【智能系统】物联网中的智慧溯源服务系统Petri网建模与分析

第12卷第4期 智能系统学报 Vol.12 No.4 2017年8月 CAAI Transactions on Intelligent Systems Aug.2017 D0I:10.11992/is.201611031 物联网中的智慧溯源服务系统Petri网建模与分析 朱正月2，陈增强2 (1.安徽电子信息职业技术学院信息与智能工程系，安徽蚌埠233030：2.南开大学计算机与控制工程学院，天津 300350) 摘要：物联网(IOT)为人类社会的智慧化进程提供了革命性的信息技术，已广泛应用于社会各个领域。智慧农业 是物联网的重要应用领域之一，农产品湖源是智慧农业的一个典型应用。在学习Pr网理论的基础上，围绕物联网 在智慧农业领域的应用实际，结合农产品潮源系统需求，设计了一个基于物联网技术的农产品智慧溯源服务系统架 构，分析了系统的整体业务流程，建立了系统的Ptm网模型。采用关联矩阵和不变量对所建模型的可达性、有界性、 安全性和活性等性质进行了分析，使用PPE工具进行了仿真验证，证明了模型系统的合理性、可靠性和健壮性。 关键词：物联网：农产品：潮源：智慧系统：Pm网：关联矩阵：不变量；仿真分析 中图分类号：TP391文献标志码：A文章编号：1673-4785(2017)04-0538-10 中文引用格式：朱正月，陈增强.物联中网的智慧湖源服务系统Pti网建模与分析[J】.智能系统学报，2017,12(4)：538-547. 英文引用格式：ZHU Zhengyue,CHEN Zengqiang..Petri net modeling and analysis of an intelligent traceability service system based on the Internet of Things[J].CAAI transactions on intelligent systems,2017,12(4):538-547. Petri net modeling and analysis of an intelligent traceability service system based on the Internet of Things ZHU Zhengyue,CHEN Zengqiang? (1.Department of Information and Intelligent Engineering,Anhui Vocational College of Electronics and Information Technology, Bengbu 233030,China;2.College of Computer and Control Engineering,Nankai University,Tianjin 300350,China) Abstract:Applied in different fields,the Internet of Things (IOT)offers revolutionary information technology that can aid the development of human knowledge.Intelligent agriculture is one of the important applications of the IOT and the traceability of agricultural products is one of its typical applications.In this paper,based on the Petri nets theory and the requirements of agricultural product traceability,an intelligent traceability service system of agricultural products,based on IOT technology,is designed.The overall business process of the system is analyzed and a Petri model of the system constructed.An incidence matrix and invariants are adopted to analyze the properties of the Petri net model,which are reachable,bounded,safe,and live.The PIPE tool is applied for simulation and verification,which proves that the model system is rational,reliable,and robust. Keywords:Internet of Things;agricultural product;traceability;intelligent system;Petri nets;incidence matrix; invariants;simulation analysis 物联网、云计算、大数据和移动互联网等新一 设备智能诊断管理等方面，产品安全溯源是其中的 代信息技术，为全球工业化、城市化、智能化进程提 一个重要应用。 