CN107180133A

CN107180133A - 一种cps建模的方法及装置

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Publication number: CN107180133A
Application number: CN201710354495.1A
Authority: CN
Inventors: 张广泉; 戎玫; 宋相君; 宋振华
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2017-05-18
Filing date: 2017-05-18
Publication date: 2017-09-19
Anticipated expiration: 2037-05-18
Also published as: CN107180133B

Abstract

本发明公开了一种CPS建模的方法及装置，根据预设模型融合规则，将预先建立的基本网模型和方面网模型进行融合，得到CPS模型；其中，上述预设模型融合规则包括表征各个方面网模型间执行顺序的组合规则，以及基本网模型与方面网模型间的编织规则。在本申请中，利用方面网模型间的组合规则，明确了方面网间的执行顺序，克服了方面网间的冲突；利用基本网模型和方面网模型间的编织规则，可以正确无冲突地将方面网编织入系统中，克服了基本网模型和方面网模型间的冲突，进而保证了系统的安全性和稳定性。可见，本申请克服建模时的冲突问题，提高CPS系统的安全性和稳定性。

Description

一种CPS建模的方法及装置

技术领域

本发明涉及信息物理融合技术领域，特别是涉及一种CPS建模的方法及装置。

背景技术

随着计算机技术和网络通信技术的快速发展，信息物理融合系统也应运而生。

信息物理融合系统(CPS，Cyber-Physical Systems)是一种融合计算、通信以及控制功能的复杂系统，其可以实现大规模物理系统的实时感知、动态控制和信息服务。

CPS的建模方法也在不断发展，近年来，采用面向方面程序设计(Aspect-OrientedProgramming，AOP)的思想对CPS进行建模。即将物理的连续过程、时间约束和容错自适应作为几个关注点，分别采用不同的Petri网进行建模，并通过编织规则将关注点动态集成到系统中。但是现有CPS建模方法在将各类方面网织入基本网中时，并没有考虑到方面冲突问题，例如，方面网间的执行顺序不确定导致方面冲突问题，又或者是不正确的编织规则导致方面网在织入以后影响基本网的原有行为。建模时的方面冲突问题可能使得系统的安全性以及稳定性较低。

发明内容

本发明的目的是提供一种CPS建模的方法及装置，目的在于解决现有技术的CPS建模方法没有考虑方面冲突导致的系统安全性以及稳定性较低的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种CPS建模的方法，该方法包括：

根据预设模型融合规则，将预先建立的基本网模型和方面网模型进行融合，得到CPS模型；

其中，所述预设模型融合规则包括表征各个所述方面网模型间执行顺序的组合规则，以及所述基本网模型与所述方面网模型间的编织规则。

可选地，所述根据预设模型融合规则，将预先建立的基本网模型和方面网模型进行融合，得到CPS模型包括：

根据所述组合规则，确定多个所述方面网模型间的执行顺序，所述执行顺序包括先后关系、并发关系、选择关系以及迭代关系；

基于预设构建编织算法以及所述编织规则，以变迁为切入点，将所述方面网模型编织入所述基本网模型，得到所述CPS模型。

可选地，所述方面网模型的建立过程具体为：

基于混成Petri网，将连续变迁与速率函数相关联，且引入抑制弧和测试弧，得出扩展混成Petri网模型；

根据预定义方面网模型以及所述扩展混成Petri网模型，得出所述方面网模型；

其中，所述预定义方面网模型为AN_i＝{P_in,P_out,Pc,Ad,Intro}，Pc＝{tcut,pcut}，Ad＝{before,after,around}，P_in、P_out表示方面网的输入输出端口，tcut、pcut分别为变迁切入点和库所切入点，before、after、around为方面网模型编织入基本网模型的操作方式，Intro为基于扩展混成Petri网的模块；

所述扩展混成Petri网模型为EHPN＝{P,T,Pre,Post,h,τ,A_I,A_T,M₀}，τ包括离散变迁，以及连续变迁对应的时间延迟和激发速率；A_I为抑制弧集合，A_T为测试弧集合。

