別建立各自的農產品可追溯制度[8]。國外的農產品可追溯制度為我國農產品質量安全管理提供了參考與借鑒，特別是隨著信息技術的發展，二維碼、物聯網等技術逐步應用到我國農產品質量的安全管理活動中。趙麗等設計了基于手機二維條碼識別的農產品質量安全追溯系統[9];白紅武等采用溯源、QR二維碼、物聯網等技術開發了多層次、多角色、多功能的農產品質量安全溯源系統[10];羅利平等基于物聯網技術構建大宗農產品質量安全監控體系，為質量溯源提供了有效路徑[11]。

我國農產品質量安全追溯大多只能做到結果追溯，而缺乏生產與流通過程的信息，不能有效判斷農產品質量在生產與流通過程中是否安全[12]。基于此，本研究綜合前人研究成果，采用物聯網技術，基于全產業鏈的“源頭控制與全程監控”的過程可追溯理念[13-14]，對新疆特色農產品質量安全管理設計全產業鏈追溯系統。

2 農產品產業鏈的物聯網應用原理

在農產品產業鏈中，物聯網的應用主要涉及到使用主體（人員）、被使用對象（農產品）和泛在網絡，體現在農產品的種植、采摘、運輸、貯藏、檢疫、加工、銷售等環節，并涉及到對農產品的智能化認證、追蹤和查詢等服務功能，相關人員可以利用閱讀器快速讀取農產品的認證、產地、物流、倉儲和包裝等信息，相關參與主體可以從以上環節中提取用于質量信息追溯、行業監督、數據分析等用途的關鍵信息。顯然，利用物聯網可以實現農產品從生產到銷售全過程的追蹤管理。

2.1 生產環節

在生產環節中，利用射頻識別（radio frequency identification，簡稱RFID）、傳感器等物聯網設備對農產品生長周期進行監控，采集農產品生產數據信息，對農產品生長進行評估，及時發現并解決農產品生長過程中出現的問題，創造農產品理想的生長環境，促進優質農產品的生產，實現農產品生產中產前、產中和產后的全過程管理[15]。一是利用物聯網設備收集農產品生長階段的氣候和土壤等種植信息，通過智能分析探索出農產品生長對水土光熱等要素的需求規律，為農產品生長提供精準的管理數據，進而可以隨時掌握農產品生長環境的變化，及時了解農產品生長所需。二是通過自控裝置，根據提供的農產品生長管理數據，對農產品生長環境進行及時調控，智能調整灌溉、溫控、施肥等設備系統，保證農產品生長所需的水分、光照、肥料等在科學水平上，進而保障農產品生長的最優環境[16]。

2.2 流通環節

在流通環節中，分別將所需的RFID標簽貼在運輸車輛、農產品包裝上。在運輸調度平臺的控制下，在地理信息系統（geographic information system，簡稱GIS）平臺的支持下，借助安裝在車輛上的全球定位系統（GPS）接收機和全球移動通信系統（GSM）信息終端對RFID標簽進行讀寫，隨時掌握車輛和農產品的實況信息;如果運輸車輛內的溫度、濕度等要素指標偏離既定標準，調度人員就可以利用智能終端設定相應的參數，使溫度、濕度等要素指標回歸科學合理水平。倉庫利用RFID技術可以實現農產品出入庫、倉儲環境等信息的收集與處理[17]。加工廠利用RFID技術可以收集農產品初加工與深加工環節中的基本信息、工序、成品、添加記錄等信息。

2.3 銷售環節

在銷售環節中，將農產品的銷售商、品牌、價格等信息錄入到RFID標簽內，消費者能夠通過智能終端查詢到自己購買產品的銷售環節的信息，確保消費者能購買到有品質保證的產品，并為消費者提供信息查詢、質量追溯等服務。

