Petri网的水产品溯源系统模型*

袁红春, 丛斯琳

(上海海洋大学 信息学院,上海 201306)



Petri网的水产品溯源系统模型*

袁红春, 丛斯琳

(上海海洋大学 信息学院,上海 201306)

提出了一种基于射频识别(RFID)的Petri网在水产品全程质量追踪和溯源系统应用的方法，以构建高效的基于物联网技术的水产品溯源与安全预警平台。根据实际水产品业务流和信息流，利用Petri网进行建模，然后在CPN Tools环境进行仿真。仿真结果表明：该建模方法简单、可行,能够验证工作流模型的有效性,而且便于计算机形式化表达和优化分析,有利于工作流管理系统的实现和性能提高，一定程度上提高了供应链的效率，从而降低了流通的成本和质量风险。

溯源； 射频识别； Petri网； 物联网

0　引　言

目前对Petri网的主要研究有对自动化监测系统利用知识Petri网建模，最终建立在线监测系统[1]；在制造业领域中，用不同的颜色标记产品的实时状态信息，最终实现分布式制造系统的监控[2]；国内学者主要利用Petri网对其追溯信息建模，以确保业务流程中物流、信息流的一致[3]。上述这些研究主要是用于业务处理模型的正确性或合理性的验证；但如何根据现实生活当中不同应用的业务流程特点，对业务的工作流原型进行Petri网建模并优化、从而提高工作流的执行效率的研究并不多见。

本文分析了目前水产品(大闸蟹)养殖、物流业务流程中存在的主要问题，并结合了BPI[4]和Petri网理论，从产品配送的角度出发，基于物联网概念和管理一体化思想，创建了基于Petri网的水产品溯源系统的建模和模型优化方法。运用CPN Tools对所创建的模型进行仿真，从而验证本系统逻辑的合理性和正确性，并进行了性能的分析。仿真结果表明:本文方法建立的水产品溯源流程在时间性能方面得到了提高，降低了流程成本，增强了企业的核心竞争力；同时，为以后系统的完善和执行更复杂的任务规划奠定了基础。

1　模型描述

1.1Petri网

Petri网主要研究信息系统之间相互关系。Petri网是一种有向图，是由库所、变迁和及其之间的关系的有向弧线所组成的，简洁、直观地体现系统中并行、同步、冲突及因果依赖等关系，并且可以分析系统的动态性质，易于在所建立的模型基础上达到控制系统的目的[5]。

满足以下条件的三元组N=(S,T;F)称作一个Petri网:

1)S∪T≠∅

2)S∩T≠∅

3)F⊆(S×T)∪(T×S)

4)dom(F)∪cod(F)=S∪T

其中:S称为N的库所集，T称为变迁集，F称为流关系dom(F)={x∈S∪T|∃y∈S∪T:(x,y)∈F},cod(F)={x∈S∪T|∃y∈S∪T:(y,x)∈F}。它们分别是F的定义域和值域[6]。

1.2Petri网工作流

工作流是业务过程的部分或整体在计算机应用环境下的自动化的表示形式，其目的是通过将工作分解成定义良好的任务或角色，按照一定的规则和过程来执行这些任务并对其进行监控，从而提高工作效率、更好控制过程、增强对客户的服务、有效管理业务流程等目的[7]。

工作网络Petri网W=(P,T;F)是工作流网络，当且仅当：

1)W中存在2个特殊库所:库所i是输入库所，’i=H; 库所o是输出库所，o’=H;

2)如果在W中库所o和i之间增加一个变迁t*，则得到的W’是一个强连结的Petri网。

以上两个条件只是工作流网络的最小约束条件，实际应用中仍可能定义出带有诸如死锁等缺陷的模型。这需要通过对Petri网的分析加以解决。

2　水产品溯源过程建模

2.1水产品溯源流程Petri网建模

水产品追溯业务流程图如图1所示。

图1　水产品追溯业务流程图

以水产品的养殖和流通流程为基础流程，以高级Petri网为理论基础，引出产品的养殖和物流流程模型，定义五元组∑=(P,T;F,Ti,M0)其中,P为库所集，代表事件或系统中各环节执行方；T为变迁集，代表水产品的养殖和流通流程活动；F是库所和变迁的流关系；Ti是流程活动的属性，对应于流程活动的时间变量；M0为初始标识，用于表示初始条件下分布在各库所中的托肯情况。根据水产品追溯业务流程，利用Petri网的“状态”和“事件”概念对整个工艺流程进行描述，具体见表1。

表1　水产品养殖流通流程Petri网描述

分析水产品养殖和流通过程中的每一事件，可以创建基于Petri网的水产品安全追溯系统模型,如图2所示。

图2　水产品安全追溯系统Petri网模型

由图2水产品安全追溯系统Petri网模型以及公式C-[j,i]=W(pi,tj),C+[j,i]=W(tj,pi) 得出关联矩阵。由C·W=0解得S_不变量W1=[1 1 1 1 0 1 0 1],W1=[1 1 1 0 1 0 1 1]。