可选地，所述基本网模型为STPN＝{P,T,F,∑,C,WI(p,t),WO(t,p),g,D(t),m₀}；

其中，P＝{p₁,p₂,p₃...p_n}为库所的非空有限集合，T＝{t₁,t₂,t₃...t_n}为变迁的非空有限集合，F为有向弧的有限集合，F包括标准弧集合F_s和抑制弧集合F_I，∑＝((L₁×L₂×...L_d)×(Θ₁×Θ₂×...Θ_d))∪δ∪Ins为颜色集合的非空有限集合，((L₁×L₂×...L_d)×(Θ₁×Θ₂×...Θ_d))为空间颜色集，σ∈(L₁×L₂×...L_d)表示物理实体的空间位置，θ∈(Θ₁×Θ₂×...Θ_d)表示物理实体间的行进方向，δ表示物理实体的其它属性和功能信息，Ins表示物理实体接收到的指令，WI(p,t)为库所p至变迁t的输入弧函数，WO(t,p)为变迁t至库所p的输出弧函数，D(t)＝[α(t),β(t)]表示每个变迁从使能到触发所需等待的时间区间。

可选地，所述基本网模型的激发规则为：

此外，本发明还提供了一种CPS建模的装置，该装置包括：

融合模块，用于根据预设模型融合规则，将预先建立的基本网模型和方面网模型进行融合，得到CPS模型；

可选地，所述融合模块包括：

组合单元，用于根据所述组合规则，确定多个所述方面网模型间的执行顺序，所述执行顺序包括先后关系、并发关系、选择关系以及迭代关系；

编织单元，用于基于预设构建编织算法以及所述编织规则，以变迁为切入点，将所述方面网模型编织入所述基本网模型，得到所述CPS模型。

可选地，还包括：

方面网模型建立模块，用于基于混成Petri网，将连续变迁与速率函数相关联，且引入抑制弧和测试弧，得出扩展混成Petri网模型；根据预定义方面网模型以及所述扩展混成Petri网模型，得出所述方面网模型；

可选地，所述基本网模型的激发规则为：

本发明所提供的一种CPS建模的方法及装置，根据预设模型融合规则，将预先建立的基本网模型和方面网模型进行融合，得到CPS模型；其中，所述预设模型融合规则包括表征各个所述方面网模型间执行顺序的组合规则，以及所述基本网模型与所述方面网模型间的编织规则。在本申请中，利用方面网间模型间的组合规则，明确了方面网间的执行顺序，克服了方面网间的冲突；利用基本网模型和方面网模型间的编织规则，可以正确无冲突地将方面网编织入系统中，克服了基本网模型和方面网模型间的冲突，进而保证了系统的安全性和稳定性。可见，本申请克服建模时的冲突问题，提高CPS系统的安全性和稳定性。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所提供的CPS建模方法的一种具体实施方式的流程示意图；

图2为本发明实施例所提供的方面网模型组合规则；

图3为本发明实施例所提供的方面网编织规则算法以及相应建议下的编织规则；

图4为本发明实施例所提供的扩展混成Petri网模型的一种具体实施方式的示意图；

图5为本发明实施例所提供的时空Petri网的时空属性描述图；

图6为本发明实施例所提供的CPS建模装置的结构框图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参见图1，图1为本发明实施例所提供的CPS建模方法的一种具体实施方式的流程示意图，该方法包括以下步骤：

步骤101：根据预设模型融合规则，将预先建立的基本网模型和方面网模型进行融合，得到CPS模型；

需要说明的是，将方面网模型编织到基本网模型时，有三种不同的操作方式，即三种建议，分别可以为before、after以及around。其中before可以表示在基本网模型的令牌到达连接点位置，但计算还没开始时，执行方面网模型上的计算；after可以表示在基本网模型的令牌到达连接点位置且该点的程序计算已完成但还没有离开该点时，执行方面网模型上的计算；around可以表示在基本网模型的令牌到达连接点位置时，基于抑制弧所连接的库所中是否包括令牌，确定是否执行方面网模型上的计算。若是，则不执行连接点上的计算，只执行方面网模型上的计算；若否，则只有当抑制弧所连接的库所中不包含令牌时，才会执行连接点上的计算。

