基于扩展DPN的CPS混成行为时效建模与综合评估

信息物理融合系统行为是一种由离散计算过程与连续物理动态过程深度融合并紧密交互的混成行为.在CPS设计早期对信息系统实体的信息实体的关键监控参数、实时指标,以及物理系统设施的连续行为规律进行综合评估,是这类系统进一步设计与实现的基础.基于扩展DPN语义,以某智能车CPS系统自主行进紧急避障过程为研究对象,建立了其信息物理混成行为的Petri网模型,以融合并集中体现各关键参数和指标的时序协作效应;通过对该模型的仿真运行,实现了CPS行为的在线观测与综合评估.该方法为CPS子系统关键设计指标的综合合理性评估及其组合设计提供了一种解决途径.     

基于扩展Petri网的汽车CPS建模

信息物理融合系统是将物理世界与信息系统混合的混合系统,包括了设备感知、网络通信、计算与控制设备等多种组件,其系统操作既包括离散又包含连续的过程。针对上述CPS诸多复杂的特性,将以一种以数据驱动事件的扩展Petri网模型对CPS进行建模。首先,对事件的描述引入时间和空间属性;其次,引入条件变迁描述库所令牌的变化情况;最后对装有前撞预警系统的车辆进行Petri网的建模分析。     

CPS系统物理实体时空一致性建模与分析

CPS作为一个混合系统,是计算系统和物理系统的集中体现,注重计算进程和物理进程行为一致性分析与刻画。传统建模方式只针对物理进程和计算进程进行单一建模,难以满足CPS物理实体状态转移时空一致性的要求,在此基础上提出一种新的建模方法。将CPS时空状态转移融合成一个状态转移实时时空事件,并在时间Petri网基础上引入空间标签,建立时空Petri网模型,利用时空Petri网对物理实体状态转移过程进行分析。最后通过列车控制系统实例进一步分析了时空模型的有效性,从而例证了该方法的可行性。     

基于Petri网的CPS系统安全量化分析模型

随着信息物理融合系统（CPS）的广泛应用,安全性已成为其研究的核心问题。由于CPS离散计算过程和连续物理世界交织的特性,传统的安全分析方式不能直接适用。通过将博弈理论和Petri网建模方法进行结合,提出一种GHPN方法对CPS系统建立量化的安全分析模型,该模型既能适用CPS离散连续混合结构的模型刻画,又可合理模拟系统攻防双方行为,基于最终生成的模型从系统可靠性、脆弱性、风险后果等方面进行安全分析。通过对飞机空中避撞系统的实例研究,表明该模型和分析方法的有效性。     

描述CPS物理实体的时空Petri网模型

时间Petri网在经典Petri网的基础上引入了时间因素,不仅能分析逻辑层次的系统性能,还能分析时间层次的系统性能,然而包含空间因素的信息物理融合系统(cyber-physical system,CPS)的产生需要对时间Petri网进行拓展。CPS集成计算系统和物理系统,不仅能够实时感知物理环境信息,并且能够通过物理实体改变物理环境。对CPS的物理层面特点进行了深入分析,研究了CPS物理实体的属性及其位置变迁过程,提出了一种CPS物理实体的形式化建模方法。在时间Petri网的基础上引入了空间因素,构造了时空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,并且能够描述物理实体位置变迁所引起的状态变化。最后以机器人控制系统为例,进一步阐述了时空Petri网模型的有效性。     

基于增广混合Petri网的CPS事件建模

信息物理融合系统是一类将信息系统和物理系统连接并融合在一起的混合系统,包含了感知、通信、计算与控制等多种技术,其系统操作既包括离散的计算过程,又包括连续的物理过程。针对此特性,提出一种以事件为驱动、以数据为核心的增广混合Petri网模型。首先,CPS具有事件驱动的内在属性,为事件定义1个用于赋予数据值的变量因子,以数据作为事件执行程度的核心;其次在混合Petri网的基础上加入时间和空间属性,以及为变迁的发生引入条件弧概念;最后,通过对自适应巡航控制系统的运行机理进行建模分析,验证了所提出模型的可行性。     

混成时空Petri网的CPS实时事件模型

在分析网络物理系统（ CPS）特点的基础上,提出了一种新的CPS体系结构,并对事件进行形式化定义。提出了一种新的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（ HSPN）模型,使其不仅能够描述物理实体逻辑和时间层次的行为,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,以医疗控制系统为例,分析建模方法的可行性。     

一种信息物理融合系统行为预测模型

信息物理融合系统(CPS)是一类集成了计算系统、通信网络、传感器网络、控制系统和物理系统的新型互联系统。由于CPS内部异构单元之间的通讯、协同和交互的形式错综复杂,目前尚无统一的模型进行描述和分析,因此对其行为的建模和预测是一个难点问题。首先以混杂系统、模糊集理论和人因学方法为基础,提出一种模糊时间混合Petri网,随后通过对一类典型CPS的行为进行建模和分析,实现了CPS动态行为和状态迁移的预测,最后以仿真数据验证了模型的有效性。该模型可用于分析CPS中的物理世界连续状态和信息世界离散事件之间的联系和交互,有助于研究CPS中的不确定性问题和系统组成单元之间的异步并发关系,为CPS的行为预测、状态评估和实时控制提供了有效方法。     

