孫建召

(河南經(jīng)貿(mào)職業(yè)學(xué)院計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，河南鄭州 450018)

我國為農(nóng)業(yè)與人口大國，近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展，人們物質(zhì)及生活水平逐漸提高，對農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量的要求越來越高[1]。農(nóng)產(chǎn)品出口為我國外匯收入的關(guān)鍵部分[2]，當(dāng)前國外對農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)口出臺貿(mào)易保護(hù)政策，且我國少部分出口農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)低，被進(jìn)口國退貨的事件時有發(fā)生[3]。面對國內(nèi)外環(huán)境，農(nóng)產(chǎn)品作為食品的源頭，其質(zhì)量直接影響著國家發(fā)展，須研究一種有效的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量控制方法，保證市場農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量。

當(dāng)前，我國政府對農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量控制非常關(guān)注，出臺了相應(yīng)的法律法規(guī)，為農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量控制分析與應(yīng)用提供了重要保障[4]。在此基礎(chǔ)上，很多學(xué)者對農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量控制進(jìn)行了系統(tǒng)研究，但當(dāng)前農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量控制方法大多通過抽樣實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量控制，結(jié)果并不可靠，為此，提出一種新的基于大數(shù)據(jù)分析的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量控制方法，不但控制精度和穩(wěn)定性高，而且具有很高的參考價(jià)值。

1 基于大數(shù)據(jù)分析的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量控制方法

1.1 建立大數(shù)據(jù)分析體系框架

建立大數(shù)據(jù)分析背景下農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量控制體系框架(圖1)。依據(jù)農(nóng)業(yè)信息化基礎(chǔ)設(shè)施建立體系，通過模塊化開發(fā)平臺為農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量控制體系提供開發(fā)環(huán)境，利用網(wǎng)絡(luò)提供質(zhì)量控制服務(wù)，主要包括用戶訪問層、業(yè)務(wù)服務(wù)層、數(shù)據(jù)平臺層、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層和虛擬資源層。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)

1.2.1 數(shù)據(jù)采集技術(shù) 為實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量控制，須對其生產(chǎn)銷售過程中的重要參數(shù)進(jìn)行采集，即基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫層。無線傳感網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崟r采集數(shù)據(jù)，選用基于ZigBee的無線傳感網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。ZigBee整體性能高[5]，基于ZigBee的無線傳感網(wǎng)絡(luò)將CC2430作為核心，主要用于數(shù)據(jù)交換[6]。CC2430為TI(Texas Instruments)企業(yè)生產(chǎn)的芯片，其內(nèi)置增強(qiáng)型8051控制器與2.8 GHz擴(kuò)頻射頻收發(fā)器，外圍電路簡單，是一種高性能芯片[7]。ZigBee模塊除CC2430芯片外，還有天線、傳感器等，實(shí)質(zhì)上就是一個節(jié)點(diǎn)，能夠和其他節(jié)點(diǎn)通信。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)即ZigBee節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，主要有星型、樹型與網(wǎng)狀等3種結(jié)構(gòu)[8]，用于實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中，選擇合理的ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

本節(jié)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量控制體系選用網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在ZigBee模塊中，網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備等3種通信設(shè)備(圖2)。選用的網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)自組織與自愈能力強(qiáng)，可以很好地適應(yīng)農(nóng)產(chǎn)品大數(shù)據(jù)分析需求。

網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)能夠有效地采集農(nóng)產(chǎn)品數(shù)據(jù)，利用中繼方式[9]把采集數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心將接收的數(shù)據(jù)保存至數(shù)據(jù)庫，通過業(yè)務(wù)服務(wù)層與數(shù)據(jù)平臺層進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，再保存至Web存儲器及相應(yīng)服務(wù)器。

1.2.2 農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)控 主要對生產(chǎn)階段、收購階段、加工階段、銷售階段的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控。將生產(chǎn)階段、加工階段的農(nóng)產(chǎn)品看作主要研究目標(biāo)，開展有針對性的質(zhì)量控制監(jiān)控研究。研究關(guān)鍵為基于大數(shù)據(jù)分析的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量控制，將大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量控制中，而本節(jié)提出的質(zhì)量監(jiān)控方法為大數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)。農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)控過程如圖3所示。

通過檢測歷史異常數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)分布異常對農(nóng)產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)對農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)控。

在對農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控時，隨著時間的推移，會形成大規(guī)模監(jiān)測數(shù)據(jù)集合。對農(nóng)產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，獲取數(shù)據(jù)的變化規(guī)律與比較數(shù)據(jù)庫當(dāng)前數(shù)據(jù)改變規(guī)律，得到監(jiān)控農(nóng)產(chǎn)品數(shù)據(jù)改變趨勢，從而發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量異常情況。

