混成時空Petri網(wǎng)的CPS實時事件模型*

譚朋柳, 汪亞亞, 朱 明

(南昌航空大學(xué) 軟件學(xué)院，江西 南昌 330000)

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混成時空Petri網(wǎng)的CPS實時事件模型*

譚朋柳, 汪亞亞, 朱 明

(南昌航空大學(xué) 軟件學(xué)院，江西 南昌 330000)

在分析網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)(CPS)特點的基礎(chǔ)上,提出了一種新的CPS體系結(jié)構(gòu)，并對事件進行形式化定義。提出了一種新的CPS物理實體的形式化建模方法。在Petri網(wǎng)的基礎(chǔ)上引入時空因素和連續(xù)變量，構(gòu)造了混成時空Petri網(wǎng)(HSPN)模型，使其不僅能夠描述物理實體邏輯和時間層次的行為，而且能夠描述物理實體位置變遷所引起的狀態(tài)變化。將其應(yīng)用于實時事件CPS模型設(shè)計，以醫(yī)療控制系統(tǒng)為例，分析建模方法的可行性。

混成時空Petri網(wǎng)(HSPN)； 網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)(CPS)； 實時事件模型； 體系結(jié)構(gòu)

0 引 言

網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)(CPS)是一種融合計算、通信與控制的大型復(fù)雜實時反饋系統(tǒng)[1]，是從根本上提出解決信息空間與物理世界的互聯(lián)互通問題的方法[2]。它強調(diào)通過與環(huán)境的實時交互來實現(xiàn)或擴展系統(tǒng)功能，以安全、可靠和實時的方式來控制物理實體[3]。能夠達到實時感知和動態(tài)控制物理環(huán)境的CPS[4]具有非常廣泛的應(yīng)用前景[5]。但是，CPS在具備強大功能的同時，其對實時性以及時間、空間相結(jié)合等特性的要求使得CPS系統(tǒng)建模與驗證成為一項巨大挑戰(zhàn)。

國內(nèi)外已經(jīng)有很多學(xué)者在CPS建模方面發(fā)表了一些研究成果，例如：Lee E A重點分析了CPS建模過程所面臨的并發(fā)性、實時性及異構(gòu)性等各項挑戰(zhàn)；Lin J提出一種語義多智能體的CPS模型結(jié)構(gòu)；Jeff C提出了一種基于模型的CPS設(shè)計方法[6]；Bujorianu C分析了CPS關(guān)于邏輯層面的一種建模方法[7];Facchinetti T則分析了CPS時間層面的建模方法[8];朱敏等人提出了一種基于微分動態(tài)邏輯的CPS建模方法[9]。在CPS建模的研究方向中，基于事件驅(qū)動的模型設(shè)計方法具有功耗小、開銷低、移植性好等優(yōu)點，但目前其在語義一致性、時間和并發(fā)行為描述等方面還需進一步研究。文獻[10]提出了一種基于對象和狀態(tài)的CPS事件模型;文獻[11]提出了一種分層的時空事件模型;文獻[12]提出一種自適應(yīng)離散事件模型;文獻[13]提出基于物理狀態(tài)的事件模型；Tan Ying提出一種時空事件模型的概念和一種基于格的事件模型，為CPS定義了初步的事件描述結(jié)構(gòu)[14,15]。

隨著對CPS[16]逐漸深入的研究，迫切需要一種嚴謹、可靠的建模方法。因此，對CPS建模方法的嘗試性研究是非常必要的。本文為了解決CPS固有屬性的要求以及對系統(tǒng)模型實時性的保證，針對經(jīng)典Petri網(wǎng)中的問題集成Petri網(wǎng)與時間Petri網(wǎng)，同時加入空間因素設(shè)計出混成時空Petri網(wǎng)(hybird spatial-temporal Petri net，HSPN)，用于CPS實時事件模型的描述與分析。

1 CPS體系結(jié)構(gòu)

本文提出了一種新的合理的CPS體系結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，由以下幾個部分構(gòu)成：

傳感器網(wǎng)絡(luò)(sensor network)：由若干傳感器節(jié)點(sensor node)及匯集節(jié)點(sink node)組成。傳感器節(jié)點會生成相應(yīng)的CPS簡單事件并將事件傳給匯集節(jié)點，匯集節(jié)點則會產(chǎn)生相應(yīng)的融合事件，并將事件消息發(fā)送到控制中心。

