韓江洪， 周 濤， 張本宏， 孫 峰， 魏振春

（1.合肥工業(yè)大學 計算機與信息學院，安徽 合肥 230009；2.合肥工業(yè)大學 安全關鍵工業(yè)測控技術教育部工程研究中心，安徽 合肥230009）

Petri網(wǎng)是一種用網(wǎng)狀圖形表示系統(tǒng)建模的方法，并具有嚴格數(shù)學定義的圖形建模工具，是對異步、離散、并發(fā)事件動態(tài)系統(tǒng)建模和性能分析的有力工具，已在許多領域得到了廣泛的應用［1］。車身網(wǎng)絡診斷系統(tǒng)具有離散的狀態(tài)，并在診斷消息事件的驅(qū)動下進行狀態(tài)演化，因此可以看成一個離散事件系統(tǒng)。運用Petri網(wǎng)對車身網(wǎng)絡診斷系統(tǒng)進行建模，可以最大限度地保證開發(fā)系統(tǒng)的正確和可靠。而有色的Petri網(wǎng)能夠進一步降低系統(tǒng)模型的復雜性，因而更加適合復雜離散事件系統(tǒng)的建模［2－4］。在車身故障診斷系統(tǒng)中，利用Petri網(wǎng)可以很好地描述故障診斷信息的產(chǎn)生過程。但是由于消極消息的多樣性和不確定性，用普通的Petri網(wǎng)建模方法難以滿足故障診斷的要求。因此，本文將有色Petri網(wǎng)技術運用在車身網(wǎng)絡診斷系統(tǒng)中并給出了有色Petri網(wǎng)的建模方法，通過仿真實驗證明了該方法的有效性。

1 車身網(wǎng)絡診斷系統(tǒng)的結(jié)構和特點

在總線式的車身診斷控制系統(tǒng)中，分布于汽車車身的多個電子控制單元（ECU）是通過CAN總線連成網(wǎng)絡［5］，而每個電子控制單元都包含了與之相應的診斷服務功能。通常在診斷的時候選擇診斷儀為中央控制節(jié)點，并以邏輯的方式實現(xiàn)對車身中各個ECU節(jié)點的控制和診斷［6－8］。

總線式車身網(wǎng)絡診斷系統(tǒng)的工作流程為：診斷儀改變會話狀態(tài)；ECU發(fā)送響應消息；診斷儀發(fā)送所需進行的診斷服務；相關的ECU接收到命令消息，并根據(jù)命令作出相應的動作后按照確定的規(guī)則產(chǎn)生相應的消息并回復。

診斷服務原語的狀態(tài)是離散的，其狀態(tài)組合構成了整個車身控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間，而ECU內(nèi)各個服務原語的狀態(tài)改變、響應消息的接收可以作為事件。在事件驅(qū)動下，診斷響應消息狀態(tài)按照一定規(guī)則發(fā)生變化，因此車身網(wǎng)絡診斷系統(tǒng)具有離散時間系統(tǒng)的典型特征：狀態(tài)的變化是由事件驅(qū)動，并只在離散時間點發(fā)生改變；狀態(tài)的變化遵循一定的邏輯規(guī)則。

2 CPN車身網(wǎng)絡診斷系統(tǒng)建模

2.1 Petri網(wǎng)簡介

Petri網(wǎng)是由Carl Adam Petri發(fā)明的。最初只有自動化專家對Petri網(wǎng)感興趣，后來Petri網(wǎng)在計算機科學中也得到了廣泛的應用，如在性能評價、操作系統(tǒng)和軟件工程等領域，Petri網(wǎng)都得到了比較廣泛的應用。特別是相關研究已經(jīng)證明，用Petri網(wǎng)可以有效地描述并發(fā)活動［9］。

Petri網(wǎng)包含4種元素：一組位置P、一組轉(zhuǎn)換T、輸入函數(shù)I以及輸出函數(shù)O，Petri網(wǎng)的組成如圖1所示。

圖1 Petri網(wǎng)的組成

圖1中，一組位置P為｛P1，P2，P3，P4，P5｝，用圓圈代表位置；一組轉(zhuǎn)換T為｛t1，t2｝，用短直線表示轉(zhuǎn)換；2個用于轉(zhuǎn)換的輸入函數(shù)用由位置指向轉(zhuǎn)換的箭頭表示，即

2個用于轉(zhuǎn)換的輸出函數(shù)用由轉(zhuǎn)換指向位置的箭頭表示，即

所以，更形式化的Petri網(wǎng)結(jié)構是一個四元組C＝｛P，T，I，O｝。其中，P＝｛P1，…，Pn｝是一個有窮位置集，n＞0；T＝｛t1，…，tm｝是一個有窮的轉(zhuǎn)換集合，m＞0，且T和P不相交；I：P→T為輸入函數(shù)，是由轉(zhuǎn)換到位置無序單位組的映射；O：T→P為輸出函數(shù)，是由位置到轉(zhuǎn)換無序單位組的映射。

