基于Petri網(wǎng)的氣瓶質(zhì)量安全追溯方法研究

李 娟，劉麗梅，陳樹(shù)芳，薛 慶，李觀松

(山東特檢魯安工程技術(shù)服務(wù)有限公司，山東 濟(jì)南 250010)

氣瓶是一種典型的承壓類(lèi)特種設(shè)備。目前全國(guó)氣瓶1.64億只，數(shù)量大、流動(dòng)性強(qiáng)、缺陷類(lèi)型多、涉及的使用和管理環(huán)節(jié)多【1-2】。針對(duì)氣瓶質(zhì)量安全管理，國(guó)家相關(guān)部門(mén)提出：以電梯、氣瓶等產(chǎn)品為重點(diǎn)，嚴(yán)格落實(shí)特種設(shè)備安全技術(shù)檔案管理制度，推動(dòng)企業(yè)對(duì)電梯產(chǎn)品的制造、安裝、維護(hù)保養(yǎng)、檢驗(yàn)以及氣瓶產(chǎn)品的制造、充裝、檢驗(yàn)等過(guò)程信息進(jìn)行記錄，建立特種設(shè)備安全管理追溯體系【3】。

當(dāng)前氣瓶質(zhì)量安全追溯體系建設(shè)尚處于起步階段，相關(guān)研究提出了基于GS1編碼、條碼和射頻識(shí)別等技術(shù)的氣瓶追溯系統(tǒng)架構(gòu)【4-6】，研究重點(diǎn)側(cè)重于氣瓶追溯體系建設(shè)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)。但氣瓶追溯鏈網(wǎng)存在環(huán)節(jié)多、追溯信息采集難度大等問(wèn)題，當(dāng)前研究對(duì)于氣瓶追溯各環(huán)節(jié)、各因素等對(duì)氣瓶質(zhì)量安全追溯體系的有效性等方面的研究較少涉及。

Petri 網(wǎng)是一種有向圖，由庫(kù)所、變遷以及連接庫(kù)所和變遷的有向弧線組成，能夠簡(jiǎn)潔、直觀地體現(xiàn)系統(tǒng)中并行、同步、沖突及因果依賴(lài)等關(guān)系，并且可以分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性質(zhì)，易于在所建立的模型基礎(chǔ)上達(dá)到控制系統(tǒng)的目的【7-10】。Petri網(wǎng)具有比較嚴(yán)格的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和較強(qiáng)的事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的描述能力，在系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析方面具有優(yōu)勢(shì)，能夠建立清晰的圖形表達(dá)特種設(shè)備全生命周期的全過(guò)程，描述其活動(dòng)節(jié)點(diǎn)間的結(jié)構(gòu)關(guān)系【11-12】。

本文結(jié)合氣瓶質(zhì)量安全追溯的實(shí)際需要，對(duì)氣瓶質(zhì)量安全追溯體系涉及的環(huán)節(jié)、要素等進(jìn)行分析，提出氣瓶質(zhì)量安全追溯業(yè)務(wù)流程，應(yīng)用Petri 網(wǎng)模型理論，構(gòu)建基于Petri網(wǎng)的氣瓶質(zhì)量安全追溯體系模型，并進(jìn)行仿真驗(yàn)證，為進(jìn)一步優(yōu)化氣瓶質(zhì)量安全追溯體系提供參考。

1 氣瓶質(zhì)量安全追溯流程分析

業(yè)務(wù)流程是信息流現(xiàn)實(shí)的載體，信息流是業(yè)務(wù)流程數(shù)據(jù)化的反映。氣瓶全生命周期包括生產(chǎn)(含設(shè)計(jì)、制造等環(huán)節(jié))、充裝、使用、檢驗(yàn)、監(jiān)管等環(huán)節(jié)。氣瓶質(zhì)量安全追溯業(yè)務(wù)流程從追溯涉及的業(yè)務(wù)流、氣瓶追溯信息流等維度進(jìn)行分析，可實(shí)現(xiàn)追溯業(yè)務(wù)與信息的有機(jī)融合。

