基于系统动力学的对虾养殖品质风险应用*

裴丽娜，陈 明，葛 艳

(上海海洋大学 信息学院，上海 201306)



基于系统动力学的对虾养殖品质风险应用*

裴丽娜，陈 明，葛 艳

(上海海洋大学 信息学院，上海 201306)

针对目前南美白对虾养殖环节存在的溯源点不清晰、养殖过程监管薄弱、品质评价不健全等品质风险问题，以HACCP为基准，结合国内外在养殖环节关键影响要素研究现状，对养殖环节建模，利用判断树的方法初选品质风险控制的关键控制点，然后结合Vensim软件建立南美白对虾养殖品质风险动力学模型，从而确定关键控制点的核心影响因素。仿真结果表明：南美白对虾养殖品质风险动力学模型能动态仿真五类影响要素对于幼虾品质和成活率的变化关系,从而反映品质风险动态变化情况。由此为南美白对虾溯源管理信息系统中溯源点的选取和养殖过程的实时监控和过程品质动态评价提供理论参考。

对虾养殖系统； 系统动力学； 品质风险； 建模和仿真

0 引 言

近年来我国水产品品质安全问题层出不穷，因此，关注水产品养殖、加工、物流、销售环节等过程中，影响或者潜在影响水产品品质稳定性、或安全品质(以下简称品质)因素的研究势在必行，而目前关于水产品品质风险研究甚少，因此，建立从养殖到餐桌全过程的水产品品质风险溯源系统是目前解决这一问题的优选方案。由于水产品种类繁多，南美白对虾是当今世界养殖虾类产量最高的三大品种之一[1]，选择它作为安全品质(以下简称品质)风险溯源系统的研究对象有一定的代表性。

针对水产品品质风险溯源系统的研究，国外水产品溯源系统技术成熟、法规完善，主要体现在品质安全信息采集、标识策略、信息继承等[2];国内目前关于水产品溯源问题的研究与其它行业中的溯源问题研究，大多是集中在溯源的信息技术、溯源系统的实现、或供应链某个环节上的内部溯源等问题上。如，杨信廷等人针对水产品企业身份认证问题，提出了基于USB Key的水产品企业监管溯源系统[3]，夏俊等人通过分析现有水产品品质安全问题，提出了一种基于RFID和EPC的水产品信息追溯机制[4]。以上方法或技术虽然能实现基本信息的追溯查询，但较少涉及其与品质风险的关系，如何甄别和选择进入溯源系统的信息点从而有效控制品质风险仍是亟待解决的问题。

为了解决目前品质风险溯源点选择随意、溯源点对溯源目标达成的作用不明确等问题，本文以南美白对虾养殖品质风险溯源为例，通过基于系统动力学的对虾养殖品质风险仿真分析，为品质风险溯源点的选取提供了理论依据，为品质变化的敏感受控因素分析提供了一种可以借鉴的方法，也为品质控制、过程实时监控、过程品质动态评价等提供了有力保障。

1 基于HACCP体系的对虾养殖环节品质风险溯源点筛选

1.1 养殖业务流程分析

危害分析与关键控制点(hazard analysis and critical control point，HACCP)是一个连续的、系统的以预防为主体的食品安全管理体系[7]。在目前的对虾养殖过程中，主要是运用HACCP控制对虾苗种和养殖生产过程中的物理、化学及生物的病毒危害[8]。

养殖环节的业务流程流程如图1。

图1 南美白对虾工厂化养殖工艺流程图Fig 1 Flow chart of Vannamei factory farming process

1.2 利用判断树选择品质风险关键控制点

养殖环节是南美白对虾供应链的起源，养殖环节的品质控制也关乎到整个水产品供应链的品质评价，对整个追溯体系的建立起到至关重要的作用。养殖要注意预防生物危害、化学危害、物理危害等，采取相应控制手段措施，将食品危害降低到最低。关键控制点(critical control point，CCP)定义为：能够进行控制，并且该控制对防止、消除某一食品安全危害或将其降低到可接受水平所必需的某一步骤[10]。

