袁紅春, 叢斯琳

(上海海洋大學(xué) 信息學(xué)院,上海 201306)

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Petri網(wǎng)的水產(chǎn)品溯源系統(tǒng)模型*

袁紅春, 叢斯琳

(上海海洋大學(xué) 信息學(xué)院,上海 201306)

提出了一種基于射頻識別(RFID)的Petri網(wǎng)在水產(chǎn)品全程質(zhì)量追蹤和溯源系統(tǒng)應(yīng)用的方法，以構(gòu)建高效的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水產(chǎn)品溯源與安全預(yù)警平臺。根據(jù)實際水產(chǎn)品業(yè)務(wù)流和信息流，利用Petri網(wǎng)進(jìn)行建模，然后在CPN Tools環(huán)境進(jìn)行仿真。仿真結(jié)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(jī)形式化表達(dá)和優(yōu)化分析,有利于工作流管理系統(tǒng)的實現(xiàn)和性能提高，一定程度上提高了供應(yīng)鏈的效率，從而降低了流通的成本和質(zhì)量風(fēng)險。

溯源； 射頻識別； Petri網(wǎng)； 物聯(lián)網(wǎng)

0　引　言

目前對Petri網(wǎng)的主要研究有對自動化監(jiān)測系統(tǒng)利用知識Petri網(wǎng)建模，最終建立在線監(jiān)測系統(tǒng)[1]；在制造業(yè)領(lǐng)域中，用不同的顏色標(biāo)記產(chǎn)品的實時狀態(tài)信息，最終實現(xiàn)分布式制造系統(tǒng)的監(jiān)控[2]；國內(nèi)學(xué)者主要利用Petri網(wǎng)對其追溯信息建模，以確保業(yè)務(wù)流程中物流、信息流的一致[3]。上述這些研究主要是用于業(yè)務(wù)處理模型的正確性或合理性的驗證；但如何根據(jù)現(xiàn)實生活當(dāng)中不同應(yīng)用的業(yè)務(wù)流程特點，對業(yè)務(wù)的工作流原型進(jìn)行Petri網(wǎng)建模并優(yōu)化、從而提高工作流的執(zhí)行效率的研究并不多見。

本文分析了目前水產(chǎn)品(大閘蟹)養(yǎng)殖、物流業(yè)務(wù)流程中存在的主要問題，并結(jié)合了BPI[4]和Petri網(wǎng)理論，從產(chǎn)品配送的角度出發(fā)，基于物聯(lián)網(wǎng)概念和管理一體化思想，創(chuàng)建了基于Petri網(wǎng)的水產(chǎn)品溯源系統(tǒng)的建模和模型優(yōu)化方法。運用CPN Tools對所創(chuàng)建的模型進(jìn)行仿真，從而驗證本系統(tǒng)邏輯的合理性和正確性，并進(jìn)行了性能的分析。仿真結(jié)果表明:本文方法建立的水產(chǎn)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(qiáng)了企業(yè)的核心競爭力；同時，為以后系統(tǒng)的完善和執(zhí)行更復(fù)雜的任務(wù)規(guī)劃奠定了基礎(chǔ)。

1　模型描述

1.1Petri網(wǎng)

Petri網(wǎng)主要研究信息系統(tǒng)之間相互關(guān)系。Petri網(wǎng)是一種有向圖，是由庫所、變遷和及其之間的關(guān)系的有向弧線所組成的，簡潔、直觀地體現(xiàn)系統(tǒng)中并行、同步、沖突及因果依賴等關(guān)系，并且可以分析系統(tǒng)的動態(tài)性質(zhì)，易于在所建立的模型基礎(chǔ)上達(dá)到控制系統(tǒng)的目的[5]。

滿足以下條件的三元組N=(S,T;F)稱作一個Petri網(wǎng):

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(xiàn)稱為流關(guān)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(wǎng)工作流

工作流是業(yè)務(wù)過程的部分或整體在計算機(jī)應(yīng)用環(huán)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(wù)或角色，按照一定的規(guī)則和過程來執(zhí)行這些任務(wù)并對其進(jìn)行監(jiān)控，從而提高工作效率、更好控制過程、增強(qiáng)對客戶的服務(wù)、有效管理業(yè)務(wù)流程等目的[7]。

工作網(wǎng)絡(luò)Petri網(wǎng)W=(P,T;F)是工作流網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)且僅當(dāng)：

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(qiáng)連結(jié)的Petri網(wǎng)。

以上兩個條件只是工作流網(wǎng)絡(luò)的最小約束條件，實際應(yīng)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(wǎng)的分析加以解決。

2　水產(chǎn)品溯源過程建模

2.1水產(chǎn)品溯源流程Petri網(wǎng)建模

水產(chǎn)品追溯業(yè)務(wù)流程圖如圖1所示。

圖1　水產(chǎn)品追溯業(yè)務(wù)流程圖

以水產(chǎn)品的養(yǎng)殖和流通流程為基礎(chǔ)流程，以高級Petri網(wǎng)為理論基礎(chǔ)，引出產(chǎn)品的養(yǎng)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(tǒng)中各環(huán)節(jié)執(zhí)行方；T為變遷集，代表水產(chǎn)品的養(yǎng)殖和流通流程活動；F是庫所和變遷的流關(guān)系；Ti是流程活動的屬性，對應(yīng)于流程活動的時間變量；M0為初始標(biāo)識，用于表示初始條件下分布在各庫所中的托肯情況。根據(jù)水產(chǎn)品追溯業(yè)務(wù)流程，利用Petri網(wǎng)的“狀態(tài)”和“事件”概念對整個工藝流程進(jìn)行描述，具體見表1。

