Petri網的水產品溯源系統模型*

袁紅春, 叢斯琳

(上海海洋大學 信息學院,上海 201306)

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Petri網的水產品溯源系統模型*

袁紅春, 叢斯琳

(上海海洋大學 信息學院,上海 201306)

提出了一種基于射頻識別(RFID)的Petri網在水產品全程質量追蹤和溯源系統應用的方法，以構建高效的基于物聯網技術的水產品溯源與安全預警平臺。根據實際水產品業務流和信息流，利用Petri網進行建模，然后在CPN Tools環境進行仿真。仿真結果表明：該建模方法簡單、可行,能夠驗證工作流模型的有效性,而且便于計算機形式化表達和優化分析,有利于工作流管理系統的實現和性能提高，一定程度上提高了供應鏈的效率，從而降低了流通的成本和質量風險。

溯源； 射頻識別； Petri網； 物聯網

0　引　言

目前對Petri網的主要研究有對自動化監測系統利用知識Petri網建模，最終建立在線監測系統[1]；在制造業領域中，用不同的顏色標記產品的實時狀態信息，最終實現分布式制造系統的監控[2]；國內學者主要利用Petri網對其追溯信息建模，以確保業務流程中物流、信息流的一致[3]。上述這些研究主要是用于業務處理模型的正確性或合理性的驗證；但如何根據現實生活當中不同應用的業務流程特點，對業務的工作流原型進行Petri網建模并優化、從而提高工作流的執行效率的研究并不多見。

本文分析了目前水產品(大閘蟹)養殖、物流業務流程中存在的主要問題，并結合了BPI[4]和Petri網理論，從產品配送的角度出發，基于物聯網概念和管理一體化思想，創建了基于Petri網的水產品溯源系統的建模和模型優化方法。運用CPN Tools對所創建的模型進行仿真，從而驗證本系統邏輯的合理性和正確性，并進行了性能的分析。仿真結果表明:本文方法建立的水產品溯源流程在時間性能方面得到了提高，降低了流程成本，增強了企業的核心競爭力；同時，為以后系統的完善和執行更復雜的任務規劃奠定了基礎。

1　模型描述

1.1Petri網

Petri網主要研究信息系統之間相互關系。Petri網是一種有向圖，是由庫所、變遷和及其之間的關系的有向弧線所組成的，簡潔、直觀地體現系統中并行、同步、沖突及因果依賴等關系，并且可以分析系統的動態性質，易于在所建立的模型基礎上達到控制系統的目的[5]。

滿足以下條件的三元組N=(S,T;F)稱作一個Petri網:

1)S∪T≠?

2)S∩T≠?

3)F?(S×T)∪(T×S)

4)dom(F)∪cod(F)=S∪T

其中:S稱為N的庫所集，T稱為變遷集，F稱為流關系dom(F)={x∈S∪T|?y∈S∪T:(x,y)∈F},cod(F)={x∈S∪T|?y∈S∪T:(y,x)∈F}。它們分別是F的定義域和值域[6]。

1.2Petri網工作流

工作流是業務過程的部分或整體在計算機應用環境下的自動化的表示形式，其目的是通過將工作分解成定義良好的任務或角色，按照一定的規則和過程來執行這些任務并對其進行監控，從而提高工作效率、更好控制過程、增強對客戶的服務、有效管理業務流程等目的[7]。

工作網絡Petri網W=(P,T;F)是工作流網絡，當且僅當：

1)W中存在2個特殊庫所:庫所i是輸入庫所，’i=H; 庫所o是輸出庫所，o’=H;

2)如果在W中庫所o和i之間增加一個變遷t*，則得到的W’是一個強連結的Petri網。

以上兩個條件只是工作流網絡的最小約束條件，實際應用中仍可能定義出帶有諸如死鎖等缺陷的模型。這需要通過對Petri網的分析加以解決。

2　水產品溯源過程建模

2.1水產品溯源流程Petri網建模

水產品追溯業務流程圖如圖1所示。

圖1　水產品追溯業務流程圖

以水產品的養殖和流通流程為基礎流程，以高級Petri網為理論基礎，引出產品的養殖和物流流程模型，定義五元組∑=(P,T;F,Ti,M0)其中,P為庫所集，代表事件或系統中各環節執行方；T為變遷集，代表水產品的養殖和流通流程活動；F是庫所和變遷的流關系；Ti是流程活動的屬性，對應于流程活動的時間變量；M0為初始標識，用于表示初始條件下分布在各庫所中的托肯情況。根據水產品追溯業務流程，利用Petri網的“狀態”和“事件”概念對整個工藝流程進行描述，具體見表1。

