[发明专利]一种基于混成时空Petri网模型上的CPS物理实体的形式化建模方法

说明书

本发明提出一种基于混成时空Petri网模型上的CPS物理实体的形式化建模方法，首先分析了信息物理融合系统（CPS）的特性后提出了一种合理的体系结构图，然后针对CPS中事件消息的时空特性和物理实体的动态变化性设计出一个新的事件表达方式。并在Petri网的基础上引入时空因素和连续变量，构造了混成时空Petri网模型，使其不仅能够描述物理实体逻辑及时间层次的行为，而且能够描述物理实体位置变迁所引起的状态变化。将其应用于实时事件CPS模型设计，从而得到一种新的CPS物理实体建模方法。该方法解决了CPS对实时性以及时空一致性的要求，并且考虑到物理环境的动态性引入连续变量，几乎适用于所有环境。为CPS的发展提供了基础。

技术领域

本模型涉及一种信息物理融合系统（CPS）的设计方法，具体为一种基于混成时空Petri网模型上的CPS物理实体的形式化建模方法。

背景技术

信息物理融合系统(CPS)是一种融合计算、通信与控制的大型复杂实时反馈系统。它强调信息世界与物理世界之间的融合，强调对环境的实时监测与控制，通过与环境的实时交互来实现或扩展系统功能，以安全、可靠和实时的方式来控制物理实体。能够达到实时感知和动态控制物理环境的CPS具有非常广泛的应用前景。CPS作为集成计算、通信与控制于一体的复杂系统，并且要求高度的实时性以及时间、空间相结合等特性使得CPS系统建模与验证成为一项巨大挑战。错误的系统建模会直接影响系统可靠性，甚至对生命安全和财产安全带来危险，随着对CPS逐渐深入的研究，迫切需要一种严谨、可靠的建模方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新的CPS物理实体的形式化建模方法；在Petri网的基础上引入时空因素和连续变量，构造了混成时空Petri网模型，使其不仅能够描述物理实体逻辑及时间层次的行为，而且能够描述物理实体位置变迁所引起的状态变化。将其应用于实时事件CPS模型设计，最后以医疗控制系统为例，分析建模方法的可行性。

本发明采用的技术方案如下：一种基于混成时空Petri网模型上的CPS物理实体的形式化建模方法，包括一个体系结构以及提出混成时空Petri网应用于CPS的建模；

体系结构如附图，主要由以下几个部分构成：

传感器网络(Sensor Network)：由若干传感器节点(Sensor Node)及汇集节点(Sink Node)组成。传感器节点负责实时监控物理对象并获取对象的某些物理属性值，例如智能医疗中病人的血压、体温等生命特征参数。当获取的物理对象某一属性超出预定的范围，传感器节点就会立刻生成相应的CPS简单事件并将事件传给汇集节点。汇集节点收集传感器节点传送过来的事件，并将来自不同传感器节点采集的同一物理属性或来自同一传感器节点不同时间采集的同一物理属性进行融合，产生相应的融合事件，并将简单事件及融合事件发送到控制中心作进一步的处理。另一方面，汇集节点还会转发来自控制中心的控制命令到相应的传感器或控制器节点。

控制中心(Control Center)：即控制服务器，负责处理传感器网络传来的简单事件及融合事件，以及根据事先定义的逻辑对事件进行组合产生更复杂的复合事件，并根据事件信息产生相应的控制命令，进而向执行器网络的控制节点发布控制命令，在紧急情况下也会直接向用户发送警告信息。同时，控制中心会将事件信息及控制命令发布给信息中心。另外，控制中心还会接受通过认证的用户发来的控制命令，并将命令转发给执行器网络或传感器网络相应的控制器节点。

信息中心(Information Center)：即数据服务器，主要用于存放整个系统的各种事件信息，将相关的信息分类整合并得出物理对象的变化规律。另一方面负责管理用户，并响应合法用户的数据查询和分析请求。

执行器网络(Actor Network)：由若干执行器单元和控制节点组成，控制节点负责接受并执行控制中心发来的控制命令，以便调整与控制物理对象的某些物理属性，达到改变物理对象的目的。