基于面向對象Petri網的冷鏈物流追溯系統建模研究

王娟 秦江濤

摘 要：針對冷鏈產品溯源難，冷鏈運輸存在“斷鏈”等問題，以冷鏈物流企業為主要研究對象，分析其業務流程，結合模塊化思想，構建冷鏈物流追溯系統的面向對象Petri網（OOPN）模型。對構建的OOPN模型及其子網模型進行結構和動態性質分析，證明構建的模型是合理的，并具有高度的可重用性和可維護性，為實現冷鏈產品流通過程的層層追溯提供了新思路和方法。

關鍵詞：面向對象;冷鏈物流;冷鏈追溯;OOPN

中圖分類號：F252? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? 文章編號：1673-291X（2021）12-0106-03

引言

近年來，隨著經濟的發展和人們生活質量要求的提升，冷鏈物流行業發展迅速。2019年，我國冷鏈物流行業的市場規模約3 391億元，同比增長17.6%。但由于我國冷鏈系統開始建設時間晚，基礎設施薄弱，“斷鏈”問題依然嚴峻，實現冷鏈追溯依然任重道遠。冷鏈物流追溯系統作為冷鏈追溯系統的組成部分，是保證冷鏈產品在流通過程始終處于冷鏈狀態的關鍵環節。因此，研究冷鏈物流系統的業務流程[1]、可用技術[2～4]、管理方法[5]等，實現冷鏈產品可追溯成為一個研究熱點。本文主要研究冷鏈物流企業的業務流程，建立冷鏈物流追溯系統的面向對象Petri網（Object Oriented Petri Net，OOPN）模型，實現層層追溯，以期能及時發現“斷鏈”點，有效降低冷鏈“斷鏈”問題造成的損失。

一、面向對象Petri網

Petri網由德國數學家Carl Adam Petri與1962年在其博士論文中提出，是一種用于描述離散式分布系統的數學建模工具，適合于信息流系統的建模[6]。經過多年發展，各國學者基于不同的研究需求和應用場景，在Petri網中引入層次、時間、顏色等因素，逐漸形成豐富的高級Petri網理論體系。OOPN方法將面向對象思想與Petri網相結合，將系統的各個功能模塊化并建模，實現模型的高度可復用性與可操作性，同時能夠降低模型的規模。相關定義如下：

定義1：設N={1，2，…，n}，面向對象Petri網為三元組：OOPN=（O，R，G）。其中：O={Oi|i=1，2，…，n}是系統內所有對象的集合，n為對象的個數;R={Rij|i，j=1，2，…，n;i≠j}是系統內對象間信息傳遞關系集合;G={Gij|i，j=1，2，…，n;i≠j}是系統內對象間信息傳遞的變遷集合，稱為門變遷，表示對象Oi—Oj的門，作用是保證對象間的通信（信息傳遞）[7]。

定義2：對象Oi為多元組：Oi=（Pi，Ti，Fi，Ki，Wi，Mi0）。其中，Pi是Oi內有限活動狀態庫所集;Ti是Oi內變遷的有限集合;Fi是Oi內庫所與變遷的流關系，即Fi？哿（Pi×Ti）∪（Ti×Pi）;Ki是Oi內活動狀態庫所的容量函數;Wi是Oi內有向弧的權函數;Mi0是Oi的初始標識[7]。

二、基于OOPN的冷鏈物流追溯系統建模

（一）冷鏈物流追溯系統業務流程分析

冷鏈物流涉及冷鏈產品的生產、貯存、運輸、銷售，直到消費者手中的各個環節，流程眾多，是一項大規模的、復雜的系統工程。但其中最重要的兩個環節是運輸和貯存，在這兩個環節中均起重要作用的無疑是冷鏈物流企業。因此，本文構建的冷鏈物流追溯系統主要關注冷鏈物流企業在冷鏈產品流通中的業務流程，對業務流程進行模塊化劃分，將各個模塊看作一個對象建立子網模型，再考慮各個對象間的信息傳遞建立冷鏈物流追溯系統的OOPN模型。

冷鏈物流企業的業務流程有：業務部門接收冷鏈托運單，評估通過后提交給運輸部門。運輸部門進行冷鏈運輸設備的調度，上門攬貨，對驗收合格的冷鏈產品進行全程冷鏈運輸，并將產生的監測數據傳遞給冷鏈追溯平臺，入庫預約信息傳遞給內部或外部的倉儲部門。倉儲部門做入庫準備，驗收合格后入實時監控的冷藏庫并形成下次運輸的單據，將監測數據傳遞給冷鏈追溯平臺，運輸單傳遞給運輸部門。

根據業務流程分析及其發生的先后順序，冷鏈物流追溯系統可抽象出六個對象：外部系統對象O1，冷鏈物流企業的業務部門對象O2，冷鏈物流企業的運輸部門對象O3，冷鏈物流企業的倉儲部門對象O4，冷鏈追溯平臺對象O5，外部系統倉儲部門對象O6。

（二）冷鏈物流追溯系統OOPN模型

根據業務流程以及抽象出的對象，可建立冷鏈物流追溯系統的OOPN模型如圖1所示。該模型賦予冷鏈物流企業的運輸部門和倉儲部門更多的責任：在冷鏈產品運輸或存儲前進行驗收。不僅要保證冷鏈產品流通量的一致性，還要保證冷鏈產品流轉到該環節時仍處于冷鏈狀態且之前的流轉過程中不存在“斷鏈”現象。這種層層追溯排查的機制有助于及時發現冷鏈異常情況并及時解決，降低“斷鏈”風險和經濟損失。

