任 捷，賈昀峰，李 萌，溫 馨，吳 淑

（1.四川大學(xué) 軟件學(xué)院，四川 成都610207；2.四川大學(xué) 文學(xué)與新聞學(xué)院，四川 成都610207）

近些年來，我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們生活質(zhì)量不斷提高，膳食營養(yǎng)也越來越受到普遍重視。國內(nèi)外大量科研數(shù)據(jù)顯示，營養(yǎng)膳食能在極大程度上影響一個(gè)人的生活狀態(tài)和身體健康。合理膳食是健康的基礎(chǔ)，飲食風(fēng)險(xiǎn)導(dǎo)致疾病幾率在持續(xù)增長(zhǎng)，已成為影響人們健康的主要危險(xiǎn)因素?！丁敖】抵袊?030”規(guī)劃綱要》提出，要廣泛推廣合理膳食行動(dòng)，針對(duì)一般人群、特定人群和家庭，加強(qiáng)營養(yǎng)和膳食指導(dǎo)[1]。

高校學(xué)生在日常學(xué)習(xí)和生活中體力和腦力消耗大、身體基礎(chǔ)代謝快，需要保證合理的熱量和營養(yǎng)攝入。作為剛剛脫離父母而步入大學(xué)的群體，容易養(yǎng)成不良飲食習(xí)慣，危害身體健康。食物的選擇影響著大學(xué)生的身體健康，而食物的供應(yīng)主要來源于高校食堂。目前，尚無以學(xué)生群體為受眾的、具有菜品檢測(cè)與識(shí)別功能的健康食堂系統(tǒng)，來幫助學(xué)生更容易獲得菜品相關(guān)信息，從而更好地改善個(gè)性化健康飲食計(jì)劃。因此，本文選擇從高校食堂切入進(jìn)行需求分析，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)可以識(shí)別記錄每日膳食，并分析其熱量營養(yǎng)的微信小程序，可以讓高校學(xué)生更方便的記錄并調(diào)整自己的飲食結(jié)構(gòu)，養(yǎng)成良好的飲食習(xí)慣。

本文使用前后端分離、目標(biāo)檢測(cè)、推薦系統(tǒng)等技術(shù)，構(gòu)建一個(gè)面向高校學(xué)生飲食的食堂健康系統(tǒng)。學(xué)生隨時(shí)可以查詢食堂菜品信息，也可通過拍照識(shí)別的方式對(duì)日常飲食攝入進(jìn)行記錄。此外，系統(tǒng)還根據(jù)綜合數(shù)據(jù)提供菜品熱榜、熱量排行等，讓學(xué)生在制定個(gè)人飲食計(jì)劃上能有更完善的依據(jù)，更好地滿足營養(yǎng)需求。

1 相關(guān)知識(shí)

1.1 前后端分離

前后端分離的連接方式，即將軟件應(yīng)用的前端與后端分為兩個(gè)獨(dú)立的模塊分別進(jìn)行開發(fā)部署，并通過相關(guān)的通信技術(shù)（如HTTP 協(xié)議）進(jìn)行交互對(duì)接，從而有效提高開發(fā)過程的靈活度和用戶體驗(yàn)度[2]。

本文采用基于前后端分離的C/S 架構(gòu)（微信小程序/服務(wù)器）進(jìn)行應(yīng)用的開發(fā)。前端使用Vue.js+mpvue 框架構(gòu)建，以方便工程化地處理頁面交互邏輯，解決常規(guī)前端開發(fā)中數(shù)據(jù)通信與dom 操作等問題。前后端交互上使用微信小程序官方封裝的請(qǐng)求API，能夠有效避免跨域訪問問題的產(chǎn)生，同時(shí)也較大程度地提升了接口的可讀性、安全性和可修改性。

1.2 菜品目標(biāo)檢測(cè)

