農產品供應鏈重構賦時層次有色Petri網建模與仿真研究

張闡軍

摘要：基于國內農產品供應鏈重構現實背景和系統復雜性，在對供應鏈系統及其重構內涵研究基礎上構建農產品供應鏈組織結構、業務單元和功能模塊重構框架;提出利用高級賦時層次有色Petri網（hierarchical timed colored Petri nets，HTCP-nets）表達復雜系統優勢對農產品供應鏈重構進程建模、仿真和形式化定義;考慮土地流轉引發以農產品生產供應企業為核心供應鏈重構，利用CPN Tools對農產品供應鏈重構HTCP-nets模型參數初始化、指標性能統計等仿真分析;最后，針對分析結論就如何改進重構進程和提高重構成功率與效率等提出相關建議。

關鍵詞：農產品供應鏈;重構框架;重構路徑;Petri網;土地流轉;CPN Tools;HTCP-nets模型;功能模塊子流程;仿真分析

中圖分類號： S126;F252

文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）15-0330-05

現代供應鏈發展和農業供給側結構性改革、產業融合等為農產品供應鏈重構提供了先進支撐理論、技術和政策環境。當前我國農產品供應鏈重構操作隨意性較大，進程還不規范，重構響應和競爭能力不強，成功率較低。究其原因：首先，我國農產品供應鏈節點屬性復雜，組織模式多樣但不成熟，重構資源局部不足與整體閑置并存;其次，農產品供應鏈重構系統復雜，相關重構理論支撐還較薄弱，實踐環境和管理欠科學和規范，重構資源共享和創新不足。當前，我國農業現代化改革進入新階段，農產品供應鏈重構實踐日益常態化，需要相關重構理論和管理的不斷創新發展。

1 相關研究

國內外對農產品供應鏈重構現有研究多側重于重構組織模式實證。Young等對美國和加拿大農產品從生產者到消費者供應鏈的研究發現，近20多年來農產品生產或采購合同、特許權、戰略聯盟、合資和垂直一體化協調方式使用越來越普遍[1]。John等對歐洲農產品生產和銷售組織方式統計發現，由農產品生產和加工者依靠其品牌和銷售體系來驅動農產品配送和銷售產業鏈正逐漸被大型零售商所主導[2]。洪銀興等指出隨著我國人均收入提高和城市化發展，現階段反哺三農應著眼于改造傳統農產品價值鏈，加強下游環節發展[3]。江許勝指出土地流轉后農產品供應鏈是通過錢德勒所提出的“看得見的手”連接[4]。馬林等認為當前我國農產品物流系統重構要實現契約式、直銷式、物流聯盟式等傳統模式共存發展[5]。田中玉等認為供應鏈重構主要涉及組織重構、資源重組和業務流程重構，組織重構是主要內容和支柱[6]。王炬香等將敏捷供應鏈重構分為結構重構和運行策略重構，在結構重構中采用模塊化Petri網建模進行仿真實證[7]。

Petri網能用圖形化的表現形式和嚴格的數學定義描述復雜網絡結構。目前，Petri網已經廣泛應用于供應鏈系統建模，但對供應鏈重構Petri網建模仿真還不多。對于農產品供應鏈重構復雜系統，利用高級Petri網建模能避免經典Petri網模型節點眾多、規模巨大而使得對模型特性分析非常困難。因此，提出基于賦時層次有色Petri網（hierarchical timed colored Petri nets，簡稱HTCP-nets）建模和仿真農產品供應鏈重構進程。

2 重構框架與HTCP-nets建模

2.1 重構框架

供應鏈從架構上由生產供應、加工和銷售3個主要環節及其配套服務組成，供應鏈重構不同于單純業務流程重組，更具有綜合性。為準確、完整表達農產品供應鏈重構內涵，將整體重構內容劃分為組織結構、業務流程和功能3個維度，初始啟動重構進程由供應鏈核心企業驅動，體現供應鏈戰略與戰術性統一。因此，構建由生產供應、加工和銷售3個主要環節組成農產品供應鏈重構框架，如圖1所示。每個環節由若干實體組成，表述為響應核心企業重構目標3個維度，每個維度由相應階段重構響應子目標及其關聯因子連接，并在重構機制保障下有序運作。

