循環(huán)水養(yǎng)殖綠色水產(chǎn)品全程追溯系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

王大為，崔正國，曲克明，李衛(wèi)東，劉名軍，崔鴻武

（1.上海海洋大學水產(chǎn)與生命學院，上海 201306；2.中國水產(chǎn)科學研究院黃海水產(chǎn)研究所，山東 青島 266072；3.唐山海都水產(chǎn)食品有限公司，河北 唐山 063200；4.廣州泰迪智能科技有限公司，廣東 廣州 510700）

循環(huán)水養(yǎng)殖模式被認為是水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)綠色發(fā)展的重要方向，可解決傳統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖中存在的問題[1-3]。追溯系統(tǒng)是國際上公認的產(chǎn)品質(zhì)量管理手段[4-5]，近幾年發(fā)生的水產(chǎn)品安全事件屢有發(fā)生，建立全產(chǎn)業(yè)鏈的水產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯系統(tǒng)迫在眉睫[6]。

當前國內(nèi)外學者對水產(chǎn)品追溯系統(tǒng)開展大量研究。任晰等[7]通過對羅非魚養(yǎng)殖流程中的關(guān)鍵信息進行分析，構(gòu)建了基于Web 的羅非魚養(yǎng)殖質(zhì)量安全追溯系統(tǒng)，為羅非魚養(yǎng)殖管理和質(zhì)量安全監(jiān)管提供了平臺。張波等[8]基于多源信息融合技術(shù)構(gòu)建了可以對生產(chǎn)信息和管理情況實時傳輸?shù)乃a(chǎn)養(yǎng)殖安全溯源系統(tǒng)，確保養(yǎng)殖過程中信息可溯源。Bjorn 等[9]基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建面向水產(chǎn)養(yǎng)殖商和消費者的企業(yè)級物聯(lián)網(wǎng)追溯平臺，能夠?qū)崿F(xiàn)養(yǎng)殖信息的收集和共享，滿足消費者端到端的追溯性需求。此外，美國、日本、歐盟等發(fā)達國家將基于計算機技術(shù)和信息管理技術(shù)的EAN.UCC 可追溯體系應用于水產(chǎn)品追溯中，其中具有代表性的追溯平臺有KnowSwafood、ValorMar[10]、Automantisering[11]等。

然而，傳統(tǒng)的水產(chǎn)品追溯系統(tǒng)存在追溯范圍不能覆蓋養(yǎng)殖和流通的所有環(huán)節(jié)、追溯參與者單一、追溯信息真實性存疑[12-13]、追溯系統(tǒng)構(gòu)建缺乏相關(guān)標準等問題[14]。此外，循環(huán)水養(yǎng)殖模式和綠色水產(chǎn)品養(yǎng)殖過程具有養(yǎng)殖環(huán)境穩(wěn)定、養(yǎng)殖管理統(tǒng)一等特點，而當前缺少符合其特點的追溯系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)。針對這些問題，本研究對循環(huán)水養(yǎng)殖綠色水產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)鏈進行全程分析，根據(jù)循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)特點和綠色水產(chǎn)品標準篩選出產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)中需要記錄的追溯信息并將其按水產(chǎn)行業(yè)標準《SC/T3044-2014養(yǎng)殖水產(chǎn)品可追溯編碼規(guī)程》進行編碼，最后應用Java 語言，基于SpringBoot 框架和Postgresql 數(shù) 據(jù)庫等計算機信息技術(shù)，構(gòu)建一套多類用戶參與、多種權(quán)限分配的循環(huán)水養(yǎng)殖綠色水產(chǎn)品全程追溯系統(tǒng)，在實現(xiàn)循環(huán)水養(yǎng)殖水產(chǎn)品全程可追溯目標的同時也可為綠色水產(chǎn)品的生產(chǎn)管理和認證提供參考。

1 系統(tǒng)需求分析

1.1 循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)