控制中心(control center)：即控制服務(wù)器，負責根據(jù)事先定義的邏輯對事件進行組合產(chǎn)生更復(fù)雜的復(fù)合事件,并根據(jù)事件信息產(chǎn)生相應(yīng)的控制命令。同時，控制中心會將事件信息及控制命令發(fā)布給信息中心。

信息中心(information center)：即數(shù)據(jù)服務(wù)器，主要用于存放整個系統(tǒng)的各種事件信息。

執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)(actuator network)：由若干執(zhí)行器單元和控制節(jié)點組成，控制節(jié)點負責接受并執(zhí)行控制中心發(fā)來的控制命令，以達到改變物理對象的目的。

用戶終端(user terminal)：包括手機、筆記本、桌面計算機及特定終端設(shè)備等，負責提供用戶與CPS之間的接口。

CPSRTnet：即CPS實時網(wǎng)絡(luò)，用于連接系統(tǒng)其它各部分，為系統(tǒng)提供實時網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，保證信息的實時傳輸。

圖1 CPS體系結(jié)構(gòu)Fig 1 CPS architecture

2 CPS實時事件模型

2.1 物理實體建模

在CPS實時事件模型中，以下簡稱事件模型，每個物理實體必須具備一些基本特征：

1)具有系統(tǒng)中唯一的身份ID，以區(qū)別其他物理實體。

2)具有一定的空間屬性與非空間屬性，空間屬性指物理實體在系統(tǒng)統(tǒng)一坐標系下的坐標位置或系統(tǒng)中的區(qū)域位置。非空間屬性指實體所處的狀態(tài)，例如:靜止，移動，空閑，忙碌等。

3)感知設(shè)備具備感知環(huán)境信息的能力，并能通過網(wǎng)絡(luò)媒介將信息發(fā)送給信息處理單元。

4)執(zhí)行設(shè)備能夠接收信息處理設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)媒介傳輸來的控制指令，并依據(jù)指令正確到達目的地來改變物理環(huán)境。

通過對物理實體的抽象來構(gòu)造物理實體類，這里將物理實體類(entity class)定義為一個三元組

EnC=(ECid，CP，OP)

ECid指物理實體類的ID，CP指這類物理實體的屬性集合，OP指這類物理實體的行為集合。

每一個物理實體都屬于一種物理實體類，每一個物理實體都是物理實體類的一個實例。這里將物理實體(Entity)定義為一個五元組

En=(Eid，EnC，EP，EOP，HT)

式中Eid為物理實體的ID，EnC為該物理實體所屬的物理實體類，EP為該物理實體的屬性集合，EOP為該物理實體的行為集合，HT為該物理實體所處的混成時空Petri網(wǎng)。

2.2 事件消息建模

1)事件分類

根據(jù)CPS事件所包含屬性的不同，可以將CPS事件分成三種：

簡單事件(simple event)Es：由傳感器節(jié)點產(chǎn)生，指單一物理屬性P超出一定限度而直接引起的事件。

融合事件(fused event)Ef：是指匯集節(jié)點將不同傳感器節(jié)點對同一被監(jiān)控對象所采集到同一物理屬性的簡單事件進行融合，或?qū)⑼粋鞲衅鞴?jié)點對同一監(jiān)控對象在不同時間采集到的同一物理屬性的簡單事件進行融合后產(chǎn)生的融合事件。

復(fù)合事件(composite event)Ec：是指由控制中心將不同的事件進行組合而產(chǎn)生的復(fù)雜事件。

2)事件屬性形式化

由于CPS是一個基于事件的系統(tǒng)，本文從事件的固有屬性出發(fā)，同時考慮到事件組成、空間分布等特性，設(shè)計出新的事件表示方法。將事件(event)E表示為一個八元組