1.1 氣瓶質(zhì)量安全追溯業(yè)務(wù)流程

氣瓶質(zhì)量安全追溯業(yè)務(wù)流程如圖1所示，涵蓋從設(shè)計(jì)到報(bào)廢的全流程。

圖1 氣瓶追溯體系業(yè)務(wù)流程

氣瓶行業(yè)主要是訂單式生產(chǎn)，其生產(chǎn)環(huán)節(jié)根據(jù)訂單開(kāi)展氣瓶設(shè)計(jì)，通過(guò)國(guó)家相關(guān)機(jī)構(gòu)的型式試驗(yàn)后，根據(jù)工藝、工序等投入原材料進(jìn)行制造；制造成形后，需通過(guò)公司自檢、制造監(jiān)檢等；產(chǎn)品經(jīng)檢驗(yàn)合格后，將氣瓶產(chǎn)品合格證、質(zhì)量證明書(shū)、監(jiān)督檢驗(yàn)證書(shū)、型式試驗(yàn)證書(shū)等隨產(chǎn)品一同出廠，交付給氣瓶使用單位。氣瓶產(chǎn)權(quán)單位在正式投入使用前，需要在特種設(shè)備安全監(jiān)管部門(mén)辦理使用登記，獲得氣瓶使用登記證編號(hào)并粘貼氣瓶電子標(biāo)識(shí)后再進(jìn)行充裝。氣瓶充裝前應(yīng)檢查氣瓶，合格后方可充裝并投入終端用戶(hù)使用環(huán)節(jié)。氣瓶使用流通過(guò)程中，應(yīng)按照規(guī)定開(kāi)展定期檢驗(yàn)，若檢驗(yàn)合格，可繼續(xù)使用，不合格則將氣瓶進(jìn)行報(bào)廢處理。

1.2 氣瓶質(zhì)量安全追溯信息流

氣瓶各環(huán)節(jié)流轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的信息，涉及5M1E即人、機(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)等方面【13-14】，是開(kāi)展氣瓶質(zhì)量安全追溯的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。其中：人，即作業(yè)人員的技術(shù)熟練程度、資質(zhì)或?qū)I(yè)技能等； 機(jī)，即生產(chǎn)機(jī)械輔助設(shè)備、測(cè)量?jī)x器的精度和維護(hù)保養(yǎng)狀態(tài)等； 料，即原材料，涉及批次、質(zhì)量、等級(jí)、成分、性能等； 法，即生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)工序、操作規(guī)程等； 環(huán)，即工作場(chǎng)所和生產(chǎn)場(chǎng)所的溫度、濕度等外部條件； 測(cè)，即設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)等的方法、規(guī)程等。

圍繞各環(huán)節(jié)、各因素構(gòu)建氣瓶追溯信息流，如圖2所示。其中，氣瓶制造環(huán)節(jié)，原材料(包括氣瓶閥門(mén)等關(guān)鍵零部件)的信息以及氣瓶的制造工藝、工序、人員等是重點(diǎn)記錄的內(nèi)容，也是對(duì)氣瓶質(zhì)量安全問(wèn)題溯源的關(guān)鍵信息點(diǎn)；氣瓶基本信息包括：氣瓶主要參數(shù)(介質(zhì)、工作壓力、設(shè)備使用年限等)、氣瓶制造單位、氣瓶制造日期等，在氣瓶出廠后氣瓶使用流轉(zhuǎn)的各環(huán)節(jié)內(nèi)均保持一致，是開(kāi)展氣瓶使用登記、充裝檢查、使用管理、定期檢驗(yàn)等的基礎(chǔ)；氣瓶充裝環(huán)節(jié)重點(diǎn)記錄對(duì)充裝前后的檢查信息(氣瓶電子標(biāo)識(shí)、氣瓶使用登記證、氣瓶檢驗(yàn)信息等)、充裝記錄(充裝介質(zhì)、充裝人員、充裝日期、充裝設(shè)備)等信息的采集【15】。

