2.2 关键技术
2.2.1 自动识别技术
自动识别(Auto Identification)技术是指通过机器来辨析人或物的技术。此项技术自其诞生之日起的几十年内便得到了迅猛的发展，形成了一个囊括图形图像、无线射频、光电以及生物学等多种技术与学科为一体的高新科学产业。自动识别技术作为计算机有效的信息采集手段，可以在很多情况下避免使用单一键盘、触控输入所导致的效率和性能瓶颈，其追求准确、快速的特性为信息技术的推进夯实了基础。自动识别正视为导向性的高薪技术被人们所接纳。近年来运输、仓储等物流环节普遍都使用的自动识别技术存在条形码和RFID两种。
条码常用以表达某些产品的生产地、制造商、产品类别、编号等基础数据信息，这些数据能够在产品流通、储运，图书馆藏、邮政运作以及商品溯源等各个行业中发挥至关重要的作用。条形码目前常以一维码与二维码两种形态存在于生产、生活等诸多方面。一维码是由对比率明显的黑白长条按不同粗细排列而成的带状图形。国内经常使用的一维条形码制有EAN-13商品码、128生产码等。二维码是若干种不同的黑白方块根据编码规则排布于材料平面上方的形状标识。其精妙的应用了计算机思维中十分重要“0”、“1”数据观念，将平面图形与二进制关联，以此表达特定的数据信息。二维条码常见的码形有QRCode、Code49 、PDF41716等。条码技术与其他自动识别技术相比存在如下优点：
(1) 条码图形生产和使用均很简单；
(2) 具有较高的信息采集速率与较大的信息承载量；
(3) 条码识别能力高、识别自由度大；
(4) 扫描设备与条形码制作成本低廉。
无线射频识别技术，英文缩写RFID，又叫做电子标识，是一类基于通信科学实现非手动数据读写方案，它能透过无线频谱讯号对指定信息载体的数据进行读写操作，并且允许读写设备与数据载体之间不存在物理类型的接触，从而可以更加迅速、精确的实施信息识别与传递交互。RFID标识与读写器非接触的应答模式使得识别过程可以在运动状态进行自动识别以及管理。与其他识别技术相比RFID具有如下优势：
(1) 数据辨识与读取能力强大；
(2) 标识载体实用性搞，环境适应性好；
(3) 便于回收和重复利用；
(4) 穿透性强，可在一定范围内无缝作业；
(5) 存储容量多，单位体积下能容纳更大的数据信息。
自动识别领域的技术类别很多，特性也各不相同。筛选合适的那一部分集成到平台对系统的建设与发展是十分关键的。下表给出的不同识别技术之间的效能描述，可以在肉鸡溯源系统的建设中给溯源信息记录与追溯设备的筛选提供参考凭据。
表 2-1 自动识别技术性能对比
2.2.2 数据交换技术
本文的数据交换技术是指在两个异构系统之间，不同格式、编码或者本地化信息内容之间的相互通信与信息传递技术。由于溯源系统并非一个孤立的信息查询系统，其广泛涉及到多个网络、信息子系统以及操作设备之间的数据交换过程。在实际运行中各环节的数据格式与其他层次系统之间数据通信格式存在不一致性，从而使系统之间有效信息的表述也存在一定难度。在解决与异构的Web系统信息交互时，最常用的两种方式有XML（Extensible Markup Language）技术与JSON（Java Script Object Notation）技术。
XML，又叫做可扩展标识语言，属于一种类似HTML（Hyper Text Markup Language）的标记形语言。XML不存在预定义标识，其通过DTD（Document Type Definition）文件模式规定数据格式，这种方式拥有相同的描述形式与平台无关且易普及，被公认是信息交换载体的标准模式。JSON则是一类新兴的轻量级信息交互技术，它撰写容易且格式简单，同样也方便计算机的读入与输出。JSON是基于Java Script编程语法子合集，使用有别于语法文档。
