基于扩展Petri网的新疆肉牛养殖溯源模型设计

王森+李志刚

摘要： 在“一带一路”时代背景下，新疆的畜牧业发展迎来春天，且伴随着人们生活水平的不断提高，对食品质量安全更为关注。针对新疆的肉牛养殖环节，构建、验证基于扩展Petri网的肉牛养殖工作流模型，并结合射频识别（radio frequency identification，RFID） 技术搭建溯源模型，该模型可提高数据采集的效率与精度，加快肉牛养殖企业的信息化、自动化建设步伐，实现肉牛养殖过程的可追溯性。

关键词： 肉牛养殖；溯源模型；扩展Petri网；RFID技术

中图分类号： S126 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2016）03-0413-04

当前全世界有穆斯林人口超16亿人，食用清真食品的大概有20亿人，约占世界人口的1/5，且呈快速增长趋势，食用清真食品人口的不断增多，给包括中国在内的发展中国家提供了前所未有的市场机遇。新疆地处我国西北边陲，与哈萨克斯坦、塔吉克斯坦、吉尔吉斯斯坦、巴基斯坦等中亚国家接壤，共有28个边境通商口岸，历来以畜种优良、畜产品丰富而闻名，许多穆斯林及周边国家对新疆活畜及肉类产品非常感兴趣，再加上“陆上丝绸之路”的战略定位，促使了新疆现代物流业的快速发展，为新疆牛羊肉走出国门、走向中西亚、俄罗斯、欧洲各国提供了可能。但是，新疆肉牛规模化、标准化饲养及科学育肥技术的推广应用程度仍比较低，全国年出栏肉牛1 000头以上的规模养殖场约750个，新疆有11个，仅占全国的1.5%；肉牛标准化饲养及育肥技术入户率不足10%，绝大多数采用传统粗放的养殖方法。另外，从畜牧业的科技含量看，内蒙古自治区达到58.9%，山东省为68.1%，而新疆仅为30%[1]。

新疆从2005年开始建立农产品的质量安全监测监管体系和法规。目前，学者们主要集中在对养殖、屠宰、流通、销售的整体研究，并以构建溯源系统为最终目的。王烁等针对新疆高档牛肉提出，以射频识别（radio frequency identification，RFID）与条形码技术结合标志牛肉全过程的质量安全溯源，消费者可以从牛肉的溯源号追溯到养殖信息、饲料兽药信息、屠宰批次号、屠宰信息及流通和销售信息等[2]。王烁等构建的肉牛养殖过程信息管理系统、肉牛产品加工过程信息管理系统，是基于多模式的肉牛产品质量安全溯源系统而开发的，可为消费者提供 POS 机、网络、短信等多渠道的溯源信息服务[3]。李天斗等通过对养殖、屠宰、加工、销售等环节进行分析，为新疆牛肉可溯源系统的开发应用提供结构化设计依据[4]。焦光源以牛肉供应为研究对象，构建了1套基于NET的新疆生鲜农产品质量安全追溯原型系统[5]。

肉牛养殖环节作为屠宰、加工、流通等环节的基础，是可追溯的真正源头，当前没有专门针对肉牛养殖环节而构建的溯源模型。本研究旨在分析肉牛的养殖环节，构建肉牛养殖工作流模型，并利用先进的RFID识别技术，针对肉牛养殖过程中的关键数据进行产品识别记录，建立追溯档案，从而构建1套行之有效的溯源模型。

1 溯源模型设计思想及相关概念

国际标准化组织（ISO）定义，可追溯性是指通过记录标志装置来跟踪实体历史、应用或位置的能力[6]，是一种确保食品安全和质量、减少与召回相关成本的有效方法[7]。根据《食品安全追溯标准要求》（ISO 22005），基于向上和向下的原则，每个公司都应知道其供应商和客户[8]。Senneset等发现，为实现可追溯性，生产过程中必须记录可追踪单元的身份和这些单元的所有转换[9]。

