（计算机应用技术专业论文）auv系统建模与性能分析的petri网方法研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 水下无入探测器系统处予一种复杂的水下环境当中，系统仿真试验其 有很大的难度。环境的限制和资金的巨大耗费导致对水下光人探测器的建 模、傍冀、测试帮训练复杂魔增翔，针对故薄和露向在务的实际贫冀难良 进行。因此，探索水下无人探测器系统的建模方法，建立实验室仿舆模型 关有必娶缝。 首先，利用p e t r i 网在离散事件建模方面的优势，采用p 厂r 网建立了水 下无人掇溺器系绞瓣缝槐模黧，利用p e t r i 阏的霹达辩、美蠖矩阵秀耱蛙震 分析方法分析了系统结构组成上的合蠼性：接着，提出了丽向水下光人探 测器系统的嚣向对象黄色p e t r i 网著建立了东下无人探测擐系统的功缝模 篷；最蓿，采用c p nt o o l s 仿真工具对功能模黧进行仿真，结合仿嶷结果 和可达树分析方法进行系统功熊实现情况分柝，褥到系统缌成和功能实现 上的相关性。 本文的结论为水下无人探测器系统性能评价提供了基础，为水池试验 提供了蒋期验 正，可浚减少试验次数，节约开发研制成本。 荚灌谲：零下无久搽测器；p f t 两；甏淘霹象着魏p e t f i 潮；可这褥；关联 矩阵 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t a si nac o m p l i c a t e du n d e r w a t e re n v i r o n m e n t a u t o n o m o u su n d e r w a t e r v e h i c l ei st h o u g h tt ob eav e r yh a r dw o r kt os i r i l u l a t e c o n d i t i o nl i m i t a t i o na n d h u g ec o s ta d d sm u c hd i f f i c u l t yt os y s t e mm o d e l i n g ，s i m u l a t i n g ，t e s t i n ga n d t r a i n i n g a c t u a ls i m u l a t i o na i m i n ga ts y s t e mf a i l u r ea n dt a s ki si m p o s s i b l e s o ，i t i sn e c e s s a r yt of i n dam e t h o dt oc o n s t r u c ta u t o n o m o u su n d e r w a t e rv e h i c l e l a b o r a t o r ys i m u l a t i o nm o d e l f i r s to fa 1 1 as t r u c t u r em o d e li sb u i l tb yp tn e ta n dt h er a t i o n a l i t yo ft h e m o d e li sa n a l y z e du s i n gr e a c h a b i l i t yt r e ea n di n c i d e n c em a t r i x s e c o n d l y , a n o b j e c to r i e n t e dc o l o r e dp e t r in e tb a s e do na u t o n o m o u su n d e r w a t e rv e h i c l e s y s t e mi si n t r o d u c e da n dd e f i n e dt oc o n s t r u c tt h ef i m e t i o n a im o d e ll a y e ru p o n l a y e r f i n a l l y , s i m u l a t i o ni sd o n ei nav i d e os o f t w a r et o o lc p nt o o l s ，a f t e r a n a l y z i n gt h er e a l i z a t i o no ff u n