上述基本网模块可以是指时空Petri模型，其可以描述物理实体在时空位置上的变化；上述方面网模型可以是指基于扩展混成Petri模型的方面网模型，其将连续变迁关联速率函数，引入抑制弧和测试弧，便于CPS的建模和分析，可满足一定条件下的CPS建模需求。

上述组合规则可以解决方面网模型间的冲突问题，该冲突问题可以是指同一连接点织入多个建议类型相同的方面网时，由于方面网模型间关系并非独立可能产生的冲突问题。组合规则可以基于约束关系，将多个方面网模型进行组合，确定多个方面网模型间的执行顺序。上述约束关系具体可以为先后关系、并发关系、选择关系以及迭代关系。

上述编织规则可以正确将方面网模型编织入基本网模型中，其可以根据选择的建议，即before、after以及around中的一种，以变迁作为切入点，将方面网模型正确无误地编织入基本网模型中，得到CPS模型。

作为一种具体实施方式，上述根据预设模型融合规则，将预先建立的基本网模型和方面网模型进行融合，得到CPS模型的过程可以具体为：根据所述组合规则，确定多个所述方面网模型间的执行顺序，所述执行顺序包括先后关系、并发关系、选择关系以及迭代关系；基于预设构建编织算法以及所述编织规则，以变迁为切入点，将所述方面网模型编织入所述基本网模型，得到所述CPS模型。

需要说明的是，执行顺序也可以是指方面网模型间的约束关系，具体地，A、B均为方面网模型，此时，先后关系可以表示为A→B，表示方面网模型B必须在方面网模型A执行完之后才可执行；并发关系可以表示为A||B，表示方面网模型A、B之间不存在直接关系，可以同时执行；选择关系可以表示为A|B，表示方面网模型A或方面网模型B中只有一个可以执行；迭代关系可以具体表示为A*B，表示方面网模型B会在方面网模型A中迭代执行。

此时，上述组合规则可以具体参见图2，图2为本发明实施例所提供的方面网模型组合规则。如图2所示，AN_i和AN_j表示方面网模型，图中分别给出了先后关系、并发关系、选择关系以及迭代关系的组合规则，具体可以参见图中相应内容。

显而易见地，上文只给出了两个方面网模型的约束关系，而当方面网模型的数量大于两个时，相应的约束关系和组合规则可以根据本申请中给出的约束关系和组合规则推导出来，在此不再赘述。

考虑到以库所为切入点，基于相应建议，将方面网进行编织时，无法保证系统的安全性的问题，且同一切入点进行编织时的冲突问题，可以选择变迁为切入点，利用预设编织规则来进行编织。

上述预设编织算法以及相应建议下的编织规则可以参见图3，图3为本发明实施例所提供的方面网编织规则算法以及相应建议下的编织规则。如图3所示，分别给出了before、after以及around建议下的编织规则。

可以看出，基于约束关系的组合规则，确定了各个方面网模型的执行顺序，使得方面网模型组合时不会发生冲突；以变迁为切入点，基于相应建议，给出不同的编织规则，使得方面网模型编织入基本网模型时不会发生冲突。

本发明实施例所提供的CPS建模的方法，根据预设模型融合规则，将预先建立的基本网模型和方面网模型进行融合，得到CPS模型；其中，预设模型融合规则包括表征各个方面网模型间执行顺序的组合规则，以及基本网模型与方面网模型间的编织规则。该方法利用方面网间模型间的组合规则，明确了方面网间的执行顺序，克服了方面网间的冲突；利用基本网模型和方面网模型间的编织规则，可以正确无冲突地将方面网编织入系统中，克服了基本网模型和方面网模型间的冲突，进而保证了系统的安全性和稳定性。

在上述实施例的基础上，上述方面网模型的建立过程可以具体为：基于混成Petri网，将连续变迁与速率函数相关联，且引入抑制弧和测试弧，得出扩展混成Petri网模型；根据预定义方面网模型以及所述扩展混成Petri网模型，得出所述方面网模型；

