中国农业科学 2015,48(3):460-468
Scientia Agricultura Sinica doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2015.03.06
基于现代信息技术的蔬菜安全预警与追溯平台建设
刁海亭1,2，聂宜民2
（1山东农业大学信息科学与工程学院，山东泰安271018；2山东农业大学资源与环境学院，山东泰安271018）
摘要：【目的】借助现代信息技术，实现蔬菜从生产到销售整个环节质量安全的预警与追溯。【方法】以蔬菜为研究对象，以国家蔬菜生产基地——寿光市为示范区，围绕寿光市蔬菜质量安全监管和溯源管理的信息化需求，采用WebGIS、物联网、条码识别、数据库等多种现代信息技术，研究蔬菜物流数据的采集和存储形式，并探索蔬菜质量安全预警与追溯平台的建设。【结果】结合物联网数据采集技术，采用SQLServer2008作为前台建立了一套属性数据库，包括产地蔬菜数据、蔬菜加工环节数据、蔬菜运输环节数据、蔬菜销售环节数据等。利用GIS功能制作了一套蔬菜质量安全相关空间数据，包括山东省道路图、寿光市采样点图、寿光市土壤养分图等。在此基础上，建立了一套切实有效的蔬菜质量安全预警与追溯平台。平台设计结合各种信息技术及寿光市蔬菜安全生产业务的需要，同时充分考虑数据的保密性和用户的需求，将平台划分为四大模块：数据查询、蔬菜质量安全预警、蔬菜质量安全追溯、辅助工具。实现的功能主要包括：蔬菜信息录入编辑，蔬菜产品信息及运送信息查询、地理坐标查询，实时预警，蔬菜质量安全追溯，蔬菜空间立体信息展示，蔬菜物流运输路径优化，蔬菜产地土壤养分统计，蔬菜产地土壤养分插值，网络视频监控等。其中实时预警功能利用物联网实时获取数据的特点，将采集的坐标、温度、湿度、时间等信息传送到平台服务器，该平台对蔬菜的温度、湿度、保质期等进行实时监测、预警，确保蔬菜的质量安全；蔬菜质量安全追溯功能根据蔬菜条形码和记载的物流坐标，在地图上对物流配送路径进行追溯；路径分析功能可以根据蔬菜运输的出发地和目的地进行路径的最优设计；蔬菜空间立体信息展示功能可以实现从土壤到地面再到大气的整个垂直面的立体化展示，是空间、时间不同节点信息数据的立体化集成。【结论】本研究充分利用GIS技术更形象地展示了蔬菜从开始种植到最后销售所有环节的信息，对蔬菜质量安全管理的提升有很大的帮助，一定程度上对政府相关部门监管蔬菜安全起到了很好的辅助决策功能。
关键词：WebGIS；物联网；质量安全；预警；追溯
Platform Construction of Vegetable Safety Warning and Traceability Based on Modern Information Technology
DIAO Hai-ting 1,2, NIE Yi-min 2
(1College of Information Science and Engineering, Shandong Agricultural University, Taian 271018, Shandong; 2College of Resources and Environment, Shandong Agricultural University, Taian 271018, Shandong)
Abstract: 【Objective】A study was made for the purpose of warning and tracing the quality safety of vegetables from production to sale by modern information technology.【Method】In this study of vegetables from Shouguang City, the national production and demonstration base of vegetables, the authors mainly addressed the gathering of information on vegetable quality, safety supervision and traceability management in that city, by means of the WebGIS, the Internet of things, bar code identification, and database technology. In this research, the vegetable logistics data acquisition and storage were studied, and the platform construction of the
