基于物联网的食品安全监理模型研究

李梦寻, 刘宏志

“国以民为本,民以食为天,食以安为先”,食品是人类赖以生存和发展的物质基础,食品安全问题关系人民饮食、生命安全和社会稳定,成为在追求健康稳定社会过程中的一个重大社会问题.然而,近些年我国食品安全问题屡有发生,食品安全形式十分严重.因此建立一个安全有效的食品安全监理机制显得尤为重要.本文首先构建出食品安全监理模型,然后对此模型进行建模分析,再利用物联网技术形成一个有效的食品安全监理机制[1].

1　食品安全监理模型

食品安全监理是指监理机构根据我国的食品安全法等相关法律制度,在食品的生产过程中,对食品中存在可识别的食品安全风险因素进行督察、监控和评价,并进行风险评估和控制,以确保食品的安全保证.利用物联网技术将食品的生产信息和所存在的风险及时告知消费者以便建立健全的召回机制.其核心内容是对存在有害物质的食品进行风险分析和控制,利用物联网技术进行管理,最终实现食品安全风险的可控制操作.

食品安全监理模型由六部分组成,即监理支撑要素、技术支持、监理阶段、监理内容、监理对象和食品安全信息反馈[2].其相互关系如图1[3].参考模型表明,食品安全的监理工作建立在监理支撑要素和技术支持的基础上,在监理工作的各阶段结合各项监理内容,对监理对象进行监督和管理,通过食品安全信息反馈以保证食品生产各阶段的安全达到预期的目标,并能够将信息及时地反馈给消费者以及各生产阶段的监理人员.

图1　食品安全监理模型Fig.1　Food safety surveillance model

2　食品安全监理技术

2.1　物联网技术

物联网技术是实现食品安全监管体系网络化的核心.基于电子产品代码(electric product code,EPC)的物联网是在计算机互联网的基础之上,利用全球统一的物品编码技术、射频识别技术、无线数据通信技术等,实现全球范围内的单件产品的跟踪与追溯[4-5].利用物联网技术,将从原材料生产到加工出产成品的所有食品都配备一个EPC标签,把食品生产的每一阶段的信息录入标签内,并随时对食品中影响健康的物质进行定量和定性检测分析,同时将这些食品信息整理并发布到网络中.消费者在购物时,只要根据食品上的EPC标签,就可以查到该食品在各个阶段的所有信息,从而能够清晰地看到整个食品从原材料到加工成产成品的整个流通过程以及其潜在的不安全因素.其工作示意图如图2.

图2　基于物联网的食品生产工作流程Fig.2　Process of food production based on Internet of things

2.2　食品安全检测技术

食品安全检测技术是食品安全保障不可或缺的重要组成部分.人们通常将农兽药残留、其他来源化学污染物、生物毒素和食品添加剂与饲料添加剂等归为食品安全检测的范围[6].通过食品安全检测技术,将食品中存在的对人体健康造成危害的成分检测出来,并根据有关国家标准进行定性和定量分析,从而能够形成一个全面的风险控制系统,有效地对市场流通领域的食品安全状况进行把握和控制.食品检测技术主要包括代谢学技术、原子荧光光谱分析法和酶抑制率法等方法[7].

在食品安全监理的每一阶段,都要把记录的食品相关信息录入食品所带的EPC电子标签中,以保证食品信息的连贯性和有效性[8-9].信息反馈是指基于物联网技术,使整个食品生产工作流程中食品的相关信息能够得到及时有效的流通和反馈.每一阶段所产生的食品相关信息都会通过EPC电子标签记录下来并进入数据库,同时作为下一监理阶段的信息基础.

食品安全监理对象是针对日常生活中各类的食品.本文所参考的食物分类方法是根据《中国食物成分表2004》中的食物分类方法,将日常生活中的食物分成21大类,每一大类中根据食物的属性和加工方法分为不同的亚类,并将那些难以分配到某一具体亚类的食物归入到相应食物类中的“其他”的亚类中[10].包括谷类及制品、蔬菜水果类及制品、畜肉禽肉类及制品等近800种.

食品安全监理内容主要是质量控制,食品的质量控制是整个监理过程的基础.食品质量的检测范围有:农兽药残留、其他来源化学污染物、生物毒素和食品添加剂与饲料添加剂等[10].

3　建模分析

3.1　数学模型

根据参考模型,食品安全的监理工作是否达到预期的目标,要从食品质量控制是否达到标准、风险控制是否有效,这两个方面进行综合评估.通过对食品安全监理的目标和影响食品安全监理目标实现的各项因素建立函数模型,可以进一步分析食品安全监理对实现食品安全预期目标的影响.本分析建立在以下假设条件的基础上.

1)本分析基于一个独立的食品生产过程M,食品生产过程M不受战争、自然灾害、行政等不可抗拒性因素的影响,且与其他食品生产过程不发生制约关系.

2)食品生产过程M所用的食品原料由S1,S2,S3…SN共N类食品构成.

3)食品生产过程M存在的风险程度R和每类食品Si存在的风险程度Ri的值根据人群食物摄入量模型与污染物分布模型所确定[11],要求最终得出的总体风险程度R′和每类食品实际的风险程度R′i变更上下浮动不超过10%.

