基于Petri網的ETC高速收費系統優化分析

劉靜 王麗麗 劉祥偉

摘要：業務流程的建模是業務管理的核心內容之一，對業務流程進行建模優化分析顯得尤為重要.本文給出了基于Petri網的ETC高速收費流程模型的優化分析方法.首先結合實際ETC高速收費系統，分析流程模型中活動間的間接關系，找出源流程模型中存在的問題，然后對模型進行優化.最后利用PIPE軟件驗證其合理性.

關鍵詞：Petri網;行為輪廓;優化;ETC高速收費系統

中圖分類號：TP391.9? 文獻標識碼：A? 文章編號：1673-260X（2019）02-0056-03

1 引言

隨著信息技術的迅速發展及其廣闊的應用前景，Petri網建模已經成為分析解決業務流程問題的常用方法.在建模過程中可能會由于實際問題復雜交互而出現不適用的情形，則此時根據Petri網的性質和行為輪廓進行建模優化就變得極其重要，解決模型的適用性成為建模優化的核心問題.

目前，國內外很多學者對行為輪廓建模的優化問題進行了研究，文獻[1]介紹了Petri網的相關定義和基本原理，以及這些定義和原理在實際生活建模中的應用.文獻[2]提出將兩個業務流程模型事物的驅動關系合并成一個單一的過程模型，并將該模型進行優化，使得流程的模型優化不僅局限在最初的原始模型中，而是使活動之間存在間接的交互關系，該方法現已用于技術分析和過程挖掘中.文獻[3]介紹了一種Petri網可達性檢查技術，并給出了利用組合性來提高Petri網性能的一些具體例子.文獻[4]針對服務交互過程中出現的間接行為關系的情況，提出了一種基于綜合的行為輪廓的間接約束條件下的行為交互的研究方法，研究了綜合的行為輪廓，并將其用于服務交互的有效行為關系的選擇過程中，該方法拓展了已有方法僅考慮直接交互行為關系的情況.文獻[5]介紹了ETC收費系統在高速公路收費流程的應用以及普遍存在的一些問題，在結合國內外經驗的基礎上，提出了完善我國ETC高速收費流程的相應對策.文獻[6]針對高速電子不停車收費系統存在的交通擁堵、易發生交通事故、充值不便等問題，設計了一套基于OBU接收機與NFC充值的電子收費系統.

本文根據高速不停車電子收費系統的實際工作原理，以Petri網行為輪廓為基礎，提出了一種ETC高速收費系統的優化模型.文章第一部分介紹了Petri網中相關定義和基本原理，以及行為輪廓的基本定義.第二部分結合實際高速ETC收費情況，給出ETC高速收費系統Petri網結構圖，并對現有的收費系統進行分析，找出其中不合理的地方，再結合Petri網以及行為輪廓的相關知識加以改進，得出優化后的ETC高速收費系統模型并對該模型進行分析，從而避免了實際收費情況中會出現的一些問題.第三部分對給出的Petri網收費系統模型驗證了其合理性，進而得出該ETC收費系統優化模型是合理的.文章最后總結了全文得出結論并展望了未來關于Petri網的ETC收費系統的研究方向.

2 基本概念

定義1[7]（流程模型Petri網） 流程模型Petri網PN=（P，T，F，C）是一個四元組滿足以下條件：

定義3[1]（可達性） 設N=（P，T;F，M）為Petri網，如果存在t∈T使M[t>M']則稱M'為從M直接可達的.如果存在變遷序列t1，t2，…，tk和標識序列M1，M2，…，Mk使得M[t1>M1[t2>M2…Mk-1[tk>Mk，則稱Mk是從M可達的.從M可達的一切標識的集合記為R（M）.