目標(biāo)檢測(cè)，即找出圖像中所有感興趣的目標(biāo)（物體）并確定它們的類別及位置，是目前計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域的核心問題之一。常見的深度學(xué)習(xí)目標(biāo)檢測(cè)算法分為兩大系列：RCNN 系列與YOLO 系列。分別為二階段（two-stage）基于區(qū)域檢測(cè)和一階段（one-stage）基于區(qū)域提取的代表性算法。目前，在面向餐飲領(lǐng)域的菜品圖片識(shí)別與檢測(cè)實(shí)現(xiàn)上，通常是基于這兩個(gè)系列進(jìn)行開發(fā)與創(chuàng)新的[3]。

本文的應(yīng)用中，系統(tǒng)能夠獲取學(xué)生端上傳的菜品圖片，并識(shí)別出圖片中所有菜品的類別，隨后反饋相應(yīng)信息，此處需要用到上述的目標(biāo)檢測(cè)算法。實(shí)現(xiàn)過程中，本文使用了Faster RCNN 算法[4]來完成菜品目標(biāo)檢測(cè)功能。Faster RCNN 算法是在最初的RCNN 算法的基礎(chǔ)上，采用自適應(yīng)尺度池化對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，從而規(guī)避了RCNN 中冗余的特征提取操作，提高了網(wǎng)絡(luò)識(shí)別的準(zhǔn)確率。同時(shí)，使用SoftMax 非線性分類器，以多任務(wù)學(xué)習(xí)的方式同時(shí)進(jìn)行分類和回歸。

1.3 緩存與消息隊(duì)列

本系統(tǒng)使用了Redis 緩存技術(shù)，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在內(nèi)存中，從而大幅提高了數(shù)據(jù)讀取速度，也會(huì)周期性的把更新的數(shù)據(jù)寫入磁盤或者把修改操作寫入追加的記錄文件，并且在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了master-slave（主從）同步。從而不僅保證了數(shù)據(jù)讀取的效率，也保證的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的安全性[5]。此外，Redis 還支持豐富的數(shù)據(jù)類型，如string、list、hash 等，預(yù)防了多種數(shù)據(jù)類型產(chǎn)生沖突的可能性。

同時(shí)，為防止模塊間高并發(fā)通信，本系統(tǒng)搭建了消息隊(duì)列中間件RabbitMQ，避免由于來不及同步處理請(qǐng)求發(fā)生阻塞的情況。通過消息隊(duì)列，可以緩解系統(tǒng)的壓力，提高系統(tǒng)的性能。RabbitMQ 具有消息集群等多種機(jī)制，支持多種協(xié)議和多種語言，保證系統(tǒng)的高可用性和高可靠性[6]。

2 架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 分層架構(gòu)

基于微信小程序和前后端分離技術(shù)，結(jié)合健康管理和菜品識(shí)別業(yè)務(wù)特點(diǎn)，并充分考慮師生和食堂工作人員的使用需求，本文采用分層思想設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的總體架構(gòu)，從上到下共分為四個(gè)層次：用戶層、業(yè)務(wù)層、數(shù)據(jù)庫、運(yùn)行環(huán)境，具體如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

用戶層：又稱表示層、界面UI 層，位于分層架構(gòu)最上層，與用戶直接接觸。本文用戶層是基于微信小程序平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)的。微信小程序（Miniapp）是一種“觸手可及”的應(yīng)用，即用戶使用微信掃一掃或者搜一下就可打開應(yīng)用進(jìn)行使用，具有很高的易用性和跨平臺(tái)性。相較于傳統(tǒng)的APP，它十分適應(yīng)于高校應(yīng)用場(chǎng)景[7]。

業(yè)務(wù)層：又稱邏輯層，對(duì)具體問題進(jìn)行邏輯判斷與執(zhí)行操作，是用戶層和數(shù)據(jù)庫層的橋梁，實(shí)現(xiàn)兩層之間的數(shù)據(jù)連接與指令傳達(dá)。此處劃分為四個(gè)子系統(tǒng)——食堂端、學(xué)生端、深度學(xué)習(xí)模塊和安全控制域。