循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)（Recirculating Aquaculture System）是一種新型水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)，其90%～95%的養(yǎng)殖用水在經(jīng)過固液分離裝置、生物過濾系統(tǒng)、殺菌消毒設(shè)備處理后可再次進入養(yǎng)殖池循環(huán)使用。相較于傳統(tǒng)養(yǎng)殖模式，循環(huán)水養(yǎng)殖模式具有占地面積小、水資源利用率高、養(yǎng)殖密度大、養(yǎng)殖條件可控性強等優(yōu)點。此外，在養(yǎng)殖水產(chǎn)品可追溯性方面，封閉式循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)是最適合在養(yǎng)殖階段執(zhí)行HACCP (Hazard Analysis and Critical Control Point)管理的養(yǎng)殖系統(tǒng)，通過應用HACCP 管理體系，能夠識別并預防水產(chǎn)品生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的風險，從而實現(xiàn)對養(yǎng)殖產(chǎn)品的高度可控性（可溯源），最大限度保證水產(chǎn)品質(zhì)量安全[2]。

1.2 循環(huán)水養(yǎng)殖水產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)鏈

通過對循環(huán)水養(yǎng)殖企業(yè)實地調(diào)研和流程分析，總結(jié)得到循環(huán)水養(yǎng)殖水產(chǎn)品的養(yǎng)殖過程（圖1）。其產(chǎn)業(yè)鏈主要包含以下環(huán)節(jié)：

圖1 循環(huán)水養(yǎng)殖水產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)鏈Fig.1 Industry chain of aquatic products in recirculating aquaculture

1）幼苗采購。水產(chǎn)養(yǎng)殖企業(yè)考察多家幼苗繁育企業(yè)，獲得其養(yǎng)殖水產(chǎn)品幼苗的基本信息和幼苗繁育企業(yè)的基本狀況。養(yǎng)殖企業(yè)綜合比較幼苗繁育企業(yè)的技術(shù)力量、育苗環(huán)境、育苗規(guī)模和幼苗質(zhì)量等情況，最終確定供苗企業(yè)并登記其苗種規(guī)格、檢疫情況、生產(chǎn)批號等信息，形成幼苗采購記錄。

2）水產(chǎn)品養(yǎng)殖。水產(chǎn)品養(yǎng)殖環(huán)節(jié)包括消殺、投放、飼喂、轉(zhuǎn)池等過程。養(yǎng)殖前，養(yǎng)殖企業(yè)技術(shù)人員使用消毒劑對養(yǎng)殖池進行消殺并記錄所使用的消毒劑名稱、用量、消殺時間等信息；將購買的幼苗投入養(yǎng)殖池中飼養(yǎng)，記錄投放量和投放時間；在投放后的養(yǎng)殖過程中，工作人員在投喂飼料或遇到緊急情況需要使用藥物時記錄投喂時間、投喂量、藥物使用原因；當水產(chǎn)品飼養(yǎng)到一定規(guī)格或因飼養(yǎng)方法等需要進行倒池時，工作人員記錄來源池、倒入池、倒池數(shù)量等信息。最后，養(yǎng)殖企業(yè)生產(chǎn)負責人將每個過程記錄的信息進行匯總形成“養(yǎng)殖記錄表”。

3）養(yǎng)殖環(huán)境與產(chǎn)品檢測。在水產(chǎn)品即將進入市場銷售時，養(yǎng)殖企業(yè)委托國家規(guī)定的綠色食品定點檢測機構(gòu)按照綠色水產(chǎn)品標準對其養(yǎng)殖環(huán)境和養(yǎng)殖水產(chǎn)品進行檢測并形成檢測報告。

4）產(chǎn)品銷售。水產(chǎn)養(yǎng)殖企業(yè)的養(yǎng)殖環(huán)境和養(yǎng)殖水產(chǎn)品經(jīng)過檢驗符合《NY/T842-2012 綠色食品魚》《NY/T391 綠色食品產(chǎn)地環(huán)境條件》等相關(guān)標準后，企業(yè)銷售部門可聯(lián)系水產(chǎn)品銷售商進行養(yǎng)殖產(chǎn)品的預訂和銷售，銷售負責人記錄每筆訂單的銷售去向、銷售數(shù)量、銷售時間等信息，形成銷售記錄。