基于SHML的CPS行为建模及仿真

信息物理融合系统(cyber-physical systems,简称CPS)是深度融合了计算进程和物理进程的统一体,是集计算、通信与控制于一体的下一代智能系统,具有广阔的应用前景.CPS的行为具有混成性、随机性等特征,建模及仿真CPS的动态行为对于开发高质量的CPS系统至关重要.但是目前缺乏面向CPS的领域建模方法及建模CPS的领域建模语言,也迫切需要支持仿真CPS领域模型的仿真工具.针对以上问题,提出一种面向CPS领域的随机混成建模语言(stochastic hybrid modeling language,简称SHML)以支持建模CPS系统的行为.首先,根据CPS的领域特征定义了SHML的元模型作为其抽象语法,并定义了SHML的具体语法和操作语义;其次,基于GEMOC框架实现了SHML的可视化建模工具.此外,集成GEMOC的序列化执行引擎和Scilab的连续行为仿真引擎,实现仿真CPS的混成行为.提出了一种面向CPS领域的建模及仿真方法,设计并实现了一个集成的面向CPS行为的建模与仿真平台,为CPS的建模及仿真提供了一种有效的方法及工具支撑.     

基于对象时空Petri网的CPS建模与仿真

信息物理融合系统（CPS）是一个融合了计算、控制、通信和物理元素的分布式实时反馈系统,但传统的建模方法无法满足CPS对时空性能要求较高的情况。为此,提出结合对象特征的对象时空Petri网（DS-OPN）建模方法。首先,将面向对象封装技术、时空元素融入Petri网中,设计空间和时间描述规则,将相同对象下的场景元素封装到同一对象子网系统模型中。其次,定义聚合规则,聚合各个子网模型,使这些模型能够描述CPS物理拓扑环境中的对象变化过程。最后,以交通CPS为例,建模和仿真分析自主控制超车系统的动态行为;同时,建立模型的可覆盖性树和关联矩阵分析验证模型的可达性、安全性等性质。实验结果显示,DS-OPN建模方法建立的模型对系统流程的逻辑结构表现清晰,对时空因素的计算准确,在实时性和安全性上能满足CPS的要求,验证了该建模方法的有效性和安全性。     

Suboptimal time management of discrete event systems with uncontrollable events modeled by Petri nets

Preventing systems from entering to forbidden states is a crucial issue in discrete event systems control. Adding supervisors to the system is a common method to avoid entering to forbidden states. In discrete event systems modeled by Petri net adding a supervisor could be done by means of control places. Since, the time is not considered in designing this supervisor, in presence of uncontrollable transitions adding control places can lead to increase the operation time of the system modeled by timed Petri net. Because, the firing of some transitions is prevented when it is not necessary. So, to design a more efficient controller, we will be required to use time information of the system component. Therefore, in this paper, a method for optimizing the time behavior of a supervised timed Petri net will be proposed. To obtain an efficient operation, some timed places as timer will be added to the net. The time of this timer places is calculated to permit firing of some controllable transitions in order to enter into some weakly forbidden states while entering to forbidden states is prevented. This concept leads to increase the speed of system as well as obtain an acceptable operation. This method can be applied for all systems modeled by Petri nets. The efficiency of proposed approach will be discussed and validated with a case study.     

Generalised Batches Petri Net: Hybrid Model For High Speed Systems With Variable Delays

Recently, the possibilityof associating both discrete events and continuous time behaviourin the same formalism has generated a considerable interest inthe Petri net paradigm. A central issue in this field is theconcept of Hybrid Petri net which consists in continuous transitionsand places holding non negative real number, and discrete transitionsand places holding integer tokens. By adding a new type of nodes,batch transitions and batch places, Batches Petri nets have beendefined. A batch node combines both a discrete event and a linearcontinuous dynamic behaviour in a single structure. Batches Petrinets can then be used in the control design and performance analysisof high-speed systems composed of continuous transfer elementswhich introduce variable delays on continuous flows. In thispaper, the complete formalism of Generalised Batches Petri netsis given through the definition of the model, the enabling andfiring rules, the time analysis methods, and two examples illustratethese notions.     

基于AOP的时空Petri网的CPS建模

信息-物理融合系统(Cyber-Physical System,CPS)作为一系列物理过程和计算过程的紧密集成,体现为物理世界和信息世界的交互与融合。针对CPS的时空及非功能属性,提出一种面向方面的时空Petri网建模方法,在保证时空一致性的前提下,分离系统中的核心关注点和横切关注点,将横切关注点单独作为方面进行分析,并将构建规则方面重新织入系统。该方法在系统设计阶段可以对不同的非功能属性进行形式化分析,提高了系统的可靠性和可维护性。最后通过实例说明了该方法的可行性。     

Decidability results in First–Order Hybrid Petri Nets

In this paper we tackle the decidabilityof marking reachability for a hybrid formalism based on Petrinets. The model we consider is the untimed version of First–OrderHybrid Petri Nets: it combines a discrete Petri net and a continuousPetri net, the latter being a fluid version of a usual discretePetri net. It is suggested that the decidability results shouldbe pursued exploiting a hierarchy of models as it has been donein the framework of Hybrid Automata. In this paper we definethe class of Single–Rate Hybrid Petri Nets: the continuousdynamics of these nets is such that the vector of the markingderivatives of the continuous places is constant but for a scalarfactor. This class of nets can be seen as the counterpart oftimed automata with skewed clocks. We prove that the reachabilityproblem for this class can be reduced to the reachability problemof an equivalent discrete net and thus it is decidable.