在南美白对虾养殖过程管理中，根据HACCP体系的七项原则，并结合图1工艺流程图，利用判断树确定CCP[11]，从而确定在南美白对虾养殖过程中的关键控制点为：养殖场地的选择、投饵管理、水质管理、虾苗的选择和养成、药物使用共5个。对于任何危害，都要采取相应的预防措施予以消除或降低到标准水平[12]。

2 对虾养殖过程品质风险系统动力学模型

2.1 系统界定

确定了品质风险关键控制点，仍不能确定在各个点上该记录哪些因素。本文给出了养殖环节品质风险的定义。

定义1 南美白对虾养殖品质风险是指，对于不同虾苗的选择，在南美白对虾的养殖过程中，由于水质、饲料、药物、环境等养殖条件的不同而造成的南美白对虾生长异常，导致产出品质发生改变的风险。

2.2 模型系统关系图

根据上述确定的养殖过程中的五大关键控制点，结合文献阅读、参考专业化养殖技术手册和权威部门给出的检测建议[13,14]，下面将分别介绍各要素的显著危害、影响要素及与对虾品质风险的相互关系，从而为南美白对虾溯源系统溯源点的选择提供参考依据。

随着水质的恶化、导致对虾养殖病害愈发严重。根据文献[1]利用德尔菲法和SPSS分析测出对于水质影响较大的因子，选取氨氮、亚硝氮、DO等重要因子作为评价模型的参数[2]。同样地，以下影响因素标准选取均依据南美白对虾育苗技术详解进行影响因素标准选择：面对养殖环境差、水深不同、土壤污染会造成幼虾抵抗力差、品质低等问题，选取养殖场规模、养殖场面积和水深进行养殖场地评价；目前苗种品质退化，生长速度慢。虾苗的选择和养成首要关注体长、是否携带病原体、胃肠食物是否饱满等因素；虾病泛滥成灾、疾病交叉感染会使得幼虾大范围死亡，因此在虾苗的选择上关注病害并采取相应措施；由于目前市场饲料品质良莠不齐，导致对虾营养不良、抗病力差等，因此选择投喂频次和投喂品质进行评价选择[15]。由于上述因素影响到这五大关键控制点，即间接影响到了对虾品质，其具体影响关系程度是通过下一部分系统动力学模型模拟分析的。

2.3 模型存量流量图构建

当系统需要量化模型、为了区别不同类型变量，引入存量流量图来建立变量之间的数学关系。本系统中包括虾苗、成虾两个水平变量；虾苗品质、幼虾品质、成虾品质三个速率变量。各个节点的品质是根据下级节点(2.2部分)的关键控制点来决定的。利用Vensim软件结合上述分析，绘制出相应的存量流量图,选取虾苗品质、幼虾品质和成虾品质作为变化侦测点[16]，如图2。

图2 南美白对虾养殖过程存量流量图Fig 2 Inventory flow diagram of Vannamei farming process

2.4 模型验证

本研究将2013～2015年的南美白对虾养殖数据与品质抽检数据模拟，并将模拟值与实际值比较，结果表明相对误差均在10 %之内，并将现有模型在“现实性检验”中验证，模型可行、合理，可用于仿真南美白对虾品质风险变化趋势。

3 仿真实验与结果分析

3.1 调控方案

2014年10月，选择了上海临港新城高品质的虾苗分成A,B,C,D,E 5组(其中E组为对照组)进行了生产性对比养殖实验，经检验，虾苗健康状况良好，有活力，无病害等其它情况。放苗时间为2014年10月18日，幼虾收获比较打捞时间为2015年3月，养殖过程各要素条件见表1。

表1 幼虾A，B，C，D，E 5组养殖过程品质抽检表

A组：饵料投喂要素为优质水平，其它要素如水质、虾苗的选择与养成、药物和养殖场地均处于一般水平。B组：虾苗的选择与养成要素为优质水平，其它要素均处于一般水平。C组：药物要素为优质水平，其它要素处于一般水平。D组：水质要素为优质水平，其它要素均处于一般水平。E组：由于场地所限，水质、饵料投喂、虾苗的选择与养成、药物和养殖场地均处于一般水平，作为原始对照组。

