水产品质量安全追溯技术及系统研究进展

文/田 洁 徐大明 孙传恒 周 超

水产品质量安全追溯技术及系统研究进展

文/田 洁1,2徐大明1孙传恒1周 超1

一、前言

随着我国水产品养殖的快速发展，我国已成为水产品生产大国，水产出口贸易占据农产品出口份额首位。长期以来，我国水产品从生产到流通环节，缺乏有效的监督和统一的标准。近几年发生的多宝鱼孔雀石绿药物残留，违规养殖的小龙虾导致肌肉溶解症等食品安全事件，使得国民更加重视水产品质量安全。建设水产品可追溯体系是解决水产品质量安全的重要手段。水产品追溯体系可跟踪供应链中的生产流通环节，为消费者提供一个可查询平台 。相关部门对水产品提出了质量可追溯的要求，促使我们制定更高的目标，将水产品追溯技术应用到完善的生产加工销售等环节，提高标识技术，统一规范管理，使消费者更加透明化的监督水产品行业迫在眉睫。

二、水产品质量安全追溯系统

可追溯性被食品标准委员会定义为能够追溯食品在生产和流通过程中任何制定阶段的能力，可追溯系统被定义为食品供应链各阶段信息连续的能力。在追溯系统内部，主要记录农业企业养殖各个环节的生产加工阶段的信息，一般根据如HACCP的原理构建其追溯关键点，确定记录信息内容；追溯系统外部则是产品供应链各个阶段负责主体的关联与信息跟踪。水产品追溯系统的建立，能使水产品质量监管部门可实时监督辖区内所有水产品生长环境信息、育种信息、药品信息、病防信息、质检信息、流通信息等供应链各环节信息，保障本地水产品质量安全。生产者通过平台的智能监管系统，录入生产信息，监控企业养殖。可提高企业的生产力水平，为企业提升水产品市场竞争力和养殖效益。消费者通过手机扫描条码、店内触摸屏及登陆全国水产品质量追溯网站三种查询模式，满足了消费者的知情权，解决了信息不对称的难题。

(一) 追溯系统的关键技术

追溯系统主要由中心数据库，个体标识，信息传递系统，信息编码体系，追溯展示平台等部分组成。个体标识主要记录企业信息、产品信息、物流信息、质检信息等，水产品标识应在追溯系统中整个供应链里具有唯一性。近年来通信、传感器、识别、大数据等技术不断发展，为追溯系统的的建设提供了强大的技术支持。

1、标识技术

(1) 一维条码

一维条码是由一组粗细不同的线、空和对应字符组按相关的编码规则组合的标记，如图1所示。而扫描仪能根据编码规则使它转化成计算机可识别的十进制与二进制。对每一种产品，一维条码都是唯一对应的，源于一维条码的编码方式。主流的编码方式由国际物品编码协会（EAN International）和美国统一代码委员（UCC）一起研发和管理的“全球统一标识系统（Globe standard 1）”，它是以对位置、资产、服务关系、贸易项目、物流单元等的编码为核心的集条码和射频等自动数据采集、电子数据交换、产品电子代码、全球数据同步、全球产品分类等系统为一体的全球物流供应链的开放标准体系。

图1 一维条码的组成

农产品追溯体系在发达国家的建立比较早，现己建立了较完善的农产品追溯体系。早期建立的农产品追溯体系，追溯编码都是采的一维条码技术。我国在农产品追溯方面起步较晚，北京、上海、山东等地较早开发自己的农产品质量安全追溯系统，这些追溯系统共同点之一就是都是用一维码进行追溯编码。一维条码编制简单，易识别，成本低廉，可印制在大多数标签材料上。因而在农产品追溯系统中受到广泛应用，如图2所示。

图2 一维条码的应用

一维条码要与数据库建立产品与条码之间的联系，当机器识别的条码信息传递给计算机后，计算机对数据进行操作和处理。这要求一维条码对网络和数据库的要求较高。受自身结构的影响，一维条码携带信息量较小，几乎不能储存图文信息，同时由于一维条码编制比较简单，纠错能力和防伪性较差，了解编码规则后易被仿制。为了标识更多信息，提高防伪性和保密性，克服一维条码自身的局限性，产生了二维条码。