圖2 氣瓶追溯信息流

2 氣瓶質(zhì)量安全追溯體系Petri網(wǎng)建模

借助Petri網(wǎng)強(qiáng)大的描述能力、嚴(yán)格的形式化表達(dá)、成熟的數(shù)學(xué)分析技術(shù)和直觀的圖形表示等特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣瓶質(zhì)量安全追溯業(yè)務(wù)活動(dòng)的抽象建模，直觀地反映各環(huán)節(jié)間復(fù)雜的順序、并行或同步等時(shí)空邏輯關(guān)系，進(jìn)一步全面、準(zhǔn)確地掌握氣瓶生命周期追溯全過(guò)程。

2.1 基本思路

基于上述氣瓶質(zhì)量安全追溯的業(yè)務(wù)流程和信息流程，開(kāi)展流程與Petri網(wǎng)的映射，確定模型中的主要元素(庫(kù)所、變遷、托肯)類(lèi)型以及元素屬性項(xiàng)，按照業(yè)務(wù)流程中涉及的作業(yè)和狀態(tài)，列出狀態(tài)與事件表。除了采用相對(duì)應(yīng)的映射之外，為了保證相鄰的作業(yè)之間有庫(kù)所，還應(yīng)該考慮到在兩個(gè)作業(yè)之間增加狀態(tài)。

采用Petri 網(wǎng)建立氣瓶質(zhì)量安全追溯模型時(shí)，庫(kù)所為氣瓶生命周期的各個(gè)環(huán)節(jié)，也表示氣瓶從設(shè)計(jì)制造到使用、報(bào)廢等全流程各環(huán)節(jié)的先后順序；變遷表示氣瓶質(zhì)量安全追溯流程各個(gè)環(huán)節(jié)的產(chǎn)生條件；令牌/托肯(Token)表示氣瓶質(zhì)量安全追溯流程中庫(kù)所的狀態(tài)，具體標(biāo)識(shí)及其對(duì)應(yīng)的流程和含義如表1所示。

表1 業(yè)務(wù)流程與Petri網(wǎng)的轉(zhuǎn)換關(guān)系

根據(jù)表1以及氣瓶質(zhì)量安全追溯實(shí)際業(yè)務(wù)流程，開(kāi)展業(yè)務(wù)向Petri網(wǎng)的映射，并基于順序、并行、循環(huán)、選擇等邏輯模型，實(shí)現(xiàn)Petri網(wǎng)庫(kù)所、變遷的關(guān)聯(lián)，確定各流程節(jié)點(diǎn)的屬性【16-17】。

根據(jù)文獻(xiàn)【2】，基于氣瓶質(zhì)量追溯的內(nèi)部追溯、外部追溯的需要以及表1定義和Petri網(wǎng)基本理論模型，分別重點(diǎn)構(gòu)建滿足內(nèi)部追溯、外部追溯的氣瓶質(zhì)量安全追溯Petri網(wǎng)模型，并基于PIPE仿真工具對(duì)所構(gòu)建模型的可達(dá)性、有界性和安全性、活性等特征進(jìn)行分析，以提升追溯流程實(shí)現(xiàn)的可靠性。

2.2 氣瓶制造質(zhì)量安全內(nèi)部追溯Petri網(wǎng)模型構(gòu)建與仿真分析

氣瓶制造環(huán)節(jié)工序較多，為實(shí)現(xiàn)高效的內(nèi)部追溯，面向制造環(huán)節(jié)內(nèi)部追溯的氣瓶質(zhì)量安全追溯Petri網(wǎng)模型重點(diǎn)將氣瓶下料、 熱處理、 力學(xué)試驗(yàn)、 水壓試驗(yàn)、 無(wú)損檢測(cè)等關(guān)鍵工序以及第三方機(jī)構(gòu)的型式試驗(yàn)、 制造監(jiān)檢等環(huán)節(jié)納入追溯流程【18】，如圖3所示，對(duì)應(yīng)的流程模型標(biāo)識(shí)符含義詳見(jiàn)表2。

