基于面向对象Petri网的冷链物流追溯系统建模研究

王娟 秦江涛

摘 要：针对冷链产品溯源难，冷链运输存在“断链”等问题，以冷链物流企业为主要研究对象，分析其业务流程，结合模块化思想，构建冷链物流追溯系统的面向对象Petri网（OOPN）模型。对构建的OOPN模型及其子网模型进行结构和动态性质分析，证明构建的模型是合理的，并具有高度的可重用性和可维护性，为实现冷链产品流通过程的层层追溯提供了新思路和方法。

关键词：面向对象;冷链物流;冷链追溯;OOPN

中图分类号：F252        文献标志码：A      文章编号：1673-291X（2021）12-0106-03

引言

近年来，随着经济的发展和人们生活质量要求的提升，冷链物流行业发展迅速。2019年，我国冷链物流行业的市场规模约3 391亿元，同比增长17.6%。但由于我国冷链系统开始建设时间晚，基础设施薄弱，“断链”问题依然严峻，实现冷链追溯依然任重道远。冷链物流追溯系统作为冷链追溯系统的组成部分，是保证冷链产品在流通过程始终处于冷链状态的关键环节。因此，研究冷链物流系统的业务流程[1]、可用技术[2～4]、管理方法[5]等，实现冷链产品可追溯成为一个研究热点。本文主要研究冷链物流企业的业务流程，建立冷链物流追溯系统的面向对象Petri网（Object Oriented Petri Net，OOPN）模型，实现层层追溯，以期能及时发现“断链”点，有效降低冷链“断链”问题造成的损失。

一、面向对象Petri网

Petri网由德国数学家Carl Adam Petri与1962年在其博士论文中提出，是一种用于描述离散式分布系统的数学建模工具，适合于信息流系统的建模[6]。经过多年发展，各国学者基于不同的研究需求和应用场景，在Petri网中引入层次、时间、颜色等因素，逐渐形成丰富的高级Petri网理论体系。OOPN方法将面向对象思想与Petri网相结合，将系统的各个功能模块化并建模，实现模型的高度可复用性与可操作性，同时能够降低模型的规模。相关定义如下：

定义1：设N={1，2，…，n}，面向对象Petri网为三元组：OOPN=（O，R，G）。其中：O={Oi|i=1，2，…，n}是系统内所有对象的集合，n为对象的个数;R={Rij|i，j=1，2，…，n;i≠j}是系统内对象间信息传递关系集合;G={Gij|i，j=1，2，…，n;i≠j}是系统内对象间信息传递的变迁集合，称为门变迁，表示对象Oi—Oj的门，作用是保证对象间的通信（信息传递）[7]。

定义2：对象Oi为多元组：Oi=（Pi，Ti，Fi，Ki，Wi，Mi0）。其中，Pi是Oi内有限活动状态库所集;Ti是Oi内变迁的有限集合;Fi是Oi内库所与变迁的流关系，即Fi？哿（Pi×Ti）∪（Ti×Pi）;Ki是Oi内活动状态库所的容量函数;Wi是Oi内有向弧的权函数;Mi0是Oi的初始标识[7]。

二、基于OOPN的冷链物流追溯系统建模

（一）冷链物流追溯系统业务流程分析

冷链物流涉及冷链产品的生产、贮存、运输、销售，直到消费者手中的各个环节，流程众多，是一项大规模的、复杂的系统工程。但其中最重要的两个环节是运输和贮存，在这两个环节中均起重要作用的无疑是冷链物流企业。因此，本文构建的冷链物流追溯系统主要关注冷链物流企业在冷链产品流通中的业务流程，对业务流程进行模块化划分，将各个模块看作一个对象建立子网模型，再考虑各个对象间的信息传递建立冷链物流追溯系统的OOPN模型。

冷链物流企业的业务流程有：业务部门接收冷链托运单，评估通过后提交给运输部门。运输部门进行冷链运输设备的调度，上门揽货，对验收合格的冷链产品进行全程冷链运输，并将产生的监测数据传递给冷链追溯平台，入库预约信息传递给内部或外部的仓储部门。仓储部门做入库准备，验收合格后入实时监控的冷藏库并形成下次运输的单据，将监测数据传递给冷链追溯平台，运输单传递给运输部门。

根据业务流程分析及其发生的先后顺序，冷链物流追溯系统可抽象出六个对象：外部系统对象O1，冷链物流企业的业务部门对象O2，冷链物流企业的运输部门对象O3，冷链物流企业的仓储部门对象O4，冷链追溯平台对象O5，外部系统仓储部门对象O6。

（二）冷链物流追溯系统OOPN模型

根据业务流程以及抽象出的对象，可建立冷链物流追溯系统的OOPN模型如图1所示。该模型赋予冷链物流企业的运输部门和仓储部门更多的责任：在冷链产品运输或存储前进行验收。不仅要保证冷链产品流通量的一致性，还要保证冷链产品流转到该环节时仍处于冷链状态且之前的流转过程中不存在“断链”现象。这种层层追溯排查的机制有助于及时发现冷链异常情况并及时解决，降低“断链”风险和经济损失。