數(shù)據(jù)庫：即按照數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來組織、存儲(chǔ)和管理數(shù)據(jù)的一些倉庫。此處建立兩個(gè)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫MySQL，作為存放主要數(shù)據(jù)信息的主備庫；同時(shí)，建立一個(gè)非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫Redis，作為頻繁數(shù)據(jù)的緩存庫。

運(yùn)行環(huán)境：即系統(tǒng)所依靠的機(jī)器設(shè)備、操作系統(tǒng)、虛擬環(huán)境等。此處使用云服務(wù)器+Docker 技術(shù)進(jìn)行多容器化部署，同時(shí)為保證系統(tǒng)較高可用性，利用Nginx 技術(shù)實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡，對(duì)流量進(jìn)行平均分配。

2.2 系統(tǒng)部署

通過系統(tǒng)部署圖可以展現(xiàn)軟件系統(tǒng)中的物理架構(gòu)，方便進(jìn)行分級(jí)和關(guān)系處理。本系統(tǒng)的部署圖如圖2 所示。從后往前看，MySQL 部署在專門的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上；菜品目標(biāo)檢測(cè)模塊使用python 實(shí)現(xiàn)，并使用輕量級(jí)Web 框架Flask 配上uWSGI Web 服務(wù)器部署在專用的深度學(xué)習(xí)服務(wù)器上；而對(duì)于應(yīng)用中的主要業(yè)務(wù)處理模塊與中間件則部署在統(tǒng)一的一臺(tái)應(yīng)用服務(wù)器當(dāng)中；前端依據(jù)具體用戶需求分為多個(gè)端提供訪問。

圖2 系統(tǒng)部署圖

如因設(shè)備成本、訪問量小等問題，需要將業(yè)務(wù)處理、深度學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)庫三大模塊放置在同一臺(tái)服務(wù)器當(dāng)中，也直接可通過Docker 鏡像技術(shù)進(jìn)行容器化部署。此方法單機(jī)管理，成本可控，比較適合小規(guī)模應(yīng)用作業(yè)，但模塊上具有較高耦合性，因此需要進(jìn)行適當(dāng)權(quán)衡。

3 功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)在功能需求上劃分成兩個(gè)端：學(xué)生端、食堂端。

學(xué)生端的前端為微信小程序，包含著例如飲食方案、健康報(bào)告、飲食計(jì)劃跟蹤、菜品識(shí)別、菜品推薦等重要功能內(nèi)容。值得注意的是，當(dāng)中的“菜品拍照識(shí)別”與菜品飲食推薦兩大功能屬于系統(tǒng)架構(gòu)中（見圖1）的深度學(xué)習(xí)模塊的功能。而食堂端可以設(shè)計(jì)成小程序端，也可以是Web 網(wǎng)頁端。在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，通常為了滿足食堂管理后臺(tái)對(duì)食品和菜品信息進(jìn)行批量化的展示與處理，適合構(gòu)建成Web 界面；具體系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

3.1.1 學(xué)生端

學(xué)生端主要包含的功能介紹如下：

（1）菜品拍照識(shí)別：用戶用餐時(shí)可對(duì)菜品進(jìn)行拍照并上傳照片，系統(tǒng)將對(duì)照片進(jìn)行識(shí)別分析，然后為用戶返饋本次用餐分析，包括菜品的食材、營養(yǎng)成分、常用調(diào)味品、熱量等信息。同時(shí)，用戶可以對(duì)識(shí)別的結(jié)果設(shè)置規(guī)格（單位克或份）。通過點(diǎn)擊記錄按鈕，本次識(shí)別將作為用戶的飲食統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)并后續(xù)供用戶查看。

（2）菜品飲食推薦：用戶在發(fā)現(xiàn)頁點(diǎn)擊推薦導(dǎo)航選項(xiàng)，系統(tǒng)通過用戶的飲食方案和使用歷史生成菜品推薦清單并向用戶展示。