收稿日期：2014-03-12；接受日期：2014-05-25
基金项目：国家“十二五”科技支撑计划项目（2012BAK17B05）
联系方式：刁海亭，Tel：0538-*******；E-mail：htdiao@https://www.doczj.com/doc/425942001.html,。通信作者聂宜民，Tel：0538-*******；E-mail：ymnie@https://www.doczj.com/doc/425942001.html,
3期刁海亭等：基于现代信息技术的蔬菜安全预警与追溯平台建设 461
system of vegetable safety warning and traceability was explored.【Result】The authors used the networking data acquisition
technology, established a set of attribute database using SQLServer2008 database consisting of data of vegetable production,
processing, transport and sale. A set of vegetables safe spatial data were produced by means of GIS, which includes the Shandong
road map, Shouguang sampling map, and Shouguang soil nutrient map. On that basis, a set of effective vegetable safety warning and
traceability platform was established. The platform consists of a variety of information technology, with consideration of the business
needs of the vegetable safe production of Shouguang City. The whole platform is divided into four modules: data query, vegetable
quality safety warning, vegetable quality safety traceability, and auxiliary tool. The platform is designed for the following: the
vegetable information inputting and editing, vegetable information query, warning traceability, vegetable information stereoscopic
display, the best path analysis, vegetable soil nutrient statistics, vegetable soil nutrient interpolation, etc. The real-time early warning
system can transmit the information of coordination, temperature, humidity and time to the server with network real-time data
acquisition. The platform can also monitor and forecast vegetables temperature, humidity, shelf life, to ensure the quality and safety
of vegetables. As for the function of vegetable quality safety traceability, the authors trace the path of logistics and distribution on the
map according to the vegetable bar codes and logistics coordinate. To fulfill the path analysis function, one can design the path for
the optimum according to the transport of vegetables and destination. The function of vegetables spatial information display can be
