（续 第6期）
3.3 物联网、区块链和网络安全
物联网和区块链都被认为是重要的数字技术，它们正在推动包括食品行业等不同领域的重大变革。与此同时，对用于保护数字信息和数据免受潜在网络安全攻击的预防性措施的需求正在不断增加。
3.3.1 物联网
物联网是指在相互连接的计算机设备和机器之间传输数据。最近的物联网发展推动了互联设备的激增，促进了各种物联网智能应用在医疗和医疗保健、电子商务、教育、制造业和农业等不同领域使用的增长。虽然根据应用领域对物联网结构进行了不同层的描述，但大多数研究主要试图建立三层，即：i）设备层，包括传感器、RFID和其他收集数据的物理设备；ii）网络层，包括用于传输由设备层收集的数据的所有类型的网络通信协议；iii）应用程序层，包括物联网应用程序和服务。物联网技术的应用提高了连通性，并在整个供应链上提供了更好的生产力、质量和盈利能力。数据和信息的交互及交换发生在人与机器之间以及机器与机器之间。物联网技术的最新进展在农业不同领域得到了广泛应用，包括用于各种食品的生产加工过程和食品安全。
物联网提供的一个重要方面是实时可追溯性，在处理产品召回时可采取快速行动。2018年新加坡的Gupta等人，提出了一种基于食品欺诈的物联网智能系统，该系统包含温度、油、湿度、盐、金属、颜色、pH值和粘度的各种传感器，用于监测食品中的掺假物。该系统简单且有效，因此它可以被食品供应链中的多方（如农民、消费者和监管当局）使用。射频识别已成功应用于广泛的领域，包括可追溯性、确保农业食品部门的食品质量和安全。布泽恩布拉克等人（2019年）回顾了几项研究，这些研究将物联网设备与RFID结合使用，用于追踪并跟踪各种食品的应用（如食品安全和质量监测、保质期和农药残留监测、可追溯性和防伪）。2020年Alfian等人，提出了一种基于RFID的易腐食品与物联网集成的可追溯系统，通过供应链来跟踪运输的产品，并监测食品的温度和湿度。
一些担忧和挑战仍然存在。最大的问题是缺乏基础设施来承载使用物联网无缝收集和分析数据所需的连接。与该技术相关的另一个问题是较高的实现成本。此外，网络的安全性也是一个主要问题。
3.3.2 区块链
传统的食品供应链缺乏产品的可追溯性和可跟踪性，导致产品标签透明度欠缺，创新周期缓慢，物流问题复杂。区块链技术可以作为解决这些食品供应链问题的一种方法。区块链技术以工业4.0为支撑，由数字的、分散的、分布式的账本组成，由多台计算机网络维护，可以促进农业食品价值链的信任和透明度。
区块链增加了整个供应链的可追溯性，连接和跟踪从生产者到消费者的数据，允许更准确和更快的召回，从而消除风险，提供质量更好的食品。更好的可追溯性意味着可以监测和认证诸如“生态友好”、“有机”和“清真”等声明的有效性，并有助于减少全球供应链上的食品损失。此外，区块链可作为一种综合可追溯技术，以减少食品系统因大流行（如Covid-19）中断的风险。例如，区块链和其他新技术（如RFID）已被证明在持续的冠状病毒危机期间有利于食物冷链的连续性。区块链可以确保一个实时收集和访问数据的安全环境。Kamilaris等人（2019）研究了区块链在食品供应链中使用的增长，并确定了在每个利益相关者阶段收集的数据类型（图3）。
一些研究表明，区块链可以与其他一些新兴技术结合起来应用。例如，田等人，开发了一个基于区块链、物联网和HACCP（危害分析和关键控制点）的分散信息系统，用于食品供应链中的实时食品跟踪。最近，一个基于区块链和物联网的安全监控和报告系统被开发出来，以允许管理供应链上易腐产品的交易完整性、永久性和透明度，重点是产品运输避免了任何人工干预。在另一项研究中，一个基于区块链、物联网和深度学习的高级供应链系统，对不同数量的用户进行评估，以验证农产品的真实来源。
区块链在食品行业的实施率仍然很低，因为大多数系统都处于早期试点阶段。缺少技术技能的教育和培训平台以及成本，是限制食品制造商使用区块链技术的主要障碍。此外，一些与监管、隐私泄漏、存储容量有限和延迟问题相关的障碍仍然需要解决。其他挑战，包括发达国家和发展中国家之间的数字差距，以及一些国家缺乏对加密货币的信任。
