循环水养殖绿色水产品全程追溯系统设计与实现

王大为，崔正国，曲克明，李卫东，刘名军，崔鸿武

（1.上海海洋大学水产与生命学院，上海 201306；2.中国水产科学研究院黄海水产研究所，山东 青岛 266072；3.唐山海都水产食品有限公司，河北 唐山 063200；4.广州泰迪智能科技有限公司，广东 广州 510700）

循环水养殖模式被认为是水产养殖业绿色发展的重要方向，可解决传统水产养殖中存在的问题[1-3]。追溯系统是国际上公认的产品质量管理手段[4-5]，近几年发生的水产品安全事件屡有发生，建立全产业链的水产品质量安全追溯系统迫在眉睫[6]。

当前国内外学者对水产品追溯系统开展大量研究。任晰等[7]通过对罗非鱼养殖流程中的关键信息进行分析，构建了基于Web 的罗非鱼养殖质量安全追溯系统，为罗非鱼养殖管理和质量安全监管提供了平台。张波等[8]基于多源信息融合技术构建了可以对生产信息和管理情况实时传输的水产养殖安全溯源系统，确保养殖过程中信息可溯源。Bjorn 等[9]基于物联网技术构建面向水产养殖商和消费者的企业级物联网追溯平台，能够实现养殖信息的收集和共享，满足消费者端到端的追溯性需求。此外，美国、日本、欧盟等发达国家将基于计算机技术和信息管理技术的EAN.UCC 可追溯体系应用于水产品追溯中，其中具有代表性的追溯平台有KnowSwafood、ValorMar[10]、Automantisering[11]等。

然而，传统的水产品追溯系统存在追溯范围不能覆盖养殖和流通的所有环节、追溯参与者单一、追溯信息真实性存疑[12-13]、追溯系统构建缺乏相关标准等问题[14]。此外，循环水养殖模式和绿色水产品养殖过程具有养殖环境稳定、养殖管理统一等特点，而当前缺少符合其特点的追溯系统的设计与开发。针对这些问题，本研究对循环水养殖绿色水产品产业链进行全程分析，根据循环水养殖系统特点和绿色水产品标准筛选出产业链各环节中需要记录的追溯信息并将其按水产行业标准《SC/T3044-2014养殖水产品可追溯编码规程》进行编码，最后应用Java 语言，基于SpringBoot 框架和Postgresql 数 据库等计算机信息技术，构建一套多类用户参与、多种权限分配的循环水养殖绿色水产品全程追溯系统，在实现循环水养殖水产品全程可追溯目标的同时也可为绿色水产品的生产管理和认证提供参考。

1 系统需求分析

1.1 循环水养殖系统

循环水养殖系统（Recirculating Aquaculture System）是一种新型水产养殖系统，其90%～95%的养殖用水在经过固液分离装置、生物过滤系统、杀菌消毒设备处理后可再次进入养殖池循环使用。相较于传统养殖模式，循环水养殖模式具有占地面积小、水资源利用率高、养殖密度大、养殖条件可控性强等优点。此外，在养殖水产品可追溯性方面，封闭式循环水养殖系统是最适合在养殖阶段执行HACCP (Hazard Analysis and Critical Control Point)管理的养殖系统，通过应用HACCP 管理体系，能够识别并预防水产品生产环节中的风险，从而实现对养殖产品的高度可控性（可溯源），最大限度保证水产品质量安全[2]。

1.2 循环水养殖水产品产业链

通过对循环水养殖企业实地调研和流程分析，总结得到循环水养殖水产品的养殖过程（图1）。其产业链主要包含以下环节：

图1 循环水养殖水产品产业链Fig.1 Industry chain of aquatic products in recirculating aquaculture

1）幼苗采购。水产养殖企业考察多家幼苗繁育企业，获得其养殖水产品幼苗的基本信息和幼苗繁育企业的基本状况。养殖企业综合比较幼苗繁育企业的技术力量、育苗环境、育苗规模和幼苗质量等情况，最终确定供苗企业并登记其苗种规格、检疫情况、生产批号等信息，形成幼苗采购记录。

2）水产品养殖。水产品养殖环节包括消杀、投放、饲喂、转池等过程。养殖前，养殖企业技术人员使用消毒剂对养殖池进行消杀并记录所使用的消毒剂名称、用量、消杀时间等信息；将购买的幼苗投入养殖池中饲养，记录投放量和投放时间；在投放后的养殖过程中，工作人员在投喂饲料或遇到紧急情况需要使用药物时记录投喂时间、投喂量、药物使用原因；当水产品饲养到一定规格或因饲养方法等需要进行倒池时，工作人员记录来源池、倒入池、倒池数量等信息。最后，养殖企业生产负责人将每个过程记录的信息进行汇总形成“养殖记录表”。

3）养殖环境与产品检测。在水产品即将进入市场销售时，养殖企业委托国家规定的绿色食品定点检测机构按照绿色水产品标准对其养殖环境和养殖水产品进行检测并形成检测报告。

4）产品销售。水产养殖企业的养殖环境和养殖水产品经过检验符合《NY/T842-2012 绿色食品鱼》《NY/T391 绿色食品产地环境条件》等相关标准后，企业销售部门可联系水产品销售商进行养殖产品的预订和销售，销售负责人记录每笔订单的销售去向、销售数量、销售时间等信息，形成销售记录。

