程學(xué)珍 ，劉建航 ，白星振 ，馮翠萍

（1.山東科技大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，青島 266590；2.山東科技大學(xué) 礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，青島 266590）

標(biāo)準(zhǔn)化的網(wǎng)絡(luò)傳感系統(tǒng)是傳感器的發(fā)展趨勢(shì)，而IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)是這一發(fā)展方向的鮮明代表。構(gòu)建一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)化傳感系統(tǒng)，首先要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳感器的系統(tǒng)建模，建模作為網(wǎng)絡(luò)傳感器開發(fā)的重要手段，有助于該系統(tǒng)的快速實(shí)現(xiàn)，并能夠廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域中[1-2]。基于IEEE1451技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)能夠解決當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)化傳感系統(tǒng)的“即插即用”、互換性、兼容性以及標(biāo)準(zhǔn)化等系列問題[3]，因此，該標(biāo)準(zhǔn)成為研究網(wǎng)絡(luò)化傳感系統(tǒng)中模型建立分析的關(guān)鍵，受到許多專家學(xué)者的關(guān)注。例如，文獻(xiàn)[4]采用UML（統(tǒng)一建模語言）建立了基于IEEE1451技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的傳感器面向?qū)ο蟮膽?yīng)用模型，該模型主要針對(duì)IEEE1451.1子標(biāo)準(zhǔn)，并未廣泛應(yīng)用到IEEE1451的其它系列標(biāo)準(zhǔn)中；文獻(xiàn)[5]通過UML描述了IEEE1451智能傳感器的靜態(tài)特性，主要側(cè)重于靜態(tài)用例、動(dòng)態(tài)行為和系統(tǒng)部署建模，沒有考慮到所建模型的動(dòng)態(tài)性能分析；文獻(xiàn)[6-7]利用Petri網(wǎng)法驗(yàn)證了智能傳感器接口模塊（STIM）以及TII通信協(xié)議模塊優(yōu)化設(shè)計(jì)性能，只是對(duì)網(wǎng)絡(luò)化傳感系統(tǒng)的部分實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)性能分析和優(yōu)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(yàn)證系統(tǒng)可行性，再進(jìn)行其具體的模塊研究和分析。由于Petri網(wǎng)建模具有準(zhǔn)確嚴(yán)格的形式化語義定義，對(duì)具有并發(fā)性、不確定性、異步性和資源共享等特性的系統(tǒng)具有較強(qiáng)的描述和分析能力，可以完成網(wǎng)絡(luò)化傳感系統(tǒng)從模型建立、分析到動(dòng)態(tài)行為驗(yàn)證的全部功能[8]。故此，本文基于有色Petri網(wǎng)建立網(wǎng)絡(luò)化傳感系統(tǒng)模型，利用CPN Tools對(duì)其仿真，能夠整體上對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證和分析，為完成各個(gè)模塊之間的連貫性以及流通性提供優(yōu)化依據(jù)。

