Integrative biological systems modeling: challenges and opportunities

Most biological systems are by nature hybrids consist of interacting discrete and continuous components, which may even operate on different time scales. Therefore, it is desirable to establish modeling frameworks that are capable of combining deterministic and stochastic, discrete and continuous, as well as multi-timescale features. In the context of molecular systems biology, an example for the need of such a combination is the investigation of integrated biological pathways that contain gene regulatory, metabolic and signaling components, which may operate on different time scales and involve on-off switches as well as stochastic effects. The implementation of integrated hybrid systems is not trivial because most software is limited to one or the other of the dichotomies above. In this study, we first review the motivation for hybrid modeling. Secondly, by using the example of a toggle switch model, we illustrate a recently developed modeling framework that is based on the combination of biochemical systems theory (BST) and hybrid functional Petri nets (HFPN). Finally, we discuss remaining challenges and future opportunities.     

Integrated biological systems modeling: challenges and opportunities

Most biological systems are by nature hybrids consist of interacting discrete and continuous components, which may even operate on different time scales. Therefore, it is desirable to establish modeling frameworks that are capable of combining deterministic and stochastic, discrete and continuous, as well as multi-timescale features. In the context of molecular systems biology, an example for the need of such a combination is the investigation of integrated biological pathways that contain gene regulatory, metabolic and signaling components, which may operate on different time scales and involve on-off switches as well as stochastic effects. The implementation of integrated hybrid systems is not trivial because most software is limited to one or the other of the dichotomies above. In this study, we first review the motivation for hybrid modeling. Secondly, by using the example of a toggle switch model, we illustrate a recently developed modeling framework that is based on the combination of biochemical systems theory (BST) and hybrid functional Petri nets (HFPN). Finally, we discuss remaining challenges and future opportunities.     

基于Time Petri Nets的实时系统资源冲突检测

Time Petri Nets在实时系统的建模和性能分析中得到广泛应用,而冲突是Petri网及其扩展模型的重要行为,解决冲突是正确分析模型动态行为的关键.目前随机Petri网、混合Petri网和区间速率连续Petri网的冲突检测方法由于没有考虑到时间约束因此无法在TPN网中使用.时间约束的引入使得Time Petri Nets模型的使能和触发语义比Petri网模型的语义复杂,冲突检测变得更加困难.为了计算冲突发生的时间和概率,首先根据时间约束,给出了变迁持续使能时延迟区间的计算方法,并证明了该方法的合理性和完备性;然后在此基础上定义并证明了Time Petri Nets模型中不冲突的检测方法;并提出了Time Petri Nets模型的冲突检测方法,给出了冲突时间区间和变迁实施概率的计算方法;最后通过实例验证说明了该方法的正确性和有效性.     

基于Petri网的数据库系统并发控制模型

该文对数据库系统中事务的并发操作进行了分析,讨论了共享资源的Petri网模型及其行为。给出了数据库系统中事务并发控制的Petri网模型,有效地克服了由事务的并发操作引起的各种数据不一致问题。     

混合系统在matlab环境下的建模和仿真

混合系统是集连续动态系统和离散事件为一体的复杂动态系统,是近年来控制理论研究领域的热门课题.由于混合系统既含连续变量义含离散事件,给处理这类系统带来了复杂性.一般混合系统建立模方法有:混合自动机,混合petri,时段演算及其扩展等模型.在概述混合系统概念与特点的基础上,介绍了混合系统研究中的建模与仿真问题.结合超市冰柜系统用混合自动机建模,并用MATLAB中的SIMULINK和STATEFLOW进行仿真.仿真结果表明效果很好,为系统分析和设计提供了有力的工具.     

