基于GSPN的可追溯果蔬農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈建模與性能優(yōu)化*

徐佩鋒，王昌剛，解振強，薛小松，王彩萍

（1.江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學院現(xiàn)代園藝工程技術(shù)中心，句容 212400；2.江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學院信息工程系，句容 212400）

基于GSPN的可追溯果蔬農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈建模與性能優(yōu)化*

徐佩鋒1，2，王昌剛2，解振強1，薛小松2，王彩萍2

（1.江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學院現(xiàn)代園藝工程技術(shù)中心，句容 212400；2.江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學院信息工程系，句容 212400）

建立可追溯系統(tǒng)是保證農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全問題的有效手段，但單一的追溯模式不能滿足和適應(yīng)不同農(nóng)產(chǎn)品的追溯需求，因此，定量化的分析和評估措施，是建設(shè)適用、高效和可靠的追溯系統(tǒng)的重要保證。論文基于廣義隨機Petri網(wǎng)（GSPN）理論構(gòu)建了可追溯果蔬農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈系統(tǒng)模型，實現(xiàn)了物質(zhì)流、信息流和控制流的協(xié)同運行，并對其時間性能和運行效率進行了定量分析和評估，結(jié)果表明，GSPN模型能夠準確描述供應(yīng)鏈系統(tǒng)的運行過程，對農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈和追溯系統(tǒng)的建設(shè)具有指導(dǎo)意義。

追溯 供應(yīng)鏈 GSPN 建模

根據(jù)不同需求構(gòu)建合理的追溯系統(tǒng)保證農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全的有效手段，但由此也造成異構(gòu)追溯系統(tǒng)構(gòu)建、推廣和運維的難度和復(fù)雜性增加[1]。目前在農(nóng)產(chǎn)品追溯系統(tǒng)的建設(shè)和實施過程中，對諸如追溯理論、追溯模型的構(gòu)建等基礎(chǔ)性問題研究還較少，相關(guān)的研究如劉鵬等將FMECA理論運用于稻米質(zhì)量安全追溯過程的風險預(yù)防和控制研究[2]；琚春華等基于AHP層次分析法，建立了茶葉質(zhì)量的影響因素模型，構(gòu)建了茶葉質(zhì)量影響的追溯路徑[3]；錢建平等借鑒信息論中粒度的衡量方法構(gòu)建了以追溯的精度、寬度和深度為核心的追溯粒度評價指標體系，為追溯系統(tǒng)的差異性評價提供了量化依據(jù)等[4]。這些研究借鑒其他工程技術(shù)領(lǐng)域的經(jīng)驗，試圖通過建立追溯系統(tǒng)的數(shù)學模型來進行仿真和分析，以達到降低成本、優(yōu)化系統(tǒng)及提高效能的目標。

該文從農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈的角度，基于廣義隨機Petri網(wǎng)（GSPN）理論構(gòu)建了果蔬農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈追溯的分層系統(tǒng)模型，通過對GSPN中瞬時變遷、時間變遷和終止弧的合理配合，實現(xiàn)了可追溯供應(yīng)鏈系統(tǒng)中物質(zhì)流、控制流和信息流的流動仿真，并結(jié)合變遷時延速率信息，對系統(tǒng)的運行性能進行了分析和優(yōu)化。

1 模型的構(gòu)建

1.1 果蔬農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈追溯系統(tǒng)模型

從供應(yīng)鏈角度分析，可追溯果蔬農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈主狀態(tài)流程如圖1所示，包含生產(chǎn)、加工、運輸、銷售和消費5個階段節(jié)點，每個階段節(jié)點再細分為各自的子狀態(tài)流程圖，如生產(chǎn)階段節(jié)點，其子流程應(yīng)由生產(chǎn)者、種植環(huán)境、育苗、農(nóng)事、采收等環(huán)節(jié)構(gòu)成，限于篇幅文中不展開討論；圖中細實箭頭線為物質(zhì)流，表示農(nóng)產(chǎn)品的流向；雙箭頭線為農(nóng)產(chǎn)品信息流，每個階段節(jié)點形成各自的屬性信息，將之上傳至信息中心；細虛箭頭線為追溯控制信息流，根據(jù)相應(yīng)的追溯請求，從信息中心獲取各階段節(jié)點的屬性信息，并反饋給追溯請求端。

1.2 主狀態(tài)流程的GSPN建模

根據(jù)GSPN的定義建立起宏觀農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈追溯系統(tǒng)模型，如圖2所示，將追溯環(huán)節(jié)視為農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈系統(tǒng)的組成部分，對系統(tǒng)中物質(zhì)流、信息流、控制流等子系統(tǒng)進行協(xié)同控制，實現(xiàn)供應(yīng)鏈系統(tǒng)的總目標。

為簡化問題，在所建模型中，追溯信息流只針對生產(chǎn)和加工階段節(jié)點實現(xiàn)，其余階段節(jié)點的實現(xiàn)方法與此類似，論文涉及系統(tǒng)共有14個庫所和14個變遷組成，14個變遷中T6、T7、T8、T9、T11為瞬時變遷，T0、T1、T2、T3、T4、T5、T10、T12、T13為時延變遷，各庫所和變遷的含義。