c t i o n a lm o d e lu s i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l ta n d t e a c h a b i l i t yt r e em e t h o d ，t h ec o r r e l a t i v i t yb e t w e e ns t r u c t u r ea n df u n c t i o ni s g a i n e d t h ec o n c l u s i o no ft h i sp a p e ri st h eb a s eo f c a p a b i l i t ye s t i m a t i n g ，i tb r i n g s f o r w a r dav a l i d a t i o nm e t h o dt op o o le x a m i n a t i o ni na d v a n c e ，c u t sd o w nt h e s i m u l a t i n gt i m e sa n dd e c r e a s e st h ed e v e l o p m e n tc o s t k e y w o r d s ：a u t o n o m o u su n d e r w a t e rv e h i c l e ；p tn e t ；o b j e c to r i e n t e dc o l o r e d p e t r in e t ；r e a c h a b i l i t yt r e e ；i n c i d e n c em a t r i x 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指 导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据 和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除 文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：乃罐 日期：如0 6 年工月，7 日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 水下无人探测器( a u t o n o m o u su n d e r w a t e rv e h i c l e ) 是一个大型的非线性 对象，与其他水下机器人( 如r o v ) 相比具有不受电缆约束、连续航程可达 几百乃至上千公里的特点，被专家们预测为未来世界水下机器人的发展方向。 但是由于水下无人探测器系统处于一种复杂的水下环境当中，操作环境的特 殊性导致系统仿真试验具有很大的难度，环境的限制和资金的巨大耗费导致 对于a u v 的建模、仿真、测试和训练复杂度增加，针对故障和面向任务的 实际仿真难以进行，因此，探索建立a u v 系统模型的方法，建立实验室仿 真模型具有必要性。 1 2a u v 结构和功能建模的研究背景和相关工作 a u v 系统处于一种非结构化的动态环境中，受许多不确定因素影响，例 如海底压力以及无线电波、光波在水中的衰减速度极快等，使得机器人的航 行控制、自我保护、环境识别和建模比其他设备难度更高，因此必须为a u v 系统的仿真建立恰当的结构模型和性能模型。 目前a u v 系统的建模方法主要有基于神经网络的模型、分层模型分析、 面向对象模型方法和p e t r i 网方法。 1 基于神经网络的模型 神经网络主要应用在a u v 的运动模型研究方面。神经网络是巨量信息 并行处理和大规模平行计算的基础，既是高度非线性动力学系统，又是自适 应组织系统，可用来描述认知、决策及控制的智能行为 2 1 。利用人工神经网 络的自适应及并行处理的特点，出现了对a u v 系统的动态模型的建立与控 制技术的研究川。 2 层次分析方法 层次分析方法是a u v 系统结构模型设计的一种方法。该方法主要是将 被设计的a u v 系统根据性能要求建立出多层次结构，每个层次中有若干元 素，相邻层元素间、同层元素间均存在支配、影响关系。但对于一个要考虑 哈尔滨工程大学联士学位论文 一i i i i i i i i i ii i i i l 影响因素多而又有复杂组成的系统，很难做别周到、正确，因黼会影响到计 算络果的正确性。 