基于Petri網的新生報到流程建模優化分析

許濤

摘 要：為了讓新生報到更加高效和便捷，基于Petri網的相關理論，提出了基于Petri網的新生報到流程模型優化分析。通過庫所與變遷之間的交互關系，分析各流程節點間的行為，參考新生報到時的具體情況和學校的相關要求，讓學校投入的大量的人力和物力能夠最大限度發揮作用，優化新手入學報到流程，提高新生報到的效率，提升學生報到的體驗。最后通過WoPeD仿真驗證了優化后的模型具有良好的性質。

關鍵詞：Petri網;建模;優化;新生報到

中圖分類號：TP391.9? 文獻標識碼：A? 文章編號：1673-260X（2022）02-0005-04

0 引言

迎新工作是高校的一項重點工作，既繁重又復雜，因此運用Petri網的相關理論對原有模型進行分析優化就顯得尤為重要。迎新過程中各部門協調困難，數據信息相對獨立，部分工作具有依賴性，增加了相關工作的難度。現在，Petri網在各行各業都有學者做相關應用[1-6]，也有學者對新生報到流程進行分析：文獻[7]針對學校在新生入學報到時的繁瑣的工作，利用“5W1H”及“ECRS四原則”分析了存在的主要問題，提出了改進方案。文獻[8]針對新生報到過程的特點，從中提取除了出了新生報到時的主要流程，建立適于學院的新生入學報到系統。文獻[9]本文通過Web的信息管理系統，從系統的需求分析，提高學生入學報到效率。文獻[10]模擬測試應使用UML集成建模語言進行。根據管理部門的需求，分析迎新中各個部門與學生的相關聯系，并創建功能模型，分階段創建功能模型，創建對象模型。利用Petri網對學生入學報到流程進行研究尚未見到相關報道。

本文基于Petri網相關理論知識，建立了新生報到流程的模型，涵蓋學生信息登記、學生繳費、服裝領取、宿舍登記基本流程。并在此基礎上對原流程模型進行了優化分析，主要從新生辦理入學的效率低、現場秩序混亂和各個機構信息不共享等方面入手，并用WoPeD軟件分析優化后模型的合理性和有效性。

1 Petri網基本概念

業務流程可以用很多建模語言建模，包括UML活動圖、業務流程建模符號（BPMN）、事件驅動流程鏈（EPCs）、Petri網等？盡管過程建模語言有很多種，但是各種建模語言都遵循著特征圖結構，只在邊緣類型和節點類型上表現不同。在本文中，我們使用Petri網作為過程建模語言。

Petri在描述和分析系統和過程模型方面具有天然的優勢。其特點是同步性、非對稱性、分布性、并行性、不確定性和隨機性。作為形式化建模工具，Petri網可以作為過程圖和圖形仿真系統的可視化通信工具，利用token來表示系統的動態和同步行為，也可以用數學方法建立方程，例如在代數行為方程中建立數學模型。

定義1[11]（流程模型Petri網） 一個流程模型Petri網，PM=（P，T，F，C，s，e）是一個六元組，滿足下列條件：

（1）P是有限庫所集，T是有限活動變遷集;

（2）P≠?，T≠?，且P∩T≠?;

（3）F?（P×T）∪（T×P）表示PN的流關系且（P∪T，F）是強連通圖;

（4）dom（F）∪cod（F）=P∪T，其中：

dom（F）{x∈P∪T|y∈P∪T，（x，y∈F）}

cod（F）={x∈P∪T|y∈P∪T，（x，y∈F）}

（5）C={and，xor，or}是流程網的結構類型;

（6）M0是過程網的首個標識;

（7）Mi是網的最后一個表示終止的標識，且Mi是死標識;

（7）s∈T，e∈T是分別表示流程開始和終止的變遷。

稱這是符合條件的流程模型Petri網。在此定義上，我們定義了網的前集和網的后集。

定義2[12]（變遷發生規則） 一個四元組PN=（P，T;F，M0）稱為Petri網，并具有下面的變遷發生規則：

（1）變遷t∈T符合發生條件，當且僅當對？p∈t：M（p）≥1，記作M[t>;

（2）當前標識是M，當變遷t發生之后，會得到一個新的標識M′，記作M[t>M′，則有

M′（p）=M（p）+1，p∈t′-′t

M（p）-1，p∈′t-t′

M（p），其他

Petri網的基本結構有四個[13]。順序結構：模型內的庫所和變遷有嚴格的執行順序，如圖1所示;選擇結構：模型內的變遷具有排他性，如圖2所示，t0和t1屬于不能同時發生;并行結構：模型內的變遷具有并行關系，如圖3所示;循環結構：模型內的某一個變遷在一定條件下可以執行多次，如圖4所示。

2 基于Petri網的新生報到流程建模

高校新生入學報到具有時間集中且報到人數多、入學報到流程復雜等特點。因此，減少新生報到時間，設計更為高效率的報到流程以提升學生滿意度，讓學校各部門協同運作，打破“信息孤島”并降低成本顯得尤為重要。

