李 娟，刘丽梅，陈树芳，薛 庆，李观松

(山东特检鲁安工程技术服务有限公司，山东 济南 250010)

气瓶是一种典型的承压类特种设备。目前全国气瓶1.64亿只，数量大、流动性强、缺陷类型多、涉及的使用和管理环节多【1-2】。针对气瓶质量安全管理，国家相关部门提出：以电梯、气瓶等产品为重点，严格落实特种设备安全技术档案管理制度，推动企业对电梯产品的制造、安装、维护保养、检验以及气瓶产品的制造、充装、检验等过程信息进行记录，建立特种设备安全管理追溯体系【3】。

当前气瓶质量安全追溯体系建设尚处于起步阶段，相关研究提出了基于GS1编码、条码和射频识别等技术的气瓶追溯系统架构【4-6】，研究重点侧重于气瓶追溯体系建设的技术实现。但气瓶追溯链网存在环节多、追溯信息采集难度大等问题，当前研究对于气瓶追溯各环节、各因素等对气瓶质量安全追溯体系的有效性等方面的研究较少涉及。

Petri 网是一种有向图，由库所、变迁以及连接库所和变迁的有向弧线组成，能够简洁、直观地体现系统中并行、同步、冲突及因果依赖等关系，并且可以分析系统的动态性质，易于在所建立的模型基础上达到控制系统的目的【7-10】。Petri网具有比较严格的数学基础和较强的事件动态系统的描述能力，在系统动态特性分析方面具有优势，能够建立清晰的图形表达特种设备全生命周期的全过程，描述其活动节点间的结构关系【11-12】。

本文结合气瓶质量安全追溯的实际需要，对气瓶质量安全追溯体系涉及的环节、要素等进行分析，提出气瓶质量安全追溯业务流程，应用Petri 网模型理论，构建基于Petri网的气瓶质量安全追溯体系模型，并进行仿真验证，为进一步优化气瓶质量安全追溯体系提供参考。

1 气瓶质量安全追溯流程分析

业务流程是信息流现实的载体，信息流是业务流程数据化的反映。气瓶全生命周期包括生产(含设计、制造等环节)、充装、使用、检验、监管等环节。气瓶质量安全追溯业务流程从追溯涉及的业务流、气瓶追溯信息流等维度进行分析，可实现追溯业务与信息的有机融合。

1.1 气瓶质量安全追溯业务流程

气瓶质量安全追溯业务流程如图1所示，涵盖从设计到报废的全流程。

图1 气瓶追溯体系业务流程

气瓶行业主要是订单式生产，其生产环节根据订单开展气瓶设计，通过国家相关机构的型式试验后，根据工艺、工序等投入原材料进行制造；制造成形后，需通过公司自检、制造监检等；产品经检验合格后，将气瓶产品合格证、质量证明书、监督检验证书、型式试验证书等随产品一同出厂，交付给气瓶使用单位。气瓶产权单位在正式投入使用前，需要在特种设备安全监管部门办理使用登记，获得气瓶使用登记证编号并粘贴气瓶电子标识后再进行充装。气瓶充装前应检查气瓶，合格后方可充装并投入终端用户使用环节。气瓶使用流通过程中，应按照规定开展定期检验，若检验合格，可继续使用，不合格则将气瓶进行报废处理。

1.2 气瓶质量安全追溯信息流

气瓶各环节流转过程中产生的信息，涉及5M1E即人、机、料、法、环、测等方面【13-14】，是开展气瓶质量安全追溯的基础数据支撑。其中：人，即作业人员的技术熟练程度、资质或专业技能等； 机，即生产机械辅助设备、测量仪器的精度和维护保养状态等； 料，即原材料，涉及批次、质量、等级、成分、性能等； 法，即生产工艺、生产工序、操作规程等； 环，即工作场所和生产场所的温度、湿度等外部条件； 测，即设备检验检测等的方法、规程等。

围绕各环节、各因素构建气瓶追溯信息流，如图2所示。其中，气瓶制造环节，原材料(包括气瓶阀门等关键零部件)的信息以及气瓶的制造工艺、工序、人员等是重点记录的内容，也是对气瓶质量安全问题溯源的关键信息点；气瓶基本信息包括：气瓶主要参数(介质、工作压力、设备使用年限等)、气瓶制造单位、气瓶制造日期等，在气瓶出厂后气瓶使用流转的各环节内均保持一致，是开展气瓶使用登记、充装检查、使用管理、定期检验等的基础；气瓶充装环节重点记录对充装前后的检查信息(气瓶电子标识、气瓶使用登记证、气瓶检验信息等)、充装记录(充装介质、充装人员、充装日期、充装设备)等信息的采集【15】。