5）產(chǎn)品運輸。根據(jù)養(yǎng)殖企業(yè)銷售部門提供的銷售單據(jù)捕撈相應數(shù)量的水產(chǎn)品，捕撈完成后裝箱并在箱體賦予產(chǎn)品編碼，最后由運輸企業(yè)送往買方指定地點。在運輸階段，負責運輸?shù)娜藛T記錄貨物信息、運輸工具、運輸條件（溫度、濕度）、運輸路線等信息并形成每批產(chǎn)品的運輸記錄。

1.3 追溯信息的選取

養(yǎng)殖水產(chǎn)品從苗種到上市，涉及到苗種采購、苗種投放、飼料配方、水質(zhì)控制、病害防治和產(chǎn)品收獲等一系列復雜流程，而且不同地區(qū)不同養(yǎng)殖品種存在較大差異[15]。在循環(huán)水養(yǎng)殖過程中也要經(jīng)歷這些復雜流程，由于循環(huán)水養(yǎng)殖水產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)鏈涉及的信息量巨大，難以實現(xiàn)信息的完整記錄。因此，在追溯系統(tǒng)構(gòu)建過程中，可根據(jù)HACCP 原則并結(jié)合綠色水產(chǎn)品標準《NY/T842-2012 綠色食品魚》對循環(huán)水養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)鏈中涉及的信息進行選擇，篩選出可能影響產(chǎn)品質(zhì)量的因素并進行記錄（表1）。

表1 系統(tǒng)追溯信息判別Table 1 System traceability information discrimination

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 追溯系統(tǒng)模型

本研究根據(jù)循環(huán)水養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)，將系統(tǒng)錄入權(quán)限劃分為苗種、養(yǎng)殖、運輸、檢測、銷售等五種，采用自動采集和人工錄入相結(jié)合方式，將各環(huán)節(jié)篩選出的追溯信息儲存到數(shù)據(jù)庫中，作為產(chǎn)品追溯的原始數(shù)據(jù)。系統(tǒng)管理者可以對追溯系統(tǒng)進行管理、消費者能夠?qū)λa(chǎn)品追溯信息進行查詢、水產(chǎn)品監(jiān)管和認證部門可以對養(yǎng)殖水產(chǎn)品質(zhì)量安全進行監(jiān)管和相關(guān)認證（圖2）。

圖2 循環(huán)水養(yǎng)殖綠色水產(chǎn)品全程追溯系統(tǒng)模型Fig.2 Traceability system model of green aquatic products in recirculating aquaculture

