Petri網在冷鏈中斷風險分析中的應用研究

李亞琴　劉勤明　呂文元

摘要：為更好地管理冷鏈中斷風險，減少中斷風險對冷鏈造成的損失。考慮Petri網可將復雜動態系統抽象表達成網圖結構，通過庫所和變遷動態展示事件發生的過程，冷鏈中斷風險中成員對中斷風險反應將對冷鏈造成影響，構建petri網冷鏈上下游中斷風險分析模型進行分析，并結合冷鏈庫存在冷鏈風險分析中的重要性，對核心冷鏈成員進行庫存事件petri網建模，最后通過Extendsim仿真實現中斷風險下庫存的變化分析。結果：冷鏈中斷風險下petri網建模分析可以很直觀地反應上下游冷鏈成員受提前期和成本等的影響；而冷鏈中斷風險下庫存事件petri網模型可以用Extendsim進行仿真實驗，得到需求變化大及提前期較小的企業容易發生中斷風險，最后通過Extendsim優化模塊求出最小成本下冷庫的最大庫存以更好地控制中斷風險。結論：petri網可以對冷鏈進行中斷風險分析，有利于冷鏈企業對上下游冷鏈成員進行選擇和管理，并可以進行中斷風險的事前控制，進行中斷風險的統計分析及預防中斷風險帶來的危害。

關鍵詞：petri網；冷鏈；中斷風險；庫存事件；Extendsim仿真

中圖分類號：F 273.1文獻標識碼：A文章編號：1672-7312（2017）01-0069-07

Abstract：To better manage the cold chain disruption risk，reduce the risk of the loss caused by cold chain，the paper assumed that the complex dynamic system in Petri net can be expressed by the graph structure，that dynamic display of the process of incident and the members of cold chain interruption risks affects cold chain reaction，the paper built a risk analysis model of Petri net chain.And based on the importance of cold chain inventory in cold chain risk analysis，the paper built the cold chain Petri net model of the core members of the events of inventory.Finally the paper analyzed the risk variation through Extendsim simulation under the change of the inventory.Results show that the analysis of Petri net model under cold chain disruption risk can visually reflect the cold chain upstream and downstream members in time and cost；And inventory under cold chain interruption risk event Petri net model with Extendsim builtin genetic algorithm optimization module，the biggest inventory within the minimum cost can be calculated.The conclusion is that Petri net can analyze the disruption risk quantitative，which help enterprises to carry out statistical analysis of the risk and prevent it.

Key words：petri net；cold chain；disruption risks；the events of inventory；extendsim simulation

0引言

全球競爭壓力促使企業開展廣泛的組織間合作，精簡供應鏈并使得供應鏈敏捷、靈活和快速響應。因此供應鏈必須具備處理可預知和不可預知的大量事件。不可預知事件也叫例外事件，將例外事件分為系統外和系統內，系統外例外事件如政策影響，氣候影響，自然災害等，內部例外事件包括不準確的預測，產品脫銷，發貨延遲等，這些都將引起供應鏈內的牛鞭效應，并對系統造成重大損失。隨著供應鏈一體化，在供應鏈中的任何事件都將對其他合作伙伴造成影響，而供應鏈成員的不同反應也將對供應鏈產生不同作用。近年來冷鏈在我國需求與日俱增，對冷鏈中斷風險分析研究具有重要意義。

目前的研究中，張晴[1]在中斷風險管理辦法中提到petri網在供應鏈風險分析中識別應用較廣泛。晏爽[2]提出一種基于新型擴展模糊Petri網的食品冷鏈故障診斷方法，將Petri網和反推算法結合，從而以最快的速度尋找到冷鏈發生故障概率最大的路徑。WU等[3]提出petri網在供應鏈中斷風險分析的應用，并用制造業案例說明這個模型的有效性；李學飛[4]對供應鏈中斷風險進行petri網建模，并展示了petri網在環節較多的制造業流程中也能清晰展示中斷風險的影響。seyed[5]將WU模型改良，用著色petri網展示了更多的關鍵因素對供應鏈系統中斷風險的影響。Rong[6]將時間petri網和著色petri網的運行規則結合中斷風險發生的規則構建了事件petri網中斷風險分析的模型，通過對中斷風險發生事件的分類，如延遲交貨、托運人延遲裝卸等原因作為petri網庫所中的狀態之一，狀態二則是通過對各類事件的統計做出的對策，如更換托運人，緊急調貨等措施。rong的模型主要是對中斷風險在全球供應鏈的統計和詮釋。蔣芬[7]通過應用extendsim形象地展示了需求變化和供給變化引起的中斷風險對庫存產生的影響。[8]對航天器故障診斷系統進行分析，利用petri網進行診斷模型建立，后通過extendsim軟件對petri網進行仿真，仿真模型使得petri網得以量化分析。在中斷風險分析策略方面，姚衛新[9]提出壓力測試法對中斷風險的管理，以及壓力測試法后的彈性策略中，提出庫存對于緩解中斷風險具有重要作用。徐娟[10]對生鮮農產品供應鏈突發事件考慮需求突發事件為3類農戶生產風險，運營風險和需求突變風險，并進行定性分析給出應對策略。