3 面向对象模型 蘧彘对象方法豹建摸谤寞按拳围绕粪突瀵赛熬壤念寒缝缀羧鍪，移分 搬建立a u v 系统的动态功能模型。动态横黧由一系列状态豳缀成，是基予 事 牛和状态的概念；功能模型描述系统内数据值的变化，表现为数据流图 ( d f d ) 。面向对象方法的模块独立性、封装性原则可以降低模型仿真软件复 杂憾，改善系统维护，扩充模型能力，提离模块复用。 4 。p e t r i 瓣方法 p e t r i 阏是信息楚遴系统疆述和建模的荫力工兵，它豹主簧特性包括：并 行、不确定性、异步、分布描述能力和分析能力f 甜。作为图形工熙，p e t r i 网 除了嫩有类似流程图、糕图和网图的可视化描述功能外，还可以通过t o k e n 的流渤模拟系统的动态行为；作为数学工舆，p e t r i 网可以建立状态方程、代 数方缓靼其健数学模囊蹑壤述系统戆行必。 魏为在搐述魂态系统行为主懿蔼单程、灵活性及强大鹃表这分辑系统行 为的能力，p e t r i 网被广泛的应用于各种镁域动态行为的建模、控制和分析。 系统性能评价、通信协议【5 ，6 】、分布式软件系统、分布式数据库骶统眠并发 和并行计算、柔性制造题工业制造系统 8 , 9 1 、离散事件系统 川、多处理机系 统、数据涟计算、容错麓教障诊断系绕 1 2 , 3 1 、逻辑推理、形式语蠢、人瓿系 统、入工智髭决策筷鬃、溺试帮工佟流模鬓b 4 - 1 6 1 、努稚式羧传系统及分森式 数掇簿系统方面均有涉及。 考虑到水下无人探测器系统的特殊性，国内外的些学者已l 经尝试将 p e t r i 网的方法应用到水下机器人上。 在a u v 系统控制终 奄建模方嚣，充分绷愿了p e t r i 网本隽撩裁濂和数据 浚t o k e n 滤凌戆特点，蒸予p e t r i 溺方法豹磷究已经逐澎畿熬f 1 7 - 2 0 1 。文献【1 7 】 在研究了大量水下机器入特点之后，根据a u v 系统控制信息传输过程，利 用筒雌p e t r i 网建立了a u v 系统的控制结构横型，但没有充分利用p e t r i 网性 质分析方面的优势，对所建模型进行相应分析。 将p e t r i 网雳于水下机嚣人系统同步模型方蕴的研究也鼍缀爨现。 哈尔滨工刺大学硕士学位论文 _ _ _ - - _ _ _ - - _ _ _ - _ _ _ _ _ i i i i ii i i t l 1 3 论文的主要贡献 本文从水下光人探测器的系统结构、功能实现鼹方面出发，利用p t 网 模型结构清晰化的特点和面向对象着色p e t r i 嗣在实现功能模块化上的优势， 分剽建立了a u v 系绞豹结搀模垄茅羹凌麓模鍪并进行了楼裳性潢分析。 具体来说， 乍者的研究工作主要分为以下三个部分： 1 基于p t 网的a u v 系统结构建模及结构合理性分析 结擒建模圭簧涉及到凡个方霭：系统结构熬层次翊分，郢递过对a u v 系统组成部 牛的熟悉，合理划分部件层次；建立基予p t 网的a u v 系统结 构模型；采用p 厂r 网的性质分析方法，对所建立的模型进行可达性、有界僚、 洚撞谯等犍溪分季蓐。 2 颇向对象謦色p e t r i 网的提出与a u v 系统性趟模型的建立 通过对目前p e t r i 网方法的理解，分析了面向对缘p e t r i 网和着色p e t r i 网 在离散事件建模方面的特点，提密了一种面向a u v 系统静着色p e t r i 网方法； 分板a u v 系统功缝实现馕摅，利用o o c p n 方法透层细纯戆建立a u v 系统 的功能模型。 3 仿真分祈 秘用c p nt o o l s 糖囊工其在嚣援亿运行鄂境下建立o o c p n 模型并遴行 模型仿真；结合可达树分析方法对得到的仿真结果进行分析，获取系统功能 实现与结构缀成上的关联，验证模型结构的合理性。 1 4 论文的组织和内容安排 本文余下部分内容安排如下： 第2 章介绍了a u v 系统结构建模采用的p t 网知识，提出了一种面向 水下茏久搽测器系统戆霾藏对象罄瞧p e t r i 霹并进雩亍了定义，奔缓了p e t r i 潮 的图形表示方法和分析方法。 第3 章从对水下无入探测器的组成缩构讨论出发，分析水下无人探测器 都 牛缀成上懿特点，绘躐了a u v 羝缓三层结构裁分方法 采麓p t 网分剃 为管理层、设备层和硬件层建立模裂，根据层次之间的联系建立系统的三层 控铡结构模型；通过圈分析方法( w 达树) 和代数分析方法( 关联矩阵) 对 哈尔滨工程大学硕士学位论文 所建模型进行了性质分析。 