achieved by means of the vertical surface of stereoscopic display from the soil to the ground and the atmosphere, namely, the
integration of three-dimensional space and different times. 【Conclusion】This study demonstrates the process from vegetable
production to sale using the GIS technology. The system under discussion is of great help to improve vegetable quality and safety
management. To some degree, the system has been proved effective for the government departments concerned for the sake of
supervision of vegetable safety.
Key words: WebGIS; the internet of things; quality and safety; warning; traceability
0 引言
【研究意义】俗话说：民以食为天，食以安为先。食品安全对于公民个人、国家和社会的发展都具有重要意义，一直是各国政府、民众关注的焦点[1]。基于现代信息技术建立蔬菜质量安全预警和追溯平台，有助于加强对整个蔬菜产业链质量安全的综合管理。【前人研究进展】近年来，世界各种食品安全问题不断考验着消费者的承受力。英国、美国、日本等国家先后发生多起因食物污染中毒引起的死亡事件。如英国的疯牛病事件、美国大肠杆菌污染菠菜、牛肉事件；日本醋酸苯汞农药污染大米事件；德国在鸡蛋、猪头、鸡肉等食品内发现致癌的二噁英等事件的发生引起了国际社会的重视[2-3]。中国也相继出现了大量食品安全问题：掺有化工原料三聚氰胺毒奶粉致使食用奶粉的婴儿患有肾结石、营养不良成大头娃娃[4]；河南双汇火腿检出瘦肉精[5]；用牛肉膏将猪肉变牛肉；用地沟油代替食用油等等。这一系列的食品安全事件，让消费者对食品安全产生了担忧，也引起了世界的恐慌。为此，国内外的学者对食品安全问题都进行了大量的研究，制定了一些标准，也开发了很多预警、追溯系统。最早应用农产品质量可追溯系统的是欧盟。为了应对1996年英国爆发的疯牛病事件，1997年欧盟开始建立食品安全追溯体系，在预警方面也建立了欧盟食品和饲料快速预警系统，及时公布食品安全突发事件，保障产品质量安全[6]。美国2003年公布了《食品安全跟踪条例》，许多农产品生产企业自发建立了可追溯系统[6-7]。英国[8]、日本[6]、韩国[9]、法国[10-11]、意大利[12]等国家也相继对本国的食品预警与追溯制度及体系进行了大量研究。中国在农产品质量安全方面的预警和追溯起步较晚。2004年国家质检总局发布实施了《食品安全管理体系审核指南》和《食品安全管理体系要求》。2006年《中华人民共和国农产品质量安全法》开始实施，2009年出台《中国食品安全法》、《水果、蔬菜跟踪与追溯指南》等[13-14]。北京、上海、南京、天津、杭州、寿光等城市相继开展了农产品质量安全预警和追溯体系及系统的研究[2,15]。与此同时国内很多专家学者也对预警和追溯系统进行了研究，如刘战豫[16]建立了产品质量安全风险预警指标体系，构建了三维产品质量安全风险的警情空间；孟猛[17]采用B/S模式结构体系、ASP开发语言、SQL Server 2008数据库等，实现了农产品质量安全追溯系统的建设；钱建平等[18]通过建立条码和无线射频识别（RFID）的关联，构建了提高蔬菜流通过程追溯精确度的方法；顾小林等[19]以食品生产加工的检测数据为处理对象，建立了基于关联规则挖掘的食品安全信息预警模；吴晓明等[20]借助于ArcGIS Server把传统的质量安全追溯与GIS功能相结合，实现追溯信息在地理空间中的
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形象化展示；杨信廷等[21]从信息技术的角度构建了一
个以实现质量追溯为目的的蔬菜安全生产管理及质量
追溯系统；郑火国等[22]以粮油产品为研究对象，采用
信息编码、多平台溯源、硬件研发等技术，建立了多
层次、多角色的粮油产品质量安全可追溯系统。国内
外政府、学者的这些工作和研究推动了食品安全的监
管体系和追溯系统的完善。【本研究切入点】蔬菜作
为中国出口创汇的重要作物和广大人民群众日常生活
的必需品，确保蔬菜产品的流通安全，建立蔬菜质量