定義4[8]（行為輪廓） 設（N，M0）是一個網，初始標識為M0，將所有關系的集合稱為網系統的行為輪廓，記作BP{→，→-1，+，‖}，對任給的變遷對（t1，t2）∈（T×T）滿足下面關系：

3 基于Petri網的ETC高速收費流程模型優化分析

通過分析研究我國的交通壓力和汽車的飛速增加，對我們的環境造成的污染日漸增加等，就當下的收費方式已經滿足不了高速交通壓力，應用ETC收費系統有效地緩解了這些問題，大大提高了通行效率.

基本的ETC收費流程如圖1所示，在高速公路行駛的車輛分為兩種情況ETC用戶t2和普通用戶t3，t2和t3是排他序關系，記作t2+t3.ETC用戶可以自由選擇ETC入口或普通入口，即t2引發t4和t6，t4和t6也是排他序關系（t4+t6），若t4發生，引發t5入口掃描，t4和t5是嚴格序關系，記作t4→t5.若t6發生，引發t7刷ETC卡，t6和t7也是嚴格序關系（t6→t7）.t5和t7的發生都可以引發t9進入高速，此時，ETC用戶可以自由選擇ETC出口和普通出口，即t9引發t10，t11且t10，t11是排他序關系（t10+t11）.假若選ETC出口則引發t12，t13和t14是排他序關系（t13+t14），若余額充足則交易成功，車輛通過，即t13依次引發t18，t19且是嚴格序關系（t13→t18→t19）.若余額不足則離開ETC車道進入普通車道，現金支付，即t14引發t15，t16也為嚴格序關系（t14→t15→t16），假如選普通出口則出口處刷ETC卡，即t11引發t17.t16，t17也都能引發t18，t19.普通用戶只能通過普通入口領卡進入高速，普通出口支付現金通過高速，即t3發生進而依次引發t8，t9，t11，t16，t18，t19.

由以上可以看出，ETC用戶如按圖1模型行駛，則存在安全隱患.當ETC用戶選擇ETC出口但余額不足時，此時離開ETC車道進入普通車道進行現金交易，這一措施在實際生活中可行性比較小，容易造成交通事故.針對這種情況，用Petri網的相關運行規則，通過增加相關的控制結構對原模型進行優化如圖2所示.

圖2中優化部分主要從ETC用戶進入高速后該如何選擇哪個出口通過高速進行考慮，即對ETC車載單元obu進行改進，使其具有對行駛車輛時時計費的功能，根據車輛行駛路程以每公里0.5元計費并計算出ETC卡里余額，當余額充足（≥10）時，obu不會發出響聲，此時可以選擇ETC出口通過高速且不會在ETC出口處出現余額不足無法支付的情況，進而避免了車輛離開ETC車道進入普通車道而存在的安全隱患.當余額不足（<10）時，obu將報警發出響聲，提醒用戶ETC卡里余額不足，無法正常通過ETC出口，此時有兩種方法供用戶選擇，第一行駛到高速出口時，選擇普通車道用現金支付的方式通過高速，第二通過手機轉賬的方式對ETC卡進行充值使其余額充足，再來選擇ETC出口則能正常通過.優化部分在模型中主要體現在增加了變遷t10，t11，t12，t13，t14，t15，t17，而t10引發t11，t12，且t11，t12是排他序關系（t11+t12），t11依次引發t13，t14，且它們是嚴格序關系（t11→t13→t14，），而t17的發生又回到了t14.

由以上可以看出，增加控制結構t10，t11，t12，t13，t14，t15，t17即可實現ETC高速收費流程模型的優化，從而有效降低了交通事故發生頻率，提高了通行效率.

4 結束語

本文基于Petri網給出了ETC高速收費流程模型的一種優化方法.根據Petri網的變遷發生規則及其可達性和行為輪廓的嚴格序、排他序等基本性質，通過增加庫所和變遷的方式對其進行優化，減少高速收費站的擁堵現象，增加道路的利用率.

未來，還需對優化后的模型基于Petri網行為輪廓提出相應的算法來分析模型的一致性，進一步對模型進行檢驗分析.

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