20世纪60年代，卡尔·A·佩特里发明了Petri网，这是一种适于对具有异步并发特征的离散事件进行模拟、分析、设计和控制的图形数学工具，目前在制造系统、通信网络、数字电路综合与验证等领域得到广泛应用[10-12]。经典的Petri网是简单的过程模型，由库所和变迁2种节点、有向弧、令牌等元素组成。为解决经典Petri网中测试库所中没有零令牌、模型容易变得庞大、模型不能反映时间内容、不支持构造大规模模型等问题，高级Petri网在令牌着色、时间、层次化、时序方面进行扩展，可达树方法通过枚举方式穷尽生成Petri网的所有可达标志向量，并以树结构形式表示Petri网的可达状态空间，进而判定相应的活性、安全性、有界性、可达性等性质。

肉牛养殖溯源模型既要保证养殖过程的可追溯性，又可以在养殖过程中实现追溯数据的采集。首先对肉牛的养殖过程进行分析，根据具体的养殖过程，建立肉牛养殖场架子牛育肥过程工作流逻辑网；其次，由工作流逻辑网生成肉牛养殖过程工作流网，对各对象内部的Petri网进行化简、整合，即将全网转化为经典的Petri网；最后，将简化的Petri网绘制可达树进行进一步验证。在溯源数据采集方面，根据影响肉牛质量安全的因子确定追溯单元，构建溯源体系，并结合RFID相关技术，搭建溯源模型。

2 基于扩展Petri网的肉牛养殖工作流模型

工作流是对业务进程的形式化描述，包括描述任务间因果依赖与规章依赖等依赖关系的工作流逻辑和在此逻辑上增加显性内容的工作流语义。对肉牛养殖过程利用工作流的方法进行业务过程的建模和深入分析，不仅可以规范业务流程，发现业务流程中不合理的环节，进而对业务流程进行优化重组，而且能够丰富其知识库和规则库，全面提高其信息化与自动化的程度，增强企业的核心竞争力。

2.1 基于扩展Petri网的肉牛养殖工作流模型分析

工作流网中，库所对应过程中的条件，变迁对应过程中的可执行活动，库所中的令牌代表1个过程实例的状态。养殖场从引进架子牛到育肥成牛出栏的过程，主要由兽医、饲养员这2个角色的工作人员完成，即工作流模型涉及兽医、饲养员这2个物理对象，与之相对的子网系统也有2个，即兽医职能类子网（O1）、饲养员职能类子网（O2）（图1）。由图2可见，消息缓冲库所IM1和OM1之间为兽医职能类子网（O1）；消息缓冲库所IM2和OM2之间为饲养员职能类子网（O2）。

2.2 模型验证与实证

对兽医职能类子网（O1）、饲养员职能类子网（O2）2个子网分别化简、整合，得到肉牛养殖流程模型（图3）。由图4可见，所有的变迁均出现在可达树中，Petri网中不存在死锁；位置标志只包含0、1这2个元素，Petri网有界、安全；Petri网能正常结束，且结束状态只在E库中有令牌。因此，该模型能正常运行，是合理的。

3 基于RFID技术肉牛养殖溯源模型的实现

3.1 构建肉牛养殖过程的追溯单元体系

在肉牛养殖过程中，对肉牛的质量构成危害的主要因素有兽药、消毒药品、免疫药品以及饲料添加剂，因此，本研究将这些影响因子定义为追溯单元，将其整理构成肉牛养殖过程的追溯单元体系（表1）。

3.2 肉牛养殖溯源模型的具体实现

传统的数据采集多采用手工记录、输入、存档，耗时、耗力且容易出错，效率低下。本模型将采集的数据自动传输到服务器进行存储，并在各种终端可实时查询，方便快捷，可以实现肉牛养殖过程的可追溯性（图5）。