(2) 二维条码

二维码是在一维码基础上，在垂直和水平方向用某种特定的几何图形按照一定的规律分布的黑白相间的记录数据符号信息的条码，如图3所示。二维码主要通过数据分析、数据编码、纠错编码、构造数据码字和纠错码、置入功能模块和码字模块、加入掩膜、加入格式信息和版本信息的流程来进行编码。常见的二维码有PDF417、QRCCode、Data Matrix、Maxi Code、Code49等，目前两个二维码国家标准：二维码紧密矩阵码和二维码网格矩阵码被广泛应用到编码中。二维条码中QR 码具有易识读性、高效表示汉字等特点，是现在主流的编码类型。

图3 QR码组成

将二维码应用到水产品中，主要通过人工将产地、种植养殖方式、农药残留、安全检测、认证等信息录入溯源系统，系统根据二维码编码方式将信息写入标签，在市场消费者可通过扫描二维码获取水产品的信息。太原市农业部门最早开始试点农产品质量追溯系统，并在几家大型超市进行推广。消费者只要在超市农产品架柜扫描二维码便可获取这些信息。超市内还摆放了电子触摸查询屏，消费者也可通过电子屏查询农产品溯源信息。下图为二维码在水产品追溯系统中的应用。

图 4 二维码的应用

二维码虽克服了一维码信息储存不足等问题，但其只完成水产品在源头上的信息录入，对水产品供应链上整个物流过程的质量安全信息标识有困难。

(3) 无限射频技术RFID

射频识别（Radio Frequency Identification），是一种利用射频信号识别目标对象并获得信息的技术，识别工作不需要人工干涉。与目前广泛使用的识别技术例如IC卡、磁卡、条形码相比，RFID 射频识别技术具有很多突出的优点：（1）不需要接触操作，非人工识别。（2）使用设备磨损小，寿命长。（3）可适应各种油渍、高温、水体、灰尘污染等恶劣的环境。（4）对高速运动物体的迅速识别，多个标签的一起识别等特点。RFID系统的工作原理如图5所示，主要包含RFID标签、读写器和计算机系统三部分。当无源射频标签进入感应磁场后，将接收到读写器发出的射频信号，从而产生感应电流，通过得到的能量发送出储存在标签芯片中的信息；读写器接收到信息后，读取信息并解码；传送至计算机系统进行处理。

图5 RFID工作原理

将RFID技术应用到水产品供应链上主要通过对各个环节进行RFID标识并记录信息，养殖阶段给每个水池一个标签，每袋喂养的饲料一个标签，每袋使用的药物一个标签，养殖户通过扫描标签并进行信息记录；物流运输阶段给每车运输的水产品一个标签，并利用传感器进行温度监控和GPS进行路线监控；销售阶段对每份销售的水产品进行检测，合格既可上架销售，在消费者购买的时候可通过水产品自带的RFID标签查看从生产到销售的所有信息。2005年开始，沃尔玛公司首先使用RFID电子标签，用于其商品的供应链管理。在超市里，顾客可以拿着带有RFID标签的商品到固定的读写器上扫描，获得商品的产地溯源信息。

图6 RFID实际应用

(4) NFC标签技术

NFC( Near Field Communication)标签技术又名“近距离无线通讯技术”，在射频识别RFID基础上发展而来，因此工作原理与RFID类似。NFC技术是一种高频段、大容量、短距离的非接触式识别和无线电通讯技术，接口遵照国际ISO/IEC IS18092 标准，通信距离在20 cm内，工作频段为13.56 MHz。可在电子类，智能控件，移动设备和计算机系统上实现点对点数据传输。与RFID相比，NFC是一种近距离连接协议，与其他连接方式相比，NFC是一种近距离的私密通信方式。NFC是一种无源产品，需要依靠电子设备来激活工作。消费者可以通过拥有NFC 功能的手机查看商品的信息，方便流通阶段的追踪和追溯。