綜上，petri網已經在供應鏈風險管理中有一定發展，可以通過petri網對中斷風險進行傳播和診斷研究，從而給出應對策略，對冷鏈風險分析關鍵因素方面的分析有成本、提前期、需求等的影響，但大部分petri網分析僅對供應鏈流程進行建模，或只有少量文獻對供應鏈中斷風險分析進行事件petri網建模，而冷鏈區別于普通供應鏈最大的不同是冷庫投入較大，冷鏈庫存在緩解冷鏈中斷風險方面有重要作用，應對冷鏈中斷風險的庫存事件研究較少，而應對中斷風險分析方面冷鏈成員對事件做出的反應也將影響到整條供應鏈，因此文中將結合petri網在供應鏈方面的應用及冷鏈的特點，對冷鏈中斷風險分析進行petri網冷鏈上下游成員建模，以及對冷鏈庫存事件petri網進行建模，最后通過extendsim對冷鏈庫存petri網進行仿真分析。

1冷鏈petri網中斷風險模型建立

1.1petri網簡單介紹

petri網是一個有向圖，包含庫所和變遷2種節點，庫所如圖1以一個圓圈表示，變遷如圖1用矩形表示，2種節點之間用有向弧連接，庫所中如果有token（如圖1中庫所中的黑點）即表示庫所中有發生的條件事件。

古典PN（petri網）的結構是由4要元描述的一有向圖：

1.2冷鏈供應鏈上下游成員petri網中斷風險分析模型

分析冷鏈中斷風險通常要分析產生中斷風險的原因，這些原因通常分為內部和外部的，內部原因可能是因為缺貨，無法及時送達造成客戶取消訂單，外部原因可能來自于其他的鏈伙伴或者政策原因如：入境貨物延遲，進口政策變化，自然災害等。而當中斷風險發生時不同的成員將會做出不同的反應，對整條鏈會產生不同的作用。

建立以第三方冷鏈物流企業為核心的冷鏈物流系統，假設有3個供應商，一個第三方冷鏈物流企業，零售商需求歸總為隨機分布的一個總體。則可以將其用petri網表述如下。

因為成本因素導致中斷時對下游成員的提前期也會有影響，同理，提前期發生改變導致中斷時，下游提前期將由原來的4 d變為

C42=C12+d12

=7 d，而成本由原來的4提高到11.

冷鏈上下游成員petri網建模能夠清晰地展示當中斷風險發生，各個冷鏈節點成員會受到的影響，如果成員能在可接受范圍內相應提高成本和提前更多時間訂貨，那么下游成員將受影響較少，若此時成員之間沒有意識到中斷風險對成本和提前期都有更高要求則可能導致中斷風險的牛鞭效應，下游成員的中斷風險將會更嚴重。

1.3冷鏈庫存事件petri網建模及中斷風險分析

上下游供應鏈成員 petri網可以對中斷風險發生后的影響進行分析，并觀察中斷風險的傳播，但petri網還可以通過對產生中斷風險的原因和事件進行中斷petri網建模，在rong的文章中一共有7種類型的中斷風險分析模型，做為第三方物流企業可以歸結的原因有未及時裝船，貨物延遲，貨物不足。解決方法歸結為：在可以接受的時間范圍內聯系供應商，在可以接受的時間范圍內通知客戶，更換托運人，減少中斷風險發生導致的系統風險；而對于冷鏈，隨意更換托運人的代價是更高，結合冷鏈的特殊性，在裝載運輸和儲存的過程都需要低溫保存，冷庫投入較大，隨著現代制冷技術的提升以及對冷庫需求的提高，維護冷庫運行的人力資本及水電費用等都隨之提升，因此對冷庫容量的設計以及冷鏈庫存的管理具有重要意義。確保庫存充足不至于浪費是冷庫運營的重要項目，因此求得冷庫庫存最大庫存（S）對應對冷鏈中斷風險具有重要作用。

