基于GSPN的可追溯果蔬農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈建模與性能優(yōu)化*

徐佩鋒，王昌剛，解振強(qiáng)，薛小松，王彩萍

（1.江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院現(xiàn)代園藝工程技術(shù)中心，句容 212400；2.江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系，句容 212400）

基于GSPN的可追溯果蔬農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈建模與性能優(yōu)化*

徐佩鋒1，2，王昌剛2，解振強(qiáng)1，薛小松2，王彩萍2

（1.江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院現(xiàn)代園藝工程技術(shù)中心，句容 212400；2.江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系，句容 212400）

建立可追溯系統(tǒng)是保證農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全問題的有效手段，但單一的追溯模式不能滿足和適應(yīng)不同農(nóng)產(chǎn)品的追溯需求，因此，定量化的分析和評(píng)估措施，是建設(shè)適用、高效和可靠的追溯系統(tǒng)的重要保證。論文基于廣義隨機(jī)Petri網(wǎng)（GSPN）理論構(gòu)建了可追溯果蔬農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈系統(tǒng)模型，實(shí)現(xiàn)了物質(zhì)流、信息流和控制流的協(xié)同運(yùn)行，并對(duì)其時(shí)間性能和運(yùn)行效率進(jìn)行了定量分析和評(píng)估，結(jié)果表明，GSPN模型能夠準(zhǔn)確描述供應(yīng)鏈系統(tǒng)的運(yùn)行過程，對(duì)農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈和追溯系統(tǒng)的建設(shè)具有指導(dǎo)意義。

追溯 供應(yīng)鏈 GSPN 建模

根據(jù)不同需求構(gòu)建合理的追溯系統(tǒng)保證農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全的有效手段，但由此也造成異構(gòu)追溯系統(tǒng)構(gòu)建、推廣和運(yùn)維的難度和復(fù)雜性增加[1]。目前在農(nóng)產(chǎn)品追溯系統(tǒng)的建設(shè)和實(shí)施過程中，對(duì)諸如追溯理論、追溯模型的構(gòu)建等基礎(chǔ)性問題研究還較少，相關(guān)的研究如劉鵬等將FMECA理論運(yùn)用于稻米質(zhì)量安全追溯過程的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防和控制研究[2]；琚春華等基于AHP層次分析法，建立了茶葉質(zhì)量的影響因素模型，構(gòu)建了茶葉質(zhì)量影響的追溯路徑[3]；錢建平等借鑒信息論中粒度的衡量方法構(gòu)建了以追溯的精度、寬度和深度為核心的追溯粒度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，為追溯系統(tǒng)的差異性評(píng)價(jià)提供了量化依據(jù)等[4]。這些研究借鑒其他工程技術(shù)領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)，試圖通過建立追溯系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型來進(jìn)行仿真和分析，以達(dá)到降低成本、優(yōu)化系統(tǒng)及提高效能的目標(biāo)。

該文從農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈的角度，基于廣義隨機(jī)Petri網(wǎng)（GSPN）理論構(gòu)建了果蔬農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈追溯的分層系統(tǒng)模型，通過對(duì)GSPN中瞬時(shí)變遷、時(shí)間變遷和終止弧的合理配合，實(shí)現(xiàn)了可追溯供應(yīng)鏈系統(tǒng)中物質(zhì)流、控制流和信息流的流動(dòng)仿真，并結(jié)合變遷時(shí)延速率信息，對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行性能進(jìn)行了分析和優(yōu)化。

1 模型的構(gòu)建

1.1 果蔬農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈追溯系統(tǒng)模型

從供應(yīng)鏈角度分析，可追溯果蔬農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈主狀態(tài)流程如圖1所示，包含生產(chǎn)、加工、運(yùn)輸、銷售和消費(fèi)5個(gè)階段節(jié)點(diǎn)，每個(gè)階段節(jié)點(diǎn)再細(xì)分為各自的子狀態(tài)流程圖，如生產(chǎn)階段節(jié)點(diǎn)，其子流程應(yīng)由生產(chǎn)者、種植環(huán)境、育苗、農(nóng)事、采收等環(huán)節(jié)構(gòu)成，限于篇幅文中不展開討論；圖中細(xì)實(shí)箭頭線為物質(zhì)流，表示農(nóng)產(chǎn)品的流向；雙箭頭線為農(nóng)產(chǎn)品信息流，每個(gè)階段節(jié)點(diǎn)形成各自的屬性信息，將之上傳至信息中心；細(xì)虛箭頭線為追溯控制信息流，根據(jù)相應(yīng)的追溯請(qǐng)求，從信息中心獲取各階段節(jié)點(diǎn)的屬性信息，并反饋給追溯請(qǐng)求端。

1.2 主狀態(tài)流程的GSPN建模

根據(jù)GSPN的定義建立起宏觀農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈追溯系統(tǒng)模型，如圖2所示，將追溯環(huán)節(jié)視為農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈系統(tǒng)的組成部分，對(duì)系統(tǒng)中物質(zhì)流、信息流、控制流等子系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)同控制，實(shí)現(xiàn)供應(yīng)鏈系統(tǒng)的總目標(biāo)。

為簡化問題，在所建模型中，追溯信息流只針對(duì)生產(chǎn)和加工階段節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)，其余階段節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)方法與此類似，論文涉及系統(tǒng)共有14個(gè)庫所和14個(gè)變遷組成，14個(gè)變遷中T6、T7、T8、T9、T11為瞬時(shí)變遷，T0、T1、T2、T3、T4、T5、T10、T12、T13為時(shí)延變遷，各庫所和變遷的含義。