(1)

式中：δab為決定農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量控制過程中檢測數(shù)據(jù)歷史異常趨勢系數(shù)，該值的正負(fù)情況表示異常狀況個數(shù)在使用者設(shè)定的m個時間區(qū)間中的遞增或遞減趨勢；a為m個時間區(qū)間中發(fā)生異常狀況的總個數(shù)；ab為第b個時間區(qū)間中出現(xiàn)質(zhì)量異常的個數(shù)，這里：

(2)

對于時間區(qū)間而言，可依據(jù)農(nóng)產(chǎn)品的種類、特性等因素進(jìn)行設(shè)定[10]，通常為幾天，有時為幾個月。

在分析過程中，農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量控制人員根據(jù)實(shí)際狀況對趨勢系數(shù)δab的閾值ξ進(jìn)行設(shè)定，若δab>ξ，表明農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量控制要素在質(zhì)量安全上發(fā)生異常，并按照事先設(shè)定的危險(xiǎn)等級進(jìn)行報(bào)警。

根據(jù)異常趨勢系數(shù)δab能夠掌握被監(jiān)控農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量控制點(diǎn)在某一時期內(nèi)數(shù)值的改變情況，是一種依據(jù)時間序列的質(zhì)量控制方法。

數(shù)據(jù)分布異常主要針對不同區(qū)域中的相同要素進(jìn)行分析和比較，從而獲取各區(qū)域間不同農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)測方法。

農(nóng)產(chǎn)品監(jiān)測數(shù)據(jù)歷史數(shù)據(jù)庫中包含了所有質(zhì)量數(shù)據(jù)異常的信息，對歷史數(shù)據(jù)庫中異常數(shù)據(jù)在不同區(qū)域的分布狀態(tài)進(jìn)行分析，有助于質(zhì)量監(jiān)測人員發(fā)現(xiàn)各區(qū)域已經(jīng)存在及潛在的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量問題。

詳細(xì)過程如下：

針對須監(jiān)控的農(nóng)產(chǎn)品區(qū)域，首先將其分為k個子區(qū)域，用q描述區(qū)域向量，通過k個子區(qū)域構(gòu)成1個集合，也就是q=(q1,q2,…,qk)。用L描述相應(yīng)子區(qū)域出現(xiàn)異常的農(nóng)產(chǎn)品數(shù)據(jù)集合，也就是L=(L1,L2,…,Lk)。假設(shè)R是從數(shù)據(jù)庫中采集的該區(qū)域完成檢測的質(zhì)量控制要素個數(shù)，也就是R=(R1,R2,…,Rk)，則有：

(3)

區(qū)域i中的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)異常情況通過均值可描述成ui，u=(u1,u2,…,uk)，ε表示常數(shù)，負(fù)責(zé)對u進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，使其處于(1，10)范圍內(nèi)[11]。

農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)測按照實(shí)際情況對閾值S進(jìn)行設(shè)置，S=(S1,S2,…,Sk)，在ui>Si的情況下，認(rèn)為qi區(qū)域有質(zhì)量異常農(nóng)產(chǎn)品數(shù)據(jù)，用戶須按情況發(fā)出報(bào)警信息。

針對上述區(qū)域，農(nóng)產(chǎn)品異常狀態(tài)數(shù)據(jù)量均值u可通過下式計(jì)算：

(4)

(5)

1.3 農(nóng)產(chǎn)品溯源及召回

1.3.1 射頻識別(radio frequency identification，簡稱RFID)硬件設(shè)計(jì) 通過射頻識別對出現(xiàn)質(zhì)量問題的農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)行溯源和召回，射頻識別系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

射頻識別系統(tǒng)主要包括電子標(biāo)簽、讀寫器和計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)。

電子標(biāo)簽主要用于保存農(nóng)產(chǎn)品相關(guān)信息，一般被置于農(nóng)產(chǎn)品上，其保存的信息可利用讀寫器通過非接觸形式讀寫[12]。讀寫器為能夠通過射頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)電子標(biāo)簽信息讀寫操作的裝置。讀寫器讀出標(biāo)簽信息后，利用PC機(jī)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對信息進(jìn)行傳輸。在射頻識別系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)主要負(fù)責(zé)完成對農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)的管理，實(shí)現(xiàn)通信功能。讀寫器能夠經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)接口和PC機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)相連[13]，從而達(dá)到通信與數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康摹?/p>

