基于TOC和面向对象Petri网系统的后勤保障流程建模
随着信息技术的飞速发展以及经济全球化进程的不断加快，战争也由传统的机械化时代跨入了信息化时代。战争形态的演变使得传统的后勤保障模式越来越不适应现代战争的需求，暴露出越来越多的问题。如何利用新技术革命的成果，再造现有的军事后勤保障流程，达到后勤管理运作由“纵向一体化”逐渐向“横向一体化”过渡，实现军事效益与经济效益的有机结合，提高军事后勤保障的敏捷性和柔性，是实现传统军事后勤保障跨越式发展的重要手段。流程建模是认识、理解、分析、诊断、评价后勤保障流程的基础，它使用非语言的可视化方法描述后勤保障系统组织结构和信息的方法，也是后勤保障流程再造的关键环节。本文以面向对象的Petri网系统为工具并结合TOC理论以及层次化的分析方法探讨一种便于计算机表示和存储的军事后勤保障流程建模方法，从而使得建立起来的军事后勤保障流程模型与信息系统之间有较为紧密的对应及转换关系。
2 基本概念
2.1 Petri网基本概念
(1)基本Petri网。基本Petri网可以由一个{S，T，F}的三元组表示，其中S表示库所集，S={S1，S2…Sn}；T表示变迁集，T={T1，T2…Tn}；F表示弧关系，是由一个元素s和一个元素t组成的有序偶的集合。并满足条件：S∪T≠Φ，S∩T=Φ，F⊆S×T∪T×S。在建模中库所是被动元素，通常表示媒介、缓冲器、地理位置、(子)状态、阶段或条件；标记通常表示对象，这些对象可能是具体的事物、也可能是抽象的事物。
(2)Petri网系统。由于Petri网只能表述系统的静态结构，而实际中我们需要描述系统的动态结构，因而在建模过程中需要引入Petri网系统。
Petri网系统可以用一个六元组即∑={S，T，F，K，W，M0}进行定义，其中S={S1，S2…Sn}是库所集合，代表了所有可以估计的系统状态；T={T1，T2…Tn}是有限的非空变迁集合，代表了所有可能发生的事件，同时满足PIT=Φ；F⊆a+∪a-称为弧关系，a-、a+分别表示变迁输入、输出弧的组合，a-⊆P×T，a+⊆T×P；K：P→U{∞}是容量函数，N={1，2，3…}；W：F→N是权函数，N={1，2，3…}；M0：P→N0称为∑的初始标识，N0={1，2，3…}，代表系统的初始状态。
Petri网系统的运行具有一定的规则，设∑=(S，T，F，K，W，M0)为一网系统，M为其基网上的一个标识。
①若Ti∈T，则*Ti∪Ti*称为Ti的外延；
②Ti在M有发生权的条件为："Si∈S，Si∈*Ti"M(S)≥W(Ti，Si)且Si∈Ti*M(Si)+w(Ti，Si)≤K(Si)，这时称为M授权Ti发生，记作M[Ti>；
③当Ti在M有发生权时，发生的结果把M′变成后续标识M′，记作M[t>M'。此时Si∈S有：
2.2面向对象技术与Petri网系统的融合
面向对象方法认为系统是由对象及对象之间的关系构成，它采用属性(Attribute)和方法(Method)等表示对象自身的状态及行为特征，消息(Message)表示对象之间的关系，方法及消息构成了系统的动态描述。在Petri网系统中库所表示对象的状态和属性，用变迁和托肯传递表示所具有的方法及对象之间的消息。在流程建模中，通过将面向对象技术与Petri网系统建模工具结合应用可以将数据处理的内容和方法封装在Petri网模型中，从而提高流程建模的精确性、可靠性、全面性、可理解性、可变性、可适应性及可重用性。
另外，在将面向对象技术与Petri网系统结合应用于军事后勤保障流程建模的过程中，可引入层次化的分析方法，即首先建立保障流程的结构模型，寻找流程的瓶颈环节，然后对需要细化及重组的流程建立详细的Petri网系统模型，以作进一步的优化。
2.3 TOC理论
