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1、Petri网毕业设计合肥工业大学硕士学位论文约束组合有色时间Petri网应用研究姓名：杨晴晴申请学位级别：硕士专业：计算机应用技术指导教师：陆阳20071101 约束组合有色时间网应用研究摘要网是一种适合于描述异步并发现象的系统模型，但是在使用基本网来为复杂系统建模时会出现“节点爆炸”问题，本文提出约束组合弧克服该问题。约束组合弧不仅可以描述库所组合触发变迁的效果，而且可以描述变迁发生时部分输入库所托肯不变的情况。在为带式输送机联锁控制系统建模的过程中，提出了基于时间网的带式输送机联锁控制系统模型，并将时间网模型折叠成约束组合有色时间网模型，提高了模型的抽象能力，降低了模型复杂性。该建模过程也

2、示例了约束组合弧在应用中的优越性。多范式建模（）通过耦合和转换以整合不同方法建立的模型来综合利用多种形式化方法，可以全面准确地描述建模对象。依据多范式建模理论，研究基于规则化描述方法自动生成系统约束组合有色时间网模型的方法。这种建模思路有利于全面准确地反映系统的设计内容，可以大大的减轻仿真建模的工作量、程。提高整个仿真过程的效率。本文以汽车车身控制系统为例，阐述了以规则化描述方法建立约束组合有色时间网的基本过关键词：有色网；时间网；约束组合弧；带式输送机；多范式建模 ， ， ， ， ， ， ， ， ， 。 ： ； ； 插图目录图图图图图图图基于规则化描述方法的网自动建模思路网的图形表示数据处理

3、的网模型“数据处理功能子网几个时间网例子约束弧柔性弧图柔性弧的语义图组合弧图组合弧的语义图因果弧图约束组合弧图约束组合弧的着色网原像图特殊约束组合弧的着色网原像（，月：）图特殊约束组合弧的着色网原像（，：）图否定约束组合弧图否定约束组合弧的着色网原像图就绪检验的模型图就绪检验的约束组合模型图虚开机的模型图虚开机的约束组合模型一图顺开机的模型和约束组合模型图逆开机的模型图逆开机的约束组合模型图顺停机的模型图顺停机的约束组合模型图逆停机的模型图逆停机和故障停机的约束组合模型图开机过程的组装（）图停机过程的组装（）一图就绪检验的约束组合模型图虚开机的约束组合模型图就绪检验的约束组合模型图逆开机变迁的

4、约束组合网表示 图顺停机的约束组合模型图。 逆停机的约束组合模型图 带式输送机联锁控制系统的约束组合模型图图逻辑规则表达式（）夜行灯规则式组的模型夜行灯规则式组的约束组和模型前照灯规则式组的约束组和模型图图 表格目录表带式输送机联锁控制系统模型元素含义 独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金毽王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：杨晴晴

5、签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解金胆王些盘堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权盒壁王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本授权书）学位论文作者签名：杨晴晴签字日期：年月日导师签名：签字日期：年月日学位论文作者毕业后去向：工作单位；通讯地址：电话：邮编： 致谢本文是在导师陆阳教授的严格要求和悉心指导下完成的。在两年半的研究生学习期间，陆老师对我的学习和生活均关心备至，倾注了大量的心血，

6、使我在各方面均有长足的进步。陆老师活跃的学术思想，渊博的知识，坚韧的毅力，忘我的工作态度，严谨的工作作风，对事物敏锐的观察力都令我钦佩不己，给我留下了深刻的印象。陆老师对我的鼓励和帮助，将使我终生受益。值此论文完成之际，谨向导师致以衷心的感谢。感谢魏振春老师以及小组的所有成员，小组讨论时大家的发言给了我启发和灵感；感谢我的同学郭智奇、丁峰、官骏鸣以及其他实验室成员，他们在生活和学习上都给了我很大的帮助与鼓励。感谢其他老师和同学在我攻读硕士学位期间给予我无私的帮助和友情。同时，我要感谢父母、弟弟和其他家人对我的支持和关爱，是他们在背后默默的支持使我能顺利的完成硕士研究生的学业。最后，真诚地感谢有

7、关专家和学者对本文的评阅和指导。作者：杨晴晴年月日 第一章本文的研究背景及目的绪论约束组合有色时间网（： ）。 ）是针对网在为复杂系统建模时会出现“节点爆炸”问题提出的一种高级网（：网是最近十几年来发展较为迅速的一种离散事件系统（）形式化建模方法，具有很强的描述能力。首先，作为一种图形化数学工具，它能对中的异步、并发、冲突等重要特征进行直观描述，并进行分析和研究；其次，作为一种逻辑层次的建模工具，网具有很强的综合能力，适用于研究逻辑层次上的系统控制和控制作用下的系统行为问题【。近年来，为了满足科学研究和实际应用的需要，网得到了较快的发展，并出现了随机网、着色网、时间网等新的子类，网的应用也愈加