模型主要包含1個物質(zhì)流、2個追溯信息流、2個追溯請求控制流以及7個系統(tǒng)復(fù)位控制流，其中P0-T0-P1-T1-P2-T2-P3-T3-P4描述了供應(yīng)鏈物質(zhì)流的流動方向；追溯信息流由①P4-T5-P12-T13-P0-T8-P9和②P4-T4-P11-T12-P1-T6-P8構(gòu)成，其中，①為對生產(chǎn)階段信息的追溯，②為對加工階段信息的追溯；追溯請求控制流由追溯請求端P5、P6，以及禁止弧P7-T6、P10-T8組成，追溯請求只有在表示產(chǎn)品的Token進入到消費階段節(jié)點時才能發(fā)起，由于禁止弧的抑制作用，模型按正常的物質(zhì)流方向運行，在追溯條件滿足，并發(fā)起追溯請求的情況下，P7或P10中的抑制Token離開，抑制作用消失，物質(zhì)流轉(zhuǎn)變?yōu)樽匪菪畔⒘鳎琓oken將沿信息流的方向流動，并到達信息接收端P8或P9。為便于系統(tǒng)的連續(xù)運行，在模型中添加了T7-P0、T9-P0和T7-P7、T9-P10、T4-P6、T5-P5的系統(tǒng)復(fù)位控制流。

圖1 可追溯果蔬農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈主狀態(tài)流程

圖2 可追溯農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈系統(tǒng)的GSPN模型

圖3 狀態(tài)空間可達模型分析

2 基于GSPN的可追溯果蔬農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈模型的運行仿真分析

在PIPE軟件中對所建立的GSPN模型進行運行分析，可得到如圖3所示的模型狀態(tài)空間的可達圖，可以看到紅色實存狀態(tài)表示的物質(zhì)流和藍色消失狀態(tài)表示的兩條追溯信息流。

2.1 時間性能分析

單位時間進入子系統(tǒng)的Token數(shù)γ等于經(jīng)過T0輸出的Token數(shù)，因為T0的轉(zhuǎn)移速率λ1=4，所以：

則供應(yīng)鏈物質(zhì)流子系統(tǒng)的平均執(zhí)行時間T=N/ γ=1.019/0.452=1.085（單位時間），用同樣方法求得模型中兩個追溯信息流子系統(tǒng)的平均執(zhí)行時間，分別為0.709和0.649，所得結(jié)果為理論計算值，取決于前面設(shè)定的各變遷的轉(zhuǎn)移速率，平均執(zhí)行時間的大小主要反映供應(yīng)鏈各子系統(tǒng)的執(zhí)行效率。

2.2 運行效率優(yōu)化

變遷利用率的大小對于系統(tǒng)運行和風險定位具有一定的指導(dǎo)意義，利用率高的環(huán)節(jié)可能就是追溯系統(tǒng)的瓶頸，需要重點管理和監(jiān)測。由計算結(jié)果，目前加工和銷售的T1和T3是系統(tǒng)的瓶頸環(huán)節(jié)。該結(jié)果仍由前面設(shè)定的變遷轉(zhuǎn)移速率λ決定，該轉(zhuǎn)移速率可以根據(jù)實際運行系統(tǒng)的測定，或在進一步實現(xiàn)各階段節(jié)點的下層模型后，將運行結(jié)果向上層傳遞得到。

3 結(jié)論

論文建立了基于GSPN的可追溯農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈系統(tǒng)模型，實現(xiàn)了物質(zhì)流、信息流和控制流的協(xié)同運行，并對其運行性能進行了初步的定量分析，結(jié)果表明，GSPN模型能夠準確描述供應(yīng)鏈系統(tǒng)的運行過程，以及各種狀態(tài)與條件之間的約束關(guān)系，能夠?qū)ο到y(tǒng)中流動的物質(zhì)流、信息流和控制流等實現(xiàn)模型化，是進行管理系統(tǒng)建模分析的理想數(shù)學模型語言，對農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈和追溯系統(tǒng)建設(shè)具有指導(dǎo)意義。

[1] 張偉．果蔬農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈追溯系統(tǒng)研究．西南交通大學，2012

[2] 劉鵬，屠康．稻米質(zhì)量安全追溯過程FMECA研究．中國糧油學報，2010，11：8～12

[3] 琚春華，趙琳娟，王蓓．基于AHP的茶葉質(zhì)量安全因果追溯路徑模型——以杭州龍井茶為例．安徽農(nóng)業(yè)科學，2010，03：1509～1512

[4] 錢建平，劉學馨，楊信廷，等．可追溯系統(tǒng)的追溯粒度評價指標體系構(gòu)建．農(nóng)業(yè)工程學報，2014，01：98～104

2014江蘇高校協(xié)同創(chuàng)新中心現(xiàn)代園藝工程技術(shù)項目；2016江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學院科技項目（2016 kj016）