基于有色Petri網的網絡化傳感系統研究

程學珍 ，劉建航 ，白星振 ，馮翠萍

（1.山東科技大學 電氣與自動化工程學院，青島 266590；2.山東科技大學 礦山災害預防控制省部共建國家重點實驗室培育基地，青島 266590）

標準化的網絡傳感系統是傳感器的發展趨勢，而IEEE1451標準是這一發展方向的鮮明代表。構建一個標準的網絡化傳感系統，首先要進行網絡傳感器的系統建模，建模作為網絡傳感器開發的重要手段，有助于該系統的快速實現，并能夠廣泛應用于各領域中[1-2]?；贗EEE1451技術標準能夠解決當前網絡化傳感系統的“即插即用”、互換性、兼容性以及標準化等系列問題[3]，因此，該標準成為研究網絡化傳感系統中模型建立分析的關鍵，受到許多專家學者的關注。例如，文獻[4]采用UML（統一建模語言）建立了基于IEEE1451技術標準的傳感器面向對象的應用模型，該模型主要針對IEEE1451.1子標準，并未廣泛應用到IEEE1451的其它系列標準中；文獻[5]通過UML描述了IEEE1451智能傳感器的靜態特性，主要側重于靜態用例、動態行為和系統部署建模，沒有考慮到所建模型的動態性能分析；文獻[6-7]利用Petri網法驗證了智能傳感器接口模塊（STIM）以及TII通信協議模塊優化設計性能，只是對網絡化傳感系統的部分實現了動態性能分析和優化，該模型中沒有考慮其整體性能效果。因此，需要從全局建立模型，仿真驗證系統可行性，再進行其具體的模塊研究和分析。由于Petri網建模具有準確嚴格的形式化語義定義，對具有并發性、不確定性、異步性和資源共享等特性的系統具有較強的描述和分析能力，可以完成網絡化傳感系統從模型建立、分析到動態行為驗證的全部功能[8]。故此，本文基于有色Petri網建立網絡化傳感系統模型，利用CPN Tools對其仿真，能夠整體上對模型進行驗證和分析，為完成各個模塊之間的連貫性以及流通性提供優化依據。

1 網絡化傳感系統模型構建

網絡化傳感系統建模，需形象、規范化地描述系統的靜態結構和動態行為，并統一規劃系統的部署，既要清晰表達IEEE1451網絡傳感系統的軟、硬件結構體系，又要反映其模塊化、互操作性和擴展性[9]。如圖1所示，基于IEEE1451.2標準[10]所建立的網絡化傳感系統結構是通過多個傳感器元件作為數據采集的輸入通道，所采集的信號經過通道選擇進入STIM模塊；STIM模塊包括數據采集單元和數據處理單元，它包含0～255個傳感器的通道，網絡化傳感系統通過對傳感器電子數據表單（TEDS）的配置，存儲了傳感元件的基本信息，能夠自動識別傳感器元件，實現網絡化級別的“即插即用”；TII通信協議作為連接STIM和NCAP的接口，主要負責NCAP和STIM之間的數據通訊，接收NCAP傳來的命令以及實現STIM采集數據的上傳；NCAP模塊是一個嵌入式系統微處理模塊，存在于STIM模塊和通訊網絡之間，它內部包括2個通訊接口：一個用來實現與STIM模塊之間的數據通信，另一個負責將接受到的數據傳送到網絡終端，實現數據的網絡共享；遠程操作者通過對網絡實際操作，實時地“人機交互”。

圖1 基于IEEE1451.2網絡化傳感系統功能模塊Fig.1 Network sensors system functional block diagram based on IEEE1451.2

根據圖1模塊結構，構建出網絡化傳感系統的Petri模型，如圖2所示，Petri網中的庫所和變遷的說明如表1所示。

圖2 網絡化傳感系統Petri網模型Fig.2 Network sensors system based on Petri nets model

表1 Petri網中庫所與變遷說明Tab.1 Changes and library described in Petri nets

2 建立形式化模型

有色Petri網是一種高級Petri網[11]，它是由Carl Adam Petri于1962年在博士論文中提出的經典Petri網模型的基礎上進行改進，對庫所（Token）指定顏色，尤其是有色集（Color Sets）。通過滿足變遷發生的條件，經有向弧相連的輸入庫所，將Token送達變遷的輸出庫所中，完成其動態行為驗證。