E={e，P，T，L，TO，LO，O，w}

e=(eid，t)，eid代表事件的ID，在生成事件時同時生成，是事件在整個系統(tǒng)中的唯一標識。t表示事件類型，也可以體現(xiàn)在E的下標處。

P代表事件的屬性，是一個集合的形式，P={p1，p2，…，pn}。T代表事件生成的時間。T=[t1,t2]，當t1=t2時為時間點事件，t2>t1時為時間段事件。L代表事件生成的地點。L=[(x,y,z),r]，(x,y,z)代表事件發(fā)生的三維地點，r代表事件發(fā)生的范圍半徑，r=0時為點事件，r>0時為區(qū)域事件。TO代表觀察者發(fā)現(xiàn)事件發(fā)生的時間，TO=[to1,to2]，當to1=to2時為時間點事件，to2>to1時為時間段事件。LO代表觀察者發(fā)現(xiàn)事件發(fā)生的地點，LO=[(xo,yo,zo),ro]，(xo,yo,zo)代表事件發(fā)生的三維地點，ro代表事件發(fā)生的范圍半徑，ro=0時為點事件，ro>0時為區(qū)域事件。O代表觀察者，即發(fā)現(xiàn)事件發(fā)生的傳感器節(jié)點。w代表事件的權(quán)重值來體現(xiàn)事件的實時級別，會影響到事件的調(diào)度與處理。

3 混成時空Petri網(wǎng)

混成時空Petri網(wǎng)還必須具備許多新屬性才能對CPS進行建模:

1)物理實體在時空Petri網(wǎng)中抽象為系統(tǒng)資源，因此,可以用令牌的形式來表示物理實體。傳統(tǒng)的Petri網(wǎng)只有一種令牌，混成時空Petri網(wǎng)須對令牌進行分類，以一定的形式表示不同物理實體的存在。

2)混成時空Petri網(wǎng)須能夠表示物理實體所處的位置區(qū)域，這是引入空間因素最基本的要素。

3)混成時空Petri網(wǎng)須能夠正確描述物理實體的移動過程，物理實體在混成時空Petri網(wǎng)中以令牌的形式表示，則可以通過令牌的轉(zhuǎn)移來描述物理實體的移動過程。

4)混成時空Petri網(wǎng)須能夠表示離散變量的變化。

通過分析上述問題，對于Petri網(wǎng)進行拓展，最后得到混成時空Petri網(wǎng)模型。

定義一個混成時空Petri網(wǎng)為一個八元組

HSPN=(S，T，F(xiàn)，MO，xo，f，I，A)

式中S為有窮、非空庫所集，表示為圓形節(jié)點，T為有窮、非空變遷集，表示為方形節(jié)點，F(xiàn)為庫所與變遷之間的有向弧集合，M為變遷過程中令牌在各個庫所的分布情況，MO為HSPN中的令牌初始分布狀況，x為HSPN中連續(xù)變量，xo為初始的連續(xù)狀態(tài)矢量，f為定義在庫所集上的連續(xù)變量的向量場，I為定義在變遷上的時間區(qū)間函數(shù)，[t1,t2]為變遷完成的時間要求，A為定義在庫所集上的空間位置信息，可以用區(qū)域信息或坐標信息表示。

4 實例驗證—醫(yī)療控制系統(tǒng)

本文采用醫(yī)療系統(tǒng)中的病房管理部分作為實例環(huán)境，醫(yī)療控制系統(tǒng)中可以通過對應(yīng)的傳感器設(shè)備及時感知到系統(tǒng)中的物理實體位置及其狀態(tài)信息，用于實時監(jiān)控整個系統(tǒng)。醫(yī)療控制系統(tǒng)的場景如圖2所示。

該系統(tǒng)中的物理實體分別有病人、醫(yī)生、護士、醫(yī)療設(shè)備，其對應(yīng)的傳感器設(shè)備則屬于傳感器實體類，可形式化為Sensor(Sensori，CP(state，Area，move，stop)，OP(coordinate))。

病人、醫(yī)生、護士和醫(yī)療設(shè)備則屬于一般物理實體類，形式化為Thing(Thingi，CP(state，Area，move，stop)，OP(coordinate))。

其中，state為物理實體的狀態(tài)信息，Area為物理實體所處的地理位置，在實例中用0，1，2，3，4，5分別為服務(wù)中心和5個病房的區(qū)域位置信息。coordinate表示物理實體的行為協(xié)調(diào)信息。

各個物理實體分別定義為：

傳感器實體：(sensori，Sensor，EP(work，close，lowbattery，Area，move)，EOP(coordinate)，HT)

病人實體： (pati，Thing，EP=(rest，needdoctor，neednurse，Area，move)，EOP(coordinate)，HT)

醫(yī)生實體： (doci，Thing，EP=(idle，treatment，Area，move)，EOP(coordinate)，HT)