（3）選擇飲食方案：用戶可以在飲食方案處選擇適合自己的飲食方案，系統(tǒng)為用戶計(jì)算的每日推薦熱量攝入值和營養(yǎng)比例和分量值將根據(jù)用戶選擇的方案與用戶的身體數(shù)據(jù)得出。

（4）每日飲食計(jì)劃跟蹤：用戶可查看到當(dāng)日當(dāng)前的早中晚三餐及加餐的用餐識(shí)別記錄，并且根據(jù)用戶的身體數(shù)據(jù)與用戶選擇的飲食方案查看當(dāng)日的熱量上限、剩余可攝入熱量以及包含三大營養(yǎng)比例數(shù)據(jù)的營養(yǎng)分析等信息。

（5）查看健康報(bào)告：系統(tǒng)根據(jù)用戶的用餐歷史數(shù)據(jù)定期為用戶生成一段時(shí)間內(nèi)的飲食報(bào)告，飲食報(bào)告包含用戶這段時(shí)間點(diǎn)過的菜品統(tǒng)計(jì)、攝入的營養(yǎng)統(tǒng)計(jì)、平均每日攝入的熱量、訪問次數(shù)最多的食堂等。

（6）查看菜品食堂信息：用戶可以查看菜品和食堂的信息。

（7）收藏菜品：學(xué)生用戶可以對(duì)自己中意的菜品進(jìn)行收藏。

（8）個(gè)人資料管理：用戶可以管理自己身體的基本信息，如年齡、身高、體重、性別等，為飲食推薦提供一定依據(jù)。

3.1.2 食堂端

食堂端主要包含的功能如下：

（1）食堂信息管理：管理員可以新建編輯餐廳的主頁，添加餐廳圖片，餐廳特色信息，主打菜品介紹等。

（2）菜品信息管理：可以進(jìn)行菜品的編輯，菜品介紹中包括食材與調(diào)味品種類、展示圖片、烹飪方式、葷素類型等，方便用戶查看；且食堂端可以對(duì)菜品進(jìn)行上架和下架處理操作，上架后也可以對(duì)菜品進(jìn)行編輯處理。

（3）查看用戶報(bào)告：可以對(duì)在本食堂使用過小程序的用戶特征進(jìn)行搜集，并進(jìn)行分析查看。

3.2 主要模塊實(shí)現(xiàn)

3.2.1 菜品拍照識(shí)別

對(duì)于菜品的拍照識(shí)別模塊，大致有兩種可行方案。

（1）自行算法訓(xùn)練：自行通過線上或線下方式進(jìn)行多類別大數(shù)目的菜品圖片數(shù)據(jù)搜集，并進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選、清洗和相應(yīng)類別標(biāo)注；然后尋找適合的目標(biāo)檢測(cè)算法訓(xùn)練模型，例如上文提到的Faster-RCNN 或者YOLO 系列算法；最后將訓(xùn)練優(yōu)化好的模型部署到服務(wù)端，并放出接口以供邏輯層進(jìn)行調(diào)用。

（2）調(diào)取服務(wù)接口：調(diào)取公共的深度學(xué)習(xí)API 服務(wù)接口（如AI 菜品識(shí)別，果蔬識(shí)別），來滿足相應(yīng)功能實(shí)現(xiàn)。

第一種方法易得到更加靈活的模型和更高的場(chǎng)景適應(yīng)性，例如可自定義標(biāo)簽（label）以適應(yīng)具體高校食堂的菜品信息；第二種方法穩(wěn)定的模型和接口能夠在一定程度上保證小程序性能和菜品檢測(cè)的準(zhǔn)確性，但不具備靈活特點(diǎn)；本文使用的是第一種方案。

