基于Petri网的新生报到流程建模优化分析

许涛

摘 要：为了让新生报到更加高效和便捷，基于Petri网的相关理论，提出了基于Petri网的新生报到流程模型优化分析。通过库所与变迁之间的交互关系，分析各流程节点间的行为，参考新生报到时的具体情况和学校的相关要求，让学校投入的大量的人力和物力能够最大限度发挥作用，优化新手入学报到流程，提高新生报到的效率，提升学生报到的体验。最后通过WoPeD仿真验证了优化后的模型具有良好的性質。

关键词：Petri网;建模;优化;新生报到

中图分类号：TP391.9  文献标识码：A  文章编号：1673-260X（2022）02-0005-04

0 引言

迎新工作是高校的一项重点工作，既繁重又复杂，因此运用Petri网的相关理论对原有模型进行分析优化就显得尤为重要。迎新过程中各部门协调困难，数据信息相对独立，部分工作具有依赖性，增加了相关工作的难度。现在，Petri网在各行各业都有学者做相关应用[1-6]，也有学者对新生报到流程进行分析：文献[7]针对学校在新生入学报到时的繁琐的工作，利用“5W1H”及“ECRS四原则”分析了存在的主要问题，提出了改进方案。文献[8]针对新生报到过程的特点，从中提取除了出了新生报到时的主要流程，建立适于学院的新生入学报到系统。文献[9]本文通过Web的信息管理系统，从系统的需求分析，提高学生入学报到效率。文献[10]模拟测试应使用UML集成建模语言进行。根据管理部门的需求，分析迎新中各个部门与学生的相关联系，并创建功能模型，分阶段创建功能模型，创建对象模型。利用Petri网对学生入学报到流程进行研究尚未见到相关报道。

本文基于Petri网相关理论知识，建立了新生报到流程的模型，涵盖学生信息登记、学生缴费、服装领取、宿舍登记基本流程。并在此基础上对原流程模型进行了优化分析，主要从新生办理入学的效率低、现场秩序混乱和各个机构信息不共享等方面入手，并用WoPeD软件分析优化后模型的合理性和有效性。

1 Petri网基本概念

业务流程可以用很多建模语言建模，包括UML活动图、业务流程建模符号（BPMN）、事件驱动流程链（EPCs）、Petri网等？尽管过程建模语言有很多种，但是各种建模语言都遵循着特征图结构，只在边缘类型和节点类型上表现不同。在本文中，我们使用Petri网作为过程建模语言。

Petri在描述和分析系统和过程模型方面具有天然的优势。其特点是同步性、非对称性、分布性、并行性、不确定性和随机性。作为形式化建模工具，Petri网可以作为过程图和图形仿真系统的可视化通信工具，利用token来表示系统的动态和同步行为，也可以用数学方法建立方程，例如在代数行为方程中建立数学模型。

定义1[11]（流程模型Petri网） 一个流程模型Petri网，PM=（P，T，F，C，s，e）是一个六元组，满足下列条件：

（1）P是有限库所集，T是有限活动变迁集;

（2）P≠ø，T≠ø，且P∩T≠ø;

（3）F⊈（P×T）∪（T×P）表示PN的流关系且（P∪T，F）是强连通图;

（4）dom（F）∪cod（F）=P∪T，其中：

dom（F）{x∈P∪T|y∈P∪T，（x，y∈F）}

cod（F）={x∈P∪T|y∈P∪T，（x，y∈F）}

（5）C={and，xor，or}是流程网的结构类型;

（6）M0是过程网的首个标识;

（7）Mi是网的最后一个表示终止的标识，且Mi是死标识;

（7）s∈T，e∈T是分别表示流程开始和终止的变迁。

称这是符合条件的流程模型Petri网。在此定义上，我们定义了网的前集和网的后集。

定义2[12]（变迁发生规则） 一个四元组PN=（P，T;F，M0）称为Petri网，并具有下面的变迁发生规则：

（1）变迁t∈T符合发生条件，当且仅当对？p∈t：M（p）≥1，记作M[t>;

（2）当前标识是M，当变迁t发生之后，会得到一个新的标识M′，记作M[t>M′，则有

M′（p）=M（p）+1，p∈t′-′t

M（p）-1，p∈′t-t′

M（p），其他

Petri网的基本结构有四个[13]。顺序结构：模型内的库所和变迁有严格的执行顺序，如图1所示;选择结构：模型内的变迁具有排他性，如图2所示，t0和t1属于不能同时发生;并行结构：模型内的变迁具有并行关系，如图3所示;循环结构：模型内的某一个变迁在一定条件下可以执行多次，如图4所示。

2 基于Petri网的新生报到流程建模

高校新生入学报到具有时间集中且报到人数多、入学报到流程复杂等特点。因此，减少新生报到时间，设计更为高效率的报到流程以提升学生满意度，让学校各部门协同运作，打破“信息孤岛”并降低成本显得尤为重要。

