馬紹惠，海本齋，任艷娜

(1. 河南工學院 計算機科學與技術(shù)系，河南 新鄉(xiāng) 453000；2. 河南師范大學 計算機與信息工程學院，河南 新鄉(xiāng) 453007；3. 河南農(nóng)業(yè)大學 信息與管理科學學院，河南 鄭州 450002)

艦船電子綜合化系統(tǒng)總線網(wǎng)絡DSPN建模與分析

馬紹惠1，海本齋2，任艷娜3

(1. 河南工學院 計算機科學與技術(shù)系，河南 新鄉(xiāng) 453000；2. 河南師范大學 計算機與信息工程學院，河南 新鄉(xiāng) 453007；3. 河南農(nóng)業(yè)大學 信息與管理科學學院，河南 鄭州 450002)

周期性消息和非周期性消息對艦船電子綜合化系統(tǒng)總線網(wǎng)絡性能的影響是艦船電子綜合化電子系統(tǒng)總線網(wǎng)絡設計過程的難點之一。針對該問題，提出采用以確定與隨機Petri網(wǎng)（Deterministic and Stochastic Petri Net, DSPN）建立周期性消息的總線網(wǎng)絡DSPN模型和考慮非周期性消息的總線網(wǎng)絡DSPN模型，有效模擬了周期性消息和非周期性消息在艦船電子綜合化系統(tǒng)總線網(wǎng)絡傳輸?shù)膭討B(tài)行為。以TimeNET4.2軟件為仿真平臺，分別實現(xiàn)了周期性消息的總線網(wǎng)絡DSPN模型和考慮非周期性消息的總線網(wǎng)絡DSPN模型，研究分析周期性消息和非周期性消息對艦船電子綜合化系統(tǒng)總線網(wǎng)絡性能的影響。該成果可以為設計滿足特定性能要求的艦船電子綜合化電子系統(tǒng)總線網(wǎng)絡提供理論依據(jù)。

艦船電子綜合化系統(tǒng)；消息；總線網(wǎng)絡；建模

0 引 言

艦船電子綜合化系統(tǒng)總線網(wǎng)絡是現(xiàn)代化艦船的神經(jīng)中樞[1–4]。艦船電子綜合化系統(tǒng)以總線網(wǎng)絡為紐帶將各類子系統(tǒng)、設備、模塊和部件連接起來，從根本上改變了傳統(tǒng)艦船的體系結(jié)構(gòu)和工作模式，使得現(xiàn)代艦船的戰(zhàn)斗力大大增強。因此，如何選擇一種有效的數(shù)學工具，建立艦船電子綜合化系統(tǒng)總線網(wǎng)絡的性能分析模型，分析各類消息對總線網(wǎng)絡性能的影響，特別是非周期性消息對總線網(wǎng)絡性能的影響，對于設計滿足特定功能需求的艦船電子綜合化系統(tǒng)具有緊迫而關(guān)鍵性的意義。

近年來，總線網(wǎng)絡研究一直是各軍事平臺和民用領(lǐng)域的研究熱點之一。文獻[5]采用隨機Petri網(wǎng)（Stochastic Petri Net，SPN）建立了總線網(wǎng)絡模型，但SPN僅有的指數(shù)時間變遷不能描述總線網(wǎng)絡的瞬時動態(tài)行為和確定時間的動態(tài)行為；文獻[6]以有色Petri網(wǎng)（Colored Petri Net，CPN）為數(shù)學工具構(gòu)建了總線網(wǎng)絡性能分析模型，CPN在模型描述總線動態(tài)行為方面并沒有明顯提升，而是通過在變遷上添加時間函數(shù)來計算消息的時間指標，所求得的總線網(wǎng)絡指標也是基于特定消息集合條件下的計算與分析，且無法計算消息的延遲時間；文獻[7]以OPNET為仿真工具構(gòu)建了總線網(wǎng)絡性能分析模型，但是該模型僅能給予特定消息集合計算總線網(wǎng)絡的性能指標，所獲得的性能指標不具有統(tǒng)計意義上的規(guī)律性；文獻[8]以網(wǎng)絡演算理論為數(shù)學工具構(gòu)建了總線網(wǎng)絡性能分析模型，但是該模型僅能基于特定消息集合條件下計算最差條件下的消息最大延遲時間，是一種極端情況的分析與計算。以上文獻大多側(cè)重研究周期性消息對總線網(wǎng)絡性能影響，而沒有重點研究對總線網(wǎng)絡性能產(chǎn)生重大影響的非周期性消息。