2.2 追溯碼設(shè)計

追溯編碼設(shè)計是養(yǎng)殖水產(chǎn)品全程追溯系統(tǒng)設(shè)計的前提，通過查詢每件產(chǎn)品的唯一編碼可實現(xiàn)養(yǎng)殖到餐桌全過程的信息追溯。追溯碼的設(shè)計既要兼容國際標準、符合我國水產(chǎn)養(yǎng)殖現(xiàn)狀[8]，又要體現(xiàn)循環(huán)水養(yǎng)殖的特點、滿足當前循環(huán)水養(yǎng)殖企業(yè)的需求。目前，有不少研究將GS1(Globe standard 1)編碼系統(tǒng)用于畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)品和蔬菜產(chǎn)品的追溯中并獲得了成功。然而，相對于牛、羊、豬等常見畜禽而言，水產(chǎn)養(yǎng)殖品種單體小、養(yǎng)殖密度大且活動具有高度自由性，所以傳統(tǒng)畜禽養(yǎng)殖動物編碼方法并不適用水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)品?？紤]到以上因素以及循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)所具有集約化程度高、養(yǎng)殖管理規(guī)范性強等特點，本研究采用GS1-128 編碼標準并結(jié)合水產(chǎn)行業(yè)標準《SC/T3044-2014 養(yǎng)殖水產(chǎn)品可追溯編碼規(guī)程》，以同一幼苗來源、同一時間投放并在企業(yè)同一養(yǎng)殖基地進行養(yǎng)殖的水產(chǎn)品為批次進行編碼設(shè)計。GS1 體系的編碼結(jié)構(gòu)為：應用標識符+全球貿(mào)易項目代碼+生產(chǎn)日期+批號/系列號。本研究根據(jù)此結(jié)構(gòu)并結(jié)合循環(huán)水養(yǎng)殖模式每個池中養(yǎng)殖環(huán)境基本一致、養(yǎng)殖管理統(tǒng)一等實際情況設(shè)計了32 位的產(chǎn)品追溯碼（圖3）。其中，“（01）”為應用標識符，表示后面是一個14位的全球貿(mào)易項目代碼；“9”為指示符，指水產(chǎn)類型的廠商；“1234567”為廠商識別碼，代表具體的企業(yè)；“011113”是項目代碼，指養(yǎng)殖水產(chǎn)品分類代碼，其中“01”代表鮮活海水魚類，“11”代表石斑魚，“1”代表某種規(guī)格；“3”是校檢碼；“（11）”為應用標識符，表示后面是YY/MM/DD 格式的生產(chǎn)日期；“（10）”為應用標識符，表示后面是一個20位以內(nèi)的批號或系列號；“370201”為批號，表示在某養(yǎng)殖基地養(yǎng)殖的某批產(chǎn)品。91234567011113220213370201 可以解釋為1234567企業(yè)在山東青島01 號養(yǎng)殖基地于2022 年2 月13 日養(yǎng)殖的1 kg以內(nèi)的石斑魚。

圖3 產(chǎn)品追溯碼示例Fig.3 Example of product traceability code

2.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

追溯數(shù)據(jù)庫是水產(chǎn)品追溯系統(tǒng)的核心，數(shù)據(jù)庫中記錄著水產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的重要信息，這些信息是實現(xiàn)水產(chǎn)品全程可追溯的前提和基礎(chǔ)。所以，追溯數(shù)據(jù)庫的設(shè)計要求數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)清晰、數(shù)據(jù)冗余度小、數(shù)據(jù)之間關(guān)聯(lián)清晰方便共享[16]。本研究基于循環(huán)水養(yǎng)殖水產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)鏈，從養(yǎng)殖、檢測、運輸、銷售環(huán)節(jié)出發(fā)，設(shè)計了包含企業(yè)信息表（養(yǎng)殖、運輸、檢測、銷售）、養(yǎng)殖基地信息表、產(chǎn)品/管理信息表、養(yǎng)殖過程信息表、投喂信息表、用藥信息表、檢測記錄表、運輸信息表、銷售信息表的追溯數(shù)據(jù)庫，并根據(jù)各個環(huán)節(jié)銜接特點設(shè)計數(shù)據(jù)庫的表結(jié)構(gòu)，使各環(huán)節(jié)信息合理串聯(lián)進而保證追溯系統(tǒng)信息的連貫性[17]。數(shù)據(jù)庫中表的結(jié)構(gòu)設(shè)計與串聯(lián)關(guān)系如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)庫設(shè)計E-R圖Fig.4 E-R diagram of database design

