基于Petri网的母鸡转舍业务流程建模优化研究

摘要： 选择农牧养殖业中的母鸡转舍这一业务流程建立Petri网模型，并对模型进行分析计算，找出时间瓶颈，依据ECRS原则提出优化方案，利用流程周期时间指标评价优化前后流程的效率，比较表明该模型在农牧养殖业务流程优化中是非常有效的。

Abstract： The paper chose the business process of transferring hens from barton to henhouse in agriculture and animal husbandry breeding to model Petri nets and found time bottleneck by analyzing and calculating the model. According to principle ECRS proposed optimized scheme and evaluated the processes' efficiency of before and after optimization using the time index of process cycle. The result shows that the model is very effective in process optimization of the agriculture and animal husbandry breeding.

关键词： 农牧养殖；业务流程优化；Petri网模型；ECRS原则

Key words： agriculture and animal husbandry breeding；business process improvement；Petri nets model；ECRS

中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）02-0011-03

0 引言

随着人们对农牧产品需求的增多，农牧产品供给能力不断扩大，农牧养殖业信息化步伐不断加快，加之食品安全问题频出，消费者希望养殖信息透明，吃上放心农牧产品，一些大型农牧养殖公司已经开始引入信息化管理养殖过程。母鸡是人们生活中最频繁食用的农牧产品，目前主要采取公司+农户方式养殖，即公司负责育种和孵化鸡苗，孵化出的鸡苗分发到农户管理的散养基地养至130天左右，公司回收这些小母鸡到育肥舍精养至180天左右，最后将达标的老母鸡出舍运往销售点销售。其中的育肥环节主要为了让农户散养的小母鸡统一达标并过滤药残，在此过程中同批进舍育肥的母鸡，到期出舍时有些母鸡可能会因不达标导致需要转舍继续喂养，为了能够准确追溯每只母鸡的养殖过程和核算养殖成本，需要引入RFID[1]等标签对母鸡进行识别。因此，需要对原母鸡转舍流程进行优化以适应信息化管理养殖。

业务流程优化首先需要对流程建模，然后对模型分析，最后针对分析的结果提出优化方案。目前使用的流程建模工具主要有：业务流程图法（Flow Chart）、IDEF模型系列、事件流程链（Event-driven Process Chain，EPC）、面向对象分析（OOA）、Petri网模型等[2]。

业务流程图建模法理解性良好，但是对流程改进能力较弱；IDEF模型系列[3]主要面向功能建模，有抽象机制，但是理解性一般；事件流程链主要面向客户建模，支持流程改造，但是计算机化能力较弱，而且无抽象机制；面向对象分析法建模以业务中的对象及其之间的关系为基础，计算机化能力较强，但是对系统分析评价太简单；Petri网[4]的建模方向是面向混合型，有计算机化能力和抽象机制，对系统分析评价能力强。综合考虑后，选择Petri网建模工具对母鸡转舍业务流程建模分析，并依据ECRS优化原则对业务流程优化。

1 母鸡转舍原业务流程建模分析

1.1 原业务流程描述 为了优化母鸡转舍业务流程，选择某鸡养殖公司开展调研，整理得到母鸡转舍原业务流程如图1所示。

1.2 原业务流程Petri网模型建立 根据原业务流程图建立母鸡转舍原业务流程的Petri网模型如图2所示，Petri网模型的库所、变迁含义以及耗费时间见表1。

对原业务流程的Petri模型分析是优化业务流程的基础和依据，先对建立的模型进行结构分析，然后选取指标进行性能分析。

1.3 Petri网模型的结构分析 结构分析主要对业务流程的Petri网模型进行正确性等基础性分析，保证其与实际业务过程是等价的，不存在死锁、冲突等异常结构。运用基于关联矩阵[5]的分析方法对所建立模型的结构进行分析。

假设母鸡转舍业务流程对应的关联矩阵为C，得出转置为

C■=-1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 -1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 -1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 -1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 -1 0 1 0 0 0 0 0 0 -1 1 0 0 0 0 0 0 -1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -1 1