供了信息技术和智能技术支撑，物联网已被中国列 当前，国内不少专家学者正致力于物联网技术 入五大战略性新兴产业之一，在智能家居、智能农 应用于产品安全溯源系统的研究工作。钟海)、濮 业、智能工业、智能交通、智能物流、智能环保、智能 永仙)以果蔬类产品为研究对象，基于RFID及条 医疗、智能安防、智能电网等领域已有广泛应用】。 码技术设计并实现了果蔬类产品的质量安全溯源 其中，在智能农业领域的应用主要有农业环境监 系统；张龙青、颜波等5-6)以水产品养殖与供应链 测、气象监测、温室控制、节水灌溉、产品安全溯源、 管理为研究对象，通过RFID、EPC等技术设计并实 现了水产品质量安全溯源及供应链可追溯平台：姬 收稿日期：2016-11-22 基金项目：国家自然科学基金项目(61573199). 五胜等)、刘尧等8别以猪肉类产品为研究对象，以 通信作者：朱正月.E-mail:ahdy-zy@ahdy.edu.cn RFD、EPC和条码等技术设计并实现了猪肉类产品

第 １２ 卷第 ４ 期 智 能 系 统 学 报 Ｖｏｌ．１２ №．４ ２０１７ 年 ８ 月 ＣＡＡＩ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ａｕｇ． ２０１７ ＤＯＩ：１０．１１９９２ ／ ｔｉｓ．２０１６１１０３１ 物联网中的智慧溯源服务系统 Ｐｅｔｒｉ 网建模与分析 朱正月１，２ ，陈增强２ （１．安徽电子信息职业技术学院 信息与智能工程系，安徽 蚌埠 ２３３０３０； ２．南开大学 计算机与控制工程学院，天津 ３００３５０） 摘 要：物联网（ＩＯＴ）为人类社会的智慧化进程提供了革命性的信息技术，已广泛应用于社会各个领域。 智慧农业 是物联网的重要应用领域之一，农产品溯源是智慧农业的一个典型应用。 在学习 Ｐｅｔｒｉ 网理论的基础上，围绕物联网 在智慧农业领域的应用实际，结合农产品溯源系统需求，设计了一个基于物联网技术的农产品智慧溯源服务系统架 构，分析了系统的整体业务流程，建立了系统的 Ｐｅｔｒｉ 网模型。 采用关联矩阵和不变量对所建模型的可达性、有界性、 安全性和活性等性质进行了分析，使用 ＰＩＰＥ 工具进行了仿真验证，证明了模型系统的合理性、可靠性和健壮性。 关键词：物联网；农产品；溯源；智慧系统；Ｐｅｔｒｉ 网；关联矩阵；不变量；仿真分析 中图分类号：ＴＰ３９１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７３－４７８５（２０１７）０４－０５３８－１０ 中文引用格式：朱正月，陈增强．物联中网的智慧溯源服务系统 Ｐｅｔｒｉ 网建模与分析［Ｊ］． 智能系统学报， ２０１７， １２（４）： ５３８－５４７． 英文引用格式：ＺＨＵ Ｚｈｅｎｇｙｕｅ，ＣＨＥＮ Ｚｅｎｇｑｉａｎｇ． Ｐｅｔｒｉ ｎｅｔ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ａｎ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｔｒａｃｅａｂｉｌｉｔｙ ｓｅｒｖｉｃｅ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｆ Ｔｈｉｎｇｓ［Ｊ］． ＣＡＡＩ ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍｓ， ２０１７， １２（４）： ５３８－５４７． Ｐｅｔｒｉ ｎｅｔ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ａｎ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｔｒａｃｅａｂｉｌｉｔｙ ｓｅｒｖｉｃｅ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｆ Ｔｈｉｎｇｓ ＺＨＵ Ｚｈｅｎｇｙｕｅ １，２ ， ＣＨＥＮ Ｚｅｎｇｑｉａｎｇ ２ （１． Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ａｎｈｕｉ Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｂｅｎｇｂｕ ２３３０３０， Ｃｈｉｎａ； ２． Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｎａｎｋａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｔｉａｎｊｉｎ ３００３５０， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｆｉｅｌｄｓ， ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｆ Ｔｈｉｎｇｓ （ＩＯＴ） ｏｆｆｅｒｓ ｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎａｒｙ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｔｈａｔ ｃａｎ ａｉｄ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｈｕｍａｎ ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ． Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ ｉｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ＩＯＴ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｒａｃｅａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｐｒｏｄｕｃｔｓ ｉｓ ｏｎｅ ｏｆ ｉｔｓ ｔｙｐｉｃａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ． Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ， ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ Ｐｅｔｒｉ ｎｅｔｓ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｐｒｏｄｕｃｔ ｔｒａｃｅａｂｉｌｉｔｙ， ａｎ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｔｒａｃｅａｂｉｌｉｔｙ ｓｅｒｖｉｃｅ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｐｒｏｄｕｃｔｓ， ｂａｓｅｄ ｏｎ ＩＯＴ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ． Ｔｈｅ ｏｖｅｒａｌｌ ｂｕｓｉｎｅｓｓ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ａ Ｐｅｔｒｉ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ． Ａｎ ｉｎｃｉｄｅｎｃｅ ｍａｔｒｉｘ ａｎｄ ｉｎｖａｒｉａｎｔｓ ａｒｅ ａｄｏｐｔｅｄ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｐｅｔｒｉ ｎｅｔ ｍｏｄｅｌ， ｗｈｉｃｈ ａｒｅ ｒｅａｃｈａｂｌｅ， ｂｏｕｎｄｅｄ， ｓａｆｅ， ａｎｄ ｌｉｖｅ． Ｔｈｅ ＰＩＰＥ ｔｏｏｌ ｉｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｆｏｒ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ， ｗｈｉｃｈ ｐｒｏｖｅｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｒａｔｉｏｎａｌ， ｒｅｌｉａｂｌｅ， ａｎｄ ｒｏｂｕｓｔ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ： Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｆ Ｔｈｉｎｇｓ； ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｐｒｏｄｕｃｔ； ｔｒａｃｅａｂｉｌｉｔｙ； ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ； Ｐｅｔｒｉ ｎｅｔｓ； ｉｎｃｉｄｅｎｃｅ ｍａｔｒｉｘ； ｉｎｖａｒｉａｎｔｓ； ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ 收稿日期：２０１６－１１－２２． 基金项目：国家自然科学基金项目（６１５７３１９９）． 通信作者：朱正月． Ｅ⁃ｍａｉｌ：ａｈｄｙ⁃ｚｚｙ＠ ａｈｄｙ．ｅｄｕ．ｃｎ． 物联网、云计算、大数据和移动互联网等新一 代信息技术，为全球工业化、城市化、智能化进程提 供了信息技术和智能技术支撑，物联网已被中国列 入五大战略性新兴产业之一，在智能家居、智能农 业、智能工业、智能交通、智能物流、智能环保、智能 医疗、智能安防、智能电网等领域已有广泛应用［１］ 。 其中，在智能农业领域的应用主要有农业环境监 测、气象监测、温室控制、节水灌溉、产品安全溯源、 设备智能诊断管理等方面，产品安全溯源是其中的 一个重要应用。 当前，国内不少专家学者正致力于物联网技术 应用于产品安全溯源系统的研究工作。 钟海［２］ 、濮 永仙［３］以果蔬类产品为研究对象，基于 ＲＦＩＤ 及条 码技术设计并实现了果蔬类产品的质量安全溯源 系统；张龙青［４］ 、颜波等［５－６］以水产品养殖与供应链 管理为研究对象，通过 ＲＦＩＤ、ＥＰＣ 等技术设计并实 现了水产品质量安全溯源及供应链可追溯平台；姬 五胜等［７］ 、刘尧等［８］ 以猪肉类产品为研究对象，以 ＲＦＩＤ、ＥＰＣ 和条码等技术设计并实现了猪肉类产品