在数据解析方面，XML比JSON更加耗费时间与资源，所以常较其后者称重量级。目前，XML技术所采用的解析方式分别是DOM（Document Object Model）和SAX（Simple API for XML）。 DOM将一份XML形式呈现的信息载体看作成DOM对象，这种方式必须一次性读取整份XML至存储器中，这也正是JSON的做法。然而JSON构建于有序键值对集合，类似于数组，解析过程相对简单。SAX方式则采取分步读取识别方式，允许在中间过程中取消操作。因此，SAX模式适合于大规模文件的读写，也决定了其性能弱于DOM模式，而JSON 目前还未支持大型文件的读写功能。在编码方式上，XML和JSON拥有各自的编写工具。JSON的书写格式较为简洁，即便不使用开发工具，也能够写出符合JSON规范的文档数据。而XML数据的编码则不得不借助于一款良好的编辑工具。在可读性方面，两者同样出色。总结上述特性来看，XML在大型文件标记读写时使用更为恰当，而JSON则更倾向于应用内信息数据的交互。
JSON技术能解决绝大多数的Web应用构建，也可以和异构系统：如手持设备、支持JSON读写的智能硬件进行信息交互。当然，在很多复杂系统以及特定环境下XML技术还是必不可少的：如Web Service领域，XML仍旧占据了不可动摇的地位。JSON与XML两种技术应用的优缺点如下所示。
表 2-2 JSON与XML技术的优缺点
2.2.3 开发框架技术
Spring Side是以Spring Framework为核心，配合Java EE中主流技术选型的一
个Pragmatic风格的企业应用开源构件库。它整合了Java社区中众多优秀的轻量级开源项目和框架，以构件的方式与Ant、Eclipse Plugin等生成工具结合，为Java EE企业级应用的开发、部署提供了便利。Springside从2006年发展至今，总共发行过4个主要版本，代码仓库也经历了Source Forge、Google Code与Git Hub的变迁。Springside4是 Springside技术架构中较新的版本分支，其与Springside3的改进之处在于：模型层由 DAO(Data Access Object，数据访问对象)框架转向Spring Data JPA和Hibernate；控制层弃用Struts2框架，改用Spring MVC；Restful框架转用Spring Rest Template；CSS框架开始使用Twitter Bootstrap；安全框架将Spring Security改成了Apache Shiro等。本文所采用的Spring Side4中主要技术有：Spring、Spring MVC、JPA、Bootstrap和Apache Shiro。
Spring是 十 多 年 前 发 展 起 来 的 一 款 轻 量 级Java 开 源 框 架 ， 它 摆 脱 了EJB(Enterprise Java Bean)技术在企业级服务研发过程的繁琐性。Spring在架构设计之初就决定了天生的优势，它只是一个框架级别的调度工具，其分层架构可以满足工程师自由选择熟悉的其他框架服务。Spring通过基本的Java Bean完成了EJB19才能提供的功能。当然，Spring框架的作用不仅仅在服务端研发，它的简单、复测以及低内聚等特点使任一Java程序都收获良多。Spring框架存在如下优势：
(1) IOC解耦。对象依赖Spring统一管理，能够有效避免到处粘合代码而导致的强耦合。工程师不必为单例构造、文档读写等诸多基础功能需求而烦恼，只需关注应用逻辑。
(2) AOP编程。功能统一、涉及范围广泛的非业务代码通过面向切面的方式注入到系统中，有效提高编程效率。
(3) 声明式事务。摆脱单调冗余的事务代码，通过注解方式灵活添加事务支持。
(4) 方便测试。通过非容器依赖的编程方式进行几乎绝大部分内容的测试工作，降低测试占用的项目代价。
(5) 方便集成。直接支持各种公认的优秀架构和服务，大幅度减小单个框架的应用难度。
(6) 降低原生API使用难度。Spring对重要的原生Java API(如：JDBC、Java Mail、RMI等)提供了封装层，使用更加简单。
Spring MVC属于Spring Frame Work的后续产品，其已经融合在Spring Web Flow中。Spring MVC控制层框架灵活度极大，包含了所有流行的视图层有：JSP、Velocity、Tiles、iText和POI等。Spring MVC框架有效隔离了Controller、Model和View 三层架构，使得每一层面更加容易控制。得益于视图技术的无缝集成以及IOC架构 形 式，Spring MVC在Web开发 领域成为了 一 个典型的教科书式MVC(Model View Controller，模型视图控制器)构架，不同于Struts这些并非完全遵循MVC架构的模型技术，Spring MVC显然是很出色的，它的实现堪称教科书式典范。