2.4 應用模塊設(shè)計

以“源頭可溯、全程可控、風險可防、責任可究、公眾可查”為原則[18]，將系統(tǒng)分為管理員系統(tǒng)、養(yǎng)殖檔案管理系統(tǒng)、養(yǎng)殖保障系統(tǒng)、消費者查詢系統(tǒng)共四個子系統(tǒng)。1）管理員系統(tǒng)中，管理員主要負責對申請加入系統(tǒng)的各類企業(yè)所提交的企業(yè)名稱、企業(yè)信用代碼、企業(yè)營業(yè)執(zhí)照、企業(yè)聯(lián)系方式等基本信息進行審核，審核合格后根據(jù)其在系統(tǒng)中角色賦予其相應權(quán)限的賬號。2）養(yǎng)殖檔案管理系統(tǒng)又包含生產(chǎn)信息維護、養(yǎng)殖產(chǎn)品管理、養(yǎng)殖環(huán)境與質(zhì)量控制、銷售狀況統(tǒng)計這四個模塊，這些模塊主要功能有根據(jù)企業(yè)的實際情況對企業(yè)生產(chǎn)信息進行更新維護；記錄投喂、用藥等一些養(yǎng)殖過程中的關(guān)鍵信息；對來自檢測公司以及水質(zhì)傳感器上傳的養(yǎng)殖環(huán)境數(shù)據(jù)進行分析，若出現(xiàn)異常值及時進行糾偏；統(tǒng)計養(yǎng)殖產(chǎn)品的銷售去向和銷售數(shù)量并生成每批銷售產(chǎn)品的追溯碼，為企業(yè)制定銷售策略提供數(shù)據(jù)支撐。3）養(yǎng)殖保障系統(tǒng)包括養(yǎng)殖產(chǎn)品運輸模塊和養(yǎng)殖產(chǎn)品檢測兩個模塊，前者功能是記錄產(chǎn)品運輸過程中的一些基本信息；后者功能是錄入養(yǎng)殖環(huán)境和養(yǎng)殖產(chǎn)品的檢測數(shù)據(jù)并可根據(jù)養(yǎng)殖產(chǎn)品對檢測指標進行調(diào)整。4）在消費者查詢系統(tǒng)中，通過掃碼可以查詢到所購買水產(chǎn)品的養(yǎng)殖企業(yè)、養(yǎng)殖過程、物流情況、檢測報告等信息，使水產(chǎn)養(yǎng)殖變得更透明，從而增加消費者對水產(chǎn)品的信任程度。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)權(quán)限分配

循環(huán)水養(yǎng)殖綠色水產(chǎn)品追溯體系中涉及到養(yǎng)殖企業(yè)、運輸企業(yè)、檢測機構(gòu)、認證與監(jiān)管機構(gòu)等多種角色，要保證追溯系統(tǒng)中數(shù)據(jù)真實性以及追溯體系中各參與方商業(yè)技術(shù)保密性，需要對系統(tǒng)權(quán)限進行合理分配。本系統(tǒng)權(quán)限分配采用系統(tǒng)與認證分離的方式/方法。管理員根據(jù)系統(tǒng)需求定義各種角色，并設(shè)置合理訪問權(quán)限，系統(tǒng)用戶根據(jù)其職責和分工被指派為不同角色。通過不同權(quán)限綁定不同資源方式實現(xiàn)對資源訪問控制；通過對不同用戶進行角色認證方式實現(xiàn)對訪問權(quán)限控制。

3.2 系統(tǒng)構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)

系統(tǒng)前端使用B/S（Browser/Server，瀏覽器/服務器）網(wǎng)絡(luò)模式構(gòu)建，這種模式統(tǒng)一了客戶端，將系統(tǒng)功能實現(xiàn)的核心部分集中到服務器上，使系統(tǒng)的開發(fā)、維護和使用得到簡化。在后臺技術(shù)實現(xiàn)上，系統(tǒng)基于SpringBoot 框架進行建設(shè)，以Windows 10為操作系統(tǒng)，選擇postgresql 數(shù)據(jù)庫作為追溯數(shù)據(jù)庫，以Java 為開發(fā)語言實現(xiàn)網(wǎng)頁前端與后臺數(shù)據(jù)庫的連接。SpringBoot 框架具有配置簡單、兼容性強等優(yōu)點，選擇SpringBoot 框架構(gòu)建追溯系統(tǒng)，不僅提高了追溯系統(tǒng)的構(gòu)建效率，而且使所構(gòu)建系統(tǒng)的兼容性得到增強，為今后系統(tǒng)的優(yōu)化、升級提供便利。