第4期 朱正月，等：物联网中的智慧溯源服务系统Ptr网建模与分析 ·539. 质量安全溯源系统平台：杨运平等9)、白红武等[0 是指围绕“从农田到餐桌”的安全管理理念，综合运 XU Hongsheng等-]以农产品为研究对象，以 用多种网络技术、条码识别等前沿技术，具有生产 RFD及二维码等技术设计了一种基于物联网的农 企业（生产基地）、农产品生产档案（产地环境、生产 产品安全溯源系统。 流程、质量检测)管理、检测数据（企业自检、检测中 通过对文献中多种农产品质量安全溯源系统 心抽检)管理、条形码标签设计和打印、基于网站和 的研究，结合社会生产实际，从农产品质量安全溯 手机短信平台的质量安全溯源等功能，实现对农业 源系统实际需求出发，基于RFD、一维码和二维码 生产、加工、流通、销售等环节信息的溯源管理，为 等物联网技术，设计一种农产品智慧溯源服务系统 生产者建立包含生产、物流和销售的可信流通体 基本架构，从增强系统开发人员、使用人员和管理 系，为监管者提供监督、管理、支持和决策的依据， 人员对服务系统的整体认知角度出发，建立农产品 为消费者提供多层次、直接的产品溯源信息【)。 智慧溯源服务系统的Peti网模型，利用关联矩阵和 1.1 系统平台架构设计 不变量等方法对建立的Petri网模型进行可达性、有 在综合分析已有溯源系统的基础上，以农产品 界性、安全性和活性等特性分析，确保模型的合理 安全管理与溯源为目的，从生产者、消费者和监管 性和可靠性，以降低系统设计的错误率，提升系统 者3个群体的利益出发，设计一种基于物联网技术 开发的效率。 的3层架构、B/S模式的农产品智慧溯源服务系统， 以实现对农产品从生产、加工、流通到销售的全程 1 智慧溯源服务系统设计 跟踪与溯源，其系统架构如图1所示。 在托普物联网平台中，农产品安全与溯源系统 加工环节 加工基地 农产品检疫 农产品入场 物流运输 去往流通！物流运输 生产环节 农产品加工 商品出场 生产基地 商品人库 农产品种养 流通环节 环境监测 去往加工 仓储基地 农产品防疫 成熟回收 配送中心团体采购 农产品溯源云平台 ■计算资源■存储资源 批发市场 物流仓库 ■网络资源■数据中心 去往 销售 溯源环节 海 销售环节 销售场所 的 输 网络查询电话查询短信查询终端查询 323 产品专卖店 商品销售 消费人群 超市大卖场 集贸市场 产品流 个体商户 监管者 消费者 信息流 一一一一一一一 图1B/S模式的农产品智慧溯源服务系统架构 Fig.1 Intelligent traceability service platform of agricultural product based on B/S model

质量安全溯源系统平台；杨运平等［９］ 、白红武等［１０］ 、 ＸＵ Ｈｏｎｇｓｈｅｎｇ 等［１１－１２］ 以 农 产 品 为 研 究 对 象， 以 ＲＦＩＤ 及二维码等技术设计了一种基于物联网的农 产品安全溯源系统。 通过对文献中多种农产品质量安全溯源系统 的研究，结合社会生产实际，从农产品质量安全溯 源系统实际需求出发，基于 ＲＦＩＤ、一维码和二维码 等物联网技术，设计一种农产品智慧溯源服务系统 基本架构，从增强系统开发人员、使用人员和管理 人员对服务系统的整体认知角度出发，建立农产品 智慧溯源服务系统的 Ｐｅｔｒｉ 网模型，利用关联矩阵和 不变量等方法对建立的 Ｐｅｔｒｉ 网模型进行可达性、有 界性、安全性和活性等特性分析，确保模型的合理 性和可靠性，以降低系统设计的错误率，提升系统 开发的效率。 １ 智慧溯源服务系统设计 在托普物联网平台中，农产品安全与溯源系统 是指围绕“从农田到餐桌”的安全管理理念，综合运 用多种网络技术、条码识别等前沿技术，具有生产 企业（生产基地）、农产品生产档案（产地环境、生产 流程、质量检测）管理、检测数据（企业自检、 检测中 心抽检）管理、条形码标签设计和打印、基于网站和 手机短信平台的质量安全溯源等功能，实现对农业 生产、加工、流通、销售等环节信息的溯源管理，为 生产者建立包含生产、物流和销售的可信流通体 系，为监管者提供监督、管理、支持和决策的依据， 为消费者提供多层次、直接的产品溯源信息［１３］ 。 １．１ 系统平台架构设计 在综合分析已有溯源系统的基础上，以农产品 安全管理与溯源为目的，从生产者、消费者和监管 者 ３ 个群体的利益出发，设计一种基于物联网技术 的 ３ 层架构、Ｂ ／ Ｓ 模式的农产品智慧溯源服务系统， 以实现对农产品从生产、加工、流通到销售的全程 跟踪与溯源，其系统架构如图 １ 所示。 图 １ Ｂ／ Ｓ 模式的农产品智慧溯源服务系统架构 Ｆｉｇ．１ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｔｒａｃｅａｂｉｌｉｔｙ ｓｅｒｖｉｃｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｏｆ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｐｒｏｄｕｃｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｂ／ Ｓ ｍｏｄｅｌ 第 ４ 期 朱正月，等：物联网中的智慧溯源服务系统 Ｐｅｔｒｉ 网建模与分析 ·５３９·

