基于GSPN的可追溯果蔬農產品供應鏈建模與性能優化*

徐佩鋒，王昌剛，解振強，薛小松，王彩萍

（1.江蘇農林職業技術學院現代園藝工程技術中心，句容 212400；2.江蘇農林職業技術學院信息工程系，句容 212400）

基于GSPN的可追溯果蔬農產品供應鏈建模與性能優化*

徐佩鋒1，2，王昌剛2，解振強1，薛小松2，王彩萍2

（1.江蘇農林職業技術學院現代園藝工程技術中心，句容 212400；2.江蘇農林職業技術學院信息工程系，句容 212400）

建立可追溯系統是保證農產品質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不同農產品的追溯需求，因此，定量化的分析和評估措施，是建設適用、高效和可靠的追溯系統的重要保證。論文基于廣義隨機Petri網（GSPN）理論構建了可追溯果蔬農產品供應鏈系統模型，實現了物質流、信息流和控制流的協同運行，并對其時間性能和運行效率進行了定量分析和評估，結果表明，GSPN模型能夠準確描述供應鏈系統的運行過程，對農產品供應鏈和追溯系統的建設具有指導意義。

追溯 供應鏈 GSPN 建模

根據不同需求構建合理的追溯系統保證農產品質量安全的有效手段，但由此也造成異構追溯系統構建、推廣和運維的難度和復雜性增加[1]。目前在農產品追溯系統的建設和實施過程中，對諸如追溯理論、追溯模型的構建等基礎性問題研究還較少，相關的研究如劉鵬等將FMECA理論運用于稻米質量安全追溯過程的風險預防和控制研究[2]；琚春華等基于AHP層次分析法，建立了茶葉質量的影響因素模型，構建了茶葉質量影響的追溯路徑[3]；錢建平等借鑒信息論中粒度的衡量方法構建了以追溯的精度、寬度和深度為核心的追溯粒度評價指標體系，為追溯系統的差異性評價提供了量化依據等[4]。這些研究借鑒其他工程技術領域的經驗，試圖通過建立追溯系統的數學模型來進行仿真和分析，以達到降低成本、優化系統及提高效能的目標。

該文從農產品供應鏈的角度，基于廣義隨機Petri網（GSPN）理論構建了果蔬農產品供應鏈追溯的分層系統模型，通過對GSPN中瞬時變遷、時間變遷和終止弧的合理配合，實現了可追溯供應鏈系統中物質流、控制流和信息流的流動仿真，并結合變遷時延速率信息，對系統的運行性能進行了分析和優化。

1 模型的構建

1.1 果蔬農產品供應鏈追溯系統模型

從供應鏈角度分析，可追溯果蔬農產品供應鏈主狀態流程如圖1所示，包含生產、加工、運輸、銷售和消費5個階段節點，每個階段節點再細分為各自的子狀態流程圖，如生產階段節點，其子流程應由生產者、種植環境、育苗、農事、采收等環節構成，限于篇幅文中不展開討論；圖中細實箭頭線為物質流，表示農產品的流向；雙箭頭線為農產品信息流，每個階段節點形成各自的屬性信息，將之上傳至信息中心；細虛箭頭線為追溯控制信息流，根據相應的追溯請求，從信息中心獲取各階段節點的屬性信息，并反饋給追溯請求端。

1.2 主狀態流程的GSPN建模

根據GSPN的定義建立起宏觀農產品供應鏈追溯系統模型，如圖2所示，將追溯環節視為農產品供應鏈系統的組成部分，對系統中物質流、信息流、控制流等子系統進行協同控制，實現供應鏈系統的總目標。

為簡化問題，在所建模型中，追溯信息流只針對生產和加工階段節點實現，其余階段節點的實現方法與此類似，論文涉及系統共有14個庫所和14個變遷組成，14個變遷中T6、T7、T8、T9、T11為瞬時變遷，T0、T1、T2、T3、T4、T5、T10、T12、T13為時延變遷，各庫所和變遷的含義。

模型主要包含1個物質流、2個追溯信息流、2個追溯請求控制流以及7個系統復位控制流，其中P0-T0-P1-T1-P2-T2-P3-T3-P4描述了供應鏈物質流的流動方向；追溯信息流由①P4-T5-P12-T13-P0-T8-P9和②P4-T4-P11-T12-P1-T6-P8構成，其中，①為對生產階段信息的追溯，②為對加工階段信息的追溯；追溯請求控制流由追溯請求端P5、P6，以及禁止弧P7-T6、P10-T8組成，追溯請求只有在表示產品的Token進入到消費階段節點時才能發起，由于禁止弧的抑制作用，模型按正常的物質流方向運行，在追溯條件滿足，并發起追溯請求的情況下，P7或P10中的抑制Token離開，抑制作用消失，物質流轉變為追溯信息流，Token將沿信息流的方向流動，并到達信息接收端P8或P9。為便于系統的連續運行，在模型中添加了T7-P0、T9-P0和T7-P7、T9-P10、T4-P6、T5-P5的系統復位控制流。

圖1 可追溯果蔬農產品供應鏈主狀態流程

圖2 可追溯農產品供應鏈系統的GSPN模型

圖3 狀態空間可達模型分析

2 基于GSPN的可追溯果蔬農產品供應鏈模型的運行仿真分析

在PIPE軟件中對所建立的GSPN模型進行運行分析，可得到如圖3所示的模型狀態空間的可達圖，可以看到紅色實存狀態表示的物質流和藍色消失狀態表示的兩條追溯信息流。

2.1 時間性能分析

單位時間進入子系統的Token數γ等于經過T0輸出的Token數，因為T0的轉移速率λ1=4，所以：

則供應鏈物質流子系統的平均執行時間T=N/ γ=1.019/0.452=1.085（單位時間），用同樣方法求得模型中兩個追溯信息流子系統的平均執行時間，分別為0.709和0.649，所得結果為理論計算值，取決于前面設定的各變遷的轉移速率，平均執行時間的大小主要反映供應鏈各子系統的執行效率。

2.2 運行效率優化

變遷利用率的大小對于系統運行和風險定位具有一定的指導意義，利用率高的環節可能就是追溯系統的瓶頸，需要重點管理和監測。由計算結果，目前加工和銷售的T1和T3是系統的瓶頸環節。該結果仍由前面設定的變遷轉移速率λ決定，該轉移速率可以根據實際運行系統的測定，或在進一步實現各階段節點的下層模型后，將運行結果向上層傳遞得到。

3 結論

論文建立了基于GSPN的可追溯農產品供應鏈系統模型，實現了物質流、信息流和控制流的協同運行，并對其運行性能進行了初步的定量分析，結果表明，GSPN模型能夠準確描述供應鏈系統的運行過程，以及各種狀態與條件之間的約束關系，能夠對系統中流動的物質流、信息流和控制流等實現模型化，是進行管理系統建模分析的理想數學模型語言，對農產品供應鏈和追溯系統建設具有指導意義。

[1] 張偉．果蔬農產品供應鏈追溯系統研究．西南交通大學，2012

[2] 劉鵬，屠康．稻米質量安全追溯過程FMECA研究．中國糧油學報，2010，11：8～12

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

[4] 錢建平，劉學馨，楊信廷，等．可追溯系統的追溯粒度評價指標體系構建．農業工程學報，2014，01：98～104

2014江蘇高校協同創新中心現代園藝工程技術項目；2016江蘇農林職業技術學院科技項目（2016 kj016）