5）产品运输。根据养殖企业销售部门提供的销售单据捕捞相应数量的水产品，捕捞完成后装箱并在箱体赋予产品编码，最后由运输企业送往买方指定地点。在运输阶段，负责运输的人员记录货物信息、运输工具、运输条件（温度、湿度）、运输路线等信息并形成每批产品的运输记录。

1.3 追溯信息的选取

养殖水产品从苗种到上市，涉及到苗种采购、苗种投放、饲料配方、水质控制、病害防治和产品收获等一系列复杂流程，而且不同地区不同养殖品种存在较大差异[15]。在循环水养殖过程中也要经历这些复杂流程，由于循环水养殖水产品产业链涉及的信息量巨大，难以实现信息的完整记录。因此，在追溯系统构建过程中，可根据HACCP 原则并结合绿色水产品标准《NY/T842-2012 绿色食品鱼》对循环水养殖产业链中涉及的信息进行选择，筛选出可能影响产品质量的因素并进行记录（表1）。

表1 系统追溯信息判别Table 1 System traceability information discrimination

2 系统设计

2.1 追溯系统模型

本研究根据循环水养殖产业链各环节，将系统录入权限划分为苗种、养殖、运输、检测、销售等五种，采用自动采集和人工录入相结合方式，将各环节筛选出的追溯信息储存到数据库中，作为产品追溯的原始数据。系统管理者可以对追溯系统进行管理、消费者能够对水产品追溯信息进行查询、水产品监管和认证部门可以对养殖水产品质量安全进行监管和相关认证（图2）。

图2 循环水养殖绿色水产品全程追溯系统模型Fig.2 Traceability system model of green aquatic products in recirculating aquaculture

2.2 追溯码设计

追溯编码设计是养殖水产品全程追溯系统设计的前提，通过查询每件产品的唯一编码可实现养殖到餐桌全过程的信息追溯。追溯码的设计既要兼容国际标准、符合我国水产养殖现状[8]，又要体现循环水养殖的特点、满足当前循环水养殖企业的需求。目前，有不少研究将GS1(Globe standard 1)编码系统用于畜禽养殖产品和蔬菜产品的追溯中并获得了成功。然而，相对于牛、羊、猪等常见畜禽而言，水产养殖品种单体小、养殖密度大且活动具有高度自由性，所以传统畜禽养殖动物编码方法并不适用水产养殖产品。考虑到以上因素以及循环水养殖系统所具有集约化程度高、养殖管理规范性强等特点，本研究采用GS1-128 编码标准并结合水产行业标准《SC/T3044-2014 养殖水产品可追溯编码规程》，以同一幼苗来源、同一时间投放并在企业同一养殖基地进行养殖的水产品为批次进行编码设计。GS1 体系的编码结构为：应用标识符+全球贸易项目代码+生产日期+批号/系列号。本研究根据此结构并结合循环水养殖模式每个池中养殖环境基本一致、养殖管理统一等实际情况设计了32 位的产品追溯码（图3）。其中，“（01）”为应用标识符，表示后面是一个14位的全球贸易项目代码；“9”为指示符，指水产类型的厂商；“1234567”为厂商识别码，代表具体的企业；“011113”是项目代码，指养殖水产品分类代码，其中“01”代表鲜活海水鱼类，“11”代表石斑鱼，“1”代表某种规格；“3”是校检码；“（11）”为应用标识符，表示后面是YY/MM/DD 格式的生产日期；“（10）”为应用标识符，表示后面是一个20位以内的批号或系列号；“370201”为批号，表示在某养殖基地养殖的某批产品。91234567011113220213370201 可以解释为1234567企业在山东青岛01 号养殖基地于2022 年2 月13 日养殖的1 kg以内的石斑鱼。

图3 产品追溯码示例Fig.3 Example of product traceability code

2.3 数据库设计

追溯数据库是水产品追溯系统的核心，数据库中记录着水产品产业链各环节的重要信息，这些信息是实现水产品全程可追溯的前提和基础。所以，追溯数据库的设计要求数据结构清晰、数据冗余度小、数据之间关联清晰方便共享[16]。本研究基于循环水养殖水产品产业链，从养殖、检测、运输、销售环节出发，设计了包含企业信息表（养殖、运输、检测、销售）、养殖基地信息表、产品/管理信息表、养殖过程信息表、投喂信息表、用药信息表、检测记录表、运输信息表、销售信息表的追溯数据库，并根据各个环节衔接特点设计数据库的表结构，使各环节信息合理串联进而保证追溯系统信息的连贯性[17]。数据库中表的结构设计与串联关系如图4所示。