着色Petri网在工作流建模中的应用

工作流建模是工作流管理系统进行工作流管理所必不可少的一个环节。而Petri网以其严格的数学基础、成熟的分析方法和工具而日益得到广泛的应用。本文介绍了着色Petri网在工作流建模中的作用，然后对一个具体的业务流程分别用经典Petri网和着色Petri网建立了过程模型并进行了比较。     

基于Petri网的电子支付安全模型研究

Petri网兼顾了严格定义与图形语言两个方面,具有丰富而严格的模型语义,也是一种图形化的语言,具有直观与易懂的特点。电子支付是客户使用电子账户通过网络实施的支付。针对电子支付过程中的安全风险,给出了电子支付可以实施的安全措施。利用Petri网描述安全电子支付流程,采用一种基于逻辑的Petri网分析方法,探索建立了基于Petri网的电子支付安全模型。该模型对于指导电子支付安全项目的研究以及解决实际安全问题具有一定的理论价值和实践意义。对电子支付建立Petri网安全模型的另一个目的,就是为信息安全研究提供新的方法与思路。     

基于着色Petri网仿真模型的安全协议分析

采取形式化方法验证协议的安全性,Petri网是有效的方法之一,但传统Petri网分析过程中经常会出现状态空间爆炸问题。该文采用了基于着色Petri网建立安全协议及入侵者攻击的仿真模型方法,从而获得仿真数据。该方法利用逆向状态分析和Petri网可达性分析,能有效地发现协议中的安全漏洞。并且,如果能恰当地控制好状态空间,则能有效地克服Petri网分析过程中的状态空间爆炸问题。该文给出的利用着色Petri网建立安全协议仿真模型分析的一般方法,实例说明该方法具有普适性,并且方便利用Petri网自动化分析工具实现自动化分析。     

Specification of software pipelining using petri nets

This paper presents a flexible model for software pipelining using the petri nets. Our technique, called the Petri Net Pacemaker (PNP), can create near optimal pipelines with less algorithmic effort than other techniques. The pacemaker is a novel idea which exploits the cyclic behavior of petri nets to model the problem of scheduling operations of a loop body for software pipelining. A way of improving the performance of loops containing predicates is given. The PNP technique also shows how nested loops can be pipelined. A comparison with some of the other techniques is presented. THis work was partially supported by the National Science Foundation under grants CDA-9100788 and CDA-9200371.     

属性Petri网模型及其推理算法

定性映射是从哲学上事物的质-量互变规律出发,以感觉特征抽取为依托而建立的脑思维数学模型。文章以定性映射基本定义为基础讨论了属性Petri网的基本模型,给出了其形式定义和基本运行机制,描述了基于属性Petri网的知识表示模式,最后给出了属性Petri网的相应推理算法。该模型在以定性判断为特点的诊断系统中能得到较好地应用。     

基于模糊着色Petri网的多状态系统可靠性分析

在多状态系统中,由于性能退化、局部失效等原因,系统或元件会表现出从完全失效到完美工作之间的一系列过渡状态,这些过渡状态信息将直接影响系统的可靠性。针对这一问题,提出一种模糊着色Petri网模型,该模型通过对模糊状态及状态变迁进行建模来刻画多状态系统的可靠性特征。在这种模糊着色Petri网模型中,变迁阈值会随着节点状态模糊信息的动态变化而发生变化,为此提出自适应模糊推理算法进行阈值调整,为多状态系统模型的可靠性分析及性能优化提供指导。通过对多状态系统可靠性分析进行验证,表明研究提出的模糊着色Petri网及参数调整策略合理有效,有利于提高多状态系统整体性能。     

基于混合整数规划的一般Petri网死锁检测方法

信标的受控性是检测柔性制造系统(flexible manufacturing system,FMS)Petri网模型是否存在死锁的关键因素.对于普通Petri网,在任何可达标识下所有信标不被清空是检测网系统非死锁的充分条件.然而,该条件对于建模能力更强的一般Petri网并不适用,max可控性条件由此产生.研究证明,该条件对于一般Petri网的死锁检测过于严格了.虽然其后有很多研究者通过改进max可控性条件以求给出条件更宽松的一般Petri网非死锁的充分条件,但大部分的研究成果都仅仅局限于一种顺序资源共享分配系统Petri网模型S4PR(systems of sequential systems with shared resources)网.因此,本文在max可控性条件的基础上提出了新的名为max#可控的信标可控性条件,并在此条件的基础上实现了基于混合整数规划(mixed integer programming,MIP)的死锁检测方法.与现有研究成果相比,max#可控性条件更宽松,可适用于更多类型的一般网,为解决大规模柔性制造系统中死锁监督控制器的结构复杂性问题提供了有力的理论支撑.     

