基于云計算的食品安全監理研究

鄧小云， 劉宏志

(北京工商大學計算機與信息工程學院，北京 100048)

基于云計算的食品安全監理研究

鄧小云， 劉宏志

(北京工商大學計算機與信息工程學院，北京 100048)

利用云計算技術，從建立食品安全監管體系的角度出發，構建了基于云計算的食品安全監理架構．通過對引起食品安全的風險因素及可能性的分析研究，建立了食品安全風險評估模型．通過對此模型的建模分析，形成了一個有效的食品安全監理機制，從而達到降低食品安全事故發生概率的目的．

云計算;食品安全;監理;風險評估

食品是人類賴以生存的物質基礎，食品安全問題關系到人類身體健康及社會和諧．近年來，我國的食品安全問題頻繁發生，嚴重影響了人民的生活質量并威脅到了人民的身體健康，同時，食品安全問題在某種程度上也影響了我國的經濟發展．因此，化解食品安全問題迫在眉睫，建立一個安全有效的食品安全監理架構顯得尤為重要．本文將利用先進的信息化手段構建食品安全監理架構，對食品安全監理進行數學建模與分析，再結合云計算技術來形成一個高效、方便的食品安全監理機制．

1 食品安全監理架構

食品安全監理是指監理機構根據我國食品安全相關法律及規章制度，在食品的生產過程中，對食品中存在的可識別的食品安全風險因素進行督察、監控和評價，并加以風險評估與控制，以確保食品的安全性［1－2］．隨著信息化日益發展、滲透各個行業，利用先進的信息化手段來保障食品安全是必然的發展趨勢．

食品有著一條長的供應鏈，且風險會順著供應鏈一級級地傳遞下去，監理難度比較大．要達到食品在生產和消費全程中被全面有效的監管，必須有食品生產、加工、儲藏、運輸、銷售等所有環節的信息化安全監理體系［3］．在該食品安全監理體系中管理的數據量大、技術要求較高，因而利用云計算技術來建立食品安全信息平臺，實施對食品安全信息及風險評估的管理．

在此提出基于云計算的食品安全監理架構，目的在提高監理機構對于食品安全的監測和管理效率，并最終達到保障食品安全的目的．針對食品生產及銷售的供應鏈，提供了一個便利、可視化的監理平臺［4］．基于以上分析，基于云計算的食品安全監理架構如圖1．

圖1 基于云計算的食品安全監理架構Fig．1 Surveillance architecture of food safety based on cloud computing

該食品安全監理系統是建立在云計算服務平臺上的，利用云計算技術來進行監理任務的管理和調度，通過食品安全信息反饋來保證食品在各過程階段能夠到達安全指標．而用戶只需要通過訪問Web來調用該監理服務，操作方便簡單．

2 食品安全監理技術

2.1 云計算技術

狹義云計算是指IT基礎設施的交付和使用模式，指通過網絡以按需、易擴展的方式獲得所需的資源;廣義云計算是指服務的交付和使用模式，指通過網絡以按需、易擴展的方式獲得所需的服務［1］．這種服務可以是和IT軟件、互聯網相關的，也可以是任意其他的服務，它具有超大規模、虛擬化、可靠安全等獨特功效［5－6］．

在基于云計算的系統中，可以使用SOA(Service Oriented Architecture)［5］技術設計云服務．在面向服務的設計中，需要使用與實施細節無關的標準化接口來構建服務．在SOA中，系統的體系結構通常由無狀態、全封裝且自描述的服務組成．

在基于云計算的食品安全監理系統中，云服務的客戶將通過瀏覽器來訪問這些監理及相關服務．該監理平臺的監理服務架構如圖2．

圖2 監理服務架構Fig．2 Architecture of surveillance service

如圖2，客戶可以通過Web層來訪問云服務，Web層在該系統中主要由JSP、Servlet來實現，而服務接口及監理服務可以使用JavaBean來實現，對象層則是提供了服務調用的API，最后通過數據庫訪問層來完成對象對數據庫的各種操作，如:保存、更新及查詢數據等．