3 新疆特色農產品全產業鏈質量安全追溯系統設計

3.1 設計原理

物聯網代表一種先進的生產力，其主要內涵是利用信息通信技術與互聯網技術，讓物聯網與傳統產業進行深度融合，創造新的發展生態[18]。以互聯網技術為依托，利用物聯網的工作原理，在農產品產業鏈上布置實現信息交互的農業傳感設備，按照約定的協議，通過信息傳輸網絡，實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理，采集與農產品種植、加工、物流和銷售等環節密切相關的數據與信息，實現農產品產業鏈中各參與主體產品信息的互聯互通，為農產品質量安全管理提供技術路徑。

3.2 系統架構

3.2.1 層次結構

新疆特色農產品全產業鏈質量安全追溯系統的設計采用4層結構形式，由平臺層、部門層、信息層、應用層組成。其中，平臺層的主體是新疆農產品信息化云服務平臺;部門層的主體包括農產品的種植部門、加工部門、物流部門和銷售部門，政府部門、消費部門等;信息層主要由空間二維碼、地理認證二維碼、生長二維碼、加工二維碼、物流二維碼和銷售二維碼組成;應用層主要由種植批次標簽、加工批次標簽、物流批次標簽和銷售批次標簽組成。新疆特色農產品全產業鏈質量安全追溯系統層次結構見圖1。

3.2.2 網絡結構

新疆特色農產品全產業鏈質量安全追溯系統的應用主要在政府監管部門的有效監管下，并在新疆農產品信息化云服務平臺的支持下，農產品關聯部門通過RFID、讀寫器、天線、傳感器、數據庫服務器及信息系統等信息載體或手段收集各環節的信息，產業鏈各節點內部通過建立局域網進行信息傳遞，RFID數據的讀寫主要通過無線網絡完成，產業鏈各節點之間則主要通過互聯網與各種信息系統進行信息交互實現信息的互聯互通。

3.3 系統內部設計

新疆特色農產品全產業鏈質量安全追溯系統的層次結構由平臺層、部門層、信息層和應用層組成。隨著科技信息技術的不斷發展，平臺層中的新疆農產品信息化云服務平臺的設計基本不存在技術難題，故平臺的設計在此不作描述。部門層中各部門比較健全，因此部門層在本節也不作贅述。因此，本研究的重點是對系統中的信息層和應用層進行設計。

3.3.1 信息層設計

系統信息層通過設計指標體系來實現。指標作為傳遞信息的虛擬載體，在信息測度中扮演著重要角色。同時，只有充分考慮了代表新疆特色農產品質量安全的各項主要指標，才能更好地為新疆特色農產品質量安全管理服務。信息層指標體系的設計應遵循科學性和完整性、系統性和層次性、典型性和代表性、簡明性和實用性等原則。

基于農產品質量安全的內涵，充分結合新疆特色農產品的特征，運用德爾菲法，通過3輪征詢20多位業界專家的意見，從微觀層面構建新疆特色農產品全產業鏈質量安全追溯系統信息層指標體系，并確定為3個系統層指標、6個準則層指標、15個項目層指標和38個指標層指標（表1）[19]。

信息層指標體系的設計為農產品的信息采集與分類提供了規范，盡可能地實現農產品產業鏈中與質量安全相關關鍵信息的完全性，并為應用層提供基礎信息來源。農產品的種植部門、 加工部門、 物流部門和銷售部門利用在各節點布置的物聯網設備采集所需的指標層信息，通過智能終端生成相應的二維碼，并上傳至平臺服務器，為應用層的設計提供信息支撐。

3.3.2 應用層設計

對于應用層的設計，各環節在掃描本環節的二維碼之前，必須是在接到上一環節轉來的產品后先掃描其二維碼。為確保信息流的一致性及連續性，使標志信息與產品信息相一致，使得農產品產業鏈各環節的信息能夠有效銜接，需要在農產品信息流和物流同步的背景下建立一條完整的閉合信息流鏈路。該信息流鏈路采用信息層指標體系中各環節信息疊加的形式制成二維碼標簽作為信息載體，通過現場的掃描設備讀取相應的標簽信息，同時加強標簽之間的對應銜接，確保業務過程中信息的正確性與一致性。