以上農產品供應鏈重構框架進程描述為（1）組織結構縱向重構Tv表現為供應鏈結構縮簡或延長，定為3級，即 Tv∈{0，1，2};橫向重構Th表現為結構單元組織規模與能力精簡或擴展，定為3級，即Th∈{0，1，2}。定義：0級屆定此重構環節在1級基礎上為縮簡（或精簡）重構;1級屆定此環節相對上一輪重構為基本組織（即無重構）;2級屆定此重構環節在1級基礎上為延長（或擴展）重構。 （2）以組織結構重構

為基礎，通過溢出效應指標關聯業務流程和功能重構，控制因子表示為相應階段重構允許時間延時。其中，核心企業驅動供應鏈溢出為組織結構重構，設定溢出效應指標SP0∈{0，1};繼而溢出為業務單元重構，設定溢出效應指標SP1∈{0，1};繼而溢出為功能模塊重構，設定溢出效應指標SP2∈{0，1}。涵義：0表示供應鏈平衡未被打破，即重構企業響應度不足或超時，處于平衡態;1表示供應鏈處于非平衡態，即重構態。（3）供應鏈生產供應、加工和銷售3個環節業務單元重構指標分別定義為Wp∈{1，2，3}、Wm∈{1，2，3}和Wn∈{1，2，3}。涵義：1表示此環節業務流程縮簡重構;2表示此環節業務流程不變;3表示此環節業務流程擴張重構。同理，定義3個環節功能模塊重構指標Up∈{1，2，3}、Um∈{1，2，3}和Un∈{1，2，3}。涵義：1表示此環節功能減少重構;2表示此環節功能不變;3表示此環節功能增加重構。

統一界定重構框架進程指標變化梯度為1，設計以下重構命題啟動重構進程：

命題1：以農產品生產供應企業為核心驅動供應鏈重構。農產品生產供應環節占主導地位，加工、銷售環節發展較穩定。根據農產品生產供應質量（Qs）、效率（Es）和價格（Ps）核心要素確定供應鏈重構目標驅動指標值，取加權平均As=K1Qs+K2Es+K3Ps，其中K1、K2、K3為相應指標權重。

命題2：以農產品加工企業為核心驅動供應鏈重構。農產品加工環節占主導地位，生產供應、銷售環節發展較穩定。根據農產品加工質量（Qm）、生產率（Em）和成本（Cm）核心要素確定供應鏈重構目標驅動指標值，取加權平均Am=K1′Qm+K2′Em+K3′Cm，其中K1′、K2′、K3′為相應指標權重。

命題3：以農產品銷售企業為核心驅動供應鏈重構。農產品銷售環節占主導地位，生產供應、加工環節發展較穩定。根據農產品需求質量（Qn）、數量（Nn）和價格（Pn）核心要素確定供應鏈重構目標驅動指標值，取加權平均An=K1″Qn+K2″Nn+K3″Pn，其中K1″、K2″、K3″為相應指標權重。

2.2 HTCP-nets重構建模

農產品供應鏈重構HTCP-nets模型由方案主流程和若干功能子流程組成，構成層次網結構。利用顏色Petri網（CP-nets）仿真工具CPN Tools建模農產品供應鏈重構流程，重構框架主流程模型如圖2所示。其中，Ce和Ft、Fw、Fu分別表示供應鏈核心企業和合作企業庫所節點。核心企業庫所顏色集表示重構主導驅動目標，合作企業庫所顏色集表示參與供應鏈重構上下游節點企業匹配目標。函數lamf（f，sp）是合作企業f對核心企業主導重構目標a的響應度，它被表示為具有平均匹配延時1/λ隨機分布函數。當sp足夠大時（值con），則認為f不能參與主導驅動目標a供應鏈重構。庫所節點TW、WU和End是等待節點，其中的令牌表示實施重構目標狀態。一旦滿足相應階段重構時間，則變遷T、W、U（重構時間變遷）可實施，實施結果是時間溢出進入下一階段。在實際重構過程中，每個合作企業具有有限響應能力，即庫所TW、WU和End是有界的，這個界限就表示合作企業最大重構響應度。在使用CPN Tools工具進行建模仿真時，由于工具限制不能表示庫所界限，因此圖2采用等價表示方法，增加了庫所CAW、CAU，其中的令牌表示一次相應階段重構f可投入最大響應能力。

2.2.1 組織結構重構子流程 組織結構重構子流程分為縱向重構、橫向重構和縱橫綜合重構3種模式，模型如圖3所示?？紤]組織結構縮簡（或精簡）與延長（或擴展），可列出多種組織結構重構子方案。替代變遷T在核心企業重構主導目標確定后，加入合作企業組織結構重構方案信息（由庫所Ft復合顏色集提供）和相應時間延時[由響應函數lamf（ft，sp0）給出]。若滿足時間約束要求，則啟動組織結構重構。否則，若延時足夠大則表示響應重構能力不足無法參與重構。庫所節點TW中令牌表示正在實施企業Ft組織重構，當庫所TW中時間令牌在延時時間范圍內， 表明相應企業組織重構可以