8、广泛。然而，网在为复杂系统建模时会出现“节点爆炸”问题。分析复杂系统的网模型时有两种化简思路：一种是化简状态空间，另一种是化简网本身。化简网本身更具优势的原因主要是：（）状态空间一般非常大，而且可能是无限的；（）模拟是模型验证的重要手段，通过约简网本身，可以减小模型规模，便于模拟和分析；（）不依赖初始标识。虽然在网用于复杂系统的分析问题上已经有不少研究成果【】【】，但是减少节点、简化模型仍然是建模的首要任务。基本网中托肯只计个数不计个性，对个体变化细节描述过多，导致模型中库所节点过多，缺乏描述组合效果的能力，也限制了基本网的抽象能力和直接模拟复杂过程的能力。有色网通过对托肯着色使其有了个性，是

9、解决复杂系统网模型节点过多问题的有效途径之一，但并不能减少由于组合效果缺乏而增加的变迁节点。文献【提出的库所组合有色网可以有效描述组合效果，但是无法描述库所组合触发变迁时部分输入库所托肯不变的情况。约束组合是用组合约束弧扩展的有色时间网。约束组合弧是综合约束弧、组合弧而得到的一种新弧，它不仅可以描述库所组合触发变迁的效果，而且可以描述变迁发生时部分输入库所托肯不变的情况，在描述实际问题时更具有普适性。约束组合可以有效提高网元素的抽象能力，从而降低模型的规模。带式输送机是由多个皮带组成的连续运输设备，广泛应用于煤矿、冶金、码头、电厂、矿山的散状物料或成件货物的输送。带式输送机联锁控制系统是由多级

10、皮带机设备组成的按顺序要求启停的实时控制系统，采用形式化方法建模和分析这类复杂实时系统可以减少设计和开发过程中的错误，提高系统运行 的可靠性和安全性【。带式输送机联锁控制系统具备同步、并发、冲突、互斥、资源共享、资源竞争等特征，是典型的离散事件系统（）。故本课题以带式输送机为例，阐述约束组合在为实际系统建模中的优势。复杂系统往往有多个异构系统组成，在分析和设计的各个阶段也需要不同的形式化方法来描述系统，每一种建模方法都有自身的优点和缺点、描述现实世界的不同角度。多范式建模（ ）通过耦合和转换以整合不同方法建立的模型综合利用多种形式化方法，建模可以在不同抽象级别从不同角度描述现实世界，充分发挥每

11、种描述方法的优势，更全面、准确地对现实世界建模【】。由于每一种形式化建模方法都有不同的语法、语义、计算模型、运行规律等方面都有很大的差别，所以多范式建模的关键问题是整合不同的模型，使数据和信息能够在在不同模型间自由地流动。）把每个子系统看作一个具有独立内部结构、行为和明确接口的模型这些模型通过一定的连接机制耦合成耦合模型，耦合模型可作为更大模型的组成元素，从而形成层次模块化的模型。是实现多范式建模的一个良好的框架。规则化描述方法【参考智能控制分层模块化思想，结合系统的特点，提出一种更直观、更贴近系统本原的基于对象的分层模型。规则化描述方法中，控制策略是每个节点发布自身状态信息，通过系统层次类似

12、产生式的描述对象之间的行为关系逻辑规则表达式来获取要执行的动作。但是规则库本身存在冲突性等不安全因素，而网具备一套严密的数学理论，有利于验证和分析，其形式基础使它与其它并发模型建立了连接，这有益于分布式系统的描述和分析。把逻辑规则表达式作为建立网模型的基础可以真实地反映系统设计内容，大大的减轻仿真建模的工作量，提高整个仿真过程的效率。综上所述，本课题的目的和意义在于：针对网在为复杂系统建模时会出现“节点爆炸”问题，提出约束组合以提高网元素的抽象能力，以降低模型的规模，使其便于理解、分析和模拟验证。（ 以皮带机联锁控制系统为例建立约束组合模型，阐述约束组合弧在描述具体问题时的优势。针对带式输送机

13、联锁控制系统的建模，遵循了为离散事件系统建立高级网模型的一般过程，即先建立系统的基本网模型，然后根据网射理论折叠为高级网模型，能够为用网对复杂系统建模的应用研究提供了一定的借鉴。依据多范式建模理论，研究基于规则化描述方法自动生成分布式控制系统网模型的方法，有利于全面准确地反映设计内容，可以大大的减轻仿真建模的工作量、提高整个仿真过程的效率。研究如何将约束组合和规则化描述方法纳入框架，使其更方便 地与其他形式化建模方法相结合实现多范式建模。国内外研究概况网的概念最早是在年 的博士论文中提出来的。从年召开第一次网理论和应用的国际研讨会以来，每年一次的国际研讨会连续不断，网理论和应用在不断的充实和完