2.2 車身網(wǎng)絡診斷系統(tǒng)的CPN建模方法

如果只是使用基本的Petri網(wǎng)作為車身網(wǎng)絡診斷系統(tǒng)，ECU中每個服務的狀態(tài)只能有一種狀態(tài)。而選擇CPN來建模，則可以將每個器件用一個庫所描述，再通過不同顏色的托肯來表示其不同的狀態(tài)。診斷儀任何的一個請求服務的變化都會觸發(fā)產(chǎn)生響應的ECU的響應狀態(tài)消息，這一事件可以用一個變遷來描述，其發(fā)送的消息可以用一個普通的托肯表示。響應ECU接收到請求服務消息后，會檢測與之相關的服務狀態(tài)，然后根據(jù)規(guī)則產(chǎn)生響應消息，其過程對應的是一個變遷。產(chǎn)生的響應消息可以讓控制單元改變狀態(tài)或者讀出該單元目前的狀態(tài)，因而可以用一個庫所表示?？刂茊卧捻憫⒁彩且皇录?，需要使用一個變遷來表示。

每個服務在任何一個時刻只會處于一種狀態(tài)，因此在表示服務的庫所之中任何時刻只存在一個有色托肯。對于表示診斷儀的庫所在同一時刻只能發(fā)送一種服務命令消息，因此其庫所容量也要限為1，由此本文對有色Petri網(wǎng)添加了如下約定。

約定1 在Σ中，各個庫所包含的托肯最多只能為1，即 ?p∈P：M（p）≤1。

而車身網(wǎng)絡診斷系統(tǒng)包括通信管理、權限管理、監(jiān)控管理、Flash編程等子模塊。此時，可以在建立各個子模塊的CPN后再合并各個子網(wǎng)模型中的相同的庫所和變遷，然后合并成整個ECU的車身網(wǎng)絡診斷模塊。由于篇幅所限，下面僅以Flash編程模塊為例進行說明，并給出CPN的子模型。

2.3 車身網(wǎng)絡診斷系統(tǒng)CPN子模型舉例

在車身網(wǎng)絡診斷Flash編程子模塊中，請求會話層服務包含了默認會話、編程會話、擴展會話3個子請求消息，這3個會話分別是診斷儀請求所對應的ECU將會話模式調(diào)整到相應的會話方式，只有在相應的會話模式下才能進行響應的診斷服務。例程服務請求包含了擦除請求服務、下載控制服務，例程請求必須在編程會話模式下才能進行。安全訪問請求服務包含了安全種子發(fā)送請求服務、安全碼發(fā)送服務。其中，安全種子發(fā)送服務完成之后才能進行安全碼發(fā)送服務，此服務只有在編程會話下進行。另外，F(xiàn)lash下載服務中包含了請求下載服務、下載服務和退出下載服務。只有在完成了安全訪問請求服務和路徑請求服務后才能進行Flash下載服務。

由此可見診斷儀發(fā)送的服務請求都是輸入器件，而ECU返回的響應消息都是輸出器件。本文根據(jù)上述的描述將庫所定義如下：P1為默認會話回復狀態(tài)；P2為ECU會話層狀態(tài)；P3為擴展會話回復狀態(tài)；P4為編程會話回復狀態(tài)；P5為安全訪問服務碼回復狀態(tài)；P6為安全算法通過狀態(tài)；P7為清除例程完成狀態(tài)；P8為安全訪問回復狀態(tài)；P9為下載狀態(tài)控制狀態(tài)；P10為例程服務回復狀態(tài)；P11為請求下載服務狀態(tài)；P12為下載服務狀態(tài)；P13為退出下載服務狀態(tài)。為了方便理解，將CPN模型劃分為3層：

（1）狀態(tài)轉(zhuǎn)換層。整個車身網(wǎng)絡診斷服務是在不同的狀態(tài)下完成的，此層只需完成狀態(tài)的轉(zhuǎn)換并得到正確的響應。

（2）下載前的判定層。車身的Flash下載服務必須在獲得相應的權限后才能進行，因此在進入了相應的會話狀態(tài)后，必須判斷此時是否獲得權限和是否完成了下載前的準備，只有在獲得了此層的正確響應后才能繼續(xù)進行下一層的服務。