其中，上述预定义方面网模型为AN_i＝{P_in,P_out,Pc,Ad,Intro}，Pc＝{tcut,pcut}，Ad＝{before,after,around}，P_in、P_out表示方面网的输入输出端口，tcut、pcut分别为变迁切入点和库所切入点，before、after、around为方面网模型编织入基本网模型的操作方式，Intro为基于扩展混成Petri网的模块；

需要说明的是，可以将CPS的横切关注点表示为一个模块，称为方面。

P_in、P_out可以用于连接基本网模型；Ad＝{before,after,around}是指满足切入点描述的连接点上触发执行的操作，具体介绍可以参见上文相应内容，在此不再赘述。

上述扩展混成Petri网模型为EHPN＝{P,T,Pre,Post,h,τ,A_I,A_T,M₀}，τ包括离散变迁，以及连续变迁对应的时间延迟和激发速率；A_I为抑制弧集合，A_T为测试弧集合。

可以理解的是，P、T、Pre、Post、h以及M₀与混成Petri网的相应参数定义相同。τ可以包括离散变迁，连续变迁对应的时间延迟及激发速率，对离散变迁τ可以表示为T→R^≥0的映射，即其将每一个变迁与一个非负实数d_j相关联，表示变迁的延迟时间，例如，变迁在t最近一次使能的时间为j，则变迁t只能在时间点t+j完成激发；对连续变迁τ可以表示为T→V，V可以为常量，也可以为速率函数，表示激发速率。

A_I可以是指库所p_i到变迁t_j的抑制弧集合，当抑制弧所连接的输入库所中的令牌数目大于或等于弧的权重时，则抑制该弧所连接的变迁激发。抑制弧权重可以表示为A_I(p_i,t_j)。A_T可以是指测试弧集合，测试弧可以起到检测作用。测试弧的权重可以表示为A_T(p_i,t_j)。

引入抑制弧和测试弧的概念，可以增加混成Petri网的表达能力。例如，对于抑制弧来说，其对应的输入库所p_i为离散库所，且A_I(p_i,t_j)＝1，则可以判断其是一个零测试弧，即只有p_i中的令牌个数M(p_i)＝0时，库所对应的变迁才会被激发。

且为了连续输入库所增加一个零测试功能，可以将无穷小但不为空的权重表示为0⁺。权值为0⁺的抑制弧，仅当连续库所的标识位0时，变迁才会被激发，故连续输入库所的弧权值范围可以为R^≥0∪{0⁺}。

显而易见地，虽然将连续变迁与速率函数相关联，以及引入抑制弧和测试弧的概念，可以便于CPS建模和分析，但是，也使得变迁的激发规则发生变化，基于抑制弧和测试弧的定义，变迁的激发规则除了满足基本激发规则外，还需满足额外的激发规则，即当p_i∈A_I(t_j)时，M(p_i)＜A_I(p_i,t_j)；当p_i∈A_T(t_j)，M(p_i)≥A_T(p_i,t_j)。

为了更好地介绍扩展混成Petri网模型，下面将结合图4进行介绍，图4为本发明实施例所提供的扩展混成Petri网模型的一种具体实施方式的示意图。

如图4所示，该模型包括p₁、p₂、p₃以及p₄共4个库所，t₁、t₂、t₃以及t₄共4个变迁，t₁和t₂为库所变迁，d值均为20，t₃以及t₄为连续变迁，激发速率分别为v＝2和v＝3，库所和变迁之间利用有向弧连接。

CPS模型可以由方面网模型和基本网模型相融合得到，为了描述物理实体时空位置的变化，基本网模型优选地可以为时空Petri网模型。

作为一种具体实施方式，上述基本网模型可以为STPN＝{P,T,F,∑,C,WI(p,t),WO(t,p),g,D(t),m₀}；

需要说明的是，C可以是指颜色函数，可以表示为P→∑，表示对于其对应的颜色令牌集合为C(p)∈∑，其中，C(p)_MS表示C(p)的多重集。

g可以是指保卫函数，可以表示为T→EXP，其表示对于均对应布尔类型的表达式。

WI(p,t)可以是指库所p至变迁t的输入弧函数，其中，P×T→EXP_c表示变迁发生时从输入库所中移除的颜色令牌和个数，EXP_c表示多重颜色集C(p)_MS的弧表达式。

