基于Petri网的区块链物流派送模型建构

吴平 王丽丽

文章编号：1003?6180（2023） 03?0015?04

摘  要：将区块链技术与传统物流派送系统相结合，建构基于Petri网的区块链物流派送模型.PM4PY编程和Petri网仿真软件验证结果表明，优化后的模型具有安全性和有界性.

关键词：Petri网；流程模型；区块链；物流派送

[   中图分类号    ]TP391.9 [    文献标志码   ]  A

Construction of a Blockchain Logistics Delivery Model Based

on Petri Net

WU Ping，WANG Lili

（School of Mathematics and Big Data，Anhui University of Science and Technology，Huainan 232001，China）

Abstract：Combining blockchain technology with traditional logistics delivery systems， a blockchain logistics delivery model based on Petri net is constructed. Pm4py programming and Petri net simulation software validate that the optimized model has security and boundedness.

Key words：Petri net； process model； blockchain； logistics delivery

伴随着我国整体经济环境上升、科学技术飞速进步以及互联网的普及应用，物流行业的规模在短短几年内迎来了井喷式增长.区块链技术发展迅速，物流系统与区块链结合已成为物流行业的发展热点.区块链多方共享不能篡改账簿、多方共识和全过程可追溯性符合物流系统[1]，是最适合区块链落地的场景之一.张诚和刘守臣[2]提出一种电商冷链溯源系统Petri网模型，使用区块链技术解决了溯源信息存储和查询可信度的问题.史俊成[3]提出一种新型物流系统方案，将区块链技术和架构应用于物流系统设计上.方贤文[4]等提出一个物流派送流程模型.本文基于Petri网[5]的相关知识，结合物流派送领域中区块链技术应用的实际情况，建构区块链中物流派送Petri网模型，使用PM4PY和PIPE软件模拟运行该模型.结果表明，模型具有安全性和有界性.

1 基本概念

定义1[5] （Petri网）已知一个六元组记为[PM=（P，T，F，C，s，e）]，若满足以下条件：[P]是有限非空库所集合，[T]是有限非空活动变迁集合，且[P?T=φ]；[F?（P×T）?（T×P）]为网的流关系；[C={and，xor，or}]是网的结构类型；[M0]是网的初始标识，[Mf]是网的终止标识，且[Mf]是一个死标识；[s∈T]是开始活动变迁，[e∈T]是终止活动变迁.则称该网为Petri网.

定义2[6] （行为轮廓）令[S=（N，M0）]是一个网系统，其中，[N=（P，T，F）]且[T?T]是一个变迁集，一对变迁[（t1，t2）∈（T×T）]若满足下面之一条件：若[t1?t2]且[t2?t1]，则称[t1]和[t2]为严格序关系，记作[t1→t2]；若[t1?t2]且[t2?t1]，则称[t1]和[t2]为严格逆序关系，记作[t1→-1t2]；若[t1?t2]且[t2?t1]，则称[t1]和[t2]为排他序关系，记作[t1+t2]；若[t1?t2]且[t2?t1]，则称[t1]和[t2]为交叉序关系，记作[t1∥t2].

定义3[6] （可达性）已知Petri网[PN=（P，T;F，M）]，如果存在[t∈T]，使[M[t>M]，则称[M]为从[M]直接可达的，假定存在变迁序列[tn]和标识序列[Mn]使得[M[t1>M1[t2>M2…Mk-1[tk>Mk]，则称[Mk]为从[M]可达的，从[M]可达的一切标识的集合记为[R（M）].

定义4[1] （分布式存储）分布式存储对信息分开进行存储，网络中的节点都能够对数据进行同步和保存，每个节点中存储的数据都是一样的并且可随时查看，从而形成具有可信度的分布式存储系统.

定义5[1] （智能合约）智能合约根据参与主体事先所约定构成的协议，通过计算机代码编程为可以执行的“合约”，从而实现整个系统中相关合约的智能化和自动化.

2 基于区块链的物流派送模型

基于区块链的物流派送系统利用数字签名和非对称加密技术，可以保障数据信息安全，通过分布式存储技术提高存储效率，使得用户信息不再通过中心管理，采用自动生成智能合约技术可以使交易流程变得简单，提高交易效率.基于区块链的物流派送系统模型主体有：生产加工企业、货物配送企业、订单用户.应用技术有分布式数据库、智能合约、非对称加密.基于区块链的物流派送系统模型分7个步骤[4]：

（1）用户、生产加工企业、物流配送企业进入基于区块链的物流派送系统.