图2 气瓶追溯信息流

2 气瓶质量安全追溯体系Petri网建模

借助Petri网强大的描述能力、严格的形式化表达、成熟的数学分析技术和直观的图形表示等特性，实现对气瓶质量安全追溯业务活动的抽象建模，直观地反映各环节间复杂的顺序、并行或同步等时空逻辑关系，进一步全面、准确地掌握气瓶生命周期追溯全过程。

2.1 基本思路

基于上述气瓶质量安全追溯的业务流程和信息流程，开展流程与Petri网的映射，确定模型中的主要元素(库所、变迁、托肯)类型以及元素属性项，按照业务流程中涉及的作业和状态，列出状态与事件表。除了采用相对应的映射之外，为了保证相邻的作业之间有库所，还应该考虑到在两个作业之间增加状态。

采用Petri 网建立气瓶质量安全追溯模型时，库所为气瓶生命周期的各个环节，也表示气瓶从设计制造到使用、报废等全流程各环节的先后顺序；变迁表示气瓶质量安全追溯流程各个环节的产生条件；令牌/托肯(Token)表示气瓶质量安全追溯流程中库所的状态，具体标识及其对应的流程和含义如表1所示。

表1 业务流程与Petri网的转换关系

根据表1以及气瓶质量安全追溯实际业务流程，开展业务向Petri网的映射，并基于顺序、并行、循环、选择等逻辑模型，实现Petri网库所、变迁的关联，确定各流程节点的属性【16-17】。

根据文献【2】，基于气瓶质量追溯的内部追溯、外部追溯的需要以及表1定义和Petri网基本理论模型，分别重点构建满足内部追溯、外部追溯的气瓶质量安全追溯Petri网模型，并基于PIPE仿真工具对所构建模型的可达性、有界性和安全性、活性等特征进行分析，以提升追溯流程实现的可靠性。

2.2 气瓶制造质量安全内部追溯Petri网模型构建与仿真分析

气瓶制造环节工序较多，为实现高效的内部追溯，面向制造环节内部追溯的气瓶质量安全追溯Petri网模型重点将气瓶下料、 热处理、 力学试验、 水压试验、 无损检测等关键工序以及第三方机构的型式试验、 制造监检等环节纳入追溯流程【18】，如图3所示，对应的流程模型标识符含义详见表2。

图3 面向制造环节内部追溯的气瓶质量安全追溯Petri网模型

表2 气瓶内部追溯Petri网模型库所与变迁的定义

(续表2)

基于PIPE仿真工具对图3构建的气瓶内部追溯Petri网模型进行分析，认为该模型满足安全性、有界性和无死锁(活性)及可达性要求，分析结果如图4所示。

图4 内部追溯模型仿真结果

2.3 气瓶生命周期质量安全外部追溯Petri网模型构建与仿真分析

外部追溯方面，重点从系统性、总体性的角度对涉及气瓶生命周期的各环节进行追溯流程设计，因而将气瓶制造环节作为一个整体，纳入气瓶外部追溯体系，同时根据气瓶使用流通过程中充装、检验两个环节对于气瓶安全管理的重要性和外部追溯Petri网模型的构建重点对这两个环节进行分析，形成了面向过程管理的气瓶生命周期质量安全外部追溯Petri网模型，如图5所示，其中库所与变迁标识符及其含义见表3。

表3 气瓶外部追溯Petri网模型库所与变迁的定义

图5 面向过程管理的气瓶质量安全追溯Petri网模型

基于PIPE仿真工具对图5构建的气瓶外部追溯Petri网模型进行分析，认为该模型满足安全性、有界性和无死锁(活性)及可达性要求，分析结果如图6所示。

图6 外部追溯模型仿真结果

3 结语

针对气瓶质量安全追溯的业务需要，基于业务流与信息流融合的思路，构建了气瓶制造环节内部追溯Petri网模型、气瓶全过程管理外部追溯Petri网模型。内部追溯主要面向制造环节，强调对于制造企业内部涉及气瓶质量安全的原材料、工艺、工序等相关过程和信息的追溯；外部追溯主要面向气瓶生命周期各环节，强调气瓶从设计到报废全过程流通的各节点关键信息的追溯。

基于Petri 网仿真工具 PIPE对气瓶追溯模型和系统流程进行仿真，通过仿真结果的分析和对比，所构建模型满足活性、有界性和公平性、可达性等特性，且无死锁发生，验证了所构建的气瓶质量安全追溯流程的合理性，为提高气瓶质量安全追溯系统设计的效率提供了参考。