图1中，库所元素代表的含义为：P1为外部系统发来的冷链托运单;P2为业务部门接收的冷链托运单;P3为承接的冷链托运单;P4为未承接的冷链托运单;P5为运输部门接收到的运输单;P6为冷链设备调度完成;P7为揽收到的货物;P8为冷链追溯信息;P9为合格的货物;P10为不合格的货物;P11为入库預约单;P12为监测数据;P13为仓储部门接收到的入库预约单;P14为收到的货物;P15为合格的货物;P16为不合格的货物;P17为在库的冷链货物;P18为运输单;P19为监测数据;P20为外部系统接收到的入库预约信息。变迁元素代表的含义为为T1为托运单承接评估;T2为冷链运输设备（冷藏车、冷藏箱、冷链航空等）调度;T3为揽收;T4为验收;T5为全程冷链运输/监测;T6为入库准备;T7为验收;T8为入库存储/暂存;T9为冷藏库实时监测/编制运输单。门变迁代表的含义为为G12为外部系统将托运单发送给冷链物流系统的业务部门;G23为业务部门将承接的订单发送给运输部门;G34为运输部门将入库预约单发送给仓储部门;G43为仓储部门将运输单发送给运输部门;G36为运输部门将入库预约单发送给外部系统;G35为运输部门将监测数据发送给冷链追溯平台;G45为仓储部门将监测数据发送给冷链追溯平台。

三、OOPN模型性质分析

对Petri网模型进行性质分析，是检验模型是否合理的重要方法。Petri网模型的性质分为结构性质和动态性质，包括可达性、有界性、活性、公平性、守恒性等，分析方法有关联矩阵、可达标识图等[8]。由于冷链物流追溯系统的OOPN模型较为复杂，直接分析会导致计算维数灾难。因此，选取冷链物流企业的运输部门对象O3作为分析对象，构造O3子网的关联矩阵和可达标识图进行分析，分别如图2和下页图3所示，其他子网的分析方法与之类似。

根据关联矩阵、可达标识图和Petri网理论，可分析出O3子网模型有以下性质。一是可达性。由可达标识图可知，对于任意的M3i，M3j∈R（M30），M3i至M3j存在一条有向路，M3j是从M3i可达的，即模型是可达的。二是活性。由于模型是可达的，所以子网中的每一个变迁都有可能发生，即是活的，因此模型也是活的。三是有界性。可达标识图中的每一个可达向量均不含有无界量，因此模型是有界的。四是安全性。由于模型是有界的，且模型的界B（O3）=max{B（Pi）}=1，因此模型是安全的。五是守恒性。結合Petri网理论和关联矩阵，计算可知存在m维非负整数向量YT=[1 1 1 1 0 1 0]，使得AY=0，因此模型是守恒的。

结语

本文运用面向对象Petri网方法构建冷链物流追溯系统的OOPN模型，对模型性质进行分析，可知所建立的模型是合理的，每一个子网模型均具有高度的可重用性，并且极易扩展，若是冷链产品经历多层流通，仅需在新构建的模型中复用现在的子网模型或增加新的子网模型即可，无须改变现有模型的结构。在未来的研究中，笔者会考虑在模型中加入时间、颜色等元素，使得能对模型进行定量分析，更好地描述冷链物流追溯系统。

参考文献：

[1]  徐亮，刘勤明，魏紫钰，张伟洋，李冠林，林原.城市食品冷链物流B2B/B2C融合共配流程再造研究[J].物流科技，2020，（1）：149-154.

[2]  陈志新，董瑞雪，卢成林，郝宇楠，王毅斌，梁世晓.基于双模定位的冷链物流实时监测系统[J].保鲜与加工，2019，（5）：178-184.

[3]  王东.区块链技术在农产品冷链物流管理中的运用[J].食品工业，2020，（9）：423.

[4]  刘阳阳.大数据驱动生鲜农产品供应链模式创新与运作优化[J].商业经济研究，2020，（16）：150-152.

[5]  张滨丽.食品冷链物流系统的协同管理研究[J].食品研究与开发，2016，（21）：215-218.

[6]  李孝忠，张德龙.基于面向对象Petri网的BPM系统建模[J].江苏大学学报：自然科学版，2013，（3）：298-303.

[7]  朱正月，陈增强.基于面向对象时间Petri网的智能电商物流服务系统建模[J].智能系统学报，2018，（2）：303-313.

[8]  朱正月，陈增强.物联网中的智慧溯源服务系统Petri网建模与分析[J].智能系统学报，2017，（4）：538-547.

Abstract：In view of the difficulties in traceability of cold-chain products and the problems of “broken chain” in cold chain transportation，this paper takes cold-chain logistics enterprises as the main research object，analyzes their business process，and constructs the Object Oriented Petri Net（OOPN）model of cold-chain logistics traceability system in combination with the modular idea.The static and dynamic analysis of the constructed OOPN model and its subnet model proves that the constructed model is reasonable and highly reusable and maintainable.It provides a new idea and method for tracing the circulation process of cold chain products layer by layer.

Key words：object oriented;cold-chain logistics;cold-chain traceability;OOPN

[责任编辑 晓 群]