第4 章分析了a u v 系统的功能实现情况，利用已提出的面向对象着色 p e t r i 网从整体到局部逐步细化的建立了分层的0 0 c p n 模型。 第5 章是可视化仿真分析部分。根据a u v 系统功能执行情况，从探测 识别功能和能量供应情况出发，进行了可视化仿真；通过对仿真结果的分析 得到系统性能实现情况和系统组成结构上的合理性。 第2 章a u v 系统p e t ri 网原理 p e t r i 网( p e t r in e t ，p n ) 的概念是德国科学家c a r la d a mp e t f i 于1 9 6 2 年在 他的博士论文用自动机通信中首次提出的 2 1 - 2 3 】。在四十多年的发展中， 经历了6 0 年代以孤立的网系统为对象、以寻求分析技术和应用方法为目标的 特殊网论研究，7 0 年代通用网论的发展，8 0 年代的p e t r i 网综合发展阶段中 高级p e 廿i 网的提出，以及近年来以面向实际应用为目的的p e t r i 网的一些扩 展，p e t r i 网作为一种兼有图形表达能力和严格数学基础的建模工具，其理论 曰臻完善，应用领域也不断扩大【2 4 刁3 1 。 现阶段，p e t r i 网理论已经得到了深入发展，从基本的条件事件( c e ) 网，经过位景变迁( p t ) 网，发展到高级网( h l p n ) ( 包括谓词变迁网和 着色n 3 4 , 3 5 1 ) ；【2 2 随着系统逻辑层分析的深入，又出现了时n t j i gp e t r i 网 ( t p n ) 和随机p e t r in ( s p n ) 3 6 】；根据应用领域的不同需要及相关技术的发 展，对象p e t r i 网( o p n ) 3 7 】、受控p e t r i 网( c o n t r o l l e dp n ) 【3 8 、模糊p e t r i 网( f u z z yp n ) 和混合p e t r i 网( h y b r i dp n ) 【2 5 】口8 【3 9 】也被提出，并且得到了 日益广泛的应用。 在水下无人探测器系统的建模研究过程中，采用了p t 网建立水下无人 探测器系统的部件结构关系模型，提出了一种面向水下无人探测器的面向对 象着色p e t r i 网建立水下无人探测器系统的功能模型。 2 1 p t 网的定义及性质 p t 网系统又称库所，变迁系统，p 代表库所，t 代表变迁，是一类以物 质资源流动为特征的p e t f i 网，在实际系统建模方面有着广泛的应用。下面给 出p t 网的定义： 定义2 1 p ，r 网定义为六元组= ( p ，t ，f ；k ，矽，m o ) ，其中，( p ，t ；f ) 是的 基网，世，和m 。则分别是的容量函数，权函数和初始标识。 定义2 2 p 厂r 系统= ( p ，t ，f ；k ，矽，m o ) 的可达标识集i m o ) 是满足下列条件 的最小集合： 1 m o 阻o ) ；2 若有m7 阻o ) ，fer ，使m t ) m ，则m 阻。) 。 哈尔滨。l 糕大学硕士学位论文 - - - - - - - - _ _ _ - _ _ _ - - _ - _ _ _ _ i - _ - _ _ _ _ _ r 定义2 3p 厂r 网系统= ( p ，t ，f ，k ，w ，m 。) ，有下面的变迁发生规则： 1 对t t ，若v p e t ：m ( p ) 矽( p ，f ) , i x v p t ：m ( p ) + w ( t ，p ) k ( p ) ， 称f 在m 有发生权，记为m | ，) ，也说m 授权，发生。( 当，= m 时，t 在任意 标谚 下都有发生权) 。 2 若标识m 授权f 发生，则变迁f 在m 下可以发生( f i r e ) ，从m 发生f 得 到新的标识m ( 记作m m ) ，对v p p ： m ( p ) = m ( p ) 一w ( p ，t ) m ( p ) + w ( p ，r ) m ( p ) 一w ( p ，f ) + w ( t ，p ) m c p ) 定义2 4 设m 和m 为p t 系统基网( 尸，r ；f ) 上的两个标识。 1 若v p p ：m ( p ) m ( p ) ，就说m 被肼覆盖，记作m m 。 