（2）生产加工企业创建产品目录，当用户在产品目录中选择某产品时，系统自动生产智能合约.

（3）用户选择购买商品后形成交易1，交易信息被存储进分布式数据库.

（4）生产加工企业确认用户选购的订单，使用订单用户公布的非對称加密公钥对产品加工生产过程中相关信息进行信息加密.加密完成后，使用生产加工企业的签名私钥进行数字签名，与货物一起传递给配送企业.

（5）配送企业收到货物时，使用生产加工企业公布的公钥验证签名，确定生产加工企业身份，对货物进行确认.确认无误后，利用订单用户所公布的非对称加密公钥对配送过程中的相关信息进行信息加密，使用配送企业的签名私钥进行数字签名.

（6）订单用户收到货物后，使用配送企业公布的公钥验证签名，确认配送企业身份，用订单用户的私钥进行密文解密，确定加密信息.完成无误后，完成对货物的接受确认.

（7）整个交易过程，所有信息以区块方式存储.系统流程图见图1.

3 基于Petri网的区块链物流派送系统模型

3.1 基于Petri网的区块链物流派送系统模型的建构

采用Petri网中的T元素，表示物流派送模型中的7个步骤.共有31个T元素，每个元素代表的活动时间见表1.建立基于Petri网的区块链物流派送系统模型（图2）.通过模型系统的运行，变迁[t0]节点创建后，各个参与主体进入系统，发生变迁[t1]生产加工企业进入系统、变迁[t13]货物配送企业进入系统和变迁[t26]订单用户进入系统.系统根据流程中的步骤开始运行.运行过程中会形成交易区块并进行交易信息存储，依次发生变迁[t29]形成关联的交易信息区块、变迁[t30]进行交易信息存储和变迁[t31]交易信息，均存储到分布式数据库中.

3.2 仿真实验

采用PM4PY（Process mining for python）过程挖掘平台进行防真实验.代码为利用PM4PY对模型的稳定性进行验真的关键代码.

import pm4py

from pm4py.objects.petri_net.utils import reachability_graph #可达图

from pm4py.visualization.transition_system import visualizer as ts_visualizer

pnml_address = './data/blockchainInPetri.pnml' #從.pnml文件中读取petri网

petri_net，initial_marking，final_marking = pm4py.read_pnml（pnml_address）

ts = reachability_graph.construct_reachability_graph（petri_net，initial_marking）

gviz1 = ts_visualizer.apply（ts， parameters=（

{ts_visualizer.Variants.VIEW_BASED.value.Parameters.FORMAT： "svg"}））

ts_visualizer.view（gviz1）

仿真结果显示，基于Petri网的区块链物流派送模型具备有界性和安全性.

4 结束语

本文构建了基于区块链的物流派送模型，将区块链与传统物流派送模型相结合，解决了传统物流派送参与物流系统主体多、流程比较繁琐和集中式结构不透明、难以跟踪、难以管理的问题.PM4PY编程和Petri网验证结果表明，基于区块链的物流派送将区块链架构应用在物流派送系统中，创建重要模块，并根据区块链技术中分布式存储的特点，建立多节点的分布式数据库.基于区块链的物流派送模型采用非对称加密算法、数字签名、智能合约等技术，使信息得到安全性保障，基于Petri网的区块链物流派送模型具备有界性和安全性.

参考文献

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[2]张诚，刘守臣.区块链中电商冷链溯源系统Petri网建模与分析[J].企业经济，2020，39（01）：48-55.

[3]史俊成. 基于区块链技术的物流系统模型[D].南京：南京邮电大学，2021.

[4]方贤文，杨慧慧，邵叱风.基于Petri网的物流派送模型修复分析[J].安徽理工大学学报：自然科学版，2021，41（06）：7-12.

[5]吴哲辉.Petri网理论[M].北京：机械工业出版社，2006.1-28.

[6]方贤文.Petri网行为轮廓理论及其应用[M].上海：上海交通大学出版社，2017.1-16.

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[8]张博，张欢，温耀普.数字化背景下传统制造业物流管理信息化问题研究[J].物流工程与管理，2022，44（01）：147-149.

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[13]M. Weidlich， J. Mendling and M. Weske.Efficient Consistency Measurement Based on Behavioral Profiles of Process Models[J].  IEEE Transactions on Software Engineering，  2011，37（3） p：410-429.

编辑：琳莉