護士實體： (nuri，Thing，EP=(idle，busy，Area，move)，EOP(coordinate)，HT)

醫(yī)療設(shè)備實體： (medi，Thing，EP=(work，close，Area，move)，EOP(coordinate)，HT)

其中，EP為物理實體的屬性集合，HT為醫(yī)療控制系統(tǒng)混成時空Petri網(wǎng)模型。

圖2 醫(yī)療控制系統(tǒng)場景Fig 2 Medical control system scenario

在醫(yī)療控制系統(tǒng)中，所有實體具有動態(tài)移動性，其各自屬性中有位置信息，其中病人的狀態(tài)受眾多因素的影響，因此，設(shè)計為一個連續(xù)變量xi1，i為病人的ID，當xi1<70時，病人身邊需要一位醫(yī)生或一位護士，當xi1<50時必須在t時間內(nèi)得到醫(yī)生和護士的治療。醫(yī)療控制系統(tǒng)中的服務(wù)控制中心和5個病房區(qū)域分別對應(yīng)S0～S5六個庫所。以S0表示服務(wù)控制中心，S1～S5表示病房區(qū)域，系統(tǒng)中的令牌初始分布狀況如圖3所示，S0～S5六個庫所的令牌分布情況分別表示為：

傳感器令牌分布：sensor (1，1，1，1，1，1)；

病人令牌分布： pat (0，1，1，1，1，1)；

醫(yī)生令牌分布： doc (1，1，1，1，0，0)；

護士令牌分布： nur (3，0，1，1，1，0)；

醫(yī)療設(shè)備令牌分布： med (1，1，1，1，1，1)。

通過分析得到醫(yī)療控制系統(tǒng)的混成時空Petri網(wǎng)模型如圖3所示，在該實例模型中假設(shè)實例圖中所有變遷上所關(guān)聯(lián)的時間要求已知。

醫(yī)療控制系統(tǒng)中的場景事件統(tǒng)計如表1所示，由于系統(tǒng)中的病人、醫(yī)療設(shè)備以及傳感器令牌并無變化，因此，系統(tǒng)狀態(tài)中只表示了6個庫所中醫(yī)生令牌與護士令牌的分布變化情況。在醫(yī)療控制系統(tǒng)模型運行中，首先產(chǎn)生群詢及狀態(tài)回復(fù)事件。Ef(warn5)表示一個警告事件，控制中心產(chǎn)生事件Es(move5)，解除后回復(fù)事件Es(normal5)。Ef(danger4)表示一個危險事件，控制中心產(chǎn)生事件Es(move4)，解除后回復(fù)事件Es(normal4)。每個事件的產(chǎn)生都伴隨著令牌的變化。

圖3 醫(yī)療控制系統(tǒng)HSPN模型Fig 3 HSPN model for medical control system

事件發(fā)送方接收方系統(tǒng)令牌狀況(醫(yī)生,護士)備注Es(codi)S0S1～S5{(1,3),(1,0),(1,1),(1,1),(0,1),(0,0)}查看各區(qū)域狀態(tài)Es(state0)S1～S5S0{(1,3),(1,0),(1,1),(1,1),(0,1),(0,0)}各區(qū)域發(fā)送狀態(tài)Ef(warn5)S5S0{(1,3),(1,0),(1,1),(1,1),(0,1),(0,0)}5病人狀態(tài)值<70Es(move5)S0Doc1{(0,3),(1,0),(1,1),(1,1),(0,1),(1,0)}調(diào)動1醫(yī)生Es(normal5)S5S0{(0,3),(1,0),(1,1),(1,1),(0,1),(1,0)}5病人恢復(fù)Ef(danger4)S4S0{(0,3),(1,0),(1,1),(1,1),(0,1),(1,0)}4病人狀態(tài)值<50Es(move4)S0Doc3{(0,3),(1,0),(0,1),(1,1),(1,1),(1,0)}調(diào)動3醫(yī)生Es(normal4)S4S0{(0,3),(1,0),(0,1),(1,1),(1,1),(1,0)}4病人恢復(fù)

5 結(jié)束語

本文在考慮到CPS中物理實體和時空因素上的動態(tài)變化的特性提出一種新的混成時空Petri網(wǎng)模型，將其應(yīng)用于CPS的建模，并針對CPS中事件消息的時空特性和物理實體的動態(tài)變化性設(shè)計出一個新的事件表達方式。最后利用基于混成時空Petri網(wǎng)的方法對醫(yī)療控制系統(tǒng)實例進行建模，驗證了基于混成時空Petri網(wǎng)建模方法的可行性。下一步將針對該建模方法進行改進并與其他建模方法進行比較來驗證該建模方法的性能。

[1] Lee E A.Cyber physical systems:Design challenges[C]∥Real-Time Distributed Computing Conf,Washington:IEEE Computer Society,2008:363-369.