4)食品生产过程M的食品质量问题Q决定于各类食品Si食品质量问题Qi的加权值,权重根据各类食品Si所存在的风险程度Ri占食品生产过程总体M所存在的风险程度R的比例确定,食品质量问题为取值区间在[0,1]的模糊集合,0.4是允许食品存在质量问题的最高标准.

5)对于食品生产过程M来说,人体在各类食品Si中所摄入的有害物质在体内存留的时间为Ti.

基于以上假设条件,我们可以得出为使食品生产过程M达到预期的监理目标,对生产过程的风险程度R′和食品质量合格度Q两者的约束关系,即约束条件1:

根据假设条件2、3和乘法分配率,上式进一步推导为约束条件2:

3.2　食品生产过程M存在的风险程度R分析

因为R=∑Ri,我们可以通过单独分析每一个Ri来确定R.根据食品生产过程的特点,子系统Si存在的风险程度Ri可分有害物质的摄入量RiP,有害物质的损害程度RiD两个部分,即:Ri=f(RiP,RiD),各部分分析如下.

1)在分析实际情况过程中若没有重大的不可预知事件发生,实际的有害物质摄入量RiP′通过实际对食品中有害物质的检测,并利用人群食物摄入量模型与污染物分布模型可以得出.若有害物质摄入量q增加,则导致风险程度R′i的增加和食品质量问题Qi的增加.

2)有害物质的危险程度RiD与各类食品Si的风险控制目标有关.可将有害物质的危险程度RiD能造成的损害划分为5个等级:无明显性伤害、轻度伤害、明显性伤害、致残、致死,其对应的等级分别为1、2、3、4、5[12]. 有害物质的危险程度 RiD 第一级别的危险程度在食品生产过程立项时可以基本确定,设其风险值为常量Fi1,其他级别的风险值Fin符合以时间为自变量的递增函数Fi1(t),Fin(t)可以在区间[0,Ti]的积分来计算,随着时间的增长,在不同时期Fi1(t)无限趋近于Fin,即:

但在实际的风险控制过程中Fi1(t)由两部分组成,即有效的损害Fia(t)和无效的损害Fir(t).有效的损害是人体所摄入的污染物一直存留在人体内,并对人体产生危害作用;无效的损害是人体所摄入的污染物没有存留在体内,随着摄入后排出体外.其中有效的损害Fia(t)对F′in产生正积分:∫Fia(t)d t;无效的损害 Fir(t)对 F′in不 产生积分 ( ∫Fir(t)d t=0 ).

3)在生产过程中,实际的风险R′i与有害物质摄入量RiP′和有效的损害Fia(t)有关,设存在以q为自变量的递增函数R(q),使得因有害物质摄入量产生的风险值符合R(q),则:

3.3　食品质量问题的分析

采用模糊数学的方法对质量合格度进行度量分析.根据假设条件子系统Si的权重子系统食品质量问题Qi的值与有害物质摄入量RiP′和各子系统实际存在的风险值F′in有关,目前已有很多文章对系统质量的度量进行了分析,可以借鉴他们的研究成果,此处不做具体分析,而假设存在以q和F′in为自变量的递减函数ψ(q,F′in),使得:Qi= Ψ(q,F′in),即:Qi= Ψ ( q,∫Fia(t)dt).

基于以上分析,约束条件2演变为以下3式构成的组合约束条件3:

基于以上分析,降低有害物质的摄入量q和有效的损害Fia(t)的值,有利于提高食品的质量,降低食品中存在的有害风险,促进食品安全体系的完善,即达到食品安全监理的预期目标.监理的工作围绕这两点开展,可以分阶段、分内容,做进一步的风险分析.通过对有害物质的摄入量q和有效的损害Fia(t)进行组合,产生一个表明导致风险水平状态的水准,如图3.变量q与变量Fia(t)的组合造成了一定的风险,如果此风险超出了这个参照水准,就要对此进行干预管理.根据数据分析得出参照水准的参照点或崩溃点,并在坐标平面内形成一个光滑的曲线,曲线右部形成一个扇形区域,在该区域内就是超过预期的承受风险的值,在该区域外则是可接受的风险值.

图3　风险水平状态的水准Fig.3 Standard level of risk status

该图表明,在扇形区域外,即使有害物质的摄入量很大,但其有效损害并没有达到很高的级别,从而得出的风险水平状态在可接受的范围内;同理,当有效损害达到较高级别时,由于其摄入量没有达到一定的量,也不能构成风险较高的状态.只有在扇形区域内,才能构成危险.

4　结束语

本文建立了基于物联网的食品安全监理的模型,把食品的生产过程分成四个阶段并作为食品安全的监理阶段,以监理支撑要素为保障,以物联网技术和食品安全检测技术为支持,对整个食品生产过程进行质量、风险控制及信息、合同管理,以达到将食品安全隐患降至最低,保障市场食品供应的质量安全.通过对此监理模型的建模分析,进行了理论问题的探讨.从食品质量问题的定性分析到有害物质摄入量的定量分析,对食品安全进行风险分析和控制,利用物联网技术将相关信息对社会发布,使广大消费者对食品的安全度有所了解,从而实现监理机构对市场流通的食品的有效监管.虽然本文从理论上进行了一定的研究,但还需对实际问题加以进一步的探讨,这也是今后需要研究的问题.