由于本次实验关键点涉及影响要素较多，故以五大关键点分别作为自变量进行仿真实验模拟，以得到各要素与幼虾品质之间的关系。

3.2 仿真结果与分析

本模型在Vensim软件中进行仿真模拟实验，仿真时间为1年(365天,12个月)，仿真步长为30天。依据上述环节的南美白对虾养殖过程存量流量图(图2)，以水质、饵料投喂、虾苗的选择与养成、药物和养殖场地五个关键控制点为自变量，建立模型，得出5组实验对南美白对虾品质风险的评估数值。

3.2.1 不同因素对幼虾品质的影响

保持其他参数不变，分别以饵料投喂、虾苗选择与养成、药物、水质和养殖场地为自变量进行仿真，结果如图3。

图3 不同因素对南美白对虾养殖环节幼虾品质的影响Fig 3 Influence of different factors on quality of young Vannamei in farming link

仿真结果表明：前4个月幼虾品质与各要素均呈现正相关的相关关系，影响差异性不大，4个月后，饲料投喂影响较大，其次为虾苗选择与养成和药物。

3.2.2 不同因素对成活率的影响

同样地，保持其他参数不变，分别以饵料投喂、虾苗选择与养成、药物、水质和养殖场地为自变量进行仿真，结果如图4。

图4 不同因素对南美白对虾养殖环节成活率的影响Fig 4 Influence of different factors on survival rate of Vannamei in farming link

从仿真结果表明：成活率与各要素均呈现正相关的相关关系，从一个半月开始饵料投喂对成活率影响就较为突出。

4 结 论

1)通过南美白对虾养殖过程中五大关键控制点的确定，为南美白对虾养殖环节溯源系统溯源点的选择提供参考依据，除了对养殖过程溯源提供直接参考外，也对整个供应链的加工环节、物流运输环节和销售环节的全链溯源提供保障。

2)关键点的确定和仿真模型的建立，对于养殖环节供应链上的各级用户也是十分有益的[17]。首先，作为养殖企业，可以依据养殖环节关键点及仿真结果进行合理科学养殖；其次，作为政府和质监管理部门，通过了解关键控制点，可以提高检验的透明度，从过程把握结果，使得抽检结果更具有可信度和准确度；最后，对于消费者而言，了解这五类关键控制点及标准，除了通过质检信息和对虾外观信息外，还可以从养殖过程重点把握，保障消费者的知情权。为水产品冷链物流甚至整个食品行业的品质保障打下了夯实的基础。

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[2] 杨 超.用于南美白对虾供应链的溯源系统研究[D].杭州:浙江大学,2012:4-5.

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陈 明，通讯作者，E—mail:mchen@shou.edu.cn。

Application of quality risk of Vannamei farming system based on system dynamics*

PEI Li-na，CHEN Ming，GE Yan

(College of Information Science,Shanghai Ocean University,Shanghai 201306,China)

To solve the current problems in Vannamei farming link such as blurring traceability points,feeble supervise in farming process,defective quality evaluation,simulates the farming process to confirm the core effect factor of the CCP.Based on HACCP,combine research status of key effect factors on farming link,establish risk dynamics model for Vannamei farming by Vensim,critical control point(CCP)is selected by decision tree method.Core effect factor of CCP is determined.Simulation result proves risk dynamics model is able to reflect quality risks dynamic change by dynamic simulating the influence of Vannamei quality and survival rate by the five sorts of effect factors.Based on the simulation,theory reference is provided to CCP selection in the vannamei traceability manage system and quality dynamic appraise and real-time monitoring and evaluation of farming process.

Vannamei farming system;system dynamics;quality risk;modeling and simulation

10.13873/J.1000—9787(2016)11—0157—04

2015—11—11

国家科技支撑计划资助项目(2013BAD19B06)；江苏省科技支撑计划资助项目(BE2014333)

TP 391.9

A

1000—9787(2016)11—0157—04

裴丽娜(1991-)，女，山西晋中人，硕士研究生，主要研究方向为水产品溯源系统,质量评价与仿真。