由公式CTX=0可解得S_不变量：

x1=（1，1，1，1，1，1，1，0，0）T x2=（1，0，0，0，0，0，0，1，1）T

在方程组解中得到的S_不变量，当分量为1时表示托肯流经此库所，分量为0时表示托肯不流经此库所。托肯流经何条路线是不确定的，只要托肯的分布符合CTX=0就能保证结构上有界且守恒，但是S_不变量的个数是一定的，即由线性方程组CTX=0的自由变量个数来决定。

根据活性、有界性、可达性[6]的定义可知， 图中Petri网模型是活的、有界的和可达的， 从而验证了模型的正确与可行性。

1.4 Petri网模型的性能分析 性能分析主要考察流程中的评价指标，比如有效性、适应性、流程周期时间、效率、流程成本等，流程周期时间和效率具有相关性，而有效性和适应性度量起来比较困难，所以，一般选择流程成本和流程周期时间作为主要评价指标。选用流程周期时间作为母鸡转舍Petri网模型的主要性能评价指标。

在Petri网中时间参数[7]的计算主要依靠实体托肯的数据传递来实现。一般情况下，一个变迁中，托肯的时间参数发生如下变化：

OutToken.Time=InToken.Time+Waiting.Time

+Act.Time （1）

其中，InToken.Time表示变迁的输入时间；OutToken.Time表示变迁的输出时间；Waiting.Time是等待时间；Act.Time是处理时间。

Petri网模型中并行结构的时间计算公式是

OutToken.Time=

■■（InToken.Time+Waiting.Timei+Act.Timei） （2）

其中m是并行结构中每个串行结构的变迁数，n是并行结构中的串行结构个数。

Petri网模型中反馈结构的时间计算公式是

OutToken.Time=N×■（InToken.Time+Waiting.Timei

+Act.Timei） （3）

其中m是变迁的个数，N是反馈的次数。

在实际业务中，流程完成的时间在某一区间内是随机分布的，因此将随机性引入业务流程的模拟分析中以使得分析与实际更吻合。故设定部分任务的完成时间服从某一区间上的均匀分布。

由公式（1）（2）得公式（4），此业务流程平均周期时间计算公式为：

■=■■■（InToken.Time+Waiting.Timei+Act.Timei） （4）

其中InToken.Time初始为0，在这里我们假设所有变迁在托肯输入库所后立刻发生，即Waiting.Time=0。n是流程个数，m是每个流程的变迁个数。得出图1母鸡转育肥舍业务流程的平均周期为：

■=■■+2+■+■+

■+max2，■+2+30=72（min）

利用上述公式（1），得出每个变迁发生后的时间结果如表2所示。

通过对Petri网模型的结构分析，可知整个模型是正确可行的，与实际业务吻合。整个业务流程包含两个子流程，即P1P2P3P4P5P6P7，P1P8P9。结合模型定性和定量分析，可以总结出以下时间瓶颈：

①流程中最耗费时间并且对整个流程周期影响最大的是变迁T6，即会计将产品验收单送给财务部。实际上P5P6是图中并行结构流程中的一个子流程，所以T6与T7属于并列结构，T7较T6花费时间极少，从而T6的长时间花费严重影响了整个流程的效率。

②变迁T3分拣过称进舍耗时且费大量人力，最重要的一点是，进舍时，有可能会与上一批母鸡混养在一起，对母鸡的日龄很难掌握；

③对于耗时很短的T5和T7，仍然是纯手工填写单据，耗时耗力。

④产品码单与产品验收单中很多数据元素重复，会计统计时填写两张单据繁琐费时。

2 母鸡转舍业务流程优化

2.1 优化原则 在母鸡转舍业务流程优化过程中，采取ECRS原则[8]。

2.1.1 Eliminate（取消） 业务流程首选考虑某些动作有无取消的可能性，如不必要的辅助活动，不必要的搬运，等等，可一律取消。如果不能全部取消，可考虑部分取消。

2.1.2 Combine（合并） 合并即是将两个或两个以上的对象变成一个，如动作与动作的合并。当业务流程中出现能力不平衡，出现人员忙闲不均时，就需要对这些流程进行调整和合并。有些相同的工作完全可以合并在一道流程内。

2.1.3 Rearrange（重排） 重排就是通过改变业务流程中的环节，使工作的先后顺序重新组合，以达到改善工作的目的。如，前后流程的对换。

2.1.4 Simplify（简化） 经过取消、合并、重排之后，再对该项工作做深入的分析研究，使现行方法尽量简化，以最大限度地缩短作业时间，提高工作效率。

2.2 优化思路 根据分析发现的问题，遵循ECRS原则，母鸡转舍流程优化思路如下：

①通过使用ERP系统，自动生成需求单据，工作人员只需网上填写，多部门共享，省去很多时间，如原流程中变迁T6就可以取消，财务部直接在系统中可以调出产品验收单。T5、T7同理也可以取消。