[2] 何積豐.Cyber physical systems[J].中國計算機學(xué)會通訊,2010,6(1)：25-29.

[3] Lee E A.Cyber physical systems:Are computing foundations adequate[C]∥NSF Workshop on Cyber Physical Systems:Research Motivation,Techniques and Roadmap,2006:16-17.

[4] Wolf W.Cyber physical systems[J].Computer,2009,42(3):88-89.

[5] Baheti R,Gill H.Cyber physical systems[C]∥Int’l Conf on the Impact of Control Technology,Washington D C,USA:IEEE,2011:161-166.

[6] Jeff C A.Model-based design methodology for cyber-physical systems[C]∥Proc of the 7th Int’l Conf on Wireless Communications and Mobile Computing(IWCMC),2011:1666-1671.

[7] Bujorianu C.An integrated specification logic for cyber-physical systems[C]∥Proc of the 14th IEEE Int’l Conf on Engineering of Complex Computer Systems,2009:291-300.

[8] Facchinetti T.Real-time modeling for direct load control in cyber-physical power systems[J].Industrial Informatics,2011,4(7):689-698.

[9] 朱 敏,李必信.基于微分動態(tài)邏輯的CPS建模與屬性驗證[J].電子學(xué)報,2012,40(6):1126-1132.

[10] Cao X R.Basic ideas for event-based optimization of Markov systems[J].Discrete Event Dynamic Systems:Theory and Applications,2005(15):169-197.

[11] Tan Ying.Spatio-temporal event model for cyber-physical system-s[C]∥Distributed Computing Systems Workshops,Quebec,Canada,2009:22-26.

[12] Ke Y，Li W， Shangping M，et al.An adaptive discrete event model for cyber physical system[C]∥The First Analytic Virtual Integration of Cyber Physical Systems Workshop,San Diego,California,USA,2010:9-15.

[13] Lina C，Hongbin H，Deng S.Research on CPS spatio-temporal event model based on the state[C]∥The 6th International Confe-rence on Computer Science & Education,Super Star Virgo,Singapore,2011:3-5.

[14] Tan Ying.Spatio-temporal event model for cyber-physical system-s[C]∥29th IEEE International Conference on Source,2009:44-50.

[15] Tan Ying.A concept lattic-based event model for cyber-physical systems[C]∥Proc of ICCPS,2010:50-60.

[16] 尹 玲.信息物理融合系統(tǒng)的時間需求一致性分析[J].軟件學(xué)報,2014,25(2):400-418.

Real-time event CPS model based on hybird spatial-temporal Petri nets*

TAN Peng-liu, WANG Ya-ya, ZHU Ming

(Software Institute，Nanchang Hangkong University,Nanchang 330000,China)

On the basis of analyzing characteristics of cyber physical systems(CPS),propose a new architecture of CPS,and formal definition of events is given.A new formal modeling method of CPS physical entity is proposed and defined.Introduce spatial and temporal factors and continuous variables on the basis of Petri nets,hybird spatial-temporal Petri nets(HSPN)is constructed,HSPN can not only describe behavior of physical entities in logical and time-level,but also can describe change of state caused by position change of physical entities.HSPN model is applied to real-time events CPS model design, and take medical control system as an example,analyze feasibility of modeling method.

hybrid spatial-temporal Petri nets(HSPN); cyber physical systems (CPS); real-time event model; architecture

2015—11—03

國家自然科學(xué)基金資助項目(61364023)；航空基金資助項目(2013ZD56008) ；江西省教育廳科技項目(GJJ13516)

10.13873/J.1000—9787(2016)10—0032—04

TP 305

A

1000—9787(2016)10—0032—04

譚朋柳(1975-)，男，湖北崇陽人，博士，副教授，研究方向為信息物理融合系統(tǒng)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、實時計算。