3.2.1 RFID电子标签 电子标签由芯片及天线组成，附着在物体上标志目标对象，每个电子标签具有唯一的电子编码，存储被识别物体的相关信息。本模型中，饲料、饲料添加剂、兽药、消毒药品、免疫药品采用条形码作为电子标签，存储其各自的名称、产商、批次及使用说明；利用中华人民共和国居民身份证对养殖场人员身份进行认证；用耳标对架子牛进行识别，并与数据库进行相关联。

3.2.2 适配器 在大型养殖场中，读写设备千差万别，通信协议多种多样，为屏蔽硬件差异，RFID 中间件必须兼容各种读写设备。本模型为每种读写设备增加1个适配器，当需要增加或减少读写设备时，只需对适配器进行修改即可，从而降低了系统的耦合程度。适配器能够提供一个统一、可扩展的接口，中间件通过应用适配器实现对读写设备的统一管理。

3.2.3 RFID读写器 RFID读写器别称阅读器（Reader）或询问器，是读取和写入电子标签内存信息的设备。RFID系统工作时，一般先由读写器发射一个特定的询问信号，当电子标签感应到这个信号，就会给出应答信号，应答信号中含有电子标签携带的数据信息；读写器接收到应答信号，对其进行处理，并将处理后的应答信号返回给外部主机，进行相应操作。

3.2.4 RFID中间件 射频识别RFID中间件（Middleware）处于读写器与后台网络的中间，扮演RFID硬件和应用程序之间的中介角色，是RFID硬件和应用之间的通用服务，能够实现对读写设备的配置、管理及监控等功能。在实际应用中，上层应用关心的是有用数据，而真正采集过程中，由于读写器

读取的频率高，一个标签会被重复多次读取而只有一次有用，这样会消耗大量计算资源。为减轻上层应用系统的负担，需要中间件对原始数据进行冗余处理，对采集到的数据进行过滤。由于某些因素，读写器偶尔还会读到一些根本不是系统所需要的数据，这时还需要对冗余处理后的数据进行平滑处理。

3.2.5 RFID数据库 从每头架子牛进入养殖场开始，为其生成1个身份证号，并建立个体档案存放于服务器中，身份证号、耳标、个体档案相关联。在养殖过程中，利用RFID读写器，根据追溯单元采集数据，并经过中间件对数据进行处理，将数据存放到个体档案中。

4 结语

对肉牛养殖环节的溯源流程进行研究分析，构建了基于扩展Petri网的肉牛养殖工作流模型并对其进行验证，证明了养殖过程的可追溯性。确定肉牛养殖过程的追溯单元，根据追溯单元构建追溯单元体系，在此基础上，利用RFID 技术构建溯源模型，该模型可以集中管理配置并兼容不同标准的读写设备，有效采集追溯单元上的数据，并对大量原始数据进行过滤处理、冗余处理及数据平滑处理，减少读写器向应用程序传输的数据量，提高数据采集精度，整体提高了系统的可溯源效率。但是本模型还比较简单，在数据采集方面，RFID 数据的安全性需要进一步解决，系统高层应用开发也有待加强。

参考文献：

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[2]王 烁，刘世洪，郑火国，等. 新疆牛肉可追溯系统研究与实现[J]. 安徽农业科学，2013，41（26）：10856-10859，10861.

[3]王 烁，刘世洪，郑火国，等. 新疆特色牛肉质量安全可追溯系统的研究与应用[J]. 江苏农业学报，2014，30（3）：682-684.

[4]李天斗，陈新文，温希军. 新疆牛肉可溯源系统中养殖屠宰的信息流分析[J]. 农业网络信息，2014（5）：112-114.

[5]焦光源.新疆生鲜农产品质量安全追溯系统的设计与实现[D]. 石河子：石河子大学，2014.

[6]European Committee for Standardization. EN ISO 8402-1995 Quality management and quality assurance：vocabulary[S]. International Organization for Standardization，1995.

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[8]ISO 22005—2007 New ISO standard to facilitate traceability in food supply chains[S]. International Organization for Standardization，2007.

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