確定與隨機Petri網(wǎng)[9]（Deterministic and Stochastic Petri Net，DSPN）將指數(shù)時間變遷擴展出瞬時變遷和確定時間變遷，將有向弧擴展出禁止弧，可以更加有效地描述復雜系統(tǒng)的動態(tài)行為過程。文獻[10]在航電系統(tǒng)領(lǐng)域中采用DSPN側(cè)重研究周期性消息對總線網(wǎng)絡性能的影響，但忽略了非周期性消息對總線網(wǎng)絡性能的影響研究；文獻[11]在彈載網(wǎng)絡化系統(tǒng)領(lǐng)域中采用DSPN側(cè)重研究非周期性消息對總線網(wǎng)絡性能的影響，但忽略了周期性消息對總線網(wǎng)絡性能的影響研究。在文獻[10 – 11]基礎上，以艦船電子綜合化系統(tǒng)總線網(wǎng)絡為研究對象，以DSPN為數(shù)學工具，綜合分析周期性消息和非周期性消息對總線網(wǎng)絡性能的影響，特別是非周期性消息對總線網(wǎng)絡性能的影響，以期為艦船電子綜合化系統(tǒng)總線網(wǎng)絡的分析與設計研究提供有益參考。

1 定義DSPN模型要素與用法的對應關(guān)系

DSPN的定義和基礎知識參考文獻[9]。本文以艦船電子綜合化系統(tǒng)總線網(wǎng)絡為研究對象，定義DSPN的建模要素與用法的對應關(guān)系，如表1所示。

表1 DSPN建模要素與用法的對應關(guān)系Tab.1 Correspondence relationship between modeling elements and usage

2 艦船電子綜合化系統(tǒng)總線網(wǎng)絡DSPN建模

圖1所示為某型艦船電子綜合化系統(tǒng)總線網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)。該總線網(wǎng)絡中，消息類型分為周期性消息和非周期性消息。其中，周期性消息占大多數(shù)，是按照一定控制規(guī)約調(diào)度后進行發(fā)送和傳輸?shù)模芷谛韵⒌奶攸c是允許一定時間范圍的延遲；非周期性消息占少數(shù)，屬于隨機產(chǎn)生的事件性消息，如火警、關(guān)鍵性故障等，非周期性消息的特點是要求保證消息的實時性和可靠性。因此，要同時考察周期性消息和非周期性消息對總線網(wǎng)絡性能的影響。

在DSPN的建?？蚣芟拢谧韵孪蛏系慕Ｋ悸?，建立各個功能模塊的DSPN模型的基礎上，分別建立周期性消息的總線網(wǎng)絡DSPN模型和考慮非周期性消息的總線網(wǎng)絡DSPN模型。

2.1 功能模塊的DSPN模型

1）周期性消息調(diào)度模塊DSPN模型

在艦船電子綜合化系統(tǒng)總線網(wǎng)絡中，各類任務存在著不同的實時性要求，而各類任務的完成需要一個或者多個周期性消息通過1 553 B總線發(fā)送、傳輸和接收等具體動作來實現(xiàn)通信，這就導致各類周期性消息具有不同的實時性要求。因此，這就需要根據(jù)一定的調(diào)度方法安排各類周期性消息的發(fā)送時間，從而滿足不同周期性消息和任務的實時性要求。艦船電子綜合化系統(tǒng)總線網(wǎng)絡通常采用負載均衡的控制規(guī)程來設計周期性消息調(diào)度方案。