1 網(wǎng)絡(luò)化傳感系統(tǒng)模型構(gòu)建

網(wǎng)絡(luò)化傳感系統(tǒng)建模，需形象、規(guī)范化地描述系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)行為，并統(tǒng)一規(guī)劃系統(tǒng)的部署，既要清晰表達(dá)IEEE1451網(wǎng)絡(luò)傳感系統(tǒng)的軟、硬件結(jié)構(gòu)體系，又要反映其模塊化、互操作性和擴(kuò)展性[9]。如圖1所示，基于IEEE1451.2標(biāo)準(zhǔn)[10]所建立的網(wǎng)絡(luò)化傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是通過多個(gè)傳感器元件作為數(shù)據(jù)采集的輸入通道，所采集的信號(hào)經(jīng)過通道選擇進(jìn)入STIM模塊；STIM模塊包括數(shù)據(jù)采集單元和數(shù)據(jù)處理單元，它包含0～255個(gè)傳感器的通道，網(wǎng)絡(luò)化傳感系統(tǒng)通過對(duì)傳感器電子數(shù)據(jù)表單（TEDS）的配置，存儲(chǔ)了傳感元件的基本信息，能夠自動(dòng)識(shí)別傳感器元件，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化級(jí)別的“即插即用”；TII通信協(xié)議作為連接STIM和NCAP的接口，主要負(fù)責(zé)NCAP和STIM之間的數(shù)據(jù)通訊，接收NCAP傳來的命令以及實(shí)現(xiàn)STIM采集數(shù)據(jù)的上傳；NCAP模塊是一個(gè)嵌入式系統(tǒng)微處理模塊，存在于STIM模塊和通訊網(wǎng)絡(luò)之間，它內(nèi)部包括2個(gè)通訊接口：一個(gè)用來實(shí)現(xiàn)與STIM模塊之間的數(shù)據(jù)通信，另一個(gè)負(fù)責(zé)將接受到的數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)絡(luò)終端，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)共享；遠(yuǎn)程操作者通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)實(shí)際操作，實(shí)時(shí)地“人機(jī)交互”。

圖1 基于IEEE1451.2網(wǎng)絡(luò)化傳感系統(tǒng)功能模塊Fig.1 Network sensors system functional block diagram based on IEEE1451.2

根據(jù)圖1模塊結(jié)構(gòu)，構(gòu)建出網(wǎng)絡(luò)化傳感系統(tǒng)的Petri模型，如圖2所示，Petri網(wǎng)中的庫所和變遷的說明如表1所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)化傳感系統(tǒng)Petri網(wǎng)模型Fig.2 Network sensors system based on Petri nets model

表1 Petri網(wǎng)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(wǎng)是一種高級(jí)Petri網(wǎng)[11]，它是由Carl Adam Petri于1962年在博士論文中提出的經(jīng)典Petri網(wǎng)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)庫所（Token）指定顏色，尤其是有色集（Color Sets）。通過滿足變遷發(fā)生的條件，經(jīng)有向弧相連的輸入庫所，將Token送達(dá)變遷的輸出庫所中，完成其動(dòng)態(tài)行為驗(yàn)證。

2.1 有色網(wǎng)的形式化定義

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

1）P是一個(gè)有窮集合，即有限集（N的庫所集合）；

2）T是一個(gè)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(gè)非空有限集；

4）cd是一個(gè)有色函數(shù)，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(guān)聯(lián)矩陣。

2.2 網(wǎng)絡(luò)化傳感系統(tǒng)CPN模型

利用CPN Tools作為有色Petri網(wǎng)建模和動(dòng)態(tài)行為驗(yàn)證分析的工具，建立網(wǎng)絡(luò)化傳感系統(tǒng)的CPN模型。CPN Tools不僅可以用于有色Petri網(wǎng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)對(duì)有色Petri網(wǎng)模型的仿真驗(yàn)證，還可以對(duì)所建模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)可操作性分析，判斷系統(tǒng)準(zhǔn)確性。

建立網(wǎng)絡(luò)化傳感系統(tǒng)的有色Petri網(wǎng)模型，需要先對(duì)其變量與有色集進(jìn)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(gè)托肯，代表采集1個(gè)傳感器數(shù)據(jù)，同樣可相應(yīng)地增加其數(shù)量，滿足實(shí)際需求。采集處理后的數(shù)據(jù)最終到遠(yuǎn)程操作者，完成1個(gè)數(shù)據(jù)采集周期，可以周而復(fù)始，無限次收集采集的數(shù)據(jù)。

圖3 基于有色Petri網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)化傳感系統(tǒng)Fig.3 Network sensors system based on Colored Petri Net