圖1中，庫所元素代表的含義為：P1為外部系統發來的冷鏈托運單;P2為業務部門接收的冷鏈托運單;P3為承接的冷鏈托運單;P4為未承接的冷鏈托運單;P5為運輸部門接收到的運輸單;P6為冷鏈設備調度完成;P7為攬收到的貨物;P8為冷鏈追溯信息;P9為合格的貨物;P10為不合格的貨物;P11為入庫預約單;P12為監測數據;P13為倉儲部門接收到的入庫預約單;P14為收到的貨物;P15為合格的貨物;P16為不合格的貨物;P17為在庫的冷鏈貨物;P18為運輸單;P19為監測數據;P20為外部系統接收到的入庫預約信息。變遷元素代表的含義為為T1為托運單承接評估;T2為冷鏈運輸設備（冷藏車、冷藏箱、冷鏈航空等）調度;T3為攬收;T4為驗收;T5為全程冷鏈運輸/監測;T6為入庫準備;T7為驗收;T8為入庫存儲/暫存;T9為冷藏庫實時監測/編制運輸單。門變遷代表的含義為為G12為外部系統將托運單發送給冷鏈物流系統的業務部門;G23為業務部門將承接的訂單發送給運輸部門;G34為運輸部門將入庫預約單發送給倉儲部門;G43為倉儲部門將運輸單發送給運輸部門;G36為運輸部門將入庫預約單發送給外部系統;G35為運輸部門將監測數據發送給冷鏈追溯平臺;G45為倉儲部門將監測數據發送給冷鏈追溯平臺。

三、OOPN模型性質分析

對Petri網模型進行性質分析，是檢驗模型是否合理的重要方法。Petri網模型的性質分為結構性質和動態性質，包括可達性、有界性、活性、公平性、守恒性等，分析方法有關聯矩陣、可達標識圖等[8]。由于冷鏈物流追溯系統的OOPN模型較為復雜，直接分析會導致計算維數災難。因此，選取冷鏈物流企業的運輸部門對象O3作為分析對象，構造O3子網的關聯矩陣和可達標識圖進行分析，分別如圖2和下頁圖3所示，其他子網的分析方法與之類似。

根據關聯矩陣、可達標識圖和Petri網理論，可分析出O3子網模型有以下性質。一是可達性。由可達標識圖可知，對于任意的M3i，M3j∈R（M30），M3i至M3j存在一條有向路，M3j是從M3i可達的，即模型是可達的。二是活性。由于模型是可達的，所以子網中的每一個變遷都有可能發生，即是活的，因此模型也是活的。三是有界性。可達標識圖中的每一個可達向量均不含有無界量，因此模型是有界的。四是安全性。由于模型是有界的，且模型的界B（O3）=max{B（Pi）}=1，因此模型是安全的。五是守恒性。結合Petri網理論和關聯矩陣，計算可知存在m維非負整數向量YT=[1 1 1 1 0 1 0]，使得AY=0，因此模型是守恒的。

結語

本文運用面向對象Petri網方法構建冷鏈物流追溯系統的OOPN模型，對模型性質進行分析，可知所建立的模型是合理的，每一個子網模型均具有高度的可重用性，并且極易擴展，若是冷鏈產品經歷多層流通，僅需在新構建的模型中復用現在的子網模型或增加新的子網模型即可，無須改變現有模型的結構。在未來的研究中，筆者會考慮在模型中加入時間、顏色等元素，使得能對模型進行定量分析，更好地描述冷鏈物流追溯系統。

參考文獻：

[1]? 徐亮，劉勤明，魏紫鈺，張偉洋，李冠林，林原.城市食品冷鏈物流B2B/B2C融合共配流程再造研究[J].物流科技，2020，（1）：149-154.

[2]? 陳志新，董瑞雪，盧成林，郝宇楠，王毅斌，梁世曉.基于雙模定位的冷鏈物流實時監測系統[J].保鮮與加工，2019，（5）：178-184.

[3]? 王東.區塊鏈技術在農產品冷鏈物流管理中的運用[J].食品工業，2020，（9）：423.

[4]? 劉陽陽.大數據驅動生鮮農產品供應鏈模式創新與運作優化[J].商業經濟研究，2020，（16）：150-152.

[5]? 張濱麗.食品冷鏈物流系統的協同管理研究[J].食品研究與開發，2016，（21）：215-218.

[6]? 李孝忠，張德龍.基于面向對象Petri網的BPM系統建模[J].江蘇大學學報：自然科學版，2013，（3）：298-303.

[7]? 朱正月，陳增強.基于面向對象時間Petri網的智能電商物流服務系統建模[J].智能系統學報，2018，（2）：303-313.

[8]? 朱正月，陳增強.物聯網中的智慧溯源服務系統Petri網建模與分析[J].智能系統學報，2017，（4）：538-547.

Abstract：In view of the difficulties in traceability of cold-chain products and the problems of “broken chain” in cold chain transportation，this paper takes cold-chain logistics enterprises as the main research object，analyzes their business process，and constructs the Object Oriented Petri Net（OOPN）model of cold-chain logistics traceability system in combination with the modular idea.The static and dynamic analysis of the constructed OOPN model and its subnet model proves that the constructed model is reasonable and highly reusable and maintainable.It provides a new idea and method for tracing the circulation process of cold chain products layer by layer.

Key words：object oriented;cold-chain logistics;cold-chain traceability;OOPN

[責任編輯 曉 群]