JPA (Java Persistence API)是利用注解或XML配置文件表述Object-Relation的一种关联关系，它能够将执行期的对象实例序列化到数据库中。JPA由JCP (Java Community Process)这个机构公布的Java EE规范，所有使用JPA规范的持久化框架都必须遵守此标准，预留出同样的API，保障以JPA规范生成的应用服务可以在不同的实现下运行。
Bootstrap源自Twitter，它基于HTML、CSS、JS等多种前端技术框架，它简洁灵活、方便快捷，是目前最受欢迎的前端框架之一。Bootstrap基于HTML5和CSS3开发，在jQuery基础上进行了个性化定制，形成了一套独有的网站风格，并兼容大部分 jQuery插件。
Shiro是一款由 Java 编写的安全组件，它公布的身份认证及功能授权接口使用十分简单，并自持很多种异构数据来源的认证和企业级Session管理服务。如果服务使用者会在原地点的同一天频繁登录操作多个系统，那么Shiro对于此类单点20登录的应用相当理想。Shiro的会话对象可以支持非HTTP访问的用户会话，即使程序执行不在同一个Web环境甚至不存在Web环境的情形下，它还能够维持原来的代码段不变而正常运作，更甚至运行在命令行环境里。Apache Shiro被誉为强悍又简单的Java安全机制，具有登录验证、权限管理、传输加密和对话控制等能力：登录验证即用户登录检查；授权是访问内容级别的控制；传输加密可以保证数据安全，阻止内容窥泄；对话控制用来合理划分登录者相关的时刻对应状态。所有的应用系统，都能够由Shiro来支撑其涉及安全方面的系统服务，与别的安全组件相比，Shiro使用起来实在是非常简单。
2.3 本章小结
本章首先阐述了可追溯系统的基本概念，随后重点介绍了HACCP体系、有限状态机以及关联规则三个主要的相关理论，最后详细介绍了以自动识别、数据交换和开发框架为主的三种技术。
第3章 肉鸡产品质量可追溯系统的研究与分析
3.1 基于HACCP体系的溯源信息分析
HACCP体系能够有效预防、管控肉鸡产品生产流程的潜在安全隐患。本文以HACCP 标准体系中的工艺流程危害分析为基础，确定了以生物、物理以及化学性危害为主的肉鸡安全生产过程关键环节以及控制因素。通过分析肉鸡养殖、屠宰加工、储运等基本流程，找到关键控制点，明确需要最终记录的溯源信息。
(1)肉鸡生产工艺流程肉鸡生产工艺以食用仔鸡的屠宰、加工过程为主要内容，其工艺流程如图3-1所示。
图3-1肉鸡屠宰工艺流程
(2) 肉鸡生产过程危害分析通过养殖、生产环节中有害因素的收集评估，寻找有关涉及生产环节食品安全的显著危害，肉鸡屠宰加工过程危害分析结果如表3-1所示，表中B(Biological)表示生物性危害，C(Chemical)表示化学性危害，P(Physical)表示物理性危害。
表3-1肉鸡生产加工环节危害分析结果
对上述危害加以控制，采取相应的预防措施，可以防止肉鸡食品安全事件的发生。通过危害分析与关键点控制体系的核准，能够分析出肉鸡溯源系统各环节的主要溯源信息如下：
种蛋孵化环节：孵化情况、种鸡编号、环境信息、孵化装置、操作员等；
养殖环节：孵化器编码、双亲信息、栋舍号、个体基本信息、脱雏信息、异常情况记录、检验检疫记录、养殖日志、饲养记录、用药记录、出售记录、养殖企业等；
屠宰加工环节：分割编号、批次号、仓库号、屠宰记录、加工企业、产品信息、质检记录等、设备环境数据等；
储运环节：运输设备、包装数据、运输企业、销售记录等；
其中还包括中间关联环节产生的环境、消毒、饲料、疫苗等有关的第三方信息记录。
3.2 基于有限状态机的源流程分析
肉鸡供应链基本上包括育雏、育成、屠宰、加工、包装、分发和销售这几个阶段。严格地说农药、兽药、饲料和疾病免疫不属于肉鸡供应链的一部分，但在某些情况下，肉鸡溯源系统需要从这些过程中获取信息。当肉鸡从上一阶段传递到下一阶段时，用于产品追溯的信息被存储下来。肉鸡供应链的养殖者、加工者和销售人员负责收集数据。他们收集的信息被传送到肉鸡溯源系统的中央数据服务器。这样，连续的产品和溯源数据流向就构成了完整的供应链。