2.2 食品安全檢測技術

食品安全檢測技術是食品安全保障不可或缺的重要組成部分．食品安全的檢測對象［7］包括:農藥、獸藥、生物毒素、食品添加劑、非食品添加劑、違禁成分、持久性有機污染物、加工產物、致病菌等．通過食品安全檢測技術，將食品中存在的對人體健康造成危害的成分檢測出來，并根據相關的國家標準進行定性和定量分析，從而形成一個全面的風險控制系統，有效地對市場流通領域的食品安全狀況進行把握和控制．我國已經初步建立了食品安全檢測技術體系，為保障食品安全提供了一定的保障．目前，食品安全檢測技術主要包括色譜檢測技術、生物檢測技術、酶聯免疫吸附法、基因芯片技術和生物芯片技術［5］．

食品在生產、儲存、運輸及銷售等各個環節，都可能有污染風險，需要監理部門多環節來加以監控．具體的食品安全檢測流程如圖3．

圖3 食品安全檢測流程Fig．3 Detection process of food safety

食品安全監理人員單憑眼看、手摸、鼻聞、嘴嘗的監管方法已不適應現代食品安全的監管模式，要將可能發生的風險降低到最小程度，需要積累的經驗與先進的技術相結合．

首先，運用基于云計算的數據庫管理系統，可方便相關用戶快速查詢相關信息，包括政策法規、安全生產技術指標、質量標準、產品生產情況等，為用戶提供信息服務和實現信息共享［8］．然后，利用云計算技術，采用食品風險評估分析體系，建立食品監理系統，可為食品安全做出風險評估和預測，從而提高食品安全監理效率，降低食品風險系數．

3 食品安全監理建模

3.1 問題分析

根據食品安全監理的參考模型，食品安全監理工作是否達到預期的目標，要從食品安全風險控制是否有效來進行評估．通過對食品安全監理的目標和影響食品安全監理目標實現的各項因素建立監理的數學模型，可以進一步分析食品安全風險，從而達到食品安全監理的預期目標．

威脅食品安全的風險因素眾多，主要包括:化肥、農藥等有害物質殘留于農產品中;抗生素、激素等有害物質殘留于禽畜體內;重金屬污染;超量實驗食品添加劑;濫用非食品加工用化學添加物;食品制造使用劣質原料等［9］．因而建立食品安全風險評估數學模型，用以處理調查或檢測數據，對食品的安全狀況做出評估，是非常必要的．

3.2 數學模型

食品風險評估是基于人群對某些污染物的攝入量來進行的，而污染物的攝入量等于人群食物攝入量與污染物在此食物中含量的乘積［10］．現對某種食品做出如下假設:1)人群對該食品一天的攝入量為隨機變量X，其分布為fX(x);2)在每單位質量的該食品中某污染物的含量為Y，其分布fY(y);3)人群對該污染物的攝入量為隨機變量Z，Z=XY．

通過調查數據來估計全國攝入量模型方法，假設第i個地區的攝入量模型［10］為:

其中，隨機變量x為某食品的日均攝入量，u為該食品日均攝入量的平均值，σ為日均攝入量的方差，S是將該不完整的正態概率分布歸一化的常數．

則該食品全國的攝入量模型可通過下式計算:

其中Wi為地區總人數與全國總人數的比值，N為地區數目．

污染物的分布主要根據食品衛生檢測部門日常對市場上食品的監測數據、市場上各類食品的流通量以及進出口的檢測數據來估計．

在已經建立了食物攝入量x和污染物y的概率密度函數fX(x)和fY(y)，污染物的攝入量z為這兩個隨機變量乘積，則有:

概率密度函數為上式的導數:

上式即為食品風險評估模型的概率密度函數表達式．

3.3 模型分析

在食品安全監理的每一階段，都要把記錄的食品相關信息錄入到基于云計算的數據庫管理系統中，以保證食品信息的連貫性和有效性，從而可通過數據的分析處理來得出食品的風險分布．

基于以上分析的風險模型，如果有些隨機變量概率函數比較復雜，按照公式(5)直接計算可能比較難得到分布函數的結果．因而可采用隨機模擬的方法來求解兩個隨機變量乘積的擬合分布函數．

具體算法過程為:根據已經建立的食物攝入量x和污染物y的概率密度函數fX(x)和fY(y)，可以得到兩組分別服從fX(x)和fY(y)的隨機樣本x1，x2，…xn和 y1，y2，…，yn，將兩組數相乘得到 z的隨機樣本．然后對這組隨機數用直方圖擬合方法得出其擬合分布的密度函數．

4 實驗結果與分析

對于食品安全的監理，是通過采集、錄入食品安全檢測數據，在基于云計算的數據管理系統中建立數據庫，再利用上文建立的風險評估模型對數據進行處理分析，最終發現食品安全問題，確定性質、范圍和程度，并根據問題提出控制方案與解決措施．

