基于擴展Petri網(wǎng)的新疆肉牛養(yǎng)殖溯源模型設計

王森+李志剛

摘要： 在“一帶一路”時代背景下，新疆的畜牧業(yè)發(fā)展迎來春天，且伴隨著人們生活水平的不斷提高，對食品質(zhì)量安全更為關注。針對新疆的肉牛養(yǎng)殖環(huán)節(jié)，構(gòu)建、驗證基于擴展Petri網(wǎng)的肉牛養(yǎng)殖工作流模型，并結(jié)合射頻識別（radio frequency identification，RFID） 技術搭建溯源模型，該模型可提高數(shù)據(jù)采集的效率與精度，加快肉牛養(yǎng)殖企業(yè)的信息化、自動化建設步伐，實現(xiàn)肉牛養(yǎng)殖過程的可追溯性。

關鍵詞： 肉牛養(yǎng)殖；溯源模型；擴展Petri網(wǎng)；RFID技術

中圖分類號： S126 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2016）03-0413-04

當前全世界有穆斯林人口超16億人，食用清真食品的大概有20億人，約占世界人口的1/5，且呈快速增長趨勢，食用清真食品人口的不斷增多，給包括中國在內(nèi)的發(fā)展中國家提供了前所未有的市場機遇。新疆地處我國西北邊陲，與哈薩克斯坦、塔吉克斯坦、吉爾吉斯斯坦、巴基斯坦等中亞國家接壤，共有28個邊境通商口岸，歷來以畜種優(yōu)良、畜產(chǎn)品豐富而聞名，許多穆斯林及周邊國家對新疆活畜及肉類產(chǎn)品非常感興趣，再加上“陸上絲綢之路”的戰(zhàn)略定位，促使了新疆現(xiàn)代物流業(yè)的快速發(fā)展，為新疆牛羊肉走出國門、走向中西亞、俄羅斯、歐洲各國提供了可能。但是，新疆肉牛規(guī)模化、標準化飼養(yǎng)及科學育肥技術的推廣應用程度仍比較低，全國年出欄肉牛1 000頭以上的規(guī)模養(yǎng)殖場約750個，新疆有11個，僅占全國的1.5%；肉牛標準化飼養(yǎng)及育肥技術入戶率不足10%，絕大多數(shù)采用傳統(tǒng)粗放的養(yǎng)殖方法。另外，從畜牧業(yè)的科技含量看，內(nèi)蒙古自治區(qū)達到58.9%，山東省為68.1%，而新疆僅為30%[1]。

新疆從2005年開始建立農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量安全監(jiān)測監(jiān)管體系和法規(guī)。目前，學者們主要集中在對養(yǎng)殖、屠宰、流通、銷售的整體研究，并以構(gòu)建溯源系統(tǒng)為最終目的。王爍等針對新疆高檔牛肉提出，以射頻識別（radio frequency identification，RFID）與條形碼技術結(jié)合標志牛肉全過程的質(zhì)量安全溯源，消費者可以從牛肉的溯源號追溯到養(yǎng)殖信息、飼料獸藥信息、屠宰批次號、屠宰信息及流通和銷售信息等[2]。王爍等構(gòu)建的肉牛養(yǎng)殖過程信息管理系統(tǒng)、肉牛產(chǎn)品加工過程信息管理系統(tǒng)，是基于多模式的肉牛產(chǎn)品質(zhì)量安全溯源系統(tǒng)而開發(fā)的，可為消費者提供 POS 機、網(wǎng)絡、短信等多渠道的溯源信息服務[3]。李天斗等通過對養(yǎng)殖、屠宰、加工、銷售等環(huán)節(jié)進行分析，為新疆牛肉可溯源系統(tǒng)的開發(fā)應用提供結(jié)構(gòu)化設計依據(jù)[4]。焦光源以牛肉供應為研究對象，構(gòu)建了1套基于NET的新疆生鮮農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯原型系統(tǒng)[5]。

肉牛養(yǎng)殖環(huán)節(jié)作為屠宰、加工、流通等環(huán)節(jié)的基礎，是可追溯的真正源頭，當前沒有專門針對肉牛養(yǎng)殖環(huán)節(jié)而構(gòu)建的溯源模型。本研究旨在分析肉牛的養(yǎng)殖環(huán)節(jié)，構(gòu)建肉牛養(yǎng)殖工作流模型，并利用先進的RFID識別技術，針對肉牛養(yǎng)殖過程中的關鍵數(shù)據(jù)進行產(chǎn)品識別記錄，建立追溯檔案，從而構(gòu)建1套行之有效的溯源模型。

1 溯源模型設計思想及相關概念

國際標準化組織（ISO）定義，可追溯性是指通過記錄標志裝置來跟蹤實體歷史、應用或位置的能力[6]，是一種確保食品安全和質(zhì)量、減少與召回相關成本的有效方法[7]。根據(jù)《食品安全追溯標準要求》（ISO 22005），基于向上和向下的原則，每個公司都應知道其供應商和客戶[8]。Senneset等發(fā)現(xiàn)，為實現(xiàn)可追溯性，生產(chǎn)過程中必須記錄可追蹤單元的身份和這些單元的所有轉(zhuǎn)換[9]。