3.3.2.1 種植環節

在種植環節，信息的采集涉及3個環節：空間信息、地理認證信息、生長信息。首先，種植部門使用智能終端對基礎數據進行維護，分別生成空間二維碼、認證二維碼、生長二維碼。然后，管理員通過智能終端依次掃描空間二維碼、認證二維碼、生長二維碼，通過信息疊加的形式生成復合二維碼，制成種植批次標簽，用于后續環節的標志。同時，種植部門應及時把種植批次標簽信息上傳至平臺服務器并進行關聯。因此，種植環節種植批次標簽信息源V1=A1+A2+B1。

3.3.2.2 加工環節

加工部門收到種植部門的產品及其種植批次標簽后，完成本環節的產品處理業務，并生成加工二維碼。管理員通過智能終端掃描種植批次標簽后，掃描加工二維碼，通過信息疊加的形式生成復合二維碼，制成加工批次標簽，用于后續環節的標志。同時，加工部門應及時把加工批次標簽信息上傳至平臺服務器并進行關聯。因此，加工環節加工批次標簽信息源V2=V1+B2=A1+A2+B1+B2。

3.3.2.3 物流環節

物流部門收到加工部門的產品及其加工批次標簽后，完成本環節的產品處理業務，并生成物流二維碼。管理員通過智能終端進行掃描加工批次標簽后，掃描物流二維碼，通過信息疊加的形式生成復合二維碼，制成物流批次標簽，用于后續環節的標志。同時，物流部門應及時把物流批次標簽信息上傳至平臺服務器并進行關聯。因此，物流環節物流批次標簽信息源V3=V2+C1=A1+A2+B1+B2+C1。

3.3.2.4 銷售環節

農產品銷售部門收到物流部門的產品及其物流批次標簽后，完成本環節的產品處理業務，并生成銷售二維碼。管理員通過智能終端掃描物流批次標簽后，掃描銷售二維碼，通過信息疊加的形式生成復合二維碼，制成銷售批次標簽。同時，銷售部門應及時把銷售批次標簽信息上傳至平臺服務器并進行關聯。因此，銷售環節銷售批次標簽信息源V4=V3+C2=A1+A2+B1+B2+C1+C2。

3.3.2.5 消費與評價環節

消費部門（消費者）購買產品后，得到產品包裝上的銷售批次標簽。消費部門在被賦予的權限內通過智能終端掃描獲取相應的信息，并通過平臺對相應信息進行評價。一方面，農產品相關主體根據消費者的意見進行處理，并把解決方案反饋給消費者;另一方面，消費者可以向政府相關部門進行反映，政府部門把消費者的意見通過平臺轉達至農產品相關主體，并要求在一定期限內向消費者提供解決方案。

4 結論與討論

國內外學者對農產品質量安全的追溯系統進行了不同程度地探索與創新。本研究在總結同類研究的基礎上，分析農產品質量追溯體系的優勢與不足，將物聯網技術應用到新疆特色農產品的質量安全管理中，基于全產業鏈的理念，構建農產品質量安全追溯系統。該系統中宏觀架構和微觀層面信息層指標體系的設計，融合了源頭治理與過程追溯的理念，實現了農產品產業鏈內產品信息的縱向聯通，為農產品“從田間到餐桌”的質量安全管理提供了技術路徑。即在平臺層的支撐下，部門層通過對信息層采集到的農產品產業鏈各環節信息進行規范處理，并通過應用層的信息疊加功能實現產品質量信息的互聯互通，實現農產品產業鏈終端擁有全產業鏈各環節的質量信息，為農產品產業鏈節點部門、政府管理部門及消費者提供質量信息及追溯服務。