.540 智能系统学报 第12卷 1.2系统业务流程设计 基础上，考虑到系统的用户角色和权限，也为系统后 农产品从生产到最后消费涉及众多环节，每个环 续实际开发提供良好的软件模型，将系统管理功能设 节都产生大量的信息数据，需要对各类必需的溯源信 计成6个子系统，分别是基础数据管理子系统、生产 息数据进行分析、筛选后记录入系统数据库，以满足 环节管理子系统、加工环节管理子系统、流通环节管 生产者、消费者和监管者3个不同群体人员的溯源查 理子系统、销售环节管理子系统和溯源环节管理子系 询需求。基于物联网技术设计的农产品智慧溯源服 统，各子系统通过溯源协同管理平台实现数据同步与 务系统被划分为生产、加工、流通、销售和溯源5个环 数据交换。基于物联网的农产品智慧溯源服务系统 节。在遵循“高内聚、低耦合”的软件架构设计原则 的整体业务流程如图2所示。 种苗赋码/ 成熟回收 物流运输 种养服务 防疫服务 环 注标入场 服务 服务 99 加 商品入库 出场检验 加工赋码 入场待 加工前 工 服务 服务 注标服务 加工服务 检疫服务 环 通 商品订单 盘点分拣 物流运输 销售商 分拨销售 服务 服务 服务 入库服务 点服务 定价 销售 服务 上架 环 图2农产品智慧溯源服务系统整体业务流程 Fig.2 Overall business process of agricultural product intelligent traceability service system 述方式，也有直观的图形表达方式，不仅可以刻画 2智慧溯源服务系统Peri网建模 系统的结构，而且还可以描述系统的动态行为，它 一个优秀系统的逻辑设计对于一个系统的运 是完全从过程的角度出发为复杂系统的描述与分 行有着举足轻重的作用，可以帮助开发人员发现致 析而设计的一种有效模型工具，是离散事件动态系 命错误并且可以提高系统开发的效率)，健壮的软 统(discrete event dynamic system,DEDS)的描述工 件系统模型是实现一个具有高度灵活性、可靠性、 具，是信息系统建模的重要工具之一，广泛应用在 可实用性、易于操作性的信息服务系统的关键和基 具有并发、并行、异步和随机性质的信息服务系统 础。目前常用的信息系统建模的方法主要有DFD 建模与分析中)。用Petri网可以描述一个系统中 图、UML、OMT建模技术和Petri网等[s。 常见的顺序、迭代、并发和选择等流程，利用Petri网 Petri网16是20世纪60年代由德国科学家 来描述系统模型，从控制和管理角度模拟系统，简 Carl Adam Petri首先提出，在计算机科学技术、自动 化了细节，具有直观的图示、形式化的语义、丰富的 化科学技术、机械设计与制造及其他许多科学技术 表达能力等特点，拥有丰富的分析技术和手段，可 领域，都得到广泛应用。Petri网既有严格的数学表 对建立的模型进行可达性、有界性、活性及安全性

１．２ 系统业务流程设计 农产品从生产到最后消费涉及众多环节，每个环 节都产生大量的信息数据，需要对各类必需的溯源信 息数据进行分析、筛选后记录入系统数据库，以满足 生产者、消费者和监管者 ３ 个不同群体人员的溯源查 询需求。 基于物联网技术设计的农产品智慧溯源服 务系统被划分为生产、加工、流通、销售和溯源 ５ 个环 节。 在遵循“高内聚、低耦合”的软件架构设计原则 基础上，考虑到系统的用户角色和权限，也为系统后 续实际开发提供良好的软件模型，将系统管理功能设 计成 ６ 个子系统，分别是基础数据管理子系统、生产 环节管理子系统、加工环节管理子系统、流通环节管 理子系统、销售环节管理子系统和溯源环节管理子系 统，各子系统通过溯源协同管理平台实现数据同步与 数据交换。 基于物联网的农产品智慧溯源服务系统 的整体业务流程如图 ２ 所示。 图 ２ 农产品智慧溯源服务系统整体业务流程 Ｆｉｇ．２ Ｏｖｅｒａｌｌ ｂｕｓｉｎｅｓｓ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｐｒｏｄｕｃｔ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｔｒａｃｅａｂｉｌｉｔｙ ｓｅｒｖｉｃｅ ｓｙｓｔｅｍ ２ 智慧溯源服务系统 Ｐｅｔｒｉ 网建模 一个优秀系统的逻辑设计对于一个系统的运 行有着举足轻重的作用，可以帮助开发人员发现致 命错误并且可以提高系统开发的效率［１４］ ，健壮的软 件系统模型是实现一个具有高度灵活性、可靠性、 可实用性、易于操作性的信息服务系统的关键和基 础。 目前常用的信息系统建模的方法主要有 ＤＦＤ 图、ＵＭＬ、ＯＭＴ 建模技术和 Ｐｅｔｒｉ 网等［１５］ 。 Ｐｅｔｒｉ 网［１６］ 是 ２０ 世纪 ６０ 年代由德国科学家 Ｃａｒｌ Ａｄａｍ Ｐｅｔｒｉ 首先提出，在计算机科学技术、自动 化科学技术、机械设计与制造及其他许多科学技术 领域，都得到广泛应用。 Ｐｅｔｒｉ 网既有严格的数学表 述方式，也有直观的图形表达方式，不仅可以刻画 系统的结构，而且还可以描述系统的动态行为，它 是完全从过程的角度出发为复杂系统的描述与分 析而设计的一种有效模型工具，是离散事件动态系 统（ ｄｉｓｃｒｅｔｅ ｅｖｅｎｔ ｄｙｎａｍｉｃ ｓｙｓｔｅｍ，ＤＥＤＳ） 的描述工 具，是信息系统建模的重要工具之一，广泛应用在 具有并发、并行、异步和随机性质的信息服务系统 建模与分析中［１７］ 。 用 Ｐｅｔｒｉ 网可以描述一个系统中 常见的顺序、迭代、并发和选择等流程，利用 Ｐｅｔｒｉ 网 来描述系统模型，从控制和管理角度模拟系统，简 化了细节，具有直观的图示、形式化的语义、丰富的 表达能力等特点，拥有丰富的分析技术和手段，可 对建立的模型进行可达性、有界性、活性及安全性 ·５４０· 智 能 系 统 学 报 第 １２ 卷