如圖1給出了新生報到流程模型圖，圖1是由繪圖軟件Microsoft Visio繪制。這個模型主要由四流程組成：學生登記、學生繳費、服裝領取、宿舍登記，其中ti表示不同的變遷（事件）。根據某高校新生入學報到流程，基于Petri網建立了下圖一所示傳統體檢原始流程模型（簡稱原模型）：

學生登記流程：學生首先由志愿者帶領到迎新處（t0發生），在學生信息登記處，出示錄取通知書，然后登記學生的詳細信息，工作人員會發放校園一卡通，按照順序結構依次執行，也就是發生t1、t2、t3、t4發生后，學生登記流程結束。

學生繳費流程：在學生繳費處，先到達收費處（t5發生），此時有一個選擇結構，有兩種可能發生的情況，第一種：發生t6未繳費，在這種情況下學生需要排隊等待繳費，在窗口繳納學費和住宿費，繳費完畢后，工作人員發放收據，學生憑借收據可進行學籍注冊，按照順序結構發生t7、t8、t9、t10;第二種：該學生已助學貸款，直接進入綠色通道（t12發生），憑借助學貸款回執就可以直接進行學籍注冊，按順序結構依次發生t11、t11、t13、t10，緊接著t11（已助學貸款）發生，按順序結構依次發生t12、t13、t14、t15，至此學生繳費流程結束。

服裝領取流程：在服裝領取處，先排隊等待，在軍訓服的費用繳納完畢后，領取收據，憑借收據，領取軍訓服，也就是按照順序結構依次發生t14、t15、t16、t17、t18，領取流程流程結束。

宿舍登記流程：學生到達學生公寓門衛處t19發生，按照順序結構t20（登記個人寢室信息）發生，此時的選擇結構又有兩種情況，第一種：如果選擇住宿舍，那么工作人員會錄入寢室信息，之后在公寓的門衛處就能領取鑰匙，此時t23（登記個人寢室信息領寢室鑰匙并入住）發生，也就是按照順序結構t21、t22、t23依次發生;第二種：如果不選擇住宿舍（發生t24），學生需要辦理走讀手續（發生t25）。至此宿舍登記流程結束。

3 模型優化

通過圖5可以看出，Petri網可以將技術與流程管理進行結合，簡單直觀地優化系統，不斷改進和創新，并能產生不錯的社會效益。通過系統分析學生入學情況，我們可以找到一些可行的解決方案，提高各部門協作和信息交流，將報到流程簡化，以提高學生報到效率，從而降低新生報到時高校耗費的巨大資源。而圖5中我們可以看出報到流程存在很多可以優化的地方：

（1）學生入學報名信息化不夠充分。原模型中學生只能在進入學校才開始繳費，如果在進入校門之前繳費可以使排隊的人數大大較低，從而讓迎新工作更加順利。

（2）在模型中可以發現，由于各部門獨立管理新生數據，部門之間數據缺乏統一性，導致迎新流程節點增多，造成信息冗余，大大地增加迎新工作的負擔。因此，學校通過信息系統的建設加強部門的協作，實現了數據的共享（包括學生的個人信息和繳費信息等），可以有效提升迎新的效率。

針對上面的分析，我們對新生報到流程原模型進行了優化。圖6是通過Microsoft Visio繪制而成的新生報到流程優化后模型圖，可以看出，為了充分利用信息化優勢，也為了使繳費效率更高，添加了線上繳費t0、t1、t2，在進入校門前，有相當一部分學生已經繳費成功，大大緩解繳費處的排隊現象。將學費、住宿費和軍訓服費通過信息系統統一進行繳納，可以減少繳費的步驟，簡化流程。在宿舍登記流程中，我們和剛進入校門的登記個人詳細信息t5的信息是互通的都用了t8（登入個人信息系統）打破了信息孤島，這樣在錄入學生信息時不用重新輸入，可以直接在需要添加信息的地方補充。

4 仿真模擬實驗

如圖7所示，將流程在Petri網分析軟件WoPeD（Workflow Petri Net Designer）上進行模擬通過Semantical analysis可以驗證模型是否是有界的、安全的以及無死鎖的。實驗結果如圖8，該結構能夠滿足有界性、安全性、無死鎖，可以看出優化后的模型是正確并可行的。

5 結語

本文在Petri網的基礎上對新生報到流程進行優化。基于Petri網的相關知識對原模型進行了優化，優化后的模型能夠提高新生入學報到的效率，分流人群，有效減少現場報到環節，使部門之間溝通更加有效，人力資源最大化利用，可以使新生入學登記期間有效和適當地開展所有工作。在建模和優化上仍然存在許多問題，在將來的研究中等待解決，例如在Petri網及其行為輪廓的基礎上，結合高校的具體入學登記流程對優化后的模型進行一致性、合理性分析，以得到更好的模型。

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收稿日期：2021-11-03

基金項目：國家自然科學基金（61402011）

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