WO(t,p)可以是指变迁t至库所p的输出弧函数，T×P→EXP_c表示变迁发生时输出库所产生的颜色令牌和个数。

D(t)＝[α(t),β(t)]可以是指对于变迁t∈T，需要等待d(t)时间才能触发。m₀可以是指初始化函数，可以表示为P→EXP，将对于到多重集C(p)_MS的初始表达式上。

时空Petri网模型的激发规则可以具体为：

其中，m(p)为时空Petri网模型的可达标识，m'(p)为变迁t(p)∈I_t在标识m下使能，t(b)能达到的新可达标识。

为了更好地介绍时空Petri网的激发规则和时空属性，下面将结合图5进行介绍，图5为本发明实施例所提供的时空Petri网的时空属性描述图。

如图5所示，库所p和变迁t之间有两个标准弧，库所p的初始为(20,10,“up”)，即当前空间位置(20,10)处存在一个物理实体，物理实体的移动方向为水平向上；变迁t的使能条件为：if(x＝20and y<20and dir＝“up”)then(x,y+1,dir)else empty，即如果物理实体的当前位置的纵坐标小于20且移动方向为水平向上，则保持使能状态，在时间区间[2,4]内触发。变迁触发后，库所p中产生新的令牌(20,11，“dir”)，这样便模拟了物理实体向前移动一个单位。

可以看出，在Petri网的基础上，引入空间颜色集合，用于表示物理实体的时空属性，得到时空Petir网模型，这样可以描述物理实体在空间位置上的变化。

本发明实施例所提供的CPS建模方法，基于混成Petri网，将连续变迁关联速率函数，且引入抑制弧和测试弧，以提高混成Petir网的表达能力，便于对CPS建模的建立和分析。

下面对本发明实施例提供的CPS建模装置进行介绍，下文描述的CPS建模装置与上文描述的CPS建模方法可相互对应参照。

图6为本发明实施例所提供的CPS建模装置的结构框图，参照图6CPS建模装置可以包括：

融合模块61，用于根据预设模型融合规则，将预先建立的基本网模型和方面网模型进行融合，得到CPS模型；

其中，上述预设模型融合规则包括表征各个方面网模型间执行顺序的组合规则，以及基本网模型与方面网模型间的编织规则。

可选地，上述融合模块包括：

组合单元，用于根据组合规则，确定多个方面网模型间的执行顺序，执行顺序包括先后关系、并发关系、选择关系以及迭代关系；

编织单元，用于基于预设构建编织算法以及编织规则，以变迁为切入点，将方面网模型编织入基本网模型，得到CPS模型。

可选地，还包括：

方面网模型建立模块，用于基于混成Petri网，将连续变迁与速率函数相关联，且引入抑制弧和测试弧，得出扩展混成Petri网模型；根据预定义方面网模型以及所述扩展混成Petri网模型，得出方面网模型；

可选地，上述基本网模型为STPN＝{P,T,F,∑,C,WI(p,t),WO(t,p),g,D(t),m₀}；

可选地，上述基本网模型的激发规则为：

本发明实施例所提供的CPS建模的装置，该装置利用方面网间模型间的组合规则，明确了方面网间的执行顺序，克服了方面网间的冲突；利用基本网模型和方面网模型间的编织规则，可以正确无冲突地将方面网编织入系统中，克服了基本网模型和方面网模型间的冲突，进而保证了系统的安全性和稳定性。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上对本发明所提供的CPS建模的方法及装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims

1.一种CPS建模的方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据预设模型融合规则，将预先建立的基本网模型和方面网模型进行融合，得到CPS模型包括：

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方面网模型的建立过程具体为：

4.如权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，所述基本网模型为STPN＝{P,T,F,∑,C,WI(p,t),WO(t,p),g,D(t),m₀}；

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述基本网模型的激发规则为：

6.一种CPS建模的装置，其特征在于，包括：

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述融合模块包括：

8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，还包括：

9.如权利要求6至8任一项所述的装置，其特征在于，所述基本网模型为STPN＝{P,T,F,∑,C,WI(p,t),WO(t,p),g,D(t),m₀}；

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述基本网模型的激发规则为：