完成并重歸平衡態，對重構目標響應時間延時置為無限（或溢出效應為0），直到進入下一循環重新評估和初始化響應函數。庫所節點CAW中有色令牌表示溢出為對下一階段參與重構企業fw1、fw2資源約束。

2.2.2 業務單元和功能模塊重構子流程 業務單元和功能模塊重構子流程模型分別如圖4、圖5所示，具有方案相似性。組織結構重構產生業務流程和功能溢出，由溢出效應指標SP1、SP2控制，驅動相應替代變遷W和U子流程。一旦滿足相應階段（業務單元和功能模塊）重構時間約束，則變遷W、U（重構時間變遷）可實施，實施結果是進入下一階段重構。同理，庫所節點CAU中有色令牌表示溢出為對下一階段參與重構企業fu1，fu2資源約束。

2.3 HTCP-nets模型形式化定義

一個有色隨機Petri網可以定義為CPN=（P，T;F，C，W，I，M），其中：（P，T;F）是一個網;C是顏色的一個有限集，C={c1，c2，…，ck}，即重構單元有限集合。

L（C）表示定義在顏色集C上的一個非負整數系數線性函數;L（C）+表示系數不全為0的L（C）。初始標志M0：P→L（C0）對任意p∈P，M0（s）∈C0（s），即M0（p）是p的令牌顏色集合上初始多重集。

有色隨機Petri網具有強大的表示能力，如圖2所示，它可以表示供應鏈組織結構、業務流程和功能單元以時間延時為特征參數重構模型。其中，顏色集合為C={A，F，CA，TW，TWU，ATWU}。庫所A是取值在{As，Am，An}上的顏色，表示核心企業驅動重構目標集;庫所F分別取值Ft（ft1，ft2），Fw（fw1，fw2）和Fu（fu1，fu2）上的顏色，庫所CA（CAW，CAU）也分別具有這2種顏色，其標志多重集元素重數限制為1，分別表示供應鏈中除核心企業外供應鏈重構節點每個重構方案取1次。TW，TWU，ATWU是復合顏色，分別定義為TW=A×Y×H×Ft，TWU=A×Fw，ATWU=A×Fu。

3 HTCP-nets重構仿真分析

在當前激烈的市場競爭環境和新技術革命推動下，通過重構推動農產品供應鏈創新發展并促進農業產業融合將成為新常態。農村土地流轉政策對于我國農業供給側結構性改革具有顯著推動作用，直接表現為農產品供應鏈中生產供應環節主體、模式以及業務等改革，從而驅動農產品供應鏈重構。因此，以下結合土地流轉對農產品生產供應企業影響而觸發以農產品生產供應企業為核心供應鏈重構，通過以上農產品供應鏈HTCP-net重構模型進行仿真分析。

3.1 HTCP-nets模型初始化

當農產品供應鏈生產供應環節目標值As產生溢出（as≥0.5），即啟動以生產供應企業為核心驅動供應鏈重構，農產品供應鏈進入重構態?；谝陨咸囟ㄖ貥嫹桨?，考慮土地流轉對農產品供應鏈生產供應環節的影響方式、規模和程度，HTCP-nets重構模型參數初始化如表1所示。

3.2 模型性能指標分析

農產品供應鏈重構全周期包括3個可獨立運行又相互關聯的進程，通過目標響應指標連接構成完整重構系統。因此，在一個完整重構仿真周期中，3個環節關聯響應能力、資源約束影響和重構效率等是重構系統關注的重點，決定和反映了重構模型性能和系統反應效率?；谝陨先芷谥貥嬆Ｊ綄δＰ瓦M行仿真，圖6是利用CPN Tools對HTCP-nets重構模型組織結構重構子頁仿真界面。

模擬仿真結果只有通過科學統計分析，按給定精度檢驗合格后才有效用。根據統計學樣本量固定原則，當模擬次數n達到一定數量后，s2（n）變化很小。因此，采用計算逼近法確定模擬次數（樣本）n，設定模型仿真時間為一個完整的重構周期，在CPN Tools的play屬性設置每次仿真50步。當相對誤差給定為0.15，檢驗水平為0.1時，用計算逼近法計算所必需模擬的次數，計算公式如下。