14、善。它的纵向发展表现为：从基本的条件事件网，经过位置变迁网，发展到高级网（）。它的横向发展表现为：从没有参数的网发展到时间网和随机网；从一般有向弧发展到禁止弧和可变弧；从自然数托肯个数到概率托肯个数；从原子变迁发展到谓词变迁和子网变迁；另外还有引入控制策略的受控网、引入知识表示的模糊网等网变形模型。网具有动态、并发和图形直观性等良好特性。因此，网作为系统模拟与分析的有效工具已在众多领域得到广泛应用。但是在建模复杂系统时出现的节点爆炸问题却使工程人员望而却步。高级网通过引入更高层次的观念来解决这个问题。更高层次的观念包括利用复杂数据结构的托肯、利用代数表达式来代表网元素等【引。高级网通过对网系统

15、中的标志进行分类和解析，使网系统的基本元素减少，从而达到缩小网系统规模的目的。比较成熟的高级网主要有两种：颜色网和谓词变迁网。高级网并不比原型网有更强的模拟能力，但是它可以使网模型更加简单、清晰一些【。利用网构建、分析复杂系统有以下几种化简思路。一是通过把状态进行组合归类来减小可达图表示的大小。这种思路主要有两种方法：符号可达图和参数化可达图。符号可达图的思路是充分利用系统内部的对称关系来获得可达状态的紧凑表示【】【】【 ，而参数化可达图适合参数化的模型【 。一是把网元素进行组合归类来减小系统模型本身的大小。这种化简方法基于网的基本理论，不依赖于具体问题和初始状态，使模型本身更紧凑更易于理解，

16、能够更好地支持模型的模拟验证和分析。例如着色网是对托肯归类并用复杂的数据结构描述托肯从而使网具有更强的抽象能力。而文献【】和提出的思路是添加新的网元素，以提高网模型的抽象能力。文献【】提出用库所容量、检测弧和抑制弧这些新元素扩展有色网，文献町又增加了柔性弧、组合弧和因果弧。这些新元素没有改变网的描述能力，但是可以在很大程度上简化网的表示。多范式建模的关键问题在于如何整合不同的模型，使数据和信息能够在在不同模型间自由地流动，其解决方法主要有两种：其一是使用一种一般标准语言作为接口语言；其二是使用元模型为建模方法建立统一的模型。于年在 中提出了理论，以规范的各种形式化建模方法，并提供各种形式化方法

17、建模 和仿真的框架【，使离散事件系统的模型可以与连续系统的微分方程模型一样进行数学化操作【们。由于支持连续的时间基、能够很好地实现分层模块化以及面向对象的思想，所以在离散事件系统建模领域很受关注。目前研究比较活跃的团体主要有美国亚利桑那州州立大学建模仿真综合中心（： ）、麦吉尔大学建模、仿真和设计实验室（：，及韩国先进科学技术学院（： ）以 ）等。优势在于对系统组成结构、通信机制、时间概念的支持；劣势是它一种贫语义的系统描述、缺乏系统行为的描述【“。正因为如此，将自动机、网等在描述系统行为方面有优势的形式化方法嵌入也是必要的。研究难点及本文的解决思路在所要解决的问题中，以下两个问题是重点和难点

18、。一是提高网元素的抽象能力以达到化简网模型的目的，二是由规则化描述方法的描述文档直接生成网模型。模拟运行图基于规则化描述方法的网自动建模思路（）提高网元素的抽象能力以达到化简网模型的目的。基本网中托肯只计个数不计个性，对个体变化细节描述过多，导致模型中库所节点过多，缺乏描述组合效果的能力，也限制了基本网的抽象能力和直接模拟复杂过程的能力。有色网通过对托肯着色使其有了个性，是解决复杂系统网模型节点过多问题的有效途径之一，但并不能减少由于组合效果缺乏而增加的变迁节点。库所组合有色网通过在有色网的基础上添加约束弧、柔性弧、组合弧和因果弧这四种特殊的弧得到，虽然能够描述组合效果，但是无法描述库所组合触发变迁时部分输入库所托肯不变的情况。研究如何用一种类型的弧将组合弧、约束弧以及有色网的普通弧统一起来，使模型形式上更加统一、表达更加 简洁、在描述实际问题时更具有普适性且抽象描述能力导到增强将成为该关键问题的突破口。（）由规则化描述方法的描述文档直接生成网模型。结合规