1.3.2 軟件設(shè)計(jì) 當(dāng)農(nóng)產(chǎn)品出現(xiàn)質(zhì)量問題時，先根據(jù)出現(xiàn)質(zhì)量問題的成品批次，從下到上逐步找到出現(xiàn)問題的原料批次，即溯源；再根據(jù)這些出現(xiàn)質(zhì)量問題的原料批次，由上到下逐步找出含此批次的成品，即跟蹤；最后將它們一并召回。依據(jù)批次的農(nóng)產(chǎn)品召回示意如圖5所示。

上面主要闡述了依據(jù)批次的農(nóng)產(chǎn)品溯源與召回原理，下面對其優(yōu)化模型進(jìn)行介紹。先對各層次批次集合進(jìn)行定義，主要包括原料C個批次、部件P個批次、半成品G個批次以及成品V個批次，且可依次分成D、N、H、Z個類別，依次對原料層次YL、部件層次BJ、半成品層次HP以及成品層次CP的批次集合進(jìn)行描述，公式描述如下：

YL=(YL1,…,YLc,…,YLC)；

(6)

BJ=(BJ1,…,BJp,…,BJP)；

(7)

HP=(HP1,…,HPg,…,HPG)；

8)

CP=(CP1,…,CPv,…,CPV)。

(9)

各層中任意一個批次的屬性可描述為：

YLc=(IYLc,CYLc,NYLc)；

(10)

BJp=(IBJp,CBJp,NBJp)；

(11)

HPg=(IHPg,CHPg,NHPg)；

(12)

CPv=(ICPv,CCPv,NCPv)。

(13)

在各層中，各批次農(nóng)場品均存在電子標(biāo)簽、類別以及數(shù)目等3大屬性。對于原料批次YLc的屬性，IYLc表示其電子標(biāo)簽，為此批次在整個系統(tǒng)中的唯一標(biāo)志；CYLc表示它的類別，且CYLc∈{1,…,d,…,D}；NYLc表示它的數(shù)量。同理，可實(shí)現(xiàn)部件、半成品以及成品各批次屬性的定義，其批次電子標(biāo)簽屬性依次是IBJ、IHP、ICP，類別屬性依次是CBJ、CHP、CCP，數(shù)目屬性依次是NBJ、NHP、NCP。

分解、組合和包裝比例只受批次類別屬性的影響，存在下述關(guān)系：

(14)

15)

(16)

式中：Dec(d,n)用于描述分解比例，也就是原材料類別d分解至部件類別n的比例；Gro(n,h)用于描述組合比例，也就是半成品類別h中，部件類別n占用的比例；Pac(h,z)用于描述包裝比例，也就是成品類別z中，半成品類別h占用的比例。

用X(c,p)描述原料至部件的批次布爾變量，BJp中含YLc的元素時，則X(c,p)為1，否則X(c,p)，為0；用K(p,g)描述部件至半成品的批次布爾變量，若HPg中含有BJp元素，則K(p,g)為1，否則K(p,g)為0；用Y(g,v)描述半成品至成品的批次布爾變量，若CPv中存在HPg元素，則Y(g,v)為1，否則Y(g,v)為0；用W(c,v)描述原料至成品的批次布爾變量，若CPv中含有YLc元素，則W(c,v)為1，否則W(c,v)為0。通過布爾運(yùn)算可得：

(17)

一旦原料批次YLc出現(xiàn)質(zhì)量不達(dá)標(biāo)問題，對全部含有YLc的成品批次均召回。通過下式求出平均召回規(guī)模：

(18)

在生產(chǎn)和加工的過程中，受加工器械、工作場景以及人員水平的制約[14]，考慮到經(jīng)濟(jì)效益，須將部件與半成品批次的數(shù)量控制在某一范圍。設(shè)類別為n的部件批次的最大與最小允許數(shù)量依次為ξmax(n)與ξmin(n)，類別為h的半成品批次的最大與最小允許數(shù)量依次為ξmax(h)與ξmin(h)。由此可得部件與半成品的批次數(shù)量的限制條件[15]，即：

ξmin(CYLc)≤NYLc≤ξmax(CYLc)；

(19)

ξmin(CHPg)≤NCHPg≤ξmax(CHPg)。

(20)

將公式(18)作為目標(biāo)函數(shù)，將公式(19)與(20)作為目標(biāo)函數(shù)的約束條件，構(gòu)建農(nóng)產(chǎn)品召回優(yōu)化模型，公式描述如下：

(21)

利用粒子群法對模型進(jìn)行尋優(yōu)處理，通過優(yōu)化模型達(dá)到農(nóng)產(chǎn)品的最小召回目標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量控制。

2 結(jié)果與分析

2.1 樣品采集及制備

為了驗(yàn)證本方法的有效性，將統(tǒng)計(jì)學(xué)方法和數(shù)據(jù)挖掘方法作為對比進(jìn)行測試。依次采用3種方法對3個不同種植基地的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行控制。試驗(yàn)樣品采用抽樣方式，針對個體較大的樣品，采樣量為2個。針對個體較小的樣品，采樣量為0.5 kg。