第4期 朱正月，等：物联网中的智慧溯源服务系统Ptr网建模与分析 ·541. 等性质分析，通过分析可以改进消除系统中存在的 定义22令N=(S,T:F)为一个有向网， 死锁(deadlock)和陷阱(trap)等问题。 X=SUT为其元素集，对Hx∈X,记： 在实际应用领域，利用Petri网进行系统建模并 ‘x={yly∈XA(y,x)∈F},称x为x的前 进行仿真和性能分析的案例很多，如陈慧灵等[劉]讨 集或输入集： 论了基于Petri网的工作流建模方法和过程：刘炎培 x^={yly∈XA(x,y)∈F},称x为x的后 等[]使用面向对象Petri网对设备采购管理系统进 集或输出集； 行了建模并做了性能分析：张鸿皓等0利用Peti ‘x·=‘xUx”,称x为x的外延。 网对水下机器人任务流程进行了建模，这些利用 定义32)设∑=(S,T;F,M)为一个标识 Petri网建模的研究为解决系统实际问题提供了重 网系统，M是∑上的任一标识，M∈R(Mo),则在 要帮助。目前有利用Petri网对水产品供应链追溯 标识M下的变迁发生规则是： 系统2]、水产品溯源系统[2】、远洋渔船及其作业物 1)对t∈T,若Hs∈S:s∈‘t→M(s)≥1，则称t 联网智慧服务系统[23-2]及肉牛养殖溯源系统[2]等 在标识M下有发生权(enabled),记作M[t>。 进行建模及性能分析的应用实例，但对基于物联网 当·t=☑时，t在任意标识下都有发生权。 的农产品智慧溯源服务系统建立Peti网模型并进 2)若标识M授权t发生，则变迁t在M下可以 行分析、仿真验证，从而提高系统模型可靠性和系 发生(fire),从M发生变迁t得到新的标识M',M'与 统健壮性的研究还不多。本节先给出Peti网的相 M的关系记作M[t>M'。对Hs∈S,有 关理论，然后围绕农产品智慧溯源服务系统的整体 M(s)-1,s∈'t-t 业务流程来建立Peti网模型。 2.1 Petri网相关定义 M'(s)=M(s)+1,s∈t-t 定义1[2]一个Petri网系统被定义为一个六 M(s),其他 图3是一个Petri网模型的图形表示，其中库所 元组∑=（S,T;F,K,W,M)。其中， 用“O”表示，库所中的黑色实心圆点表示托肯 1)N=(S,T:F)为有向网，称为Σ的基网， (token),代表着系统中的资源，利用token可以控制 满足： Peti网变迁的触发；变迁用“T”表示，当获得所需要 ①S={51,s2,…,5}是库所的有限非空集合， 的token数变迁就被触发：有向弧用“→”表示，弧上 可表示条件、状态、资源、输入数据、输入信号等： 标注的整数值代表其权重。 ②T={11,2,…,t}是变迁的有限非空集合， 可表示事件、服务、作业或任务、计算步骤、信息处 理等； ③SUT≠0，S∩T=☑，即集合S和T不 相交： ④FC(S×T)U(T×S)为节点间的有向 图3 Petri网模型的图形表示 弧，称为流关系(“×”表示笛卡尔积)： Fig.3 Graphical illustration of Petri net model ⑤dom(F)Ucod(F)=SUT,其中，dom(F)= 2.2智慧溯源服务系统Pemi建模 {x∈SUTI3y∈SUT:(x,y)∈F},cod(F)={x∈ 基于Peti网建立农产品智慧溯源服务系统模型 SUTI3y∈SUT:(y,x)∈F}。 的主要步骤是：1)根据系统实际定义条件与事件，确定 2)K:S→{1,2，…U{w}为N上的容量函数 系统的条件集和事件集：2)确定系统中条件和事件间 (w表示无穷)； 关系：3)将系统中的库所（对应条件）和变迁（对应事 3)W:F→{1,2，…}为N上的有向弧权函数（权 件)对应起来，建立Peti网模型图：4)根据系统情况， 重)，当弧上没有标明数值时，权重默认值为1： 确定所建立Petri网模型图的初始状态，确定初始状态 4)M。:S→{1,2，…}为N上容量函数K允许的 下的token数，得到初始标识Mo:5)基于初始状态判断 初始标识（即初始条件下网中各库所拥有的托肯 哪些事件可被激发，当模型激活后，模型状态图将发生 (token)数构成的向量)，满足Hs∈S:Mo(s)≤K(s)。 变化，又引起哪些事件激发。 考虑农产品智慧溯源服务系统的特性，本文中 农产品智慧溯源服务系统设计有生产、加工 约定K=w,将定义1中的六元组简化为∑=(S, 流通、销售和溯源等环节，其整体业务流程如图2所 T;F,W,M。)形式来讨论。 示。根据图示，系统的条件集S、事件集T的各元素

等性质分析，通过分析可以改进消除系统中存在的 死锁（ｄｅａｄｌｏｃｋ）和陷阱（ｔｒａｐ）等问题。 在实际应用领域，利用 Ｐｅｔｒｉ 网进行系统建模并 进行仿真和性能分析的案例很多，如陈慧灵等［１８］ 讨 论了基于 Ｐｅｔｒｉ 网的工作流建模方法和过程；刘炎培 等［１９］使用面向对象 Ｐｅｔｒｉ 网对设备采购管理系统进 行了建模并做了性能分析；张鸿皓等［２０］ 利用 Ｐｅｔｒｉ 网对水下机器人任务流程进行了建模，这些利用 Ｐｅｔｒｉ 网建模的研究为解决系统实际问题提供了重 要帮助。 目前有利用 Ｐｅｔｒｉ 网对水产品供应链追溯 系统［２１］ 、水产品溯源系统［２２］ 、远洋渔船及其作业物 联网智慧服务系统［２３－２４］ 及肉牛养殖溯源系统［２５］ 等 进行建模及性能分析的应用实例，但对基于物联网 的农产品智慧溯源服务系统建立 Ｐｅｔｒｉ 网模型并进 行分析、仿真验证，从而提高系统模型可靠性和系 统健壮性的研究还不多。 本节先给出 Ｐｅｔｒｉ 网的相 关理论，然后围绕农产品智慧溯源服务系统的整体 业务流程来建立 Ｐｅｔｒｉ 网模型。 ２．