基于GSPN的可追溯果蔬农产品供应链建模与性能优化*

徐佩锋，王昌刚，解振强，薛小松，王彩萍

（1.江苏农林职业技术学院现代园艺工程技术中心，句容 212400；2.江苏农林职业技术学院信息工程系，句容 212400）

基于GSPN的可追溯果蔬农产品供应链建模与性能优化*

徐佩锋1，2，王昌刚2，解振强1，薛小松2，王彩萍2

（1.江苏农林职业技术学院现代园艺工程技术中心，句容 212400；2.江苏农林职业技术学院信息工程系，句容 212400）

建立可追溯系统是保证农产品质量安全问题的有效手段，但单一的追溯模式不能满足和适应不同农产品的追溯需求，因此，定量化的分析和评估措施，是建设适用、高效和可靠的追溯系统的重要保证。论文基于广义随机Petri网（GSPN）理论构建了可追溯果蔬农产品供应链系统模型，实现了物质流、信息流和控制流的协同运行，并对其时间性能和运行效率进行了定量分析和评估，结果表明，GSPN模型能够准确描述供应链系统的运行过程，对农产品供应链和追溯系统的建设具有指导意义。

追溯 供应链 GSPN 建模

根据不同需求构建合理的追溯系统保证农产品质量安全的有效手段，但由此也造成异构追溯系统构建、推广和运维的难度和复杂性增加[1]。目前在农产品追溯系统的建设和实施过程中，对诸如追溯理论、追溯模型的构建等基础性问题研究还较少，相关的研究如刘鹏等将FMECA理论运用于稻米质量安全追溯过程的风险预防和控制研究[2]；琚春华等基于AHP层次分析法，建立了茶叶质量的影响因素模型，构建了茶叶质量影响的追溯路径[3]；钱建平等借鉴信息论中粒度的衡量方法构建了以追溯的精度、宽度和深度为核心的追溯粒度评价指标体系，为追溯系统的差异性评价提供了量化依据等[4]。这些研究借鉴其他工程技术领域的经验，试图通过建立追溯系统的数学模型来进行仿真和分析，以达到降低成本、优化系统及提高效能的目标。

该文从农产品供应链的角度，基于广义随机Petri网（GSPN）理论构建了果蔬农产品供应链追溯的分层系统模型，通过对GSPN中瞬时变迁、时间变迁和终止弧的合理配合，实现了可追溯供应链系统中物质流、控制流和信息流的流动仿真，并结合变迁时延速率信息，对系统的运行性能进行了分析和优化。

1 模型的构建

1.1 果蔬农产品供应链追溯系统模型

从供应链角度分析，可追溯果蔬农产品供应链主状态流程如图1所示，包含生产、加工、运输、销售和消费5个阶段节点，每个阶段节点再细分为各自的子状态流程图，如生产阶段节点，其子流程应由生产者、种植环境、育苗、农事、采收等环节构成，限于篇幅文中不展开讨论；图中细实箭头线为物质流，表示农产品的流向；双箭头线为农产品信息流，每个阶段节点形成各自的属性信息，将之上传至信息中心；细虚箭头线为追溯控制信息流，根据相应的追溯请求，从信息中心获取各阶段节点的属性信息，并反馈给追溯请求端。

1.2 主状态流程的GSPN建模

根据GSPN的定义建立起宏观农产品供应链追溯系统模型，如图2所示，将追溯环节视为农产品供应链系统的组成部分，对系统中物质流、信息流、控制流等子系统进行协同控制，实现供应链系统的总目标。

为简化问题，在所建模型中，追溯信息流只针对生产和加工阶段节点实现，其余阶段节点的实现方法与此类似，论文涉及系统共有14个库所和14个变迁组成，14个变迁中T6、T7、T8、T9、T11为瞬时变迁，T0、T1、T2、T3、T4、T5、T10、T12、T13为时延变迁，各库所和变迁的含义。

模型主要包含1个物质流、2个追溯信息流、2个追溯请求控制流以及7个系统复位控制流，其中P0-T0-P1-T1-P2-T2-P3-T3-P4描述了供应链物质流的流动方向；追溯信息流由①P4-T5-P12-T13-P0-T8-P9和②P4-T4-P11-T12-P1-T6-P8构成，其中，①为对生产阶段信息的追溯，②为对加工阶段信息的追溯；追溯请求控制流由追溯请求端P5、P6，以及禁止弧P7-T6、P10-T8组成，追溯请求只有在表示产品的Token进入到消费阶段节点时才能发起，由于禁止弧的抑制作用，模型按正常的物质流方向运行，在追溯条件满足，并发起追溯请求的情况下，P7或P10中的抑制Token离开，抑制作用消失，物质流转变为追溯信息流，Token将沿信息流的方向流动，并到达信息接收端P8或P9。为便于系统的连续运行，在模型中添加了T7-P0、T9-P0和T7-P7、T9-P10、T4-P6、T5-P5的系统复位控制流。

图1 可追溯果蔬农产品供应链主状态流程

图2 可追溯农产品供应链系统的GSPN模型

图3 状态空间可达模型分析

2 基于GSPN的可追溯果蔬农产品供应链模型的运行仿真分析

在PIPE软件中对所建立的GSPN模型进行运行分析，可得到如图3所示的模型状态空间的可达图，可以看到红色实存状态表示的物质流和蓝色消失状态表示的两条追溯信息流。

2.1 时间性能分析

单位时间进入子系统的Token数γ等于经过T0输出的Token数，因为T0的转移速率λ1=4，所以：

则供应链物质流子系统的平均执行时间T=N/ γ=1.019/0.452=1.085（单位时间），用同样方法求得模型中两个追溯信息流子系统的平均执行时间，分别为0.709和0.649，所得结果为理论计算值，取决于前面设定的各变迁的转移速率，平均执行时间的大小主要反映供应链各子系统的执行效率。

2.2 运行效率优化

变迁利用率的大小对于系统运行和风险定位具有一定的指导意义，利用率高的环节可能就是追溯系统的瓶颈，需要重点管理和监测。由计算结果，目前加工和销售的T1和T3是系统的瓶颈环节。该结果仍由前面设定的变迁转移速率λ决定，该转移速率可以根据实际运行系统的测定，或在进一步实现各阶段节点的下层模型后，将运行结果向上层传递得到。

3 结论

论文建立了基于GSPN的可追溯农产品供应链系统模型，实现了物质流、信息流和控制流的协同运行，并对其运行性能进行了初步的定量分析，结果表明，GSPN模型能够准确描述供应链系统的运行过程，以及各种状态与条件之间的约束关系，能够对系统中流动的物质流、信息流和控制流等实现模型化，是进行管理系统建模分析的理想数学模型语言，对农产品供应链和追溯系统建设具有指导意义。

[1] 张伟．果蔬农产品供应链追溯系统研究．西南交通大学，2012

[2] 刘鹏，屠康．稻米质量安全追溯过程FMECA研究．中国粮油学报，2010，11：8～12

[3] 琚春华，赵琳娟，王蓓．基于AHP的茶叶质量安全因果追溯路径模型——以杭州龙井茶为例．安徽农业科学，2010，03：1509～1512

[4] 钱建平，刘学馨，杨信廷，等．可追溯系统的追溯粒度评价指标体系构建．农业工程学报，2014，01：98～104

2014江苏高校协同创新中心现代园艺工程技术项目；2016江苏农林职业技术学院科技项目（2016 kj016）