图7 NFC的标签

NFC 最大的优点就在于其是无源器件，只需要设计非常简单的电路和极少的组件，便可制成 NFC标签。同时，NFC技术不需要重复购买服务器，客户端，消除了硬件资金在水产品供应链上的投入，又因水产养殖不同于其他农副产品，其具有批量大、单体小、少有独立包装、鲜活运销等特点，所以效率高效、结构简单的 NFC标签作为水产品的标识开始被人们重视。

图 8 NFC读取水产品信息[17]

以最新上市的三星，魅族和小米等为代表的各大品牌的手机大多都配置了NFC传感器．但是目前NFC电子标签主要应用到酒类产品防伪里，水产品追溯系统中应用较少，相比较其他的标识标签，一片NFC标签的报价在50块左右，成本较高。

(5) DNA条码技术

DNA条形码技术在生物物种领域是发展最为迅速的一种新技术，DNA 条形码是通过生物一段DNA片段，转化成序列编入条码中实现物种的快速、准确和标准化鉴定，如图9所示。DNA 条形码是生物的“遗传身份证”，基于DNA条码的检测技术主要针对生物相对稳定的DNA遗传物质进行鉴别，由于该法准确率极高，因此在近年的动植物分类、口岸检查等领域应用广泛。

图9 DNA条码技术

DNA虽然是每个生物的唯一标识，DNA条码技术在国内外也应用到了部分水产品加工制品的鉴别中，但是针对水产品种类繁多，生产量大的现实情况，将DAN条形码应用到单个生物标识并进行水产品溯源难度较大且成本较高。

2、总结与对比

根据我国水产品行业养殖量大，运输量广及利润较小的特点，选择水产品追溯系统中的标识技术需符合实际。下表列举了各项标识技术的编码方式及优缺点：

表1 标识技术对比

(二)追溯系统的研究进展与分析

1、追溯系统的研究进展

随着追溯技术的不断发展，追溯信息不断的完善，国内外相关学者针对不同追溯技术的特点构建了不同的追溯系统。S.Allata等建立和实施HACCP可追溯系统方法，捕获食品在生产每个阶段信息并进行追溯。Wang.J等在可追溯系统中加入基于模糊分类和神经网络的方法评估食品质量的环节。Evans,JA等提出用同位素特征追溯生物样品。孙传恒等提出了基于行政区域代码的水产品追溯编码方式，生成了融合一维码和二维码的水产品混合条码标签，开发了基于监管的分布式水产品追溯系统；李高华等结合昆明市农产品的生产追溯过程，利用二维码，WIFI网络和LED电子显示屏技术，设计了一种食品安全交易监督终端装置。周乐乐等结合视频监控技术、地理信息技术、图像隐藏技术以及二维码技术，从投入品源头到产销全过程进行全程追溯监管，生成含有对应产品信息、地理信息和企业信息的二维码，利用图像隐藏技术将企业标识图像嵌入到二维码中，达到保证农产品质量安全的效果。从思琳等建立了基于Petri网的水产品追溯信息模型及应用；颜波等在物联网的背景下，开发了基于RFID和EPC的水产品供应链可追溯平台。

2、全国水产品追溯系统的搭建

北京农业信息技术研究中心与全国水产技术推广总站、中国水产学会等单位在充分考虑国情和行业的可接受水平，有效运用现代信息技术，立足于支撑政府监管和服务行业发展的基础上，建设了“多环节、多主体、多角色、多流通模式”的养殖水产品质量安全可追溯系统。

养殖水产品质量安全可追溯系统主要通过责任主体，信息传递，实物流转，监管主体四个方面为主要开发框架，建立内外追溯模式，应用水产品标识技术，开发软硬件系统与物联网信息平台对接，集成监管追溯平台。针对鱼，虾，贝类等品种数量大、单体小，不易以单元进行追溯的特点，提出了“批次”划分原则进行编码。同一时间和养殖的水体收获的同一品种为一个批次，并分配给每个批次唯一代码。当批次发生分裂、重组、混合时重新生成心的追溯码并保存单元改变的相关记录，实现产品与信息的有效连接。