安全预警和追溯平台是必要的。目前国内外对蔬菜预
警和追溯也做了大量工作，但都是分别研究，缺乏一
个整合的系统。同时目前建成的系统大部分侧重于问
题产品可追溯信息的获取，主要体现为表格数据形式，
少有与空间数据的结合；即使有的平台在建设过程中
用到了GIS技术，很多仅仅是单一的显示地图，缺乏
利用GIS技术进行相关分析等功能[17]。如何将当下的
一些信息技术结合建立有效实用的蔬菜安全平台至关
重要。【拟解决的关键问题】本研究以国家蔬菜生产
基地寿光为例，综合采用WebGIS技术、物联网技术、
SilverLight技术、网页技术等多种现代信息技术，探
讨蔬菜安全预警和追溯的平台建设，旨在借助现代信
息技术，实现蔬菜从生产到销售整个环节质量安全的
预警与追溯，对相关政府部门更好地进行蔬菜安全监
管起到较好的辅助决策作用。
1 平台总体设计
1.1 平台建设目标
蔬菜质量安全预警与追溯平台的构建，将从蔬菜特殊的生物学特性出发，以“感知-网络-应用”三层物联网架构为指导，以食品追溯为切入点，设计蔬菜从生产到餐桌全过程预警和溯源框架。采用信息分类编码标准规范，设计蔬菜质量安全编码，完善基于溯源条码的信息溯源机制。同时将WebGIS 与追溯、物联网进行有机集成，探索蔬菜安全预警与追溯立体化平台建设，提升追溯的安全保障的技术支撑和应用价值，实现跨食品链、跨企业、从土壤到大气覆盖整个产业链各信息节点的立体化追溯。
1.2 平台框架设计
整个平台框架采用3层架构，由下至上依次为数据访问层（Data Access Layer，DAL）、业务逻辑层（Business Logic Layer，BLL）和表现层（User Interface，UI）（图1）。这种3层架构有利于系统的
图1 平台的总体框架结构图
Fig. 1 The overall frame structure chart of the platform
开发、维护、部署和扩展，易于分配资源，体现了低耦合的特性。
1.3 开发环境设计
该平台运用Internet环境，采用B/S模式进行开发。服务器端操作系统选用Windows Server 2003 Enterprise，以IIS6.0为网络服务器，开发工具为Visual https://www.doczj.com/doc/425942001.html, 2008，主要技术为https://www.doczj.com/doc/425942001.html,、Sliverlight 插件和使用C#语言，采用ArcGIS10.0 平台（ArcGIS Desktop 10.0和ArcGIS Server 10.0）、数据库系统选用Microsoft SQL Server 2008。
1.4 数据库设计
平台涉及两类数据：空间数据和关系数据。采用关系型数据库SQL Server 2008管理蔬菜各个环节采集和处理的信息；对于空间数据，采用空间数据库引擎ArcSDE来处理这些海量信息。
1.4.1空间数据空间数据主要包括ArcGIS Online上的基础图形、山东省道路图层数据、寿光市采样点数据、寿光市土壤养分数据等。平台建设以ArcGIS依托，构建地理数据库，制作好的空间数据利用ArcGIS Server进行地图发布，作为平台中预警和追溯相关功能的基础地图数据。图2为寿光市采样点数据。
1.4.2 关系数据 主要包括产地蔬菜数据、蔬菜加工环节数据、蔬菜运输环节数据、蔬菜销售环节数据、公告数据、预警规则数据、用户管理数据等。
该平台采用SQL Server 2008作为前台建立数据库，数据库的表之间通过追溯条形码关键字进行关联，如表1。
3期 刁海亭等：基于现代信息技术的蔬菜安全预警与追溯平台建设
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图2 寿光市土壤采样点图
Fig. 2 The map of soil sampling site in Shouguang
表1 运输销售信息表
Table 1 Transport sales information table
字段名称 Field name
字段类型（长度）Field type (length)
字段描述 Field description
salesID nchar(20) 销售批次号 Sales of the batch No manufacturedate nchar(20) 出厂日期 Date of manufacture departure nchar(20) 始发地 Departure destination nchar(20) 目的地 Destination transportvehicles nchar(20) 运输车辆 Transport vehicles head nchar(20) 负责人 Person in charge remarks nvarchar(50) 备注 Remarks