20世紀60年代，卡爾·A·佩特里發(fā)明了Petri網(wǎng)，這是一種適于對具有異步并發(fā)特征的離散事件進行模擬、分析、設計和控制的圖形數(shù)學工具，目前在制造系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡、數(shù)字電路綜合與驗證等領域得到廣泛應用[10-12]。經(jīng)典的Petri網(wǎng)是簡單的過程模型，由庫所和變遷2種節(jié)點、有向弧、令牌等元素組成。為解決經(jīng)典Petri網(wǎng)中測試庫所中沒有零令牌、模型容易變得龐大、模型不能反映時間內(nèi)容、不支持構(gòu)造大規(guī)模模型等問題，高級Petri網(wǎng)在令牌著色、時間、層次化、時序方面進行擴展，可達樹方法通過枚舉方式窮盡生成Petri網(wǎng)的所有可達標志向量，并以樹結(jié)構(gòu)形式表示Petri網(wǎng)的可達狀態(tài)空間，進而判定相應的活性、安全性、有界性、可達性等性質(zhì)。

肉牛養(yǎng)殖溯源模型既要保證養(yǎng)殖過程的可追溯性，又可以在養(yǎng)殖過程中實現(xiàn)追溯數(shù)據(jù)的采集。首先對肉牛的養(yǎng)殖過程進行分析，根據(jù)具體的養(yǎng)殖過程，建立肉牛養(yǎng)殖場架子牛育肥過程工作流邏輯網(wǎng)；其次，由工作流邏輯網(wǎng)生成肉牛養(yǎng)殖過程工作流網(wǎng)，對各對象內(nèi)部的Petri網(wǎng)進行化簡、整合，即將全網(wǎng)轉(zhuǎn)化為經(jīng)典的Petri網(wǎng)；最后，將簡化的Petri網(wǎng)繪制可達樹進行進一步驗證。在溯源數(shù)據(jù)采集方面，根據(jù)影響肉牛質(zhì)量安全的因子確定追溯單元，構(gòu)建溯源體系，并結(jié)合RFID相關技術，搭建溯源模型。

2 基于擴展Petri網(wǎng)的肉牛養(yǎng)殖工作流模型

工作流是對業(yè)務進程的形式化描述，包括描述任務間因果依賴與規(guī)章依賴等依賴關系的工作流邏輯和在此邏輯上增加顯性內(nèi)容的工作流語義。對肉牛養(yǎng)殖過程利用工作流的方法進行業(yè)務過程的建模和深入分析，不僅可以規(guī)范業(yè)務流程，發(fā)現(xiàn)業(yè)務流程中不合理的環(huán)節(jié)，進而對業(yè)務流程進行優(yōu)化重組，而且能夠豐富其知識庫和規(guī)則庫，全面提高其信息化與自動化的程度，增強企業(yè)的核心競爭力。

2.1 基于擴展Petri網(wǎng)的肉牛養(yǎng)殖工作流模型分析

工作流網(wǎng)中，庫所對應過程中的條件，變遷對應過程中的可執(zhí)行活動，庫所中的令牌代表1個過程實例的狀態(tài)。養(yǎng)殖場從引進架子牛到育肥成牛出欄的過程，主要由獸醫(yī)、飼養(yǎng)員這2個角色的工作人員完成，即工作流模型涉及獸醫(yī)、飼養(yǎng)員這2個物理對象，與之相對的子網(wǎng)系統(tǒng)也有2個，即獸醫(yī)職能類子網(wǎng)（O1）、飼養(yǎng)員職能類子網(wǎng)（O2）（圖1）。由圖2可見，消息緩沖庫所IM1和OM1之間為獸醫(yī)職能類子網(wǎng)（O1）；消息緩沖庫所IM2和OM2之間為飼養(yǎng)員職能類子網(wǎng)（O2）。

2.2 模型驗證與實證

對獸醫(yī)職能類子網(wǎng)（O1）、飼養(yǎng)員職能類子網(wǎng)（O2）2個子網(wǎng)分別化簡、整合，得到肉牛養(yǎng)殖流程模型（圖3）。由圖4可見，所有的變遷均出現(xiàn)在可達樹中，Petri網(wǎng)中不存在死鎖；位置標志只包含0、1這2個元素，Petri網(wǎng)有界、安全；Petri網(wǎng)能正常結(jié)束，且結(jié)束狀態(tài)只在E庫中有令牌。因此，該模型能正常運行，是合理的。

3 基于RFID技術肉牛養(yǎng)殖溯源模型的實現(xiàn)