在此，對食品風險的評估由污染物的攝入量來評定，而污染物攝入量即食物攝入量與污染物含量百分比的乘積，因此可以通過對食品攝入量和污染物的分布進行取值采樣，最終估算出污染物攝入量的函數值．在全國4個大區12類膳食樣品中鉛的含量［11］如表 1，單位為 mg/kg．

表1 中國四大區12類膳食樣品鉛含量Tab．1 Lead content of Chinese four areas in 12 categories food samples mg/kg

根據所建立的食品安全監理模型及算法過程，再結合表1中的參考數據，可以得出食品中的鉛攝入量概率密度(見圖4)．

圖4 鉛的攝入量Fig．4 Lead content

圖4顯示了鉛的攝入量在實施監理控制方案與解決措施之后的變化曲線．在食品安全的監理過程中，是通過采集、錄入食品安全檢測數據，由于食品安全的監控需要海量數據的處理，而云計算平臺具備海量存儲及處理的特性，故采用基于云計算的數據管理系統來建立食品信息數據庫，再用已建立的風險評估模型對數據進行處理分析．使用云平臺來提供服務開發工具和基本軟件(如:數據庫、分布式操作系統等)，基于云平臺的海量資源來建立食品安全的信息分析庫，進而開發食品安全監理云服務．

5 結束語

本文提出了基于云計算的食品安全監理架構，通過云計算技術和食品安全檢測技術的結合，利用信息化手段對食品安全的風險要素進行評估，以達到降低食品安全風險的目的．通過對此監理架構的分析，以及對食品安全監理評估模型的建立與實驗分析，對食品中污染物攝入量進行了評估計算．基于云計算的食品安全監理架構是利用信息化手段來保障食品安全，最終降低食品安全風險值．

［1］鄧小云，劉宏志．云計算在物聯網安全監理中應用的研究［G］//中國人工智能學會智能信息網絡專業委員會．第一屆全國物聯網技術與應用會議論文集．北京:2010:97-101．

［2］李夢尋，劉宏志．基于物聯網的食品安全監理模型研究［J］．北京工商大學學報:自然科學版，2011，29(3):54-58．

［3］劉宏志，徐全平，葛乃康．我國信息化工程監理體制框架的探討［J］．信息技術與標準化，2004，9(9):34-38．

［4］Liu Hongzhi，Deng Xiaoyun．The research on model of security surveillance in software engineering based on ant colony algorithm［J］．International Conference，2011(VI):343-349．

［5］楊正洪，鄭齊心，吳寒．企業云計算架構與實施指南［M］．北京:清華大學出版社，2010:4．

［6］劉義軍．基于云計算平臺的個人信息融合系統的研究與實現［D］．北京:北京郵電大學，2010:1．

［7］吳園園．食品安全檢測技術的研究進展［J］．科技資訊，2010，17:227．

［8］楊振東．基于云計算的中小企業信息化建設模式研究［D］．青島:中國海洋大學，2010:5．

［9］李寧，嚴衛星．國內外食品安全風險評估在風險管理中的應用概括［J］．中國食品衛生雜志，2011，23(1):13-17．

［10］唐蘇文，馬守貴，張浩．食品衛生安全保障體系數學模型的研究［J］．數學的實踐與認識，2008，7(14):50-58．

［11］高俊全，李筱薇，趙京玲．2000年中國總膳食研究——膳食鉛、鎘攝入量［J］．衛生研究，2006，35(6):750-754．

(責任編輯:王 寬)

Study on Food Safety Surveillance Based on Cloud Computing

DENG Xiao-yun，LIU Hong-zhi
(School of Computer Science and Information Engineering，Beijing Tecnology and Bussiness University，Beijing 100048，China)

The food safety surveillance architecture based on cloud computing was constructed from the view of food safety supervision system．By analyzing the food safety risk factors and the possibility，the food risk evaluation model was established．An effective food safety surveillance mechanism was formed based on analysis of this model to reduce the probability of food safety accidents occurrence．

cloud computing;food safety;supervision;risk evaluation

TS201.6

A

1671-1513(2012)04-0075-04

2012-03-14

鄧小云，女，碩士研究生，研究方向為信息工程安全監理．

劉宏志，男，教授，博士，主要從事信息工程監理、電子政務、軟件工程等方面的研究．通訊作者．