表1　水產品養殖流通流程Petri網描述

分析水產品養殖和流通過程中的每一事件，可以創建基于Petri網的水產品安全追溯系統模型,如圖2所示。

圖2　水產品安全追溯系統Petri網模型

由圖2水產品安全追溯系統Petri網模型以及公式C-[j,i]=W(pi,tj),C+[j,i]=W(tj,pi) 得出關聯矩陣。由C·W=0解得S_不變量W1=[1 1 1 1 0 1 0 1],W1=[1 1 1 0 1 0 1 1]。

由關聯矩陣得出S不變量，其中可得當分量為1時表示托肯流經此庫所，分量為0時則表示托肯不流經此庫所，當然，這里的托肯流經路線并不是固定的，只要托肯的分布符合C·W=0就可以保證邏輯合理。

由可達性、活性、有界性的定義可知，圖2所示的水產品安全追溯系統的Petri網模型是活的、有界的、可達的。S_不變量中各不變量對應的庫所為

W1=(p0,p1,p2,p3,p5,p7),

W2=(p0,p1,p2,p4,p6)

說明整合規范的水產品養殖流通的流程是合理的。但在鮮活水產品運輸中，時間因素以及個別任務的實施概率決定著水產品的鮮活程度和是否安全健康。對水產品追溯模型進行業務流程優化的實施尤為重要，優化的業務流程可以減短運輸時間的消耗。對水產品追溯模型進行業務流程優化后，可以使水產品追溯模型不但合理而且時間性能更為突出。

2.2改進后水產品溯源業務流程建模

將根據養殖、物流環節的業務所建立的Petri網模型，利用關聯矩陣法對Petri網結構進行分析，經過分析發現流程的時間約束瓶頸，遵循ECRS原則[8]給出基于溯源管理系統的優化方案，所謂ECRS原則是指Eliminate(取消)、Combine(合并)、Rearrange(重排)、Simplify(簡化)等優化原則。

本業務流程中，根據取消原則可將訂單通知和產品發貨單/提貨單這兩個環節取消改為自動生成訂單，以達到縮短時間效果；根據重排原則，將大客戶配送提前，此操作有效地消除了配送中心的重復工作現象，在工作效率上得到了較大的提高效果。

本文將水產品溯源業務流程進行了優化，優化后方案如圖3所示。通過使用溯源管理系統，可自動生成訂單通知和產品發運單提貨單，消息或郵件通知養殖場和客戶，多部門共享，省去很多時間，如原流程p1，p4，p5就可以取消，養殖場直接在系統中通知發貨，客戶接到短信通知直接提貨。

圖3　優化后水產品追溯業務流程圖

將已得到的水產品追溯業務進行Petri網工作流進行建模，采用自頂向下的原則，業務流程中包含順序路由，并將其進行轉換。將任務轉換為變遷，在任務的前增加一個啟動條件，任務后增加一個結束條件，并用庫所表示，可獲得一個水產品追溯的工作流網絡，如圖4所示。

圖4　優化后水產品追溯業務Petri工作流網絡

3　水產品溯源系統的CPN建模仿真

3.1水產品溯源系統的CPN建模

本文采用了CPN Tools仿真工具，利用CPN建模和分析工具，建立Petri網工作流的靜態模型，并對系統模型的動態行為進行模擬仿真，對系統模型的特性進行了分析，如并發、分布、異步等，建立了系統模型的狀態空間，分析系統的活性、可達性等。

可以將整個水產品溯源配送流程分為三個部分：配送、拆分包裝和提貨驗收。根據Petri網工作流的理論，對其三個部分采用CPN建模仿真，這里給出了顏色集和變量，定義如下：

▼Declarations

▼valn=2;

▼colset PH=index ph with 1..n;

▼colset CS=index ph with 1..n;

▼var p:PH;

▼fun Ch(ph(i))=

1′cs(i)++1′cs(ifi=nthen 1 elsei+1);

