基于有色Petri网的网络化传感系统研究

程学珍 ，刘建航 ，白星振 ，冯翠萍

（1.山东科技大学 电气与自动化工程学院，青岛 266590；2.山东科技大学 矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地，青岛 266590）

标准化的网络传感系统是传感器的发展趋势，而IEEE1451标准是这一发展方向的鲜明代表。构建一个标准的网络化传感系统，首先要进行网络传感器的系统建模，建模作为网络传感器开发的重要手段，有助于该系统的快速实现，并能够广泛应用于各领域中[1-2]。基于IEEE1451技术标准能够解决当前网络化传感系统的“即插即用”、互换性、兼容性以及标准化等系列问题[3]，因此，该标准成为研究网络化传感系统中模型建立分析的关键，受到许多专家学者的关注。例如，文献[4]采用UML（统一建模语言）建立了基于IEEE1451技术标准的传感器面向对象的应用模型，该模型主要针对IEEE1451.1子标准，并未广泛应用到IEEE1451的其它系列标准中；文献[5]通过UML描述了IEEE1451智能传感器的静态特性，主要侧重于静态用例、动态行为和系统部署建模，没有考虑到所建模型的动态性能分析；文献[6-7]利用Petri网法验证了智能传感器接口模块（STIM）以及TII通信协议模块优化设计性能，只是对网络化传感系统的部分实现了动态性能分析和优化，该模型中没有考虑其整体性能效果。因此，需要从全局建立模型，仿真验证系统可行性，再进行其具体的模块研究和分析。由于Petri网建模具有准确严格的形式化语义定义，对具有并发性、不确定性、异步性和资源共享等特性的系统具有较强的描述和分析能力，可以完成网络化传感系统从模型建立、分析到动态行为验证的全部功能[8]。故此，本文基于有色Petri网建立网络化传感系统模型，利用CPN Tools对其仿真，能够整体上对模型进行验证和分析，为完成各个模块之间的连贯性以及流通性提供优化依据。

1 网络化传感系统模型构建

网络化传感系统建模，需形象、规范化地描述系统的静态结构和动态行为，并统一规划系统的部署，既要清晰表达IEEE1451网络传感系统的软、硬件结构体系，又要反映其模块化、互操作性和扩展性[9]。如图1所示，基于IEEE1451.2标准[10]所建立的网络化传感系统结构是通过多个传感器元件作为数据采集的输入通道，所采集的信号经过通道选择进入STIM模块；STIM模块包括数据采集单元和数据处理单元，它包含0～255个传感器的通道，网络化传感系统通过对传感器电子数据表单（TEDS）的配置，存储了传感元件的基本信息，能够自动识别传感器元件，实现网络化级别的“即插即用”；TII通信协议作为连接STIM和NCAP的接口，主要负责NCAP和STIM之间的数据通讯，接收NCAP传来的命令以及实现STIM采集数据的上传；NCAP模块是一个嵌入式系统微处理模块，存在于STIM模块和通讯网络之间，它内部包括2个通讯接口：一个用来实现与STIM模块之间的数据通信，另一个负责将接受到的数据传送到网络终端，实现数据的网络共享；远程操作者通过对网络实际操作，实时地“人机交互”。

图1 基于IEEE1451.2网络化传感系统功能模块Fig.1 Network sensors system functional block diagram based on IEEE1451.2

根据图1模块结构，构建出网络化传感系统的Petri模型，如图2所示，Petri网中的库所和变迁的说明如表1所示。

图2 网络化传感系统Petri网模型Fig.2 Network sensors system based on Petri nets model

表1 Petri网中库所与变迁说明Tab.1 Changes and library described in Petri nets

2 建立形式化模型

有色Petri网是一种高级Petri网[11]，它是由Carl Adam Petri于1962年在博士论文中提出的经典Petri网模型的基础上进行改进，对库所（Token）指定颜色，尤其是有色集（Color Sets）。通过满足变迁发生的条件，经有向弧相连的输入库所，将Token送达变迁的输出库所中，完成其动态行为验证。