基于时间Petri网的工作流建模

随着工作流管理的发展,人们提出了很多扩展Petri网概念用于工作流建模。描述工作流中的资源、资源条件以及任务与资源条件之间的关系是一件很复杂的事情。而现有的用于描述工作流的Petri网在这方面,并不令人满意。该文特别强调资源的概念,在时间Petri网的基础上提出了一种新Petri网———资源条件/任务网(ResourceCondition/Tasknet,简称RC/TN),利用RC/TN网来进行工作流建模,描述工作流的执行过程。并将该工作流建模方法应用于OA流程的描述中。     

动态模糊Petri网模型及其应用研究

以模糊Petri网的基本定义，动态模糊集和动态模糊逻辑为基础，讨论了动态模糊Petri网的基本模型，建立了动态模糊Petri网与模糊Petri网之间的映射关系和转移算法，解决了与动态模糊知识的动态模糊Petri网表示相关的几个问题，最后给出了动态模糊Petri网中动态模糊性的计算方法和相应的推理方法。     

Petri网时间特性分析

为了进一步研究随机Petri网的时间特性,引入了时间Petri网、闭网、常返网、有环网、无环网等概念,证明了随机Petri网是时间特性网的充要条件是其闭网为常返网,并给出了判别一个网是否是时间特性网的数值方法。同时讨论了变迁发射时间特性,给出了发射时间密度公式。     

基于矩阵方法的有界Petri网系统的能观性分析

Petri网和有限自动机是离散事件动态系统的两类主要研究内容.而Petri网系统的能观性分析与判别是基于Petri网的实际系统设计、优化、监测及控制的重要基础.以往关于Petri网能观测性的研究缺乏定量化的充要判别条件.本文利用代数矩阵方法研究了带有输出的有界Petri网系统的能观性问题.首先,基于矩阵的半张量积,将带有输出的有界Petri网系统的动态行为以线性方程组的形式建立了数学模型.然后,针对初始标识和当前标识,介绍了两种能观性定义.最后,基于矩阵运算建立了关于有界Petri网系统能观性的几个充分必要条件,并给出严格证明.数值算例验证了理论结果.本文提出的方法实现了有界Petri网系统能观性的矩阵运算,易于计算机实现.     

基于Petri网的PLC系统设计分析与远程监控

Petri网在离散事件的动态仿真中有着广泛的应用,而如何将Petri网应用到离散制造系统中具有重大的价值.以离散制造业中最常见的搬运机械手模型为基础,提出了它的Petri网模型设计方法,并且利用科学的转换方法将Petri网转化为梯形图,应用到在制造业中广泛使用的PLC系统中.利用这种设计方法,不仅能够轻松地将Petri网应用到实践当中,还能够对模型的死锁、生产周期和不变量进行定量的分析,给制造系统进行管理控制、故障诊断和现场监控带来方便.     

An approach towards the verification of expert systems using numerical petri nets

A major difficulty that occurs in the construction of large production rule-based expert systems is maintaining the correctness, consistency, and completeness of the knowledge base. A method of transforming the production rules into a numerical petri nets (NPNs) model is proposed. These NPNs are high level nets that are necessary to effectively model production rules. the net model is then analysed by using a computer-aided tool to perform reachability analysis. an algorithm is given to generate the reachability set of the nets. This allows the verification of the correctness, consistency, and completeness of the knowledge base. Examples showing the use of this approach are given.     

属性Petri网建模及其应用

从哲学上事物的质-量互变规律出发，定性映射是以感觉特征抽取为依托而建立的脑思维数学模型。该文提出了基于定性映射模型的诊断系统的建模工具(属性Petri网的基本模型)，给出了形式化定义和基本运行机制，分析了基于属性Petri网的诊断推理算法及实例，该模型在以定性判断为特点的诊断系统中，能得到较好的应用。     

基于Petri网业务流程建模及到BPEL4WS的转换

BPEL语言是一种功能强大的描述业务流程的计算机可执行标准语言,在SOA（面向服务）架构中扮演着将服务串联成商业流程的灵魂角色。但是由于它的不够直观和代码冗长等缺点,BPEL不适合直接用于业务流程的抽象建模。因此研究其它抽象模型与BPEL间转换就相当有意义。在对Petri网和BPEL语言深入学习的基础上,定义了Petri网的若干部件及部件与BPEL的对应转换,然后提出了如何将业务流程Petri网模型转换成BPEL的算法,并用实例进行分析,验证该算法的有效性。