１ Ｐｅｔｒｉ 网相关定义 定义 １ ［２６］ 一个 Ｐｅｔｒｉ 网系统被定义为一个六 元组 ∑ ＝ （ Ｓ，Ｔ；Ｆ，Ｋ，Ｗ，Ｍ０ ）。 其中， １）Ｎ ＝ （ Ｓ，Ｔ；Ｆ ） 为有向网，称为∑的基网， 满足： ① Ｓ ＝ ｛ ｓ１ ，ｓ２ ，…，ｓｍ ｝是库所的有限非空集合， 可表示条件、状态、资源、输入数据、输入信号等； ② Ｔ ＝ ｛ ｔ １ ，ｔ ２ ，…，ｔ ｎ ｝是变迁的有限非空集合， 可表示事件、服务、作业或任务、计算步骤、信息处 理等； ③ Ｓ∪Ｔ ≠ ⌀，Ｓ∩Ｔ ＝ ⌀，即集合 Ｓ 和 Ｔ 不 相交； ④ Ｆ ⊆（ Ｓ × Ｔ ）∪（ Ｔ × Ｓ ）为节点间的有向 弧，称为流关系（“×”表示笛卡尔积）； ⑤ｄｏｍ（Ｆ）∪ｃｏｄ（Ｆ） ＝ Ｓ∪Ｔ，其中，ｄｏｍ（Ｆ） ＝ ｛ｘ∈Ｓ∪Ｔ ｜∃ｙ∈Ｓ∪Ｔ：（ｘ ，ｙ）∈Ｆ｝，ｃｏｄ（Ｆ）＝ ｛ｘ∈ Ｓ∪Ｔ ｜∃ｙ∈Ｓ∪Ｔ：（ｙ ，ｘ）∈Ｆ｝。 ２）Ｋ：Ｓ→｛１，２，…｝ ∪｛ω｝ 为 Ｎ 上的容量函数 （ω 表示无穷）； ３）Ｗ：Ｆ→｛１，２，…｝为 Ｎ 上的有向弧权函数（权 重），当弧上没有标明数值时，权重默认值为 １； ４）Ｍ０ ：Ｓ→｛１，２，…｝为 Ｎ 上容量函数 Ｋ 允许的 初始标识（即初始条件下网中各库所拥有的托肯 （ｔｏｋｅｎ）数构成的向量），满足∀ｓ∈Ｓ：Ｍ０（ｓ）≤Ｋ（ｓ）。 考虑农产品智慧溯源服务系统的特性，本文中 约定 Ｋ≡ω，将定义 １ 中的六元组简化为∑ ＝ （ Ｓ， Ｔ；Ｆ，Ｗ，Ｍ０ ）形式来讨论。 定义 ２ ［２６］ 令 Ｎ ＝ （ Ｓ，Ｔ；Ｆ ）为一个有向网， Ｘ ＝ Ｓ∪Ｔ 为其元素集，对∀ｘ∈Ｘ，记： · ｘ ＝ ｛ｙ ｜ ｙ∈Ｘ∧（ ｙ，ｘ ）∈Ｆ ｝，称· ｘ 为 ｘ 的前 集或输入集； ｘ · ＝ ｛ｙ ｜ ｙ∈Ｘ∧（ ｘ，ｙ ）∈Ｆ ｝，称 ｘ · 为 ｘ 的后 集或输出集； · ｘ · ＝ · ｘ∪ｘ · ，称· ｘ ·为 ｘ 的外延。 定义 ３ ［２６］ 设∑ ＝ （ Ｓ，Ｔ；Ｆ，Ｍ０ ）为一个标识 网系统， Ｍ 是∑ 上的任一标识，Ｍ ∈ Ｒ（Ｍ０ ），则在 标识 Ｍ 下的变迁发生规则是： １）对 ｔ∈Ｔ，若∀ｓ∈Ｓ：ｓ∈· ｔ →Ｍ（ｓ）≥１，则称 ｔ 在标识 Ｍ 下有发生权 （ ｅｎａｂｌｅｄ）， 记作 Ｍ ［ ｔ ＞。 当· ｔ ＝⌀时，ｔ 在任意标识下都有发生权。 ２）若标识 Ｍ 授权 ｔ 发生，则变迁 ｔ 在 Ｍ 下可以 发生（ｆｉｒｅ），从 Ｍ 发生变迁 ｔ 得到新的标识 Ｍ′，Ｍ′与 Ｍ 的关系记作 Ｍ ［ｔ ＞Ｍ′。 对∀ｓ∈Ｓ，有 Ｍ′（ｓ） ＝ Ｍ（ｓ） － １， ｓ ∈· ｔ － ｔ · Ｍ（ｓ） ＋ １， ｓ ∈ ｔ ·－ · ｔ Ｍ（ｓ）， 其他 ì î í ï ï ïï 图 ３ 是一个 Ｐｅｔｒｉ 网模型的图形表示，其中库所 用“ ○” 表示， 库所中的黑色实心圆点表示托肯 （ｔｏｋｅｎ），代表着系统中的资源，利用 ｔｏｋｅｎ 可以控制 Ｐｅｔｒｉ 网变迁的触发；变迁用“ ”表示，当获得所需要 的 ｔｏｋｅｎ 数变迁就被触发；有向弧用“→”表示，弧上 标注的整数值代表其权重。 图 ３ Ｐｅｔｒｉ 网模型的图形表示 Ｆｉｇ．３ Ｇｒａｐｈｉｃａｌ ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｅｔｒｉ ｎｅｔ ｍｏｄｅｌ ２．２ 智慧溯源服务系统 Ｐｅｔｒｉ 建模 基于 Ｐｅｔｒｉ 网建立农产品智慧溯源服务系统模型 的主要步骤是：１）根据系统实际定义条件与事件，确定 系统的条件集和事件集；２）确定系统中条件和事件间 关系；３）将系统中的库所（对应条件）和变迁（对应事 件）对应起来，建立 Ｐｅｔｒｉ 网模型图；４）根据系统情况， 确定所建立 Ｐｅｔｒｉ 网模型图的初始状态，确定初始状态 下的 ｔｏｋｅｎ 数，得到初始标识 Ｍ０；５）基于初始状态判断 哪些事件可被激发，当模型激活后，模型状态图将发生 变化，又引起哪些事件激发。 农产品智慧溯源服务系统设计有生产、加工、 流通、销售和溯源等环节，其整体业务流程如图 ２ 所 示。 根据图示，系统的条件集 Ｓ、事件集 Ｔ 的各元素 第 ４ 期 朱正月，等：物联网中的智慧溯源服务系统 Ｐｅｔｒｉ 网建模与分析 ·５４１·

,542 智能系统学报 第12卷 定义及描述如表1所示。 根据图2所示的农产品智慧溯源服务系统整体 表1农产品智慧溯源服务系统Petri网模型中的条件集、 业务流程，系统的条件和事件对应关系如表2所示。 事件集定义及描述 表2农产品智慧溯源服务系统Petri网模型的各个事件触 Table 1 Definitions and descriptions of the condition set 发前条件和后条件 and event set of the agricultural product Table 2 Pre-conditions and post-conditions of the traceability intelligent service system based on the agricultural product traceability intelligent Petri net model service system based on the Petri net model 条件集S 事件集T 事件 前条件 后条件 条件 描述 条件 描述 t S1 农产品种苗 赋码/注标/登记服务 赋码/注标/登记 2 S2 83 