2.1 有色网的形式化定义

有色网 （color petri nets，CPN）是一个六元组N=（P，T，Pre，Post，C，cd）[12]，其中：

1）P是一个有穷集合，即有限集（N的库所集合）；

2）T是一个有穷集合，即有限集（N的变迁集合），并且和 P 不相交，即（P∩T＝Ø）；

3）C是有色集的集合，是一个非空有限集；

4）cd是一个有色函数，P∪T→C是有色域的映射；

在上述定义中 f：cd（t）→Bag（cd（p））可以由形如映射组成的集合来表示。同理，C=Post-Pre称为关联矩阵。

2.2 网络化传感系统CPN模型

利用CPN Tools作为有色Petri网建模和动态行为验证分析的工具，建立网络化传感系统的CPN模型。CPN Tools不仅可以用于有色Petri网的设计和实现对有色Petri网模型的仿真验证，还可以对所建模型进行结构可操作性分析，判断系统准确性。

建立网络化传感系统的有色Petri网模型，需要先对其变量与有色集进行定义与说明，如表1所示。利用CPN Tools建立的模型如图3所示，其中，库所P0中有1个托肯，代表采集1个传感器数据，同样可相应地增加其数量，满足实际需求。采集处理后的数据最终到远程操作者，完成1个数据采集周期，可以周而复始，无限次收集采集的数据。

图3 基于有色Petri网网络化传感系统Fig.3 Network sensors system based on Colored Petri Net

3 模型性能分析

利用CPN Tools对网络化传感系统模型的结构特性进行仿真分析，主要包括其状态空间分析、系统可达性、活性和有界性等，从而确定所建模型是否存在死锁，判断系统的准确性与可行性。通过动态行为验证，确定出该模型是否能够表达所建立的网络化传感系统的流程。因此，通过对所建立模型的特性进行相应的分析，其具体情况如下：

1）状态空间分析

根据CPN Tools得到的标准状态空间报告统计分析，如表2所示，其中状态空间给出了节点和连接弧的个数，分别为116630和394531；强连接图，其节点和连接弧的数量和状态空间图的个数相同，达到所建模型的预期要求。表2中统计数据说明其状态空间分析是合理的。

表2 状态空间分析报告Tab.2 State space analysis report

2）系统可达性

可达性决定了一个给定的标识量能否从初始标识到达其最终端，它是展示所建模型动态行为特征的重要指标。根据图3中初始状态P0变迁情况以及表3中模型的上界和下界结果可知，所建系统模型具有可达性。

3）有界性分析

有界性是分析模型正确与否的关键，它表明Petri网中的库所是有界的。根据表3数据分析可知，每个库所均是有界的，且库所P13是有穷限个，符合模型的实际要求。

表3 有界性分析报告Tab.3 Boundedness analysis report

4）活性分析

死标识表示在该标识下任何赋值变迁都是非使能的。死变迁表示该变迁在模型中的任何发生序列中都是无法进行的，标志着所建模型的合理性与否。活变迁表示在任何可达标识下，该变迁都在一个可发生序列中。根据表4中所列出的模型活性分析报告可知，所建模型不存在死变迁，表明模型设计是合理的；同样，模型中存在活变迁，这是因为该模型是在死标识状态下所有变迁都是不可以发生的，这说明是采集数据传完一个周期结束的结果，这样的结果是符合模型实际的。通过上述分析可知，模型收集完数据是一个周期的结束，因此除了结束标识外，其他所有的标识都不是死标识，所有的变迁都是活变迁，表明系统模型结构是不存在死锁的，没有不可达节点和数据丢失的现象发生。

表4 活性分析报告Tab.4 Liveness analysis report

4 结语

本文通过有色Petri网对网络化传感系统进行形式化建模，所建模型具有通用性，可应用具体需求中。有色Petri网模型可准确描述系统整体性能以及各部分间兼容性，利用CPN Tools对所建模型进行动态行为分析和性能验证。通过状态空间分析可以对模型的基本特性分析，验证了所建模型的合理性和正确性。文中只是对整体模型进行仿真验证，并未具体到模块优化，故仍需在此基础上，继续对每一部分的流程进行性能细化，使其更加优化合理。

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