当肉鸡产品被消费者购入后，在肉鸡溯源系统中的每一件产品都能够根据用户的角色查询出相关的产品信息。不同角色对肉鸡溯源系统检索到的信息有不同的需求。大多数消费者只需要与肉鸡产品相关的基本信息，如生产日期、肉鸡产地和肉鸡加工流程信息等。为了保证肉鸡产品的质量，市场经销商需要了解商品的仓储和货运信息，因为温度、相对湿度和空气中的化合物成分对于肉鸡品质至关重要。肉鸡屠宰厂商希望了解基本的饲料和加工工艺信息，以便能够在市场营销出现问题时对生产过程中发生的问题进行回溯，并对问题产品进行追回。肉鸡养殖人员则更关注的是育雏、育成、饲料和疾病免疫等问题。
根据FSM理论，本文将肉鸡溯源系统的状态转换过程定义为如图3-2所示，其中：
K= {q0,q1,q2,q3,q4,q5,q6,q7,q}，∑= {0,1}， F = {q}，δ 转换函数如下：
(q0 , 0) = q，(q0 ,1) = q1，(q0 ,1) = q2，(q1 , 0) = q，
(q1 , 0) = q0，(q1 ,1) = q3，(q1 ,1) = q4，(q1 , 1) = q5，
(q2 , 0) = q，(q2 ,0) = q0，(q3 ,0) = q，(q3 , 0) = q1，
(q4 , 0) = q，(q4 ,0) = q1，(q4 ,1) = q6，(q5 , 0) = q，
(q5 , 0) = q1，(q5 ,1) = q7，(q6 ,0) = q4，(q7 , 0) = q5，
图3-2肉鸡溯源系统状态转换图
上图中q表示终态；q0表示初态；q1表示登录及权限分配；q2表示肉鸡产品基本溯源信息查询请求，如生产日期，肉鸡产地、雏鸡来源和加工信息等；q3表示肉鸡销售企业对肉鸡来源、储运环境等的查询请求；q4表示肉鸡屠宰企业对肉鸡来源、加工环境、检验结果等的查询请求；q5表示肉鸡养殖企业对雏鸡来源、养殖环境、肉鸡去向等的查询请求；q6是车间消毒数据、死亡鸡仔、加工人员等的查询请求；q7是疾病防御、饲料、肉鸡病史、检验检疫等的查询请求。
有限状态机由q0出发，当用户打开宣传公示网站时，自动机根据转换函数从状态q0迁移到状态q2，在状态q2，用户可查询肉鸡产品基本溯源信息；当用户打开后台管理系统时，自动机从状态q0迁移到状态q1，在状态q1，系统对用户认证并赋予相应权限，如果认证通过，则登录到后台管理系统并赋予相应权限，可以接收进一步请求，反之如果验证不通过，那么自动机返回到原始状态q0；当使用者退出浏览器时，则自动机迁移到状态q；在状态q3、q4 、q5，认证用户除了能够对肉鸡产品的基本溯源信息进行查询，如生产日期，产品包装和运输等。还能根据对应的权限，查询销售、屠宰、养殖部分的详细信息。如果查询失败则迁移回状态q1；在状态q4 、q5还能进行更高级的信息查询，如养殖环境、加工环境等。查询高一级的溯源信息时，状态迁移到对应的q6 、q7，同样查询失败时迁移回状态q4 、q5。
3.3 基于关联规则的肉鸡产品质量安全预警模型研究
预警模型的研究是肉鸡产品质量可追溯系统中预警模块能有效工作的基础，其能通过对溯源信息中基础数据的分析挖掘，生成相关的警告讯息，并及时通知肉鸡溯源系统的管理者。
3.3.1 预警模型的框架
肉鸡产品质量安全预警模型包括消息、比对、挖掘以及反馈四个模块。预警模型框架见图3-3。
图3-3肉鸡产品质量安全预警模型框架
消息模块是预警模型数据的来源，以肉鸡溯源系统在肉鸡养殖、生产环节所收集的数据为基础，遵循HACCP体系，选取其关键控制点中的记录来进行预警挖掘。对比模块是专家数据和历史挖掘数据的集合，在进行规则挖掘分析时，通常要经过与专家、历史数据的对比，最后再得出挖掘规则。挖掘模块是预警模型的核心，接收来自信息源的原始数据，经过对异常数据的分析，采用合适的关联规则挖掘算法，得出一些具有参考价值的规则，供下一个模块使用。反馈模块是模型外部取得知识规则的窗口。当预警消息归类为紧急信息时，系统会主动推送通知给相关人员，避免造成严重的食品安全事件和较大规模的经济损失。该模块还支持管理人员的手动预警挖掘，进一步提高系统整体的预防能力，保障肉鸡产品的质量安全。
【未完待续】