庫存事件petri網是指庫所代表事件狀態，轉移表示事件處理，下面構建頂層petri網中的核心鏈（第三方冷鏈企業訂單處理）的庫存petri網模型（如圖2所示）。

P6 客戶的訂單接收P7 庫存檢查表P8 庫存滿足訂單P9 庫存不滿足訂單P10 到貨

T5 訂單處理T6 判斷庫存是否滿足需求T7 向供應商1訂貨T8 向供應商2訂貨T9 向供應商3訂貨T10 發貨T11 更新庫存

以上是通過庫存事件建模立的petri網模型，在這個模型中以核心鏈成員為建模對象，當中斷風險發生時，需求變大或者供應發生改變使得供應得不到滿足，造成缺貨損失以及每天冷庫運營成本損失。為從庫存事件petri角度分析中斷風險如何在冷鏈中發生中斷且中斷造成的影響，將通過extendsim對以上核心庫存事件petri網進行仿真。

2.3.1冷鏈庫存事件petri網中斷風險仿真分析

Extendsim是由value、plotter、item等模塊構成，可以對離散型事件和連續型事件進行仿真，對于冷鏈中斷風險分析，從上圖核心冷鏈處理事件是庫存和訂貨，要分析需求和供應不穩定性對冷鏈造成的影響，則可以假設客戶的需求是隨機的，供應不穩定可以假設為供應商反應能力即通過改變訂貨提前期觀察中斷風險發生情況。

冷鏈Petri網中斷風險仿真模型建立。對庫存事件petri網進行仿真實驗分析建模時要根據extendsim的功能進行分析，庫存事件petri網的仿真主要包括客戶的隨機需求生成，判斷庫存是否充足，是否需要進行訂貨，最后通過優化模塊進行分析最小成本下冷庫的最大庫存應該是多少。步驟如下：

第一步，生成隨機客戶需求，進行庫存的更新，如圖3所示。

圖6提前期為（0.5，1）的均勻分布客戶需求分布呈0.1的指數分布，庫存變化范圍（-10，60）；圖7提前期為（0.5，1）的均勻分布，客戶需求分布呈0.01的指數分布，庫存變化范圍（-200，100）。可以觀察到當客戶需求由0.1的指數分布變為0.01的指數分布時，對庫存的影響較大，容易發生中斷風險。

2）提前期變化對庫存的影響對比分析。

當客戶需求保持為0.01時，提前期變為原來的4倍（2，4）的均勻分布時，庫存變化如下。

客戶需求分布呈0.01的指數分布

對比提前期（0.5，1）的庫存變化，庫存變化幅度由（-200，100）變化為（-800，100）

以上對比仿真分析可知，當需求變大和提前變大時對庫存的影響都將產生很大的影響，為了應對中斷分析，同時結合冷鏈的特殊性，我們將通過優化模塊進行冷鏈庫存的最大庫存量求解。為計算成本小時的最大庫存量，應對系統的數據庫進行初始設置，圖9是對初始數據庫進行設置，設置輸入值和輸出數據表，圖10是對優化模塊進行優化的決策變量進行設置，設置最大庫存量在（2，1 000）里搜索；圖11是對約束條件進行設置。

3結語

冷鏈中斷風險分析是冷鏈發展及管理過程中的重要問題。文中分別對冷鏈petri網上下游成員建模和對冷鏈核心企業庫存事件進行建模分析，從而更好地控制和管理冷鏈中斷風險。首先構建了冷鏈上下游企業的petri網模型，分析和展示了上游企業的成本和提前期這2個關鍵因素在模型中產生的變化，很可能會因為不滿足其他冷鏈成員的要求而發生冷鏈中斷風險，從而起到中斷風險的預測作用，同時對于冷鏈在選擇上下游合作伙伴時起到指導作用；其次對核心企業庫存事件進行petri網建模，并通過Extendsim仿真軟件對可能影響中斷風險的因素即需求和提前期的變化進行仿真研究，結果表明需求變化大及提前期較小都會導致庫存變化幅度大，從而更容易產生中斷風險，并可以通過對庫存量變化的幅度把握中斷風險；最后通過優化模塊求解在運營總成本最小時的最大庫存，對冷鏈企業應對中斷風險時的大倉訂貨提供參考作用，以便更好地管理中斷風險。文中是對petri網進行冷鏈建模的簡單應用，對中斷風險分析的思路是由整體到局部分析，petri網的冷鏈中斷風險模型一方面可以將中斷風險模型較清晰地展示，從而加強企業對產生中斷風險模型的因素控制；另一方面petri網能與其他仿真軟件結合以便企業量化地預防控制冷鏈中斷風險。

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（責任編輯：嚴焱）