3.3.3 网络安全
工业4.0增加了食品制造公司内部的数据汇集。随着全球数字网络开放制造过程的访问越来越多，更多的数据涉及到更高的网络安全风险。每当一项新技术被引入时，都会面临网络安全问题。网络安全是指具有所需技能的技术人员，保护信息和计算机技术系统的过程和有效性，提供这种保护，可抵御能损害软件和硬件或涉及高代价的勒索软件的网络攻击。
食品行业的基础性设施更容易受到网络攻击。例如，供应链中所涉利益相关方的数量往往大于其他行业。因此，必须在供应链的各个阶段提高网络安全意识。配方泄漏、过程篡改和消费者数据盗窃是最令人关注的问题。有的案例还包括关闭软件和硬件，以及篡改供应链物流。这类情况可能会威胁到公司的供应链、声誉和利润。
3.4 数字孪生和CPS
数字孪生的概念已经出现在食品工业，可以定义为真实产品、过程操作或物理对象的数字表达，它集成了人工智能和物联网等各种智能技术，能够使物理活动与虚拟现实同步。统计、数据驱动和基于物理的复制是数字孪生的主要形态。数字孪生在农业领域和食品加工厂有增强感知和促进决策的潜力。此外，数字孪生可用于预测采后食品质量的演变，并定制供应链，以最大限度地延长保质期和减少食物损失。
虽然数字孪生已经在各个工业领域发展起来（例如，优化车辆和飞机的操作与维护），但它们在食品工业的实施还处于起步阶段，仍存在一些挑战。只有少数研究描述了数字孪生在食品供应链中的应用。例如，Defraye等人开发了一个基于机械性有限元素模型，结合现实环境条件，模拟芒果在整个冷链中的升温状态。结果表明，数字孪生可以通过改善冷藏工艺流程和物流，使冷藏食品供应链更加环保。
CPS（网络物理系统）在工业4.0中占有重要地位，可以被视为一个集成了物理世界和虚拟世界的全球网络基础设施。CPS与数字孪生共享一些基本概念。CPS与工业4.0的应用有可能实现智能工厂这个最终目标。CPS的概念也与物联网和机器人技术密切相关，但在当前食品工业和农业系统中的应用很少。可以预见，食品系统的CPS达到了自我管理和自我控制的最高自治水平，很多个领域可以从这些技术中受益。
从机器人的角度来看，CPS的各种应用示例包括智能食品制造系统。CPS的概念可以应用于建立食品可追溯系统。例如，Chen（2017）创建了一个基于CPS的用于食品供应链中食品的可追溯性系统（跟踪和发现）。与CPS相关的挑战包括它的复杂性、多学科性和异质性，以及缺乏技术标准和安全模型等需要解决的问题。
4 优势和共同的挑战
食品工业4.0的重要概念是人工智能、ML、大数据分析、云计算、物联网、区块链、机器人和智能传感器、数字孪生和CPS。工业4.0强调了不同领域之间的融合和连通的必要性，尤其是那些与物理、生物和数字领域相关的。这种连通变革从本质上来说主要是基于数据；即使用智能传感器、机器人、物联网和其他系统进行数据采集，使用云计算进行数据处理和挖掘，以及使用人工智能和其他先进科技进行数据解释。这些科技的大多数，有望在未来的智能工厂及具有增强数字化和自动化功能的生产系统中发挥重要作用。例如，物联网可以被视为食品安全的未来，而区块链可以成为食品可追溯性的未来。
工业4.0技术可以促进食品价值链不同阶段的所有数字化转型，节省时间和降低成本，实现可持续发展。一个例子是使用基于不同光谱原理的高光谱传感器，来优化和监测各种食品副产物的酶解过程中所有时间和阶段的多个加工条件。这些“绿色”技术将减少食品浪费，并提供定制食品以及获得具有特定质量属性的理想产品的机会。因此，提高盈利能力，减少食物浪费，优化客户需求和提高消费者满意度将成为可能。
通过采用食品可追溯性和数字解决方案，可以监控从原材料到最终产品的加工过程。例如，在食品供应链中将区块链作为一个数字化和透明的系统应用，以跟踪产品从农场到餐桌的过程，确保产品的可追溯性和真实性。让工业4.0的各种要素发挥效能，有可能改善供应链现代化、食品质量和真实性，并确保食品安全。