模型主要包含1個(gè)物質(zhì)流、2個(gè)追溯信息流、2個(gè)追溯請(qǐng)求控制流以及7個(gè)系統(tǒng)復(fù)位控制流，其中P0-T0-P1-T1-P2-T2-P3-T3-P4描述了供應(yīng)鏈物質(zhì)流的流動(dòng)方向；追溯信息流由①P4-T5-P12-T13-P0-T8-P9和②P4-T4-P11-T12-P1-T6-P8構(gòu)成，其中，①為對(duì)生產(chǎn)階段信息的追溯，②為對(duì)加工階段信息的追溯；追溯請(qǐng)求控制流由追溯請(qǐng)求端P5、P6，以及禁止弧P7-T6、P10-T8組成，追溯請(qǐng)求只有在表示產(chǎn)品的Token進(jìn)入到消費(fèi)階段節(jié)點(diǎn)時(shí)才能發(fā)起，由于禁止弧的抑制作用，模型按正常的物質(zhì)流方向運(yùn)行，在追溯條件滿足，并發(fā)起追溯請(qǐng)求的情況下，P7或P10中的抑制Token離開，抑制作用消失，物質(zhì)流轉(zhuǎn)變?yōu)樽匪菪畔⒘?，Token將沿信息流的方向流動(dòng)，并到達(dá)信息接收端P8或P9。為便于系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行，在模型中添加了T7-P0、T9-P0和T7-P7、T9-P10、T4-P6、T5-P5的系統(tǒng)復(fù)位控制流。

圖1 可追溯果蔬農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈主狀態(tài)流程

圖2 可追溯農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈系統(tǒng)的GSPN模型

圖3 狀態(tài)空間可達(dá)模型分析

2 基于GSPN的可追溯果蔬農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈模型的運(yùn)行仿真分析

在PIPE軟件中對(duì)所建立的GSPN模型進(jìn)行運(yùn)行分析，可得到如圖3所示的模型狀態(tài)空間的可達(dá)圖，可以看到紅色實(shí)存狀態(tài)表示的物質(zhì)流和藍(lán)色消失狀態(tài)表示的兩條追溯信息流。

2.1 時(shí)間性能分析

單位時(shí)間進(jìn)入子系統(tǒng)的Token數(shù)γ等于經(jīng)過T0輸出的Token數(shù)，因?yàn)門0的轉(zhuǎn)移速率λ1=4，所以：

則供應(yīng)鏈物質(zhì)流子系統(tǒng)的平均執(zhí)行時(shí)間T=N/ γ=1.019/0.452=1.085（單位時(shí)間），用同樣方法求得模型中兩個(gè)追溯信息流子系統(tǒng)的平均執(zhí)行時(shí)間，分別為0.709和0.649，所得結(jié)果為理論計(jì)算值，取決于前面設(shè)定的各變遷的轉(zhuǎn)移速率，平均執(zhí)行時(shí)間的大小主要反映供應(yīng)鏈各子系統(tǒng)的執(zhí)行效率。

2.2 運(yùn)行效率優(yōu)化

變遷利用率的大小對(duì)于系統(tǒng)運(yùn)行和風(fēng)險(xiǎn)定位具有一定的指導(dǎo)意義，利用率高的環(huán)節(jié)可能就是追溯系統(tǒng)的瓶頸，需要重點(diǎn)管理和監(jiān)測。由計(jì)算結(jié)果，目前加工和銷售的T1和T3是系統(tǒng)的瓶頸環(huán)節(jié)。該結(jié)果仍由前面設(shè)定的變遷轉(zhuǎn)移速率λ決定，該轉(zhuǎn)移速率可以根據(jù)實(shí)際運(yùn)行系統(tǒng)的測定，或在進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)各階段節(jié)點(diǎn)的下層模型后，將運(yùn)行結(jié)果向上層傳遞得到。

3 結(jié)論

論文建立了基于GSPN的可追溯農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈系統(tǒng)模型，實(shí)現(xiàn)了物質(zhì)流、信息流和控制流的協(xié)同運(yùn)行，并對(duì)其運(yùn)行性能進(jìn)行了初步的定量分析，結(jié)果表明，GSPN模型能夠準(zhǔn)確描述供應(yīng)鏈系統(tǒng)的運(yùn)行過程，以及各種狀態(tài)與條件之間的約束關(guān)系，能夠?qū)ο到y(tǒng)中流動(dòng)的物質(zhì)流、信息流和控制流等實(shí)現(xiàn)模型化，是進(jìn)行管理系統(tǒng)建模分析的理想數(shù)學(xué)模型語言，對(duì)農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈和追溯系統(tǒng)建設(shè)具有指導(dǎo)意義。

[1] 張偉．果蔬農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈追溯系統(tǒng)研究．西南交通大學(xué)，2012

[2] 劉鵬，屠康．稻米質(zhì)量安全追溯過程FMECA研究．中國糧油學(xué)報(bào)，2010，11：8～12

[3] 琚春華，趙琳娟，王蓓．基于AHP的茶葉質(zhì)量安全因果追溯路徑模型——以杭州龍井茶為例．安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，03：1509～1512

[4] 錢建平，劉學(xué)馨，楊信廷，等．可追溯系統(tǒng)的追溯粒度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，01：98～104

2014江蘇高校協(xié)同創(chuàng)新中心現(xiàn)代園藝工程技術(shù)項(xiàng)目；2016江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院科技項(xiàng)目（2016 kj016）