本文的目的是探討DSPN在艦船電子綜合化系統(tǒng)總線網(wǎng)絡實時性分析中的應用價值，因此僅假設系統(tǒng)有2組不同的周期性消息子集合，即大周期為100 ms 的消息子集合和小周期為50 ms 的消息子集合。在1個大周期內(nèi)，大周期100 ms的消息子集合被發(fā)送1次，小周期為50 ms的消息子集合被發(fā)送2次。為模擬艦船電子綜合化系統(tǒng)總線網(wǎng)絡中周期性消息大小周期調(diào)度的過程，構(gòu)建了周期性消息調(diào)度模塊的DSPN模型（見圖2）。

主要模型要素的含義如下：庫所P1用以控制小周期的啟動和循環(huán)，并控制大周期為100 ms的k1個周期性消息的消息子集合的生成；庫所P2用以控制小周期的結(jié)束和循環(huán)；庫所P3用標記的容量控制小周期為50 ms的k2個周期性消息的消息子集合的生成；庫所P4和P5中的標記容量分別表示大周期為100 ms和小周期為50 ms的周期性消息數(shù)；庫所P6和P7中的標記容量分別表示大周期為100 ms和小周期為50 ms的待發(fā)送周期性消息數(shù)。瞬時變遷T1表示新的小周期開始；確定時間變遷T2的實施延時為50 ms，即一個小周期的時間，用來控制小周期的循環(huán)，并控制大周期為100 ms的k1個周期性消息的消息子集合的生成；瞬時變遷T3用來控制小周期為50 ms的k2個周期性消息的消息子集合的生成；指數(shù)時間變遷T4和T5表示消息間的間隔時間，實施時間服從的泊松分布。模型的初始標識見圖1。

2）非周期性消息的DSPN模型

非周期性消息是艦船電子綜合化系統(tǒng)總線網(wǎng)絡設計中的難點之一，因此研究其對總線網(wǎng)絡性能的影響尤為重要。

圖3為非周期性消息的DSPN模型。主要模型要素定義如下：庫所P18表示非周期性消息到達；庫所P19表示某個非周期性消息子集達到完成；庫所P20表示待發(fā)送的非周期性消息個數(shù)。瞬時變遷T17用來管理非周期性消息的到達；指數(shù)時間變遷T18模擬非周期性消息的到達，設定其服從參數(shù)為的泊松分布。

3）消息傳輸模塊的DSPN模型

為了模擬艦船電子綜合化系統(tǒng)總線網(wǎng)絡中消息的傳輸過程，構(gòu)建了消息傳輸模塊的DSPN模型（見圖4）。

主要模型要素的含義如下：庫所P8有標記時表示存在待傳輸?shù)南?；庫所P9有標記時表示消息在總線上正在傳輸；庫所P10有標記時表示當前消息需要等待一個消息間隔時間；庫所P11有標記時表示消息到達消息接收端。瞬時變遷T6表示消息可以在總線上傳輸；指數(shù)時間變遷T7表示當前消息在總線網(wǎng)絡上的傳輸時間，假設1 553 B總線的消息長度為l，則，每個消息字為20 μs，則每個消息μs，為不失一般性假設模型中每個消息的長度為l=16，則指數(shù)時間變遷T7的實施時間服從的泊松分布；指數(shù)時間變遷T8表示消息正在等待的消息間隔時間，1 553 B總線的消息間隔時間[4 μs，12 μs]，為不失一般性假設模型中μs，即指數(shù)時間變遷T8的實施時間服從的泊松分布。

2.2 周期性消息的總線網(wǎng)絡DSPN模型

為模擬艦船電子綜合化系統(tǒng)總線網(wǎng)絡中各類不同周期的消息的動態(tài)發(fā)送、傳輸、接收等動作及過程，將周期性消息調(diào)度模塊的DSPN模型和消息傳輸模塊的DSPN模型進行綜合，構(gòu)建了周期性消息的總線網(wǎng)絡DSPN模型（見圖5）。