TOC(Theory of Constraints)即约束理论，是由以色列物理学家Goldratt创立的。其核心思想是利用系统的观点将企业运作看成一个有机联系的整体，而非孤立过程组成的简单集合体，并且认为每个系统都要受到至少一个影响其绩效提高的因素的约束。这里所说的“约束”也即通常所说的“瓶颈”。在军事后勤保障流程中，最为薄弱的环节会对流程整体运作产生致命的影响，进而影响到整个后勤保障绩效的提高。因而，在军事后勤保障流程重组中，可以分析结构模型中各层的所有作业流程，并找出各流程中问题最为严重的瓶颈环节以重新设计。通过对约束理论的引入不仅可以解决军事后勤保障流程重组中重组范围难以控制和缺乏重点的难题，而且可以有效的降低重组成本及风险。
3 基于TOC和面向对象技术的后勤保障流程Petri网系统建模
3.1建模步骤
基于TOC和面向对象技术的后勤保障流程Petri网系统建模总体上首先应用ESCRI原则从结构上进行优化，如消除流程中的不必要环节、采用并行工作等；然后应用约束理论及Petri网系统建模工具找出保障流程中的瓶颈环节，并对已建立的Petri网模型进行对象化处理及细化、仿真改进；再次由于流程中旧的瓶颈消去以后会形成新的瓶颈，所以应重复前两个环节，逐步优化流程，从而达到流程重组的最终目标。下文将以图2所示的流程图中的各环节为主要介绍对象。
(1)前期准备。其任务主要包括成立军事后勤保障流程重组项目组，进行重组动员，提供人员及资金保障等。
(2)后勤保障流程结构模型分析。即应用层次化的分析方法建立现有军事后勤保障流程的结构模型(如图1所示)，并对流程作结构优化。现有军事后勤保障流程的结构模型分为后勤保障战略指挥层、后勤保障核心层、后勤保障作业层三层。其中，后勤保障战略指挥层主要包括针对军地保障力量、三军保障力量、技术保障力量，以及后方防卫力量实施集中统一指挥的流程；后勤保障核心层主要包括在整个军事后勤保障体系中起着极其重要作用的核心流程，包括装备保障流程、物资保障流程、油料保障流程、器材保障流程、卫生勤务保障流程；后勤保障作业层主要包括保障作业方法、组织结构、工具、程序等，它的范围多局限于一个部门之内。对结构模型中的流程作结构优化即应用ESCRI方法消去、减少现有军事后勤保障流程中重复的、不增值的、非核心的保障业务环节，合并军事后勤保障系统内部及军事供应链上的相关活动。
(3)选择重组流程。分析现有后勤保障结构模型各层中的作业流程，找出运作效率低下及短期收益较大的流程作为需要重组的流程。
(4)绘制流程图及结构优化。先建立保障流程的IDEF0静态流程图，在此基础上建立流程的有色、赋时Petri网模型，对需重组的流程结构进一步优化，如将串行结构改并行结构，应用ESCRI方法消去或减少流程中重复的、不增值、非核心的业务等。
(5)建立瓶颈流程的面向对象有色广义随机Petri网系统模型。根据约束理论，所谓的瓶颈指的是小于或等于“负荷”的资源，在后勤保障流程中“负荷”指的是超出实际保障能力的那部分资源，这一资源限制了保障绩效的提升。因此，可以应用约束理论结合Petri网仿真技术找出瓶颈流程并细化该流程，应用有色广义随机Petri网系统进行建模。在建模时用“库所”表示保障任务执行条件“，变迁”表示保障任务之前需要弄清流程的要素、结果及效果，给每个“变迁”赋予该保障任务发生所持续的时间，这个时间可以是特定取值范围内的一个随机数，然后利用面向对象技术对Petri网系统中的各类元素进行对象化处理。另外，在建模过程中可结合层次化的思想，将从上到下及从下到上的方法相结合。
(6)优化瓶颈流程。该步骤的实施可采用标杆法、ESCRI、TOC等方法对瓶颈流程作进一步优化，并应用仿真模型进行模拟以提高优化效果。
(7)流程设计正确性检验。验证流程设计正确与否是实施后勤保障流程再造不可缺少的重要环节，可以利用Petri网的可达性分析方法对流程的有界性、活性及可逆性进行检验，并冲突检测、死锁仿真。若评价结果达标则实施该流程，反之则返回步骤(3)。
3.2后勤保障有色Petri网系统模型建立