3.1 構(gòu)建肉牛養(yǎng)殖過程的追溯單元體系

在肉牛養(yǎng)殖過程中，對肉牛的質(zhì)量構(gòu)成危害的主要因素有獸藥、消毒藥品、免疫藥品以及飼料添加劑，因此，本研究將這些影響因子定義為追溯單元，將其整理構(gòu)成肉牛養(yǎng)殖過程的追溯單元體系（表1）。

3.2 肉牛養(yǎng)殖溯源模型的具體實現(xiàn)

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集多采用手工記錄、輸入、存檔，耗時、耗力且容易出錯，效率低下。本模型將采集的數(shù)據(jù)自動傳輸?shù)椒掌鬟M行存儲，并在各種終端可實時查詢，方便快捷，可以實現(xiàn)肉牛養(yǎng)殖過程的可追溯性（圖5）。

3.2.1 RFID電子標簽 電子標簽由芯片及天線組成，附著在物體上標志目標對象，每個電子標簽具有唯一的電子編碼，存儲被識別物體的相關信息。本模型中，飼料、飼料添加劑、獸藥、消毒藥品、免疫藥品采用條形碼作為電子標簽，存儲其各自的名稱、產(chǎn)商、批次及使用說明；利用中華人民共和國居民身份證對養(yǎng)殖場人員身份進行認證；用耳標對架子牛進行識別，并與數(shù)據(jù)庫進行相關聯(lián)。

3.2.2 適配器 在大型養(yǎng)殖場中，讀寫設備千差萬別，通信協(xié)議多種多樣，為屏蔽硬件差異，RFID 中間件必須兼容各種讀寫設備。本模型為每種讀寫設備增加1個適配器，當需要增加或減少讀寫設備時，只需對適配器進行修改即可，從而降低了系統(tǒng)的耦合程度。適配器能夠提供一個統(tǒng)一、可擴展的接口，中間件通過應用適配器實現(xiàn)對讀寫設備的統(tǒng)一管理。

3.2.3 RFID讀寫器 RFID讀寫器別稱閱讀器（Reader）或詢問器，是讀取和寫入電子標簽內(nèi)存信息的設備。RFID系統(tǒng)工作時，一般先由讀寫器發(fā)射一個特定的詢問信號，當電子標簽感應到這個信號，就會給出應答信號，應答信號中含有電子標簽攜帶的數(shù)據(jù)信息；讀寫器接收到應答信號，對其進行處理，并將處理后的應答信號返回給外部主機，進行相應操作。

3.2.4 RFID中間件 射頻識別RFID中間件（Middleware）處于讀寫器與后臺網(wǎng)絡的中間，扮演RFID硬件和應用程序之間的中介角色，是RFID硬件和應用之間的通用服務，能夠?qū)崿F(xiàn)對讀寫設備的配置、管理及監(jiān)控等功能。在實際應用中，上層應用關心的是有用數(shù)據(jù)，而真正采集過程中，由于讀寫器

讀取的頻率高，一個標簽會被重復多次讀取而只有一次有用，這樣會消耗大量計算資源。為減輕上層應用系統(tǒng)的負擔，需要中間件對原始數(shù)據(jù)進行冗余處理，對采集到的數(shù)據(jù)進行過濾。由于某些因素，讀寫器偶爾還會讀到一些根本不是系統(tǒng)所需要的數(shù)據(jù)，這時還需要對冗余處理后的數(shù)據(jù)進行平滑處理。

3.2.5 RFID數(shù)據(jù)庫 從每頭架子牛進入養(yǎng)殖場開始，為其生成1個身份證號，并建立個體檔案存放于服務器中，身份證號、耳標、個體檔案相關聯(lián)。在養(yǎng)殖過程中，利用RFID讀寫器，根據(jù)追溯單元采集數(shù)據(jù)，并經(jīng)過中間件對數(shù)據(jù)進行處理，將數(shù)據(jù)存放到個體檔案中。

4 結(jié)語

對肉牛養(yǎng)殖環(huán)節(jié)的溯源流程進行研究分析，構(gòu)建了基于擴展Petri網(wǎng)的肉牛養(yǎng)殖工作流模型并對其進行驗證，證明了養(yǎng)殖過程的可追溯性。確定肉牛養(yǎng)殖過程的追溯單元，根據(jù)追溯單元構(gòu)建追溯單元體系，在此基礎上，利用RFID 技術構(gòu)建溯源模型，該模型可以集中管理配置并兼容不同標準的讀寫設備，有效采集追溯單元上的數(shù)據(jù)，并對大量原始數(shù)據(jù)進行過濾處理、冗余處理及數(shù)據(jù)平滑處理，減少讀寫器向應用程序傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，提高數(shù)據(jù)采集精度，整體提高了系統(tǒng)的可溯源效率。但是本模型還比較簡單，在數(shù)據(jù)采集方面，RFID 數(shù)據(jù)的安全性需要進一步解決，系統(tǒng)高層應用開發(fā)也有待加強。

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