▼fun LCH(ph(i))=

▼Monitors

根據前文所述水產品溯源配送的行為描述可以得到CPN圖,如圖5所示。

圖5　水產品溯源的CPN模型

圖5中包括了以下組件：1)3個代表不同事件的變遷：distribution(配送)、split(拆分包裝)、accept(提貨驗收)。2)5個代表不同狀態的庫所：start(水產品存放在養殖場)、dis centre(配送中心)vip customer(vip大客戶)、normal customer(普通vip客戶)、end(客戶接受貨物)。

3.2仿真結果

利用CPN Tools的狀態空間工具對水產品溯源系統Petri網工作流模型進行仿真，得到仿真報告:

Boundedness Properties

Best Integer Bounds

Upper Lower

Page’dis centre 120

Page’normal customer 153

Page’vip customer 151

Best Upper Multi-set Bounds

Page’dis centre 11 ph(1)++

1 ph(2)

Page’normal customer 1 1 ph(1)++

1ph(2)

Page’vip customer 1

1 cs(1)++

1cs(2)

Best Lower Multi-set Bounds

Page’dis centre 1 empty

Page’normal customer 1 empty

Page’vip customer 1 empty

Home Properties

Home Markings

All

Liveness Properties

Dead Markings

None

Dead Transition Instances

None

Live Transition Instances

All

仿真結果表明：1)有界性：所建模型有界，并且報告表明了系統對資源的最大和最小需求量；2)可達性：所有標識都是家態，即各個標識都是可達；3)活性：不存在死標識，所有變遷都是活的。

4　結　論

本文針對水產品溯源系統的任務規劃，采用了能夠提供有效的形式化分析方法的Petri網工作流對優化后的水產品溯源系統建模，然后使用專業的Petri網仿真工具CPN Tools對系統流程進行仿真，通過仿真結果的分析和對比，驗證了Petri網工作流應用在水產品溯源系統中的通用性以及系統具有活性、有界性和公平性等特性，且無死鎖發生，論證了該系統任務規劃的合理性；由于采用了優化模型，水產品溯源流程在時間性能方面得到了提高，在鮮活水產品運輸中，減短運輸時間的消耗。從而在一定程度上降低了運輸成本。

[1]Dotoli M,Fanti M P,Mangini A,et al.Identification of the un-observable behaviour of industrial automation systems by Petri nets [J].Control Engineering Practice,2011,19(9):958-966.

[2]LU Y,Lee C K M,Chan H K,et al.RFID-based colored Petri net applied for quality monitoring in manufacturing system[J].International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2012,60(1-4):225-236.

[3]顏波,石平,黃廣文.基于 RFID 和 EPC 物聯網的水產品供應鏈可追溯平臺開發[J].農業工程學報,2013,29(15):172-183.

[4]蔡強,韓東梅,李海生,等.基于知識流優化的業務流程重組[J].華中科技大學學報：自然科學版,2013,41(S2):19-22.

[5]姚曉峰.基于著色Petri網的工作流建模研究與分析[D].無錫：江南大學,2008.

[6]陳翔.基于廣義隨機Petri網的工作流性能分析[J].計算機集成制造系統,2003 (5):71-74.

[7]徐琨.工作流監控系統的研究與開發[D].上海；同濟大學,2007.

[8]郭伏,張國民.工作研究在流水線平整中的應用[J].工業工程與管理,2005,10(2):120-124.

Seafood traceability system model based on Petri net*

YUAN Hong-chun， CONG Si-lin

(College of Information Science,Shanghai Ocean University,Shanghai 201306,China)

An application method of Petri net in aquatic products quality traceability system,based on radio frequency identification(RFID) is proposed,aiming at high transport costs and quality risk,etc,to construct high efficient seafood traceability and safety warning platform based on Iternet of things(IoT) technology.According to actual business flow and information flow of aquatic products,modeling is carried out based on Petri nets,and simulated by CPN Tools.Simulation result shows that the new modeling method is more simple and feasible,and can validate the effectiveness of a workflow model.With this new method,a workflow model is easily formalized and optimized in computers,and it is conductive to realize workflow management system and improve performance,efficiency of supply chain is improved,then cost of transportations and quality risk are reduced.

traceability; radio frequency identification(RFID); Petri net; Internet of things(IoT)

10.13873/J.1000—9787(2016)09—0042—04

2015—11—10

上海市科委科技支撐資助項目(1439190400)

TP 399

A

1000—9787(2016)09—0042—04

袁紅春(1971-)，男，江蘇海門人，博士，教授，主要研究方向為智能信息處理、物聯網技術。