1.5 平台功能设计
平台设计结合各种信息技术，围绕寿光市蔬菜质量安全监管和溯源管理的信息化需求，同时充分考虑数据的保密性和用户的需求，建设蔬菜质量安全管理与服务数据库，基于面向对象思想构建蔬菜质量安全预警和追溯平台。从实现对寿光蔬菜生产、加工、运输、销售整个环节质量安全的预警和追溯的全面监管出发，平台整体设计分为4个模块，包括信息查询、蔬菜质量安全预警、蔬菜质量安全追溯、辅助工具，平台界面如图3所示。其中，信息查询模块涵盖了蔬菜生产、加工、运输、销售等所有环节基础数据的查询；蔬菜质量安全预警模块借助物联网和WebGIS 实现了蔬菜运输过程中温度、湿度、保质期等的实时监测、预警；蔬菜质量安全追溯模块蔬菜条形码和记载的物流坐标，追溯物流配送路径；辅助工具模块结合GIS 的空间分析等功能辅助相关部门对蔬菜进行监管。
2 平台关键技术
2.1 现代信息技术
平台建设综合采用了WebGIS 技术、物联网技术、SilverLight 技术、数据库技术、API 接口、WCF 服务、网页技术等多种现代信息技术，充分发挥各种技术优势，提升蔬菜质量安全管理。
2.1.1 物联网技术 随着物联网的发展，将其应用于食品安全的追溯已经成为潮流。物联网技术为实现食品供应链自动化的跟踪和追溯提供了基础平台，解决蔬菜生产、加工、流通等一条龙追溯[23]。本研究结合物联网技术在物流运输蔬菜的汽车上、部分产地等安装有传感器，随时记载与蔬菜相关的坐标、温度、湿度、时间等信息，实时获取蔬菜从农场到餐桌各个环节的信息，为追溯提供数据保障。
2.1.2 WebGIS 技术 WebGIS 是Internet 技术应用于
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图3 平台主界面
Fig. 3 The main interface of platform
GIS 开发的产物，是把Internet 和GIS 技术结合在一起，为各种地理信息应用提供GIS 功能。平台开发过程中，充分利用WebGIS 的图形和空间分析功能，丰富了蔬菜质量安全的预警和追溯功能，并辅助相关部分进行决策[24]。
2.1.3 Silverlight 技术 随着Silverlight 技术和GIS 技术的广泛应用，二者的结合也日益成熟。Silverlight 应用于GIS 可以使表现层和后台分离。ArcGIS API for Silverlight 通过REST 接口访问ArcGIS Server 发布的地图服务、影像服务、几何服务、地理处理服务、要素服务、网络服务等，可以实现查询检索、网络分析、时态感知等功能[25-26]。本研究中结合ArcGIS API for Silverlight 充分为平台开发服务，丰富系统功能。 2.2 溯源编码技术
参考农业部产地编码规范和EAN.UCC128码编码规范，结合蔬菜特性，建立适合寿光农业发展现状和要求的产地编码体系和蔬菜溯源条码编码体系，为蔬菜配备“身份标识”，为建立健全安全溯源机制奠定基础。
2.2.1 产地编码 农产品生产采用“企业+基地+农户”的形式，对农户进行统一编码。编码采用“县+乡镇+村+村民小组+农户”，通过产地编码直接溯源到农户和农户负责的地块。
2.2.2 溯源条码编码 对寿光农业生产企业、生产基地、合作社、村民小组、农户和农产品进行统一编码，建立农产品溯源条码编码体系。编码采用：产地编码
+产品编码+日期编码+校验码，溯源条码包含企业名称、商品名称和生产加工信息，方便消费者通过溯源条码查询蔬菜的产地、企业和生产加工信息等。
3 平台实现及应用
本平台实现的功能模块主要包括蔬菜信息录入编辑功能；查询功能；预警功能；追溯功能；蔬菜空间立体信息展示功能；最佳路径分析功能；蔬菜产地土壤养分统计图表展示功能；蔬菜产地土壤养分插值功能；网络视频监控功能等。下面就几个主要功能进行详述。 3.1 空间追溯
空间追溯模块将物联网、条码技术和GIS 技术相结合，根据蔬菜条形码和记载的物流坐标进行追溯，将物流节点进行相连，查询物流配送路径。查询信息除了在表格中显示，还可以在地图上以连线的方式显示相关路径，同时系统中设置了一个汽车图标按路径行驶，如图4所示。比起传统的表格形式，这种显示方式与地图结合，当产品出现质量问题的时候，能够快速实现缺陷产品定位，从而精确召回缺陷产品。 3.2 实时预警
充分结合物联网无线射频和WebGIS 的功能，在物流运输蔬菜的汽车上安装有传感器，随时记载着相关的坐标、温度、湿度、时间等信息，并随时将数据传送到服务器端。装有平台的服务器监测到相关温度、湿度如果超过蔬菜的安全值范围，平台将会给出比如温度超限、保质期超限的提醒。该平台实现了在蔬菜