为建立符合国际通用规则的编码规范，养殖水产品质量安全可追溯系统设计了应国内需求的一维监管码和与国际标准统一的二维追溯码。监管码采用三段式编码方式，将产地编码、产品编码和养殖履历编码相结合。追溯码在现有的技术上，提出了基于AES的十进制追溯码分组加密压缩方法，重新设计AES算法，使追溯码难以仿制篡改。水产品追溯标签选取YUPO薄膜型合成材料，实现大量鲜活运销水产品的可追溯性，保证可追溯体系对不同品种和产品物流模式的适用性。如下图所示：

图10 水产品质量安全可追溯系统标签

我国养殖生产在养殖品种、规模、技术模式上差别较大，组织形式复杂，人员文化水平参差不齐。本项目应用条码/芯片读写中间件、专用采购身份卡接口、解密认证模块，集成三类信息采集终端，通过统一的数据接口、json 格式的数据对象以及 http 传输协议，实现数据集中管理。移动式信息采集系统即智能手机 APP和 IC 卡追溯模式的研发应用，使广大中小养殖户得以纳入追溯管理范围。如下图所示：

图 11 企业及养殖户信息采集终端

监管平台的搭建主要适合我国政府主导的水产品质量安全监管模式，通过建立统一的中央数据库和监管追溯平台，记录生产过程，溯源主体责任，追踪产品流向，识别风险隐患，评估危害程度及共享监管信息实现大量、鲜销、无包装水产品的可追溯信息快速准确全程跨环节查询。下图为全国水产品质量安全监管追溯平台与水产品质量安全追溯网共同为消费者提供可查询平台。为使平台使用与“中央-省-地市县”不同层级监管主体，平台设计了基于 CPU 卡的部级、省级和地市县级三级密钥散列分配技术、基于USBkey的身份认证技术和基于 Web Service 的分布式水产品追溯系统架构。从结构与功能、业务架构等方面进行了系统设计，完成了平台开发，也从源头上保证分布式系统使用的安全性及终端设备标签生成的合法性。结果表明，分布式水产品监管追溯平台系统安装部署简便、扩展性强、查询有效、安全性高，为各级质量安全监管提供了强有力的技术支撑。

图12 水产品质量安全可追溯平台

消费者查询信息的方式有三种，手机二维码扫描、销售终端触摸屏和网站查询。应用权限分配技术，为不同角色用户提供不同功能权限，实现了信息分级分段查询，满足了面向社会大众的知情权、选择权和消费权。

养殖水产品质量安全可追溯系统的应用现已推广至全国各个省市县。截至 2015年底建设国家级监管平台 1个，省级监管平台 19 个，市县级监管平台 268 个。大中小水产养殖企业约入驻5400个，累积上传基础信息50多万条，全年打印二维码追溯标签130多万张，接受网站手机和触摸屏查询30余万张。相关专家与学者积极参与实地考察建设与研讨交流。如下图所示：

图13 建设水产品质量安全系统

三、讨论

对水产品质量进行追溯，是当今各发达国家及发展中国家应对食品质量安全问题的有效途径， 也是世界农业顺利发展的必然趋势，建立有效的追溯系统是关键。标识标签在水产品追溯系统中起唯一标识的作用，目前主流的一维码二维码印制简单，成本低廉，比较符合我国国情，但储存的信息量较小。RFID，NFC与DNA条码技术的新起研发开始使水产品行业进入物联网时代，相关部门的监督监管也更加高效，但成本较高。如何让标识标签溯源效果更好，成本更加低廉成为发展追溯技术的关键因素之一。追溯系统的建立也需要相关部门的支持，将整个国内水产品行业放入一个监管平台，各个责任主体相互配合是发展追溯系统前进的动力。水产品质量安全追溯关系到国内民众的饮食安全，也关系到出口贸易中国家的信誉，建立高效，科学，合法的生产供应链迫在眉睫。

作者单位：1.国家农业信息化工程技术研究中心，农业部农业信息技术重点实验室，北京市农业物联网工程技术研究中心
2.上海海洋大学信息学院