②将产品码单与产品验收单合并为验收单，减少整个系统的数据类。

③引入RFID射频识别技术，在变迁T3分拣过称后给母鸡带上脚环，随时跟踪母鸡的饲养情况，解决了对母鸡的日龄和养殖成本很难测算的难题。

2.3 优化后的流程 根据优化方案可以得出母鸡转舍优化后的业务流程如图3所示。

3 优化后的业务流程Petri网模型建立与分析比较

建立母鸡转舍优化后业务流程的Petri网模型如图4所示，优化后Petri网模型的库所、变迁含义以及耗费时间见表3。

假设育肥舍进母鸡业务流程对应的关联矩阵为C，得转置矩阵为：

CT=-1 1 0 0 0 1 0 0 -1 1 0 0 0 0 0 0 -1 1 0 0 0 0 0 0 -1 1 0 0 0 0 0 0 0 -1 1

由公式CTX=0可解得S_不变量：

x1=（1，1，1，1，1，0，0）T x2=（1，0，0，0，0，1，1）T

根据活性、有界性、可达性的定义可知， 图中Petri网模型是活的、有界的和可达的， 从而验证了模型的正确与可行性。

同理利用上述公式（4），其中InToken.Time初始为0，在这里我们假设所有变迁在托肯输入库所后立刻发生，即Waiting.Time=0。得出图3的平均周期为：

■=■■+2+■+■+

■+2=49.5（min）

本文选用流程时间减少率和变迁数量减少率作为评价流程效率的综合指标，用流程时间减少率反映流程优化后流程总体时间减少的效果，用变迁数量减少的比率来评价过程改进因子。从上文模拟计算得出优化前后母鸡转育肥舍业务流程的平均周期分别为72分钟和49.5分钟，优化前后流程的变迁数量分别为8个和5个，整个流程时间减少率为31.25%，变迁数量减少率为37.5%。所以采取的优化措施是正确的，有效地简化了母鸡转育肥舍业务流程，缩短了流程周期，提高了流程执行效率，从而一定程度上地降低了流程的成本，增强了企业的核心竞争力。

4 结束语

文章研究利用Petri网对农牧养殖育肥舍业务流程建模分析，找出流程瓶颈问题，并依据ECRS原则优化流程。将此建模分析优化方法应用在某公司其他所有部门业务流程优化中，优化后的业务流程提高了业务效率，减少了流程周期时间。这对提高整个农牧养殖效率具有重要的作用。结果表明该建模分析方法在农牧养殖业业务流程优化过程中是有效的。

参考文献：

[1]张玉洁，刘军，贾利民，徐杰.RFID技术在铁路集装箱堆场进出口的应用[J].物流科技，2008，（2）：34-36.

[2]张玉洁.基于Petri网的铁路集装箱运输流程建模与优化研究[D].北京：北京交通大学，2007，12.

[3]李建中，陈良猷. IDEF 方法族在企业过程再造中的应用[J].工业工程，2000，3（3）：6-9.

[4]Murata T.，Petri Nets： Properties， Analysis and Applications. Proceedings of the IEEE，Vol.77，No.4，pages 541-580.April 1989.

[5] 徐新卫，方乐，周小东. 基于“ABCM-CPM-Petri”模型的销售配送流程优化[J].现代管理学，2011，（10）：51-54.

[6] 吴哲辉.Petri网导论[M].北京：机械工业出版社，2006：27-46.

[7]张志勇，匡兴华，晏湘涛.业务流程的时间模型研究[J].工业工程，2005，8（4）：98-101.

[8]李超锋，彭纯军.基于流程程序图法的仓储系统协调与优化研究[J].常州工学院学报，2011，24（2）：59-62.