[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

摘要

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。

主权项

1.一种基于混成时空Petri网模型上的CPS物理实体的形式化建模方法，其特征在于：所述混成时空Petri网应用于CPS的建模：首先对CPS中的物理实体进行分类；在CPS实时事件模型中，以下简称事件模型，每个物理实体必须具备一些基本特征：具有系统中唯一的身份ID，以区别其他物理实体；具有一定的空间属性与非空间属性；感知设备具备感知环境信息的能力，并能通过网络媒介将信息发送给信息处理单元；执行设备能够接收信息处理单元通过网络媒介传输来的控制指令，并依据指令正确到达目的地来改变物理环境；通过对物理实体的抽象来构造物理实体类，这里将物理实体类(Entity Class)定义为一个三元组：EnC＝(ECid，CP，OP)ECid指物理实体类的ID，CP指这类物理实体的属性集合，OP指这类物理实体的行为集合；每一个物理实体都属于一种物理实体类，每一个物理实体都是物理实体类的一个实例；这里将物理实体(Entity)定义为一个五元组：En＝(Eid，EnC，EP，EOP，HT)Eid表示物理实体的ID，EnC指该物理实体所属的物理实体类，EP指该物理实体的属性集合，EOP指该物理实体的行为集合，HT指的是该物理实体所处的混成时空Petri网；根据CPS事件所包含属性的不同，将CPS事件分成三种：简单事件Es(Simple Event)，融合事件Ef(Fused Event)与复合事件Ec(Composite Event)；由于CPS是一个基于事件的系统，其中所有的计算、通信和控制操作都是基于事件单元，对于事件的处理通过对其属性特征的处理来完成；将事件(Event)表示为一个八元组：E＝{e，P，T，L，TO，LO，O，ω}e＝(eid，t)，eid代表事件的ID，在生成事件时同时生成，是事件在整个系统中的唯一标识，t表示事件类型；P代表事件的属性，是一个集合的形式，P＝{p1，p2，…，pn}；T代表事件生成的时间；T＝[t1,t2]，当t1＝t2时为时间点事件，t2>t1时为时间段事件；L代表事件生成的地点；L＝[(x,y,z),r]，(x,y,z)代表事件发生的三维地点，r代表事件发生的范围半径，r＝0时为点事件，r>0时为区域事件；TO代表观察者发现事件发生的时间，TO＝[to1,to2]，当to1＝to2时为时间点事件，to2>to1时为时间段事件；LO代表观察者发现事件发生的地点，LO＝[(xo,yo,zo),ro]，(xo,yo,zo)代表事件发生的三维地点，ro代表事件发生的范围半径，ro＝0时为点事件，ro>0时为区域事件；O代表观察者，即发现事件发生的传感器节点；ω代表事件的权重值来体现事件的实时级别，会影响到事件的调度与处理；对于一个事件消息来说，所包含的属性值并非同等重要，不同的属性对事件实时性的要求也各不相同，因此需要通过属性权重来体现事件的实时性要求，假设各个属性的权重已知；各个属性对事件的贡献度表示为g(pi)，事件的权重值则由以下公式计算：此外混成时空Petri网还必须具备许多新属性才能对CPS进行建模；(1)物理实体在时空Petri网中抽象为系统资源，因此用令牌的形式来表示物理实体；(2)混成时空Petri网必须能够表示物理实体所处的位置区域，这是引入空间因素最基本的要素；(3)混成时空Petri网必须能够正确描述物理实体的移动过程，物理实体在混成时空Petri网中以令牌的形式表示，则通过令牌的转移来描述物理实体的移动过程，同时Petri网具备描述并发系统的能力，能够描述多个物理实体的并发移动过程；(4)混成时空Petri网必须能够表示离散变量的变化；通过分析以上四个问题，对于Petri网进行拓展，最后得到混成时空Petri网模型；定义一个混成时空Petri网(Hybird Spatial‑Temporal Petri Net)为一个八元组：HSPN＝(S，T’，F，MO，xo，f，I，A)S用来表示有穷、非空库所集，表示为圆形节点；T’用来表示有穷、非空变迁集，表示为方形节点；F用来表示库所与变迁之间的有向弧集合；MO表示HSPN中的令牌初始分布状况；xo表示初始的连续状态矢量；f用来表示定义在库所集上的连续变量的向量场；I用来表示定义在变迁上的时间区间函数；A用来表示定义在库所集上的空间位置信息，用区域信息或坐标信息表示。