系統(tǒng)的移動端基于HTML5 語言+Vue 框架開發(fā)，Vue 框架是一套用于構(gòu)建用戶界面的漸進式框架，其特點是可以自底向上逐層應用且核心庫只關(guān)注視圖層，當與現(xiàn)代化的工具鏈以及各種支持類庫結(jié)合使用時，Vue 也完全能夠為復雜的單頁應用提供驅(qū)動。將HTML5 語言+Vue 框架用于系統(tǒng)移動端的開發(fā)，不僅易于上手，還便于與第三方庫或既有項目整合。追溯系統(tǒng)的部分界面展示見圖5。

圖5 系統(tǒng)部分界面展示Fig.5 Display of the part of the system interface

3.3 系統(tǒng)性能測試

追溯系統(tǒng)構(gòu)建完成后，使用jmeter 工具對追溯系統(tǒng)進行性能分析，通過設(shè)置多線程的虛擬用戶來創(chuàng)建出真實的負載環(huán)境，對其用戶連接數(shù)、響應成功數(shù)和吞吐量進行性能測試。將jmeter 工具測試環(huán)境線程總數(shù)設(shè)置為100 個，即同時存在100 個用戶對系統(tǒng)進行操作，測試運行完成后，測試工具進行數(shù)據(jù)分析并生成測試報告。

通過對追溯系統(tǒng)進行性能測試得到圖6 和表2所示的測試結(jié)果，由此可知，該系統(tǒng)可以滿足實際應用的需求。

表2 系統(tǒng)性能分析結(jié)果Table 2 System performance analysis results

圖6 測試結(jié)果分析Fig.6 Analysis of test results

4 結(jié)語

針對循環(huán)水養(yǎng)殖模式與綠色水產(chǎn)品的養(yǎng)殖，本研究運用HACCP 體系對水產(chǎn)品生產(chǎn)和流通過程中可能發(fā)生的危害進行分析，與此同時，結(jié)合綠色水產(chǎn)品標準從養(yǎng)殖水產(chǎn)品整條產(chǎn)業(yè)鏈所涉及的眾多信息中篩選出系統(tǒng)需要記錄的追溯信息，應用Java語言、HTML5語言、SpringBoot框架、Vue框架、post‐gresql 數(shù)據(jù)庫等計算機信息技術(shù)在移動端與PC 端構(gòu)建分權(quán)限、多層次的循環(huán)水養(yǎng)殖綠色水產(chǎn)品全程追溯系統(tǒng)，系統(tǒng)參與者被劃分為不同角色并賦予相應的信息資源查改權(quán)限，避免追溯參與者單一、追溯信息單方面錄入容易造假問題的出現(xiàn)，最大限度保證追溯信息的真實可靠，也在一定程度上提高了系統(tǒng)兼容性與穩(wěn)定性。本研究構(gòu)建的循環(huán)水養(yǎng)殖綠色水產(chǎn)品全程追溯系統(tǒng)能夠記錄并追溯綠色水產(chǎn)品整條產(chǎn)業(yè)鏈的關(guān)鍵信息，應用價值可期。然而，在追溯信息的錄入環(huán)節(jié)，受限于當前循環(huán)水養(yǎng)殖技術(shù)條件，僅少量信息可由傳感器記錄，大部分信息還需人工錄入，導致追溯信息錄入效率較低。在今后研究中，將對追溯系統(tǒng)與智能投喂、智能管理等循環(huán)水養(yǎng)殖智能技術(shù)進行結(jié)合，減少人工參與，提高追溯信息的記錄效率，進一步提升追溯系統(tǒng)的智能化與高效化，為綠色水產(chǎn)品的養(yǎng)殖管理與認證提供技術(shù)支撐。