3.2.2 菜品飲食推薦

學(xué)生端共實(shí)現(xiàn)了三種推薦方式如下：

內(nèi)容推薦：小程序首頁，系統(tǒng)將自動(dòng)根據(jù)用戶的用餐記錄數(shù)據(jù)以及后臺(tái)生成的標(biāo)簽，來生成菜品推薦清單并向用戶展示。本文采用基于內(nèi)容的推薦算法（Content-Based Recommendations，CBR），即根據(jù)用戶的收藏和識(shí)別記錄為用戶打上相應(yīng)標(biāo)簽，在推薦時(shí)計(jì)算用戶與菜品標(biāo)簽的匹配程度，并反饋相似度最近的TopN 的序列以及與其相適應(yīng)的菜品數(shù)據(jù)[8]。

位置推薦：小程序“附近”界面，系統(tǒng)會(huì)調(diào)用地圖組件獲取用戶當(dāng)前位置，并根據(jù)距離來推薦最近的TopN 食堂的菜品。

熱門推薦：小程序“熱門”界面，系統(tǒng)會(huì)排序篩選出前TopN 瀏覽量和收藏量的菜品，并向用戶展示。

3.2.3 生成健康報(bào)告

系統(tǒng)根據(jù)用戶的用餐歷史數(shù)據(jù)定期為用戶生成一段時(shí)間內(nèi)的飲食報(bào)告，飲食報(bào)告包含用戶這段時(shí)間點(diǎn)過的菜品統(tǒng)計(jì)、攝入的營養(yǎng)統(tǒng)計(jì)、平均每日攝入的熱量、訪問次數(shù)最多的食堂等。此處關(guān)注的是，如何通過攝入量去計(jì)算評(píng)估身體健康狀態(tài)。本文借助營養(yǎng)和健身領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)體質(zhì)指數(shù)（BMI）[9]和基礎(chǔ)代謝率（BMR）兩個(gè)指標(biāo)對(duì)身體狀況進(jìn)行衡量。

BMI：身體質(zhì)量指數(shù)（Body Mass Index），是國際上常用的衡量人體胖瘦程度以及是否健康的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。

BMR：基礎(chǔ)代謝率（Basal Metabolic Rate），指人體在清醒而又極端安靜的狀態(tài)下，不受肌肉活動(dòng)、環(huán)境溫度、食物及精神緊張等影響時(shí)的能量代謝率。通常使用Harris Benedict 公式進(jìn)行計(jì)算，它是根據(jù)身高、體重、年齡及性別來計(jì)算健康人體基礎(chǔ)能量消耗的方法。計(jì)算公式如下所示，其中w 為體重（千克），h 為身高（厘米），a 為年齡（歲）：

男性BMR=66.47+13.75×w+5×h-6.775×a

女性BMR=655.1+9.563×w+1.85×h-4.676×a

在進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)算時(shí)，僅需要將公式轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)語言（如java、python）代碼，傳入用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算即可得出結(jié)果。根據(jù)具體的BMI 和BMR 結(jié)果，可以對(duì)用戶提出針對(duì)性的飲食意見，如少食多餐多運(yùn)動(dòng)等。

4 結(jié)束語

結(jié)合高校學(xué)生營養(yǎng)膳食需求，本文基于前后端分離、菜品識(shí)別、菜品推薦等技術(shù)，完整設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個(gè)面向?qū)W生飲食健康的高校健康食堂系統(tǒng)小程序。學(xué)生可以選擇個(gè)性化的飲食方案，通過菜品檢測(cè)的方式獲取菜品信息，并記錄每餐的營養(yǎng)攝入量。同時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)用戶使用歷史，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的菜品推薦結(jié)果，生成的健康報(bào)告可以讓用戶量化地進(jìn)行飲食結(jié)構(gòu)的調(diào)整。綜上所述，本應(yīng)用可方便學(xué)生對(duì)每日飲食進(jìn)行識(shí)別、記錄與規(guī)劃，有利于其個(gè)人對(duì)自己的日常飲食獲得一個(gè)清晰直觀的統(tǒng)計(jì)，并針對(duì)其中的問題進(jìn)行調(diào)整，起到均衡飲食結(jié)構(gòu)，保障學(xué)生身心健康，養(yǎng)成良好的飲食習(xí)慣的作用，具有較高的應(yīng)用價(jià)值和可擴(kuò)展空間。