在传统Petri网中，同一个库所里的标记不能通过定义来进行识别，这在流程建模中是不能接受的，因而需要对其扩展。在军事后勤保障流程重组中，本文引入有色Petri网模型对其流程进行建模。通过有色Petri网对模型中的标记进行赋值，使得Petri网模型能够直接传递和处理数据，并且使得模型的复杂性得到简化。因而，在流程建模中对模型进行着色处理是必要的。
本文以后勤保障系统中的采购机构单元为例来说明后勤保障流程的着色处理，建立如图3所示的军队物资采购机构单元有色Petri网系统模型。在模型中库所P1表示采购机构空闲，库所P2表示采购任务下达，库所P3表示招标采购，库所P4表示询价采购，库所P5表示竞争性谈判，库所P6表示单一来源，库所P7表示采购任务正在执行，库所P8表示采购任务执行情况；变迁T1表示采购任务分类，变迁T2表示执行采购任务，变迁T3表示采购任务执行完毕。在该模型中，给库所P1定义色彩集，w=1表示采购人员忙，w=0表示采购人员空闲；并定义一个二元数组(x，y)，x=1表示有采购任务，x=0表示没有采购任务，y=a，b，c，d表示采购任务归属，y=a表示招标采购，y=b表示询价采购，y=c表示竞争性谈判，y=d表示单一来源。此外，变迁的动作可按概率产生。
3.3后勤保障广义随机Petri网系统模型建立
传统Petri网变迁一旦满足触发条件就会立即被实施，而且其发生持续时间几乎为零，然而军事后勤保障各环节的实施都需要时间，因而在对其保障流程进行建模时需要对其扩展。本文引入广义随机Petri网系统对其进行扩展，假设某个保障环节的发生时间即Petri网中的变迁就绪时间、托肯持有时间、变迁使能时间服从负指数分布，对模型中的变迁赋予相应时间变量。
3.4后勤保障有色广义随机Petri网系统模型的对象化处理
(1)确定有色广义随机Petri网系统模型对象类。将模型中具有类似的行为和信息结构的相互联系得对象抽象为一个对象类，明确对象类中各对象所具有的属性以及相关对象之间的关系。
(2)对象模型的建立。根据后勤保障系统的特性，构造出对象之间的消息传递关系，定义类中各对象的输入输出接口IM机OM，建立经过对象化处理的有色广义随机Petri网系统模型。该系统是由一个四元组S=(O，M，T，∑，C)组成，其中O= {Oi，i=1,2,…I，I∈N}为系统中的对象集合，Oi为系统中的对象元素t；M为Oi之间和Oi与外界交互的消息集合。Oi为一个七元组，Oi={P,TF,MMP,IA,E,C}其中，P为由各对象之间的输入输出接口即消息库所Pi所组成的有限集合，T为由各对象输入库所IM和输出库所OM之间变迁ti即消息门所组成的有限集合；MMP为系统中的各对象之间的输入输出接口即消息管理库所IM及OM组成的集合；IA为系统中各对象接口弧的有限集合；E为定义在弧上表达式的函数；C为与消息管理库所相关联的颜色集合；M表示消息的集合；T表示变迁延迟时间t的集合；∑为各库所的颜色集合；C表示通过某消息门的托肯流关系，如某消息门的输入库所IM=(im1，im2…)，则C(IM)=(im1，im2…)；同理输出库所OM=(om1，om2…)，则C(OM)=(om1，om2…)。
在后勤保障流程建模中，将其中的采购机构单元作为一类对象进行对象化处理，并以此为例建立模型如图4所示，其中r1、r2、r3表示通过消息门的延迟时间；通过消息门ti对应的输入托肯流C(IM)1=(im11，im12)，输出托肯流为C(OM)2=(om11，om12，om13，om14)，同理可推得通过消息门t2、t3的托肯流。
4 结束语
再造现有的军事后勤保障流程，达到后勤管理运作由"纵向一体化"逐渐向"横向一体化"过渡，从而实现后勤保障绩效的提高是当前所面临的主要问题。而流程建模是流程再造的基础，模型的可靠性、扩展性直接关系到流程再造的成败。本文提出的基于TOC和面向对象技术的后勤保障流程Petri网系统建模方法，将Petri网形式化和图形化的特点与面向对象技术的模块化、柔性化、可重用性、可维护性的优点相融合，能有效地降低建模复杂度、提高建模效率、可扩展性、动态性。