把抽取的樣品混合在一起，通過四分法進(jìn)行縮分處理。針對個體較小的樣品，去除不可食部分，保留可食部分；針對個體較大的樣品，將其切為小塊；針對不均勻樣品，在其任意部位取小片；針對谷類和豆類樣品，通過圓錐四分法完成縮分。

把縮分后樣品攪碎并混勻，通過四分法取樣，將濕樣勻漿添加至聚乙烯瓶中，在-18 ℃左右環(huán)境下儲存，干貨類攪勻后添加至瓶中，在常溫下通風(fēng)儲存。

2.2 召回試驗(yàn)

以農(nóng)藥殘留為標(biāo)準(zhǔn)，將有農(nóng)藥殘留農(nóng)產(chǎn)品召回，不同濃度農(nóng)藥殘留對召回率的要求以及3種方法召回率比較結(jié)果如表1所示。

表1 不同添加濃度要求召回率及3種方法召回率比較

由表1可知，本研究方法召回率一直處于要求召回率范圍內(nèi)，且在農(nóng)藥殘留濃度相同的情況下，本研究方法召回率高于統(tǒng)計(jì)學(xué)方法和數(shù)據(jù)挖掘方法。統(tǒng)計(jì)學(xué)方法和數(shù)據(jù)挖掘方法召回率大部分未處于要求召回率范圍內(nèi)，召回率低，說明本研究方法質(zhì)量控制效果更佳。

2.3 農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量控制性能評價(jià)

農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量控制性能評價(jià)包括計(jì)算工作評價(jià)值與技術(shù)評定2部分，本研究通過穩(wěn)健Z比分?jǐn)?shù)對農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量控制性能進(jìn)行衡量，其可通過下式求出：

Zbf=(x-X)÷0.752×3IQR。

(22)

式中：x表示試驗(yàn)結(jié)果；X表示試驗(yàn)結(jié)果中值；IQR表示上四分位數(shù)和下四分位數(shù)差值。

在穩(wěn)健Z比分?jǐn)?shù)低于2的情況下，認(rèn)為相應(yīng)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量控制方法性能高，控制穩(wěn)定；在穩(wěn)健Z比分?jǐn)?shù)在(2，3)范圍內(nèi)的情況下，認(rèn)為相應(yīng)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量控制方法穩(wěn)定性一般；在穩(wěn)健Z比分?jǐn)?shù)高于3的情況下，認(rèn)為相應(yīng)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量控制方法非常不穩(wěn)定。由表2可知，本研究方法質(zhì)量控制穩(wěn)定性高，而統(tǒng)計(jì)學(xué)方法和數(shù)據(jù)挖掘方法的穩(wěn)定性均一般，控制精度時高時低，實(shí)用性較差。

農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量控制精度為影響農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量控制方法性能的關(guān)鍵指標(biāo)，對3種方法的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量控制精度進(jìn)行進(jìn)一步測試。

表2 3種方法質(zhì)量控制性能比較

通過重復(fù)性限和再現(xiàn)性限對農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量控制精度進(jìn)行衡量。在正態(tài)分布的情況下，重復(fù)性限公式為：

(23)

再現(xiàn)性限公式為：

(24)

式中：δζ表示重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)差；δs表示再現(xiàn)性標(biāo)準(zhǔn)差。

將本研究方法、統(tǒng)計(jì)學(xué)方法和數(shù)據(jù)挖掘方法檢測結(jié)果極差的絕對值和重復(fù)性限相比，若極差絕對值低于重復(fù)性限，則認(rèn)為通過質(zhì)量檢測；否則未通過質(zhì)量檢測。再現(xiàn)性試驗(yàn)和重復(fù)性相同。按照上述過程對不同方法對農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量控制精度進(jìn)行測試，取平均值。經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，本研究方法控制精度為96.23%，統(tǒng)計(jì)學(xué)方法控制精度為78.36%，數(shù)據(jù)挖掘方法控制精度為69.85%，本研究方法控制精度最高。

3 結(jié)論

提出了一種新的基于大數(shù)據(jù)分析的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量控制方法，建立大數(shù)據(jù)分析背景下農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量控制體系框架，通過基于ZigBee的無線傳感網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。通過檢測歷史異常數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)分布異常對農(nóng)產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)控，利用RFID射頻識別對出現(xiàn)質(zhì)量問題的農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)行溯源和召回，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量控制。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，本研究所提方法能夠有效控制農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量，控制精度和穩(wěn)定性高。