2.1 有色網的形式化定義

有色網 （color petri nets，CPN）是一個六元組N=（P，T，Pre，Post，C，cd）[12]，其中：

1）P是一個有窮集合，即有限集（N的庫所集合）；

2）T是一個有窮集合，即有限集（N的變遷集合），并且和 P 不相交，即（P∩T＝?）；

3）C是有色集的集合，是一個非空有限集；

4）cd是一個有色函數，P∪T→C是有色域的映射；

在上述定義中 f：cd（t）→Bag（cd（p））可以由形如映射組成的集合來表示。同理，C=Post-Pre稱為關聯矩陣。

2.2 網絡化傳感系統CPN模型

利用CPN Tools作為有色Petri網建模和動態行為驗證分析的工具，建立網絡化傳感系統的CPN模型。CPN Tools不僅可以用于有色Petri網的設計和實現對有色Petri網模型的仿真驗證，還可以對所建模型進行結構可操作性分析，判斷系統準確性。

建立網絡化傳感系統的有色Petri網模型，需要先對其變量與有色集進行定義與說明，如表1所示。利用CPN Tools建立的模型如圖3所示，其中，庫所P0中有1個托肯，代表采集1個傳感器數據，同樣可相應地增加其數量，滿足實際需求。采集處理后的數據最終到遠程操作者，完成1個數據采集周期，可以周而復始，無限次收集采集的數據。

圖3 基于有色Petri網網絡化傳感系統Fig.3 Network sensors system based on Colored Petri Net

3 模型性能分析

利用CPN Tools對網絡化傳感系統模型的結構特性進行仿真分析，主要包括其狀態空間分析、系統可達性、活性和有界性等，從而確定所建模型是否存在死鎖，判斷系統的準確性與可行性。通過動態行為驗證，確定出該模型是否能夠表達所建立的網絡化傳感系統的流程。因此，通過對所建立模型的特性進行相應的分析，其具體情況如下：

1）狀態空間分析

根據CPN Tools得到的標準狀態空間報告統計分析，如表2所示，其中狀態空間給出了節點和連接弧的個數，分別為116630和394531；強連接圖，其節點和連接弧的數量和狀態空間圖的個數相同，達到所建模型的預期要求。表2中統計數據說明其狀態空間分析是合理的。

表2 狀態空間分析報告Tab.2 State space analysis report

2）系統可達性

可達性決定了一個給定的標識量能否從初始標識到達其最終端，它是展示所建模型動態行為特征的重要指標。根據圖3中初始狀態P0變遷情況以及表3中模型的上界和下界結果可知，所建系統模型具有可達性。

3）有界性分析

有界性是分析模型正確與否的關鍵，它表明Petri網中的庫所是有界的。根據表3數據分析可知，每個庫所均是有界的，且庫所P13是有窮限個，符合模型的實際要求。

表3 有界性分析報告Tab.3 Boundedness analysis report

4）活性分析

死標識表示在該標識下任何賦值變遷都是非使能的。死變遷表示該變遷在模型中的任何發生序列中都是無法進行的，標志著所建模型的合理性與否?；钭冞w表示在任何可達標識下，該變遷都在一個可發生序列中。根據表4中所列出的模型活性分析報告可知，所建模型不存在死變遷，表明模型設計是合理的；同樣，模型中存在活變遷，這是因為該模型是在死標識狀態下所有變遷都是不可以發生的，這說明是采集數據傳完一個周期結束的結果，這樣的結果是符合模型實際的。通過上述分析可知，模型收集完數據是一個周期的結束，因此除了結束標識外，其他所有的標識都不是死標識，所有的變遷都是活變遷，表明系統模型結構是不存在死鎖的，沒有不可達節點和數據丟失的現象發生。

表4 活性分析報告Tab.4 Liveness analysis report

4 結語

本文通過有色Petri網對網絡化傳感系統進行形式化建模，所建模型具有通用性，可應用具體需求中。有色Petri網模型可準確描述系統整體性能以及各部分間兼容性，利用CPN Tools對所建模型進行動態行為分析和性能驗證。通過狀態空間分析可以對模型的基本特性分析，驗證了所建模型的合理性和正確性。文中只是對整體模型進行仿真驗證，并未具體到模塊優化，故仍需在此基礎上，繼續對每一部分的流程進行性能細化，使其更加優化合理。

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