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运输过程中对蔬菜温度、湿度、保质期等的实时监测、预警，服务人员可以根据这些对相关蔬菜及时进行处理，极大地提升了蔬菜的安全系数，确保蔬菜的质量
安全。形成实时风险监控和预警，实现“早发现、早研判、早预警、早处置”。图5为在山东省内物流运输过程中的温度预警图。
图4 空间追溯图 Fig. 4 Space traceability chart
图5 温度预警图
Fig. 5 Temperature warning chart
3.3 路径分析
蔬菜物流运输线路也是相关部门一直关心的问题。结合蔬菜的不同生物学特性，有时可能需要物流运输的时间最短（比如保质期短的蔬菜），有时可能需要物流运输的费用最少（比如保质期长，但利润低的蔬菜）。平台中开发的路径分析模块充分利用了ArcGIS Server 空间分析功能中的最佳路径分析，结合开发组件设计，可以根据蔬菜运输的出
发地和目的地进行路径的最优设计，帮助运输人员进行辅助决策。 3.4 数据统计
本系统可以动态生成蔬菜产地土壤养分的统计图表，统计图表的表现形式包括饼状图、矩阵图、散点图等，使数据表达方式更形象直观。图6为寿光蔬菜产地的土壤养分散点图，不同颜色代表不同的养分，立体小球的数量形象地反映了各种养分含量的密集度。
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图6 土壤养分散点图 Fig. 6 Soil nutrient scatter chart
3.5 蔬菜空间立体信息展示
以往的系统三维信息展示大都是对产地进行三维建模，模型都是针对地表面的信息。本平台突破了这一观念，实现了从土壤到地面再到大气的整个垂直面的立体化展示。平台中的立体化，有别于以往传统的概念，主要是从空间、时间两个层面来考虑，是空间、时间不同节点的信息数据的立体化集成。
空间上主要包括三个层次的立体化，一是产地环境中不同深度土壤中的养分、重金属等信息；二是地表上蔬菜的品种、售出价格、销售地等信息；三是空气中有毒气体的成分、含量等信息。时间上包括产地
各种蔬菜信息、加工环节中不同原材料的信息、流通过程中在不同时间点和地理位置相关信息的展示。本平台通过物联网技术和WebGIS 技术可以把这些信息在第一时间转化为数字数据并进行关联，形象地展示了蔬菜从开始种植到最后销售所有环节的信息。 3.6 养分插值
利用GP （Geoprocessing ）服务功能实现，根据已有的养分数据，预测生成插值图，可以实现养分插值。如图7所示，根据外业采集的寿光市采样点的有机质含量反演出整个区域的土壤有机质含量分布图，为农业施肥决策提供依据。
图7 寿光土壤有机质插值图
Fig.7 Soil organic matter interpolation chart in Shouguang
4 讨论
4.1 充分利用GIS 的空间分析功能
本平台充分利用了ArcGIS Server 的空间缓冲区
分析功能、空间插值功能、最佳路径分析功能等，开发出了诸如蔬菜安全预警、污染源对周围蔬菜的扩散分析、蔬菜种植地块养分插值、蔬菜物流最优路径分析等功能，为相关部门进行辅助决策提供了很大的技
3期刁海亭等：基于现代信息技术的蔬菜安全预警与追溯平台建设 467
术支持。
4.2 立体化追溯
本平台提出了空间、时间不同节点的信息数据的立体化集成，将蔬菜的追溯借助GIS功能又提升了一个高度。但目前该功能采取的是在用户拍摄上传的实景图片上或平台开发制作的一张通用图片上展示三层空间数据，用户拍摄上传的实景图片是否符合平台需求，以及展示的数据是否能够收集全面，有待于下一步根据平台运行情况结合用户意见进行完善。
4.3 优化的蔬菜供应链模式
寿光市蔬菜供应链模式将蔬菜从生产到销售各环节的企业和农户结合在一起，在企业与企业之间，在企业与农户之间建立供应链战略联盟。依托信息技术建成的平台，实现寿光蔬菜从原材料供应商到最终用户的物流、信息流等在整个供应链上畅通无阻的流通，通过条形码解决供应链中各环节的衔接问题，利用GIS的最佳路径功能优化物流成本。
5 结论
本文以蔬菜为研究对象，以寿光市为示范区，充分借助WebGIS、物联网、条码识别、数据库等现代信息技术研究了蔬菜物流数据的采集和存储形式，并探索了蔬菜质量安全预警与追溯平台的建设。该平台重点涵盖蔬菜安全预警、空间追溯、蔬菜运输路径分析、蔬菜信息立体展示等功能，实现了蔬菜从生产到销售整个环节质量安全的预警与追溯。本平台弥补了以往蔬菜安全预警与追溯相关系统功能单一、表现形式单调的缺陷，充分利用GIS技术更形象地展示了蔬菜从开始种植到最后销售所有环节的信息，对蔬菜质量安全管理的提升有很大的帮助，一定程度上对政府相关部门监管蔬菜安全起到了很好的辅助决策功能。
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(in Chinese)
（责任编辑郭银巧，杨鑫浩）