后入场种苗 2 种养服务 生长期农产品 b 防疫服务 防疫后生产 84 S4 成熟回收服务 期农产品 生产基地至加工基地 56 5 成熟后农产品 物流运输服务 到达加工场地农产品 加工前检疫服务 1 检疫后合格农产品 入场待加工服务 检疫后不合格农产品 加工/赋码/注标服 510 入场待加工农产品 出场质检服务 10 811,812 加工后待出场商品 商品入库服务 13 出场检验合格商品 商品订单服务 加工基地至销售地 14 815 s12 出场检验不合格商品 物流运输服务 515 516 加工企业仓库商品 销售地盘点入库服务 tu 516 s4依订单出库待运输商品14 分拨销售服务 tis 5n 18 s15 销售地商品 销售服务 在分析农产品溯源的生产、加工、流通和销售 销售地仓库商品 等环节的状态和每一个初始可以触发的事件，确定 Peti网模型的初始状态，确定初始状态下的状态标 s?销售场所定价上架商品 识token数与分布，建立基于物联网的农产品智慧 S18 消费者购买的商品 溯源服务系统的Petr网系统∑，如图4所示。 ò1-6i6iòi i-i-i- 图4农产品智慧溯源服务系统的Ptri网模型系统 Fig.4 Petri net model system of the agricultural product traceability intelligent service system

定义及描述如表 １ 所示。 表 １ 农产品智慧溯源服务系统 Ｐｅｔｒｉ 网模型中的条件集、 事件集定义及描述 Ｔａｂｌｅ １ Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｓｅｔ ａｎｄ ｅｖｅｎｔ ｓｅｔ ｏｆ ｔｈｅ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｐｒｏｄｕｃｔ ｔｒａｃｅａｂｉｌｉｔｙ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｓｅｒｖｉｃｅ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ Ｐｅｔｒｉ ｎｅｔ ｍｏｄｅｌ 条件集 Ｓ 条件 描述 事件集 Ｔ 条件 描述 ｓ１ 农产品种苗 ｔ １ 赋码／ 注标／ 登记服务 ｓ２ 赋码／ 注标／ 登记 后入场种苗 ｔ ２ 种养服务 ｓ３ 生长期农产品 ｔ ３ 防疫服务 ｓ４ 防疫后生产 期农产品 ｔ ４ 成熟回收服务 ｓ５ 成熟后农产品 ｔ ５ 生产基地至加工基地 物流运输服务 ｓ６ 到达加工场地农产品 ｔ ６ 加工前检疫服务 ｓ７ 检疫后合格农产品 ｔ ７ 入场待加工服务 ｓ８ 检疫后不合格农产品 ｔ ８ 加工／ 赋码／ 注标服务 ｓ９ 入场待加工农产品 ｔ ９ 出场质检服务 ｓ１０ 加工后待出场商品 ｔ １０ 商品入库服务 ｓ１１ 出场检验合格商品 ｔ １１ 商品订单服务 ｓ１２ 出场检验不合格商品 ｔ １２ 加工基地至销售地 物流运输服务 ｓ１３ 加工企业仓库商品 ｔ １３ 销售地盘点入库服务 ｓ１４ 依订单出库待运输商品 ｔ １４ 分拨销售服务 ｓ１５ 销售地商品 ｔ １５ 销售服务 ｓ１６ 销售地仓库商品 ｓ１７ 销售场所定价上架商品 ｓ１８ 消费者购买的商品 根据图 ２ 所示的农产品智慧溯源服务系统整体 业务流程，系统的条件和事件对应关系如表 ２ 所示。 表 ２ 农产品智慧溯源服务系统 Ｐｅｔｒｉ 网模型的各个事件触 发前条件和后条件 Ｔａｂｌｅ ２ Ｐｒｅ⁃ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｐｏｓｔ⁃ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｐｒｏｄｕｃｔ ｔｒａｃｅａｂｉｌｉｔｙ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｓｅｒｖｉｃｅ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ Ｐｅｔｒｉ ｎｅｔ ｍｏｄｅｌ 事件 前条件 后条件 ｔ １ ｓ１ ｓ２ ｔ ２ ｓ２ ｓ３ ｔ ３ ｓ３ ｓ４ ｔ ４ ｓ４ ｓ５ ｔ ５ ｓ５ ｓ６ ｔ ６ ｓ６ ｓ７ ，ｓ８ ｔ ７ ｓ７ ｓ９ ｔ ８ ｓ９ ｓ１０ ｔ ９ ｓ１０ ｓ１１ ，ｓ１２ ｔ １０ ｓ１１ ｓ１３ ｔ １１ ｓ１３ ｓ１４ ｔ １２ ｓ１４ ｓ１５ ｔ １３ ｓ１５ ｓ１６ ｔ １４ ｓ１６ ｓ１７ ｔ １５ ｓ１７ ｓ１８ 在分析农产品溯源的生产、加工、流通和销售 等环节的状态和每一个初始可以触发的事件，确定 Ｐｅｔｒｉ 网模型的初始状态，确定初始状态下的状态标 识 ｔｏｋｅｎ 数与分布，建立基于物联网的农产品智慧 溯源服务系统的 Ｐｅｔｒｉ 网系统 ∑１ 如图 ４ 所示。 图 ４ 农产品智慧溯源服务系统的 Ｐｅｔｒｉ 网模型系统 Σ１ Ｆｉｇ．４ Ｐｅｔｒｉ ｎｅｔ ｍｏｄｅｌ ｓｙｓｔｅｍ Σ１ ｏｆ ｔｈｅ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｐｒｏｄｕｃｔ ｔｒａｃｅａｂｉｌｉｔｙ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｓｅｒｖｉｃｅ ｓｙｓｔｅｍ ·５４２· 智 能 系 统 学 报 第 １２ 卷