通过整合工业4.0的元素，即大数据分析、智能传感器、自主机器人和其他先进技术，对食品工业进行数字化升级，可以带来更高的生产率、更稳定的过程控制和可定制的产品。然而，很少有人关注工业4.0的可持续性。集中关注创新、数字技能、数字基础设施和合作，将有助于确保工业4.0的可持续性，实现联合国的可持续发展目标，从而实现智能工厂的概念并将其付诸实践，甚至在发展中国家也是如此。除了可持续性问题之外，与食品工业4.0技术相关的其他几个挑战仍需要解决。总的来说，新技术的采用似乎是一项艰巨的任务，而且与其他行业相比，食品行业采用这些技术的速度要慢。这可能是由于在一些食品行业的从业者之间仍然存在着一种孤立的心态（即，不希望与他人分享信息的心态）。由于其实施成本高和缺乏对工业环境的适应性，大多数新兴技术似乎还没有超过实验室的规模。此外，缺乏技术和技术操作技能是阻碍人们更广泛地接受工业4.0及其新技术和创新的另一个问题。
尽管AI、ML和大数据分析在特定运营和食品价值链中都得到了成功应用，但这些技术的采用仍然有限。其他障碍可能与特定技术有关，包括数据挑战（基础设施、质量、标准化、安全性和所有权）、部署、验证和维护的不确定性以及能力和资源的缺乏。人工智能和智能传感器可以实现人机协作，是利用人工智能和物联网领域的最新进展。然而，这些新兴的新技术需要与现有的食品生产设施系统进行集成，高灵活性、先进的硬件和软件以及更低的成本是必然需求。
最后，需要强调的是加强创新和整个食品供应链自动化、数字化进一步升级的必要性。工业4.0已经在某些领域提供的帮助，在于其成功实现了数字转型和生态转型的能力，但其一些最大潜力仍未开发。这些只能通过整体的多学科方法来实现，该方法同时包含尽可能多的工业4.0技术，并包括食品行业所有相关方的参与（例如，学术研究机构、工业合作伙伴以及监管和其他政府部门）。
5 未来的观点和结论
食品工业和其他行业一样，经历了四次工业革命。从手工操作、小规模、劳动密集型、碎片化活动发展为大规模、高度自动化、数字化和集约化的全球产业。最近，第四次工业革命（工业4.0）时代已经开始，其特征是许多现代数字技术（如人工智能、物联网、区块链）和其他新兴技术的融合，包括机器人和智能传感器、数字孪生和网络物理系统。工业4.0技术为食品工业提供了广泛的可能性，并导致了食品新趋势的出现，这将在本研究的后期进行阐述。
本文试图成为食品工业4.0技术进步相关的最新信息来源。这篇文献综述表明，一方面，已经出现了一些机会来实现气候目标，应对施加给粮食供应链的环境、经济和社会压力，以及实现粮食的可持续性和气候恢复力；文中讨论的工业4.0技术，将有助于食品生产系统向更可持续、更智能、更创新，并提高效率和生产力的绿色制造转型。另一方面，食品工业采用工业4.0元素并非没有挑战。例如，随着时间的推移，在收集大量数据时出现的安全和隐私问题，隐秘攻击使它们更容易受到伤害。制定共同的标准和法律框架，以及建立适当的监管环境，对于确保数据的保护和一致性，特别是对跨境数据流非常重要。
大多数新兴技术仍然局限于实验室规模的实验，由于实验室规模的研究和实际应用之间存在差距，因此无法商业化应用。公布的研究表明，那些研究已经解决了上述许多挑战。为利用工业4.0在食品行业中的驱动力，并获得其先进技术所提供的机会，需要持续的研究和开发，以及监管机构、研究机构和行业之间的密集合作。增强的网络和连通性，有望促进现代可持续农业和食品工业的更大成功。若干工业4.0技术的应用，特别是结合到一起应用，可以提供重要的可持续解决方案，为公共卫生、环境和经济发展实现更有价值的成果。
最后，文献综述显示，工业4.0技术及其在食品工业实施中，人类生活的许多方面都被忽视了。因此，在可能的第五次工业革命（工业5.0）中，人类很可能成为其中心的核心。希望很快的话。（完）
翻译：《肉类产业资讯》