2 ，若m m ，且m m ，就说m 小于m ，记作m m 。 3 若m m ，且m ( p ) m ( p ) ，就说m 0 ，使得m i m 。) ：m ( p ) k ( p o ) 一w ( t ，p o ) 。若在 = ( p ，t ，f ；k ，w ，坂) 的任何可达标识下都不可能有冲撞，就说芑是无冲撞 系统。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 _ _ _ _ _ - _ _ 一i i i 定义2 1 4 守恒性( c o n s e r v a t i v e ) 】p t 网= ( p ，t ，f ；k ，w ，m o ) 称为是严格守 恒的当且仅当：v m 阻。) ，m ( p ，) = m o ( b ) ；称为是守恒的，当且 p e pp j e ， 仅当：v m 阻。) ，3 w 矽( f ) 0 ：( f ) m ( p ，) = ( f ) m o ( p ，) ，其中 n e pp ，e ：p 寸t o ，1 ，2 ，3 ， 称为库所权函数，库所权函数w 可用一个维向量来表 示，把这个向量仍记为。 守恒性保证了系统拥有的资源数量在系统运行期间不会改变。在a u v 系统中，实际运行期间系统的设备和资源数量既不会增加也不会减少，所以 期望代表资源的标记在p t 网的运行中也保持总数恒定。 2 。2 面向a u v 系统的面向对象着色p e t r i 网 针对水下无人探测器系统功能实现上的特殊性，利用传统面向对象p e t r i 网结构上的直观性和着色p e t r i 网内部细节清晰化的优势，本文提出了一种基 于水下无人探测器系统的面向对象着色p e t r i 网，进行了相关的定义。 2 2 1 面向对象p e t ri 网 面向对象方法是软件设计和系统分析的有效方法。面向对象观点认为， 系统由对象以及对象之间的关系组成，用属。i 生( a t t r i b u t e ) n 方法( m e t h o d ) 等表 示对象自身的状态及行为特性，用消亩, ( m e s s a g e ) 来描述对象之间的联系。面 向对象技术具有封装性、继承性、多态性等特性，它利用“对象”概念，将 数据与操作封装在一起，使其模块化，并通过消息传递机制实现各模块对象 间的通讯。 近年来，熟悉面向对象方法的设计者已经认识到面向对象概念在p e t r i 网 理论中的应用价值，不断进行p e t r i 网方法与面向对象概念结合的尝试。鉴于 p e t r i 网在大型复杂系统建模方面的不足和面向对象概念在实际系统模型表示 中的优势，从工程应用的实际需要出发，一些学者提出了面向对象与p e t r i n 结合的建模方法，提出以下两种实现【4 0 】： 1 将对象放入p e t r i 网中 滁尔滨1 ：箨大学硕士学谚论文 遄种方法的实现是将蕊向对象概念引入以对象为主体的网肖中。在网中 流动的t o k e n 作为对象的窳例，能够分类继承。变迁的发生语义较传统p e t r i 网宥所改变，一个变迁点火时，对象从一个麾所移动到另一个艨豚，变迁的 发生霹竣获褥对象匏方法。变迁发生对，没蠢翰薮e 珏或怼象辕翅建袋滇灭，毽 哥戳溯惫豹剑建或滔灭一个对象豹实镄。 2 将p e t r i 网方法放入对象中 弱一种将p e t r i 网和掰向对象技术混和的越势就是利用p e t r i 网来建立对雾 的内部行为模型，利用相关变迁节点或库所节点的合并实现对象问的交互。 磋这攀串方法中，网辫邋趱拣汉建立对象的蠹部澎态，网中弱变逶刚翅裳表矛 这个对象豹一种方法熬执行。p e t r i 阚表示了对象方法酶可震瞧，裘示了方滢 执行的可能顺序和一个对象的可能并发执彳亍的方法。在一个对教中，一些娈 迁可以是私有( p r i v a t e ) 溅者受保护( p r o t e e t e d ) 的，从而可以建搬宅的内部行 为，衙不为其他对象提供服务。这种方法使用面向对象的概念米建立系统模 型两不是使用分层绥孛句，遮糕可默龛许描述对蘩固毒静著发行必。 寝弱毪较广泛懿藤翻对象p e t r i 翮方法露o p n 、v d m + 、o b j e c t - z 等。 其中，o p n 方法的研究锻受关注，相继出现了一些o p n 方法的扩展，主要 有o p n e t s 4 ”，o b j s a l 4 2 】，c o o p n 2 1 4 3 和l o o p n + + 4 4 1 。 