3 模型性能分析

利用CPN Tools對(duì)網(wǎng)絡(luò)化傳感系統(tǒng)模型的結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行仿真分析，主要包括其狀態(tài)空間分析、系統(tǒng)可達(dá)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(tǒng)的準(zhǔn)確性與可行性。通過動(dòng)態(tài)行為驗(yàn)證，確定出該模型是否能夠表達(dá)所建立的網(wǎng)絡(luò)化傳感系統(tǒng)的流程。因此，通過對(duì)所建立模型的特性進(jìn)行相應(yīng)的分析，其具體情況如下：

1）狀態(tài)空間分析

根據(jù)CPN Tools得到的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)空間報(bào)告統(tǒng)計(jì)分析，如表2所示，其中狀態(tài)空間給出了節(jié)點(diǎn)和連接弧的個(gè)數(shù)，分別為116630和394531；強(qiáng)連接圖，其節(jié)點(diǎn)和連接弧的數(shù)量和狀態(tài)空間圖的個(gè)數(shù)相同，達(dá)到所建模型的預(yù)期要求。表2中統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)說明其狀態(tài)空間分析是合理的。

表2 狀態(tài)空間分析報(bào)告Tab.2 State space analysis report

2）系統(tǒng)可達(dá)性

可達(dá)性決定了一個(gè)給定的標(biāo)識(shí)量能否從初始標(biāo)識(shí)到達(dá)其最終端，它是展示所建模型動(dòng)態(tài)行為特征的重要指標(biāo)。根據(jù)圖3中初始狀態(tài)P0變遷情況以及表3中模型的上界和下界結(jié)果可知，所建系統(tǒng)模型具有可達(dá)性。

3）有界性分析

有界性是分析模型正確與否的關(guān)鍵，它表明Petri網(wǎng)中的庫所是有界的。根據(jù)表3數(shù)據(jù)分析可知，每個(gè)庫所均是有界的，且?guī)焖鵓13是有窮限個(gè)，符合模型的實(shí)際要求。

表3 有界性分析報(bào)告Tab.3 Boundedness analysis report

4）活性分析

死標(biāo)識(shí)表示在該標(biāo)識(shí)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(fā)生序列中都是無法進(jìn)行的，標(biāo)志著所建模型的合理性與否?；钭冞w表示在任何可達(dá)標(biāo)識(shí)下，該變遷都在一個(gè)可發(fā)生序列中。根據(jù)表4中所列出的模型活性分析報(bào)告可知，所建模型不存在死變遷，表明模型設(shè)計(jì)是合理的；同樣，模型中存在活變遷，這是因?yàn)樵撃Ｐ褪窃谒罉?biāo)識(shí)狀態(tài)下所有變遷都是不可以發(fā)生的，這說明是采集數(shù)據(jù)傳完一個(gè)周期結(jié)束的結(jié)果，這樣的結(jié)果是符合模型實(shí)際的。通過上述分析可知，模型收集完數(shù)據(jù)是一個(gè)周期的結(jié)束，因此除了結(jié)束標(biāo)識(shí)外，其他所有的標(biāo)識(shí)都不是死標(biāo)識(shí)，所有的變遷都是活變遷，表明系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)是不存在死鎖的，沒有不可達(dá)節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象發(fā)生。

表4 活性分析報(bào)告Tab.4 Liveness analysis report

4 結(jié)語

本文通過有色Petri網(wǎng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)化傳感系統(tǒng)進(jìn)行形式化建模，所建模型具有通用性，可應(yīng)用具體需求中。有色Petri網(wǎng)模型可準(zhǔn)確描述系統(tǒng)整體性能以及各部分間兼容性，利用CPN Tools對(duì)所建模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)行為分析和性能驗(yàn)證。通過狀態(tài)空間分析可以對(duì)模型的基本特性分析，驗(yàn)證了所建模型的合理性和正確性。文中只是對(duì)整體模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證，并未具體到模塊優(yōu)化，故仍需在此基礎(chǔ)上，繼續(xù)對(duì)每一部分的流程進(jìn)行性能細(xì)化，使其更加優(yōu)化合理。

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