主要模型要素的含義如下：庫所P12和P14有標記時分別表示周期為50 ms和100 ms的消息獲得總線使用權(quán)；庫所P13和P15有標記時分別表示周期為50 ms和100 ms的消息發(fā)送完畢；庫所P16和P17有標記時分別表示周期為50 ms和100 ms的消息正在處于發(fā)送狀態(tài)。瞬時變遷T9和T11分別表示周期為50 ms和100 ms的消息即將發(fā)送；瞬時變遷T10和T12分別表示周期為50 ms和100 ms的消息發(fā)送完畢；瞬時變遷T13和T14分別表示當前沒有周期為50 ms和100 ms的消息發(fā)送，將總線使用權(quán)轉(zhuǎn)移；變遷T15和T16分別表示消息之間的時間間隔，實施時間服從的泊松分布。模型的初始標識見圖5。

2.3 考慮非周期性消息的總線網(wǎng)絡DSPN模型

為模擬艦船電子綜合化系統(tǒng)總線網(wǎng)絡中非周期性消息對總線網(wǎng)絡性能的影響，將周期性消息調(diào)度模塊的DSPN模型、非周期性消息的DSPN模型和消息傳輸模塊的DSPN模型進行綜合，構(gòu)建了考慮非周期性消息的總線網(wǎng)絡DSPN模型（見圖6）。

新增加的庫所和變遷定義如下：庫所P21有標記時表示非周期性消息獲得總線使用權(quán)；庫所P22有標記時表示非周期性消息發(fā)送完畢；庫所P23有標記時表示非周期性消息為發(fā)送狀態(tài)。瞬時變遷T21表示非周期性消息即將發(fā)送；瞬時變遷T22表示非周期性消息發(fā)送完畢；瞬時變遷T20表示當前沒有非周期性消息發(fā)送；變遷T19表示消息間的時間間隔，實施時間服從的泊松分布。模型的初始標識見圖6。

3 模型仿真分析

TimeNET 4.2是德國柏林工業(yè)大學開發(fā)用于支持DSPN的建模與仿真工具[12]。本文以TimeNET 4.2為仿真平臺，考察周期性消息和非周期性消息對艦船電子綜合化系統(tǒng)總線網(wǎng)絡性能的影響。

在總線網(wǎng)絡DSPN模型中，用庫所P9的標記數(shù)來表示總線網(wǎng)絡負載，用庫所P16和P17的標記數(shù)與指數(shù)時間變遷T7的平均實施速率的比值表示周期為50 ms和100 ms消息的延遲時間（Delaytime1和Delaytime2）。

此外，模型中周期為50 ms和100 ms的消息子集合中周期性消息的個數(shù)分別為：。

3.1 周期性消息對總線網(wǎng)絡性能的影響

周期性消息的總線網(wǎng)絡DSPN模型運行成功得到總線網(wǎng)絡負載隨著時間動態(tài)變化曲線（見圖7）和周期為50 ms和100 ms消息的延遲時間隨著時間動態(tài)變化曲線（見圖8和圖9）。

3.2 非周期性消息對總線網(wǎng)絡性能的影響

考察非周期性消息對總線網(wǎng)絡性能的影響，分別假設非周期性消息到達參數(shù)λ18或者非周期性消息數(shù)k3為常值時，總線網(wǎng)絡負載、周期為50 ms和100 ms消息的延遲時間的變化規(guī)律。

當非周期性消息的達到參數(shù)λ18取值為

時，非周期性消息數(shù)k3變化，得到總線網(wǎng)絡負載、周期為50 ms和100 ms消息的延遲時間如表2所示?？芍嚎偩€網(wǎng)絡負載、周期為50 ms和100 ms消息的延遲時間隨著非周期性消息數(shù)k3的增加而增大。