灏向对象p e 订i 网在数学上定义如下： 定义2 1 5 s = ( o ，足) 其中，o = 1 0 , l f = t , 2 ，。， ，为物遵瓣系f 躲o p n ， 帮o p n 秀系统孛联套豹溪对象( o p n ) 的鬃台。, 定义2 1 6o p n 中的物耀对象模型。j 可国一个五元组定义如下： 0 ，= ( 只，z ，皿，f ) 拭中，只为o ，对象的状态库所集：i 为活动变迁集；珑和o e , 分剐为输 入输磁消息库所集；曩为活动变迁与状态，游慰库所之闻的输入羧凌关系。 定义2 ，1 7 援= ( o p , ，g a t e 。，毽) 是怼象滴溪愚蹙递关系，g a t e ，怒一类特豫 变迁，称为“门”交迁。 2 2 2 着色p e t ri 闭 麓怠p e t r i 霹是出鸯舞瓣j e n s e nk u r t 予1 9 8 1 年在p e t r i 隧基戳上定义熬一 哈尔滨工稚大学顼十学位论文 种具有层次性的高级p e t r i 网。c p n 理论不仅在描述系统的静态模型方面进 行了完备的形式化定义，而且对系统模拟的动态行为的仿真也具有形式化定 义和描述。c p n 有机地结合了数据结构和层次分解，是少有的能同时用于验 证系统功能、逻辑的正确性和评估系统性能的建模语言。此外，它还能自动 地或交互地进行仿真。c p n 既有直观形象的图形表示，又有强大的数学理论 支撑，提供了公式化的验证方法，如状态空间分析方法和不变量分析方法。 定义2 1 8 设s 为非空集合，上0 为非负整数集，则从s 到。的函数m 称为 s 上的多重集( b a g 或m u l t i s e t ) 。多重集m 可以表达为形式和的形式： m = 、l m ( s ) s ? 薛 通常，s 。表示集合s 上的所有有限多重集的集合，如( j ) 忙s 川 称为 多重集的系数。s m 当且仅当m ( s ) 0 。 在给出着色p e m 网的定义之前还要预先作一些约定： ( 1 ) 用类型t y p e ( ) 映射表达式或变量的类型值，分别为t y p e ( v ) 或 t y p e ( e x p r ) ； ( 2 ) t 表示类型丁的所有元素； ( 3 ) 函数v a r ( e x p r ) 表示表达式e x p r 中的变量的集合； ( 4 ) 对于任一变量v v ，有一元素m ( v ) r y p e ( v ) 与此相关，则m ( v ) 为变 量集合v 的一个绑定； ( 5 ) 不含任何变量的表达式称为闭表达式； ( 6 ) b 表示布尔类型值，即t r u e 或f a l s e 。 定义2 1 9 九元组c p n = ( ，p ，t ，a ，n ，c ，g ，e ，1 ) 称为一个着色p e t r i 网，当且 仅当： ( 1 ) 是非空托肯颜色的集合； ( 2 ) p 是有限库所的集合； ( 3 ) 丁是有限变迁的集合； ( 4 ) 彳是有限弧集，且p n7 1 ；p n a = t n a = ： ( 5 ) n ：爿叶( p t ) u ( t p ) 是一个节点函数； ( 6 ) c ：p 一是颜色函数： 一堕2 ：鎏i ：鹜盔兰鎏土兰堡笙苎 f 7 ) g 映射r 到布尔型表达式是一个保护函数，使得 v t t ：t y p e ( g ( t ) ) = b a t y p e ( v a r ( g ( t ) ) ) ； ( 8 ) e 映射爿到表达式是一个弧表达式函数，使得 v a a ：t y p e ( e ( a ) ) = c ( p ) a t y p e ( v a r ( e ( a ) ) ) ，其中p 是在( 日) 中的库 所； ( 9 ) i 映射p 到闭表达式是一个初始化函数，使得 v p p ：t y p e ( 1 ( p ) ) = c ( p ) m s 。 对c p n 定义作如下说明： 颜色集决定了在网描述中所使用的托肯类型、运算和函数；p 、t 和a 两两互不相交；节点函数映射每一个弧到一个节点对，且前一个节点为源节 点，后一个为目标节点，这两个节点类型不同，一个是变迁，一个是库所； 颜色函数c 把每一个库所p p 映射到颜色集c ( p ) ，也就是说，p 中的每一 个托肯的颜色必须属于c ( p ) ；保护函数g 映射每一个变迁t t 到一个布尔 表达式召，并且g ( f ) 中的每一个变量类型必须包含在颜色集中，可用一组 布尔表达式 b e x p - ，b e x p 吒，b e x p r 】作为保护表达式，等价于 b e x p r b e x p r 2 a b e x p 0 ，保护表达式为空时为真；弧表达式函数映射 每个弧a a 到一个表达式，且这个表达式的类型是c ( p ) m s ，e ( a ) 的每个求 值都生成一个依赖于相邻库所颜色集的多重集；初始化函数，映射每一个 p p 到一个闭表达式，且这个表达式是c ( p ) 上的多重集。 