表1　水產(chǎn)品養(yǎng)殖流通流程Petri網(wǎng)描述

分析水產(chǎn)品養(yǎng)殖和流通過程中的每一事件，可以創(chuàng)建基于Petri網(wǎng)的水產(chǎn)品安全追溯系統(tǒng)模型,如圖2所示。

圖2　水產(chǎn)品安全追溯系統(tǒng)Petri網(wǎng)模型

由圖2水產(chǎn)品安全追溯系統(tǒng)Petri網(wǎng)模型以及公式C-[j,i]=W(pi,tj),C+[j,i]=W(tj,pi) 得出關(guān)聯(lián)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(guān)聯(lián)矩陣得出S不變量，其中可得當(dāng)分量為1時表示托肯流經(jīng)此庫所，分量為0時則表示托肯不流經(jīng)此庫所，當(dāng)然，這里的托肯流經(jīng)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(dá)性、活性、有界性的定義可知，圖2所示的水產(chǎn)品安全追溯系統(tǒng)的Petri網(wǎng)模型是活的、有界的、可達(dá)的。S_不變量中各不變量對應(yīng)的庫所為

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

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

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

2.2改進(jìn)后水產(chǎn)品溯源業(yè)務(wù)流程建模

將根據(jù)養(yǎng)殖、物流環(huán)節(jié)的業(yè)務(wù)所建立的Petri網(wǎng)模型，利用關(guān)聯(lián)矩陣法對Petri網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)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(tǒng)的優(yōu)化方案，所謂ECRS原則是指Eliminate(取消)、Combine(合并)、Rearrange(重排)、Simplify(簡化)等優(yōu)化原則。

本業(yè)務(wù)流程中，根據(jù)取消原則可將訂單通知和產(chǎn)品發(fā)貨單/提貨單這兩個環(huán)節(jié)取消改為自動生成訂單，以達(dá)到縮短時間效果；根據(jù)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(fù)工作現(xiàn)象，在工作效率上得到了較大的提高效果。

本文將水產(chǎn)品溯源業(yè)務(wù)流程進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后方案如圖3所示。通過使用溯源管理系統(tǒng)，可自動生成訂單通知和產(chǎn)品發(fā)運單提貨單，消息或郵件通知養(yǎng)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(yǎng)殖場直接在系統(tǒng)中通知發(fā)貨，客戶接到短信通知直接提貨。

圖3　優(yōu)化后水產(chǎn)品追溯業(yè)務(wù)流程圖

將已得到的水產(chǎn)品追溯業(yè)務(wù)進(jìn)行Petri網(wǎng)工作流進(jìn)行建模，采用自頂向下的原則，業(yè)務(wù)流程中包含順序路由，并將其進(jìn)行轉(zhuǎn)換。將任務(wù)轉(zhuǎn)換為變遷，在任務(wù)的前增加一個啟動條件，任務(wù)后增加一個結(jié)束條件，并用庫所表示，可獲得一個水產(chǎn)品追溯的工作流網(wǎng)絡(luò)，如圖4所示。

圖4　優(yōu)化后水產(chǎn)品追溯業(yè)務(wù)Petri工作流網(wǎng)絡(luò)

3　水產(chǎn)品溯源系統(tǒng)的CPN建模仿真

3.1水產(chǎn)品溯源系統(tǒng)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(wǎng)工作流的靜態(tài)模型，并對系統(tǒng)模型的動態(tài)行為進(jìn)行模擬仿真，對系統(tǒng)模型的特性進(jìn)行了分析，如并發(fā)、分布、異步等，建立了系統(tǒng)模型的狀態(tài)空間，分析系統(tǒng)的活性、可達(dá)性等。

可以將整個水產(chǎn)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(jù)Petri網(wǎng)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(jù)前文所述水產(chǎn)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(chǎn)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(tài)的庫所：start(水產(chǎn)品存放在養(yǎng)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(jié)果

利用CPN Tools的狀態(tài)空間工具對水產(chǎn)品溯源系統(tǒng)Petri網(wǎng)工作流模型進(jìn)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(jié)果表明：1)有界性：所建模型有界，并且報告表明了系統(tǒng)對資源的最大和最小需求量；2)可達(dá)性：所有標(biāo)識都是家態(tài)，即各個標(biāo)識都是可達(dá)；3)活性：不存在死標(biāo)識，所有變遷都是活的。

4　結(jié)　論

本文針對水產(chǎn)品溯源系統(tǒng)的任務(wù)規(guī)劃，采用了能夠提供有效的形式化分析方法的Petri網(wǎng)工作流對優(yōu)化后的水產(chǎn)品溯源系統(tǒng)建模，然后使用專業(yè)的Petri網(wǎng)仿真工具CPN Tools對系統(tǒng)流程進(jìn)行仿真，通過仿真結(jié)果的分析和對比，驗證了Petri網(wǎng)工作流應(yīng)用在水產(chǎn)品溯源系統(tǒng)中的通用性以及系統(tǒng)具有活性、有界性和公平性等特性，且無死鎖發(fā)生，論證了該系統(tǒng)任務(wù)規(guī)劃的合理性；由于采用了優(yōu)化模型，水產(chǎn)品溯源流程在時間性能方面得到了提高，在鮮活水產(chǎn)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(lián)網(wǎng)的水產(chǎn)品供應(yīng)鏈可追溯平臺開發(fā)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2013,29(15):172-183.

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[7]徐琨.工作流監(jiān)控系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].上海；同濟(jì)大學(xué),2007.

[8]郭伏,張國民.工作研究在流水線平整中的應(yīng)用[J].工業(yè)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(lián)網(wǎng)技術(shù)。