圖3 面向制造環(huán)節(jié)內(nèi)部追溯的氣瓶質(zhì)量安全追溯Petri網(wǎng)模型

表2 氣瓶?jī)?nèi)部追溯Petri網(wǎng)模型庫(kù)所與變遷的定義

(續(xù)表2)

基于PIPE仿真工具對(duì)圖3構(gòu)建的氣瓶?jī)?nèi)部追溯Petri網(wǎng)模型進(jìn)行分析，認(rèn)為該模型滿足安全性、有界性和無(wú)死鎖(活性)及可達(dá)性要求，分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 內(nèi)部追溯模型仿真結(jié)果

2.3 氣瓶生命周期質(zhì)量安全外部追溯Petri網(wǎng)模型構(gòu)建與仿真分析

外部追溯方面，重點(diǎn)從系統(tǒng)性、總體性的角度對(duì)涉及氣瓶生命周期的各環(huán)節(jié)進(jìn)行追溯流程設(shè)計(jì)，因而將氣瓶制造環(huán)節(jié)作為一個(gè)整體，納入氣瓶外部追溯體系，同時(shí)根據(jù)氣瓶使用流通過(guò)程中充裝、檢驗(yàn)兩個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)于氣瓶安全管理的重要性和外部追溯Petri網(wǎng)模型的構(gòu)建重點(diǎn)對(duì)這兩個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，形成了面向過(guò)程管理的氣瓶生命周期質(zhì)量安全外部追溯Petri網(wǎng)模型，如圖5所示，其中庫(kù)所與變遷標(biāo)識(shí)符及其含義見(jiàn)表3。

表3 氣瓶外部追溯Petri網(wǎng)模型庫(kù)所與變遷的定義

圖5 面向過(guò)程管理的氣瓶質(zhì)量安全追溯Petri網(wǎng)模型

基于PIPE仿真工具對(duì)圖5構(gòu)建的氣瓶外部追溯Petri網(wǎng)模型進(jìn)行分析，認(rèn)為該模型滿足安全性、有界性和無(wú)死鎖(活性)及可達(dá)性要求，分析結(jié)果如圖6所示。

圖6 外部追溯模型仿真結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)氣瓶質(zhì)量安全追溯的業(yè)務(wù)需要，基于業(yè)務(wù)流與信息流融合的思路，構(gòu)建了氣瓶制造環(huán)節(jié)內(nèi)部追溯Petri網(wǎng)模型、氣瓶全過(guò)程管理外部追溯Petri網(wǎng)模型。內(nèi)部追溯主要面向制造環(huán)節(jié)，強(qiáng)調(diào)對(duì)于制造企業(yè)內(nèi)部涉及氣瓶質(zhì)量安全的原材料、工藝、工序等相關(guān)過(guò)程和信息的追溯；外部追溯主要面向氣瓶生命周期各環(huán)節(jié)，強(qiáng)調(diào)氣瓶從設(shè)計(jì)到報(bào)廢全過(guò)程流通的各節(jié)點(diǎn)關(guān)鍵信息的追溯。

基于Petri 網(wǎng)仿真工具 PIPE對(duì)氣瓶追溯模型和系統(tǒng)流程進(jìn)行仿真，通過(guò)仿真結(jié)果的分析和對(duì)比，所構(gòu)建模型滿足活性、有界性和公平性、可達(dá)性等特性，且無(wú)死鎖發(fā)生，驗(yàn)證了所構(gòu)建的氣瓶質(zhì)量安全追溯流程的合理性，為提高氣瓶質(zhì)量安全追溯系統(tǒng)設(shè)計(jì)的效率提供了參考。