由于模擬結果中指標較多，計算過程仍然較繁雜。因此，選擇Matlab編寫M函數程序進行計算可快速得到符合要求的模擬次數。最后得到nγ*，取n=100次。通過CPN ML命令：CPN′Replication.nreplication 100實現重復仿真100次結果，得到組織結構重構（a）、業務單元重構（b）、功能模塊重構（c）3個環節重構響應指標輸出結果，統計得到不同環節關聯關系，主要表現為平均重構響應能力（TAR）、資源平均利用率（RAU）和重構單元溢出效率（ERS）指標（如圖7、圖8、圖9所示）。由于篇幅所限，表2僅給出部分仿真性能統計數據，在α為0.1檢驗水平下求得各指標相對誤差，顯示輸出統計結果精度符合要求。

分析以上指標，可以得出如下結論：（1）過濾時間延遲和免于重構環節，組織結構重構相對其他環節沒有初始延遲，進程反應較平緩，說明受約束較少。相對而言，業務單元和功能模塊重構響應相繼分別滯后約50%和25%時間單位，但啟動響應較快，重構周期時間則相繼延長。組織結構和業務單元重構具有明顯進程跟隨性，功能模塊重構具有顯著不穩定性，且不穩定性逐漸增大?？紤]完整的重構周期，組織結構重構進程完整程度占65%以上，業務單元重構進程完整程度占40%左右，最終能夠執行功能模塊重構只占15%。由此可見，在不完整且成功重構進程中，組織結構重構是首要且較易發生的重構形式。（2）各重構環節對于重構資源（或時間約束）利用程度在啟動和結束過程中，均存在時間變化交叉，反應相應階段重構轉換相對最小時間（約25%時間單位）和最遲時間（約85%時間單位）。整體重構周期相對利用率遞增約50%，雖然接近保持平衡狀態，但波動幅度逐漸放大。反映到持續時間上面，功能模塊重構對資源要求最高，反應最直接，持續時間也最長，業務單元重構和組織結構重構相對次之。相關結論對不同階段重構資源設置和重構過程精確控制具有指導意義。（3）考慮重構環節時間及其延遲分布比例，各環節轉換時間比反映了其重構轉換效率。核心目標驅動組織結構重構（TW）、組織結構重構向業務單元重構（TWU）以及業務單元重構向功能模塊重構（ATWU）的轉換效率呈現較大變化。首先，波動幅度呈顯著遞增狀態，但轉換成功率卻下降;其次，在TW階段轉換成功率幾乎是100%，轉換效率也最快，但在TWU和ATWU初始階段都有延遲，并且轉換失敗概率在顯著加大。

4 結束語

我國國情和農業產業化現狀決定了農產品供應鏈重構問題具有復雜性，在該領域紛繁復雜管理問題中把握關聯性、層次性和代表性是本研究的主要目的。通過以上針對土地流轉農產品供應鏈重構反應核心驅動HTCP-nets建模與仿真，主要統計了不同環節TAR、RAU和ERS表現差異性和反應規律，具有代表性。結合現實背景，相關結論對于當前農產品供應鏈重構研究和實踐有如下意義。

對不完整重構進程和不成熟農產品供應鏈及其市場，驗證了組織結構重構是農產品供應鏈的重構基礎。業務單元、功能模塊重構進程表現較分化，存在較大不穩定性;對于成熟農產品供應鏈及其市場，農產品供應鏈重構反應與進程控制重心則向業務單元、功能模塊重構環節轉移，并呈遞進趨勢。

組織結構重構、業務單元和功能模塊重構所受約束呈擴散遞增狀態。如果初始組織結構重構約束?。ū憩F為政策環境、 市場規則和保障機制等完善），相應可以降低業務單元和功能模塊重構約束限制，從而提高整體重構的成功率和效率。

核心目標驅動重構轉換效率呈現較大變化規律，一方面說明3個階段重構對驅動目標敏感性增大;另一方面說明在保證第1階段重構成功的基礎上，加大后面階段重構資源投入對實現重構目標或提升供應鏈重構性能會更有效。

因此，通過構建農產品供應鏈三維重構框架，利用 HTCP-nets進行方案建模和進程仿真分析，驗證了相關研究方案的路線合理性，得到具有一定代表性的結論。為科學把握農產品供應鏈重構路徑，規范重構操作進程，理清重構規則和提高重構成功率與效率等獲得可靠保障依據，并為本領域其他問題研究奠定了有效基礎。

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