图4 数据库设计E-R图Fig.4 E-R diagram of database design

2.4 应用模块设计

以“源头可溯、全程可控、风险可防、责任可究、公众可查”为原则[18]，将系统分为管理员系统、养殖档案管理系统、养殖保障系统、消费者查询系统共四个子系统。1）管理员系统中，管理员主要负责对申请加入系统的各类企业所提交的企业名称、企业信用代码、企业营业执照、企业联系方式等基本信息进行审核，审核合格后根据其在系统中角色赋予其相应权限的账号。2）养殖档案管理系统又包含生产信息维护、养殖产品管理、养殖环境与质量控制、销售状况统计这四个模块，这些模块主要功能有根据企业的实际情况对企业生产信息进行更新维护；记录投喂、用药等一些养殖过程中的关键信息；对来自检测公司以及水质传感器上传的养殖环境数据进行分析，若出现异常值及时进行纠偏；统计养殖产品的销售去向和销售数量并生成每批销售产品的追溯码，为企业制定销售策略提供数据支撑。3）养殖保障系统包括养殖产品运输模块和养殖产品检测两个模块，前者功能是记录产品运输过程中的一些基本信息；后者功能是录入养殖环境和养殖产品的检测数据并可根据养殖产品对检测指标进行调整。4）在消费者查询系统中，通过扫码可以查询到所购买水产品的养殖企业、养殖过程、物流情况、检测报告等信息，使水产养殖变得更透明，从而增加消费者对水产品的信任程度。

3 系统实现

3.1 系统权限分配

循环水养殖绿色水产品追溯体系中涉及到养殖企业、运输企业、检测机构、认证与监管机构等多种角色，要保证追溯系统中数据真实性以及追溯体系中各参与方商业技术保密性，需要对系统权限进行合理分配。本系统权限分配采用系统与认证分离的方式/方法。管理员根据系统需求定义各种角色，并设置合理访问权限，系统用户根据其职责和分工被指派为不同角色。通过不同权限绑定不同资源方式实现对资源访问控制；通过对不同用户进行角色认证方式实现对访问权限控制。

3.2 系统构建关键技术

系统前端使用B/S（Browser/Server，浏览器/服务器）网络模式构建，这种模式统一了客户端，将系统功能实现的核心部分集中到服务器上，使系统的开发、维护和使用得到简化。在后台技术实现上，系统基于SpringBoot 框架进行建设，以Windows 10为操作系统，选择postgresql 数据库作为追溯数据库，以Java 为开发语言实现网页前端与后台数据库的连接。SpringBoot 框架具有配置简单、兼容性强等优点，选择SpringBoot 框架构建追溯系统，不仅提高了追溯系统的构建效率，而且使所构建系统的兼容性得到增强，为今后系统的优化、升级提供便利。

系统的移动端基于HTML5 语言+Vue 框架开发，Vue 框架是一套用于构建用户界面的渐进式框架，其特点是可以自底向上逐层应用且核心库只关注视图层，当与现代化的工具链以及各种支持类库结合使用时，Vue 也完全能够为复杂的单页应用提供驱动。将HTML5 语言+Vue 框架用于系统移动端的开发，不仅易于上手，还便于与第三方库或既有项目整合。追溯系统的部分界面展示见图5。

图5 系统部分界面展示Fig.5 Display of the part of the system interface

3.3 系统性能测试

追溯系统构建完成后，使用jmeter 工具对追溯系统进行性能分析，通过设置多线程的虚拟用户来创建出真实的负载环境，对其用户连接数、响应成功数和吞吐量进行性能测试。将jmeter 工具测试环境线程总数设置为100 个，即同时存在100 个用户对系统进行操作，测试运行完成后，测试工具进行数据分析并生成测试报告。

通过对追溯系统进行性能测试得到图6 和表2所示的测试结果，由此可知，该系统可以满足实际应用的需求。

表2 系统性能分析结果Table 2 System performance analysis results

图6 测试结果分析Fig.6 Analysis of test results

4 结语

针对循环水养殖模式与绿色水产品的养殖，本研究运用HACCP 体系对水产品生产和流通过程中可能发生的危害进行分析，与此同时，结合绿色水产品标准从养殖水产品整条产业链所涉及的众多信息中筛选出系统需要记录的追溯信息，应用Java语言、HTML5语言、SpringBoot框架、Vue框架、post‐gresql 数据库等计算机信息技术在移动端与PC 端构建分权限、多层次的循环水养殖绿色水产品全程追溯系统，系统参与者被划分为不同角色并赋予相应的信息资源查改权限，避免追溯参与者单一、追溯信息单方面录入容易造假问题的出现，最大限度保证追溯信息的真实可靠，也在一定程度上提高了系统兼容性与稳定性。本研究构建的循环水养殖绿色水产品全程追溯系统能够记录并追溯绿色水产品整条产业链的关键信息，应用价值可期。然而，在追溯信息的录入环节，受限于当前循环水养殖技术条件，仅少量信息可由传感器记录，大部分信息还需人工录入，导致追溯信息录入效率较低。在今后研究中，将对追溯系统与智能投喂、智能管理等循环水养殖智能技术进行结合，减少人工参与，提高追溯信息的记录效率，进一步提升追溯系统的智能化与高效化，为绿色水产品的养殖管理与认证提供技术支撑。