由关联矩阵得出S不变量，其中可得当分量为1时表示托肯流经此库所，分量为0时则表示托肯不流经此库所，当然，这里的托肯流经路线并不是固定的，只要托肯的分布符合C·W=0就可以保证逻辑合理。

由可达性、活性、有界性的定义可知，图2所示的水产品安全追溯系统的Petri网模型是活的、有界的、可达的。S_不变量中各不变量对应的库所为

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

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

说明整合规范的水产品养殖流通的流程是合理的。但在鲜活水产品运输中，时间因素以及个别任务的实施概率决定着水产品的鲜活程度和是否安全健康。对水产品追溯模型进行业务流程优化的实施尤为重要，优化的业务流程可以减短运输时间的消耗。对水产品追溯模型进行业务流程优化后，可以使水产品追溯模型不但合理而且时间性能更为突出。

2.2改进后水产品溯源业务流程建模

将根据养殖、物流环节的业务所建立的Petri网模型，利用关联矩阵法对Petri网结构进行分析，经过分析发现流程的时间约束瓶颈，遵循ECRS原则[8]给出基于溯源管理系统的优化方案，所谓ECRS原则是指Eliminate(取消)、Combine(合并)、Rearrange(重排)、Simplify(简化)等优化原则。

本业务流程中，根据取消原则可将订单通知和产品发货单/提货单这两个环节取消改为自动生成订单，以达到缩短时间效果；根据重排原则，将大客户配送提前，此操作有效地消除了配送中心的重复工作现象，在工作效率上得到了较大的提高效果。

本文将水产品溯源业务流程进行了优化，优化后方案如图3所示。通过使用溯源管理系统，可自动生成订单通知和产品发运单提货单，消息或邮件通知养殖场和客户，多部门共享，省去很多时间，如原流程p1，p4，p5就可以取消，养殖场直接在系统中通知发货，客户接到短信通知直接提货。

图3　优化后水产品追溯业务流程图

将已得到的水产品追溯业务进行Petri网工作流进行建模，采用自顶向下的原则，业务流程中包含顺序路由，并将其进行转换。将任务转换为变迁，在任务的前增加一个启动条件，任务后增加一个结束条件，并用库所表示，可获得一个水产品追溯的工作流网络，如图4所示。

图4　优化后水产品追溯业务Petri工作流网络

3　水产品溯源系统的CPN建模仿真

3.1水产品溯源系统的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网工作流的静态模型，并对系统模型的动态行为进行模拟仿真，对系统模型的特性进行了分析，如并发、分布、异步等，建立了系统模型的状态空间，分析系统的活性、可达性等。

可以将整个水产品溯源配送流程分为三个部分：配送、拆分包装和提货验收。根据Petri网工作流的理论，对其三个部分采用CPN建模仿真，这里给出了颜色集和变量，定义如下：

▼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

根据前文所述水产品溯源配送的行为描述可以得到CPN图,如图5所示。

图5　水产品溯源的CPN模型

图5中包括了以下组件：1)3个代表不同事件的变迁：distribution(配送)、split(拆分包装)、accept(提货验收)。2)5个代表不同状态的库所：start(水产品存放在养殖场)、dis centre(配送中心)vip customer(vip大客户)、normal customer(普通vip客户)、end(客户接受货物)。

3.2仿真结果

利用CPN Tools的状态空间工具对水产品溯源系统Petri网工作流模型进行仿真，得到仿真报告:

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

仿真结果表明：1)有界性：所建模型有界，并且报告表明了系统对资源的最大和最小需求量；2)可达性：所有标识都是家态，即各个标识都是可达；3)活性：不存在死标识，所有变迁都是活的。

4　结　论

本文针对水产品溯源系统的任务规划，采用了能够提供有效的形式化分析方法的Petri网工作流对优化后的水产品溯源系统建模，然后使用专业的Petri网仿真工具CPN Tools对系统流程进行仿真，通过仿真结果的分析和对比，验证了Petri网工作流应用在水产品溯源系统中的通用性以及系统具有活性、有界性和公平性等特性，且无死锁发生，论证了该系统任务规划的合理性；由于采用了优化模型，水产品溯源流程在时间性能方面得到了提高，在鲜活水产品运输中，减短运输时间的消耗。从而在一定程度上降低了运输成本。

[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]颜波,石平,黄广文.基于 RFID 和 EPC 物联网的水产品供应链可追溯平台开发[J].农业工程学报,2013,29(15):172-183.

[4]蔡强,韩东梅,李海生,等.基于知识流优化的业务流程重组[J].华中科技大学学报：自然科学版,2013,41(S2):19-22.

[5]姚晓峰.基于着色Petri网的工作流建模研究与分析[D].无锡：江南大学,2008.

[6]陈翔.基于广义随机Petri网的工作流性能分析[J].计算机集成制造系统,2003 (5):71-74.

[7]徐琨.工作流监控系统的研究与开发[D].上海；同济大学,2007.

[8]郭伏,张国民.工作研究在流水线平整中的应用[J].工业工程与管理,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

上海市科委科技支撑资助项目(1439190400)

TP 399

A

1000—9787(2016)09—0042—04

袁红春(1971-)，男，江苏海门人，博士，教授，主要研究方向为智能信息处理、物联网技术。