情況2：假設當非周期性消息數(shù)k3為常值時，研究總線網(wǎng)絡負載、周期為50 ms和100 ms消息的延遲時間隨著非周期性消息到達參數(shù)的變化情況。

當非周期性消息數(shù)k3取3時，非周期性消息到達參數(shù)變化，得到總線網(wǎng)絡負載、周期為50 ms和100 ms消息的延遲時間（見表3）?？芍嚎偩€網(wǎng)絡負載、周期為50 ms和100 ms消息的延遲時間隨著非周期性消息的到達參數(shù)的變大而變小，當小于等于時，總線網(wǎng)絡負載、周期為50 ms和100 ms消息的延遲時間都變化不大趨于穩(wěn)定，非周期性消息對總線網(wǎng)絡性能幾乎沒有影響。

4 結(jié) 語

本文在DSPN的建?？蚣芟拢⒘酥芷谛韵⒌目偩€網(wǎng)路DSPN模型和考慮非周期性消息的總線網(wǎng)路DSPN模型，該模型可以有效模擬各類消息在艦船電子綜合化系統(tǒng)總線網(wǎng)絡上的發(fā)送、傳輸和接收等動態(tài)行為過程。為考察周期性消息和非周期性消息對艦船電子綜合化系統(tǒng)總線網(wǎng)絡性能的影響，以TimeNET 4.2為仿真平臺，分析了總線網(wǎng)絡負載和消息延遲時間的變化趨勢和變化原因，該成果可以為設計滿足特定性能要求的艦船電子綜合化電子系統(tǒng)總線網(wǎng)絡提供理論支持工具。

表2 當λ18為常值，k3變化時，總線網(wǎng)絡負載和消息延遲時間Tab.2 Whenλ18 is constant，k3 changes，the bus network load and message delay time

表3 當k3為常值，λ18變化時，總線網(wǎng)絡負載和消息延遲時間Tab.3 When k3is constant，λ18 changes，the bus network load and message delay time

下一步的工作重點是研究多種艦船電子綜合化系統(tǒng)總線網(wǎng)絡互聯(lián)工作模式下各類消息建模與性能分析。

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Modeling and analysis of bus network in the integrated ship electronic system using deterministic and stochastic petri net

MA Shao-hui1, HAI Ben-zhai2, REN Yan-na3
(1. Department of Computer Science and Technology, Henan Institute of Technology, Xinxiang 453000, China; 2. College of Computer and Information Engineering, Henan Normal University, Xinxiang 453007, China; 3. School of Information and Management Science, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China)

The influence of periodic message and aperiodic message on the performance of the bus network in the integrated ship electronic system (ISES) is one of the difficulties in the design of the bus network in the ISES. Deterministic and Stochastic Petri Net (DSPN) is used as the theoretical tooland the bus network model based on DSPN of the periodic message and the bus network model based on DSPN of the aperiodic message are established respectively, Which can effectively simulate the dynamic behavior of periodic message and aperiodic message in the bus network of the ISES. TimeNET4.2 software is used as the simulation platform, and the bus network model based on DSPN of the periodic message and the bus network model based on DSPN of the aperiodic message are realized. The influence of periodic message and aperiodic message on the performance of the bus network in the ISES through simulation experiments is analyzed. The results can provide theoretical basis for the design of the bus network in the ISES which meets specific performance requirements.

integrated ship electronic system；message；bus network；modeling

TP391

A

1672 – 7619(2017)06 – 0119 – 06

10.3404/j.issn.1672 – 7619.2017.06.024

2016 – 11 – 06

國家自然科學基金資助項目(U1404602)；河南省高等學校重點科研資助項目(15B520006)；河南省教育廳科學技術(shù)研究重點資助項目(14A520046)；河南省高等學校重點科研資助項目(15A520063)

馬紹惠(1971 – )，女，碩士，副教授，研究方向為總線網(wǎng)路技術(shù)及智能算法。