如图1给出了新生报到流程模型图，图1是由绘图软件Microsoft Visio绘制。这个模型主要由四流程组成：学生登记、学生缴费、服装领取、宿舍登记，其中ti表示不同的变迁（事件）。根据某高校新生入学报到流程，基于Petri网建立了下图一所示传统体检原始流程模型（简称原模型）：

学生登记流程：学生首先由志愿者带领到迎新处（t0发生），在学生信息登记处，出示录取通知书，然后登记学生的详细信息，工作人员会发放校园一卡通，按照顺序结构依次执行，也就是发生t1、t2、t3、t4发生后，学生登记流程结束。

学生缴费流程：在学生缴费处，先到达收费处（t5发生），此时有一个选择结构，有两种可能发生的情况，第一种：发生t6未缴费，在这种情况下学生需要排队等待缴费，在窗口缴纳学费和住宿费，缴费完毕后，工作人员发放收据，学生凭借收据可进行学籍注册，按照顺序结构发生t7、t8、t9、t10;第二种：该学生已助学贷款，直接进入绿色通道（t12发生），凭借助学贷款回执就可以直接进行学籍注册，按顺序结构依次发生t11、t11、t13、t10，紧接着t11（已助学贷款）发生，按顺序结构依次发生t12、t13、t14、t15，至此学生缴费流程结束。

服装领取流程：在服装领取处，先排队等待，在军训服的费用缴纳完毕后，领取收据，凭借收据，领取军训服，也就是按照顺序结构依次发生t14、t15、t16、t17、t18，领取流程流程结束。

宿舍登记流程：学生到达学生公寓门卫处t19发生，按照顺序结构t20（登记个人寝室信息）发生，此时的选择结构又有两种情况，第一种：如果选择住宿舍，那么工作人员会录入寝室信息，之后在公寓的门卫处就能领取钥匙，此时t23（登记个人寝室信息领寝室钥匙并入住）发生，也就是按照顺序结构t21、t22、t23依次发生;第二种：如果不选择住宿舍（发生t24），学生需要办理走读手续（发生t25）。至此宿舍登记流程结束。

3 模型优化

通过图5可以看出，Petri网可以将技术与流程管理进行结合，简单直观地优化系统，不断改进和创新，并能产生不错的社会效益。通过系统分析学生入学情况，我们可以找到一些可行的解决方案，提高各部门协作和信息交流，将报到流程简化，以提高学生报到效率，从而降低新生报到时高校耗费的巨大资源。而图5中我们可以看出报到流程存在很多可以优化的地方：

（1）学生入学报名信息化不够充分。原模型中学生只能在进入学校才开始缴费，如果在进入校门之前缴费可以使排队的人数大大较低，从而让迎新工作更加顺利。

（2）在模型中可以发现，由于各部门独立管理新生数据，部门之间数据缺乏统一性，导致迎新流程节点增多，造成信息冗余，大大地增加迎新工作的负担。因此，学校通过信息系统的建设加强部门的协作，实现了数据的共享（包括学生的个人信息和缴费信息等），可以有效提升迎新的效率。

针对上面的分析，我们对新生报到流程原模型进行了优化。图6是通过Microsoft Visio绘制而成的新生报到流程优化后模型图，可以看出，为了充分利用信息化优势，也为了使缴费效率更高，添加了线上缴费t0、t1、t2，在进入校门前，有相当一部分学生已经缴费成功，大大缓解缴费处的排队现象。将学费、住宿费和军训服费通过信息系统统一进行缴纳，可以减少缴费的步骤，简化流程。在宿舍登记流程中，我们和刚进入校门的登记个人详细信息t5的信息是互通的都用了t8（登入个人信息系统）打破了信息孤岛，这样在录入学生信息时不用重新输入，可以直接在需要添加信息的地方补充。

4 仿真模擬实验

如图7所示，将流程在Petri网分析软件WoPeD（Workflow Petri Net Designer）上进行模拟通过Semantical analysis可以验证模型是否是有界的、安全的以及无死锁的。实验结果如图8，该结构能够满足有界性、安全性、无死锁，可以看出优化后的模型是正确并可行的。

5 结语

本文在Petri网的基础上对新生报到流程进行优化。基于Petri网的相关知识对原模型进行了优化，优化后的模型能够提高新生入学报到的效率，分流人群，有效减少现场报到环节，使部门之间沟通更加有效，人力资源最大化利用，可以使新生入学登记期间有效和适当地开展所有工作。在建模和优化上仍然存在许多问题，在将来的研究中等待解决，例如在Petri网及其行为轮廓的基础上，结合高校的具体入学登记流程对优化后的模型进行一致性、合理性分析，以得到更好的模型。

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收稿日期：2021-11-03

基金项目：国家自然科学基金（61402011）

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