該系統是一項復雜的系統工程，其從愿景到應用的實現機制需要政府部門進行一系列頂層設計。首先，政府應加強對該系統的組織領導，建立一個對農產品全產業鏈質量安全全程監管的組織機構，強化農產品產業鏈各主體質量安全的責任意識，并加強農產品質量安全管理的政策與制度探索以及資金扶持。其次，政府應制定農產品質量安全的專業標準與規范，制定農產品質量信息采集與處理制度，加強農產品質量信息數據庫建設，探索質量安全信息應用系統的開發與集成;最后，政府加強人才隊伍建設，組建一支農業信息化研發隊伍，培養一批專業的農業信息服務人才及善用信息的農業信息服務帶頭人，為農產品質量安全管理提供人才支持。

顯然，該系統是基于邏輯層面的農產品質量安全管理的技術路徑設計，其具體的實現路徑還需要進行深入細致的研究。

參考文獻：

[1]田 旭，于曉華，張曉恒. 中國糧食生產潛能分析：一個基于“俱樂部收斂”的視點[J]. 浙江大學學報（人文社會科學版），2016（5）：112-128.

[2]肖 明，董 楠，呂 新. 農產品質量安全的生態觀認識[J]. 應用生態學報，2015，26（8）：2571-2580.

[3]盧 偉. 我國城市群形成過程中的區域負外部性及內部化對策研究[J]. 中國軟科學，2014（8）：90-99.

[4]耿 寧，李秉龍. 產業鏈整合視角下的農產品質量激勵：技術路徑與機制設計[J]. 農業經濟問題，2014，35（9）：19-27，110.

[5]李淑文，任大鵬. “三位一體”農產品質量安全制度保障體系構建[J]. 中國流通經濟，2011，25（6）：64-68.

[6]彭建仿. 供應鏈關系優化與農產品質量安全——龍頭企業與農戶共生視角[J]. 中央財經大學學報，2012（6）：48-53.

[7]章力建，胡育驕. 關于農產品質量安全的若干思考[J]. 農業經濟問題，2011，32（5）：60-63，111.

[8]修文彥，任愛勝. 國外農產品質量安全追溯制度的發展與啟示[J]. 農業經濟問題，2008（增刊1）：206-210.

[9]趙 麗，邢 斌，李文勇，等. 基于手機二維條碼識別的農產品質量安全追溯系統[J]. 農業機械學報，2012，43（7）：124-129.

[10]白紅武，孫愛東，陳 軍，等. 基于物聯網的農產品質量安全溯源系統[J]. 江蘇農業學報，2013，29（2）：415-420.

[11]羅利平，蔣 勇. 基于物聯網技術的大宗農產品質量安全監控體系[J]. 中國科技論壇，2012（12）：127-133.

[12]張炎夏. 安全農業：一種新的農業模式[J]. 上海農村經濟，2014（8）：35-37.

[13]許益亮，靳 明，李明焱. 農產品全產業鏈運行模式研究——以浙江壽仙谷為例[J]. 財經論叢，2013（1）：88-94.

[14]張曉林，于戰平. 農業產銷體系創新的全產業鏈模式研究[J]. 北京工商大學學報（社會科學版），2013，28（5）：9-14.

[15]王 坤. 水果智能采摘質量識別技術[J]. 科技通報，2014，30（10）：139-141.

[16]冉文江. 基于物聯網的農產品安全監控信息系統研究[J]. 揚州大學學報（人文社科版），2012，16（6）：31-35，52.

[17]韓俊德，杜其光. 物聯網技術在生鮮農產品配送中的應用[J]. 中國流通經濟，2015，29（12）：54-60.

[18]陳曉棟，原向陽，郭平毅，等. 農業物聯網研究進展與前景展望[J]. 中國農業科技導報，2015，17（2）：8-16.

[19]徐藹婷. 德爾菲法的應用及其難點[J]. 中國統計，2006（9）：57-59.