（3）Flash下載層。此層主要是接收下載的數(shù)據(jù)，判斷數(shù)據(jù)是否符合規(guī)范，并給出最終結(jié)果。

整個狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖2所示。

圖2 Flash編程子模塊CPN模型

圖2中各個變遷的含義見表1所列，而對于圖2中的庫所，將其顏色定義如下：

C（P1）＝（無消息，默認會話通過，默認會話否決）。

C（P3）＝（無消息，擴展會話通過，擴展會話否決）。

C（P4）＝（無消息，編程會話通過，編程會話否決）。

C（P5）＝（安全碼訪問請求正確，子服務號不支持，服務請求長度錯誤）。

C（P6）＝（安全訪問請求正確，安全碼不正確，服務請求長度錯誤）。

C（P7）＝（擦除例程通過，擦除例程不通過）。

C（P8）＝（無消息，下載控制例程通過，下載控制例程不通過）。

C（P9）＝（安全服務正確回復，安全訪問順序不正確，服務長度請求錯誤，服務會話狀態(tài)不正確）。

C（P10）＝（無消息，例程服務正確回復，服務長度請求錯誤，服務會話狀態(tài)不正確）。

C（P11）＝（請求下載服務通過，請求下載服務不通過）。

C（P12）＝（下載服務通過，下載服務不通過）。

C（P13）＝（退出下載服務通過，退出下載服務不通過）。

C（P14）＝ （無消息，F(xiàn)lash下載服務正確回復，服務長度請求錯誤，服務會話狀態(tài)不正確，安全訪問未通過狀態(tài)）。

在此顏色定義中，將整個消息分為積極響應消息和消極響應消息。

表1 Flash編程子模塊CPN模型中變遷的含義

約定2 在Σ中，當庫所獲得特定顏色的托肯時，立刻觸發(fā)變遷發(fā)送消極響應消息，相應托肯消失。

由此可以將最終輸出的函數(shù)表達式定義如下：

本文賦予上述模型中的消極響應消息不同顏色的托肯表示不同類的消極響應消息。當需要發(fā)送消極消息時，系統(tǒng)根據(jù)不同顏色的托肯自動發(fā)送相應的消息。對于車身網(wǎng)絡診斷系統(tǒng)的其他子系統(tǒng)，均采用統(tǒng)一的形式對相應的庫所和變遷進行劃分，建立CPN子網(wǎng)模型。

3 仿真實驗

在車身網(wǎng)絡診斷控制系統(tǒng)的CPN模型中，變遷tsi表示診斷儀（輸入器件）發(fā)送新的診斷服務消息，而變遷tri表示相應的ECU（輸出器件）根據(jù)輸入的消息返回的響應服務消息。所以，可以根據(jù)診斷儀發(fā)送的服務消息產(chǎn)生的變遷發(fā)生序列，實現(xiàn)對車身網(wǎng)絡診斷系統(tǒng)的仿真，對于上述的變遷用（x，y（x））表示。

仍以Flash編程子模塊為例，假設首先診斷儀發(fā)出編程會話服務請求，在收到積極響應后發(fā)送安全服務碼服務請求。根據(jù)返回的服務碼計算得到最后的安全碼并發(fā)送消息獲得相應的訪問權后發(fā)送例程服務，最后完成Flash下載服務。其CPN的變遷序列有可能為：

（ts1，（默認會話、編程會話、擴展會話））

（tp3，擴展會話）→（tr3，擴展會話通過）

（ts2，（安全碼訪問、安全碼計算服務））→（tp4，安全碼訪問請求）

（ts2，（安全碼訪問、安全碼計算服務））

（tp5，安全碼計算服務）→（tr4，安全服務通過）

（ts3，（擦除例程服務、下載例程控制服務））

（tp6，擦除例程服務）→（tr5，擦除例程服務通過）

（ts4，（請求下載服務、下載服務、退出下載服務））→（tp7，請求下載服務通過）

（ts4，（請求下載服務、下載服務、退出下載服務））→（tp8，下載服務通過）

（ts4，（請求下載服務、下載服務、退出下載服務））

（tp9，請求下載服務通過、下載服務通過、退出下載服務通過）→（tr6，F(xiàn)lash下載服務正確）

綜上所述可以看出，通過仿真診斷儀按照流程發(fā)送了相關的消息命令后，根據(jù)Petri網(wǎng)所建立的模型，ECU也發(fā)出了下載成功的響應消息，表明此模型是有效、可行的。

4 結(jié)束語

本文通過對車身網(wǎng)絡診斷系統(tǒng)的分析，指出了其具有離散事件系統(tǒng)的特征，從而選擇CPN為工具，并以Flash診斷子系統(tǒng)為例，通過分層設計介紹了子系統(tǒng)的建模方法。仿真結(jié)果表明，該建模方法形式簡單規(guī)范，可以提高車身網(wǎng)絡診斷系統(tǒng)的軟件開發(fā)效率。

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