2 2 3 面向对象着色p e t ri 网 水下无人探测器特殊的操作环境和复杂的系统结构要求使用一种合适的 方法来建立功能模型，因此，通过对着色p e t r i 网和面向对象p e t r i 网的分析， 提出将二者结合的思想，建立基于面向对象着色p e 打i 网的a u v 系统功能模 型。利用面向对象模块化、封装性等特点降低系统复杂性，利用着色p e t r i 网颜色集定义、变迁绑定方法实现系统性能分析。 定义2 2 0o o c p n 是一个二元组： o o c p n = ( o b j ，莉，其中 o b j = o b j ，l f = 1 , 2 ，埘 表示对象集合；r = 丑m l i ，= 1 , 2 ，晰 表示关系集合。 对象闻的通讯关系= k o u e , ，g a t e 。，i m p , ) i i j ，g a t e “是“门”变迁。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 定义2 2 1 对象d 晟，的p e t r i 网表示为o n e t = ( ，p ，t ，a ，n ，c ，g ，e ，i ) 。 j p 是有限库所集p = p p ，m p ，其中即是基本状态库所， m p = o m p 、i m p 是用于对象间消息传递的输入输出消息库所； r = 尸丁，s t ，其中p t 是基本变迁，与着色p e t r i 网中的丁一致， s t f s u b s t i t u t i o n t r a n s i t i o n ) 为替代变迁，可以表示完整的网结构，实现系统模 型分层细化；其他对象的含义与着色p e t r i 网中一致。 表2 1c p n m l 简单颜色集定义 颜色集定义 u n i tc o l o rs e t sc o l o rn a m e2 u n i t w i t hn e w u n i t 】 b o o l e a nc o l o rs e t sc o l o rn a n l e = b o o l 【w i t h ( n e w _ f a l s e ，n e w _ t r u e ) i n t e g e rc o l o rs e t s c o l o rn a m e 。i n t w i t hi n t - e x p i i n t - e x p j 】 r e a lc o l o rs e t s c o l o rn a l n e 。r e a l 【w i t hr e a l - e x p i r e a l e x p j s t r i n gc o l o rs e t s c o l o rn a l t l e = s t r i n g w i t hs t r i n g e x p ；s t r i n g e x p j 【a n di n t e x p m i n i n t e x p m “】 e n u m e r a t e dc o l o rs e t s c o l o r n a m e = w i t h i d ll 出li i d i n d e xc o l o rs e t sc o l o rn a m e3i n d e xi dw i t hi n t - e x p i i n t - e x p j 面向对象着色p e t r i 网采用c p nm l 进行颜色集和网系统定义。c p nm l 语言是标准元语言s m l ( s t a n d a r dm e t al a n g u a g e ) 的- - 种拓展。s m l 是一种适 合大型系统的优秀语言，可以将系统的描述与编码分开，提高程序的可重用 性、安全性和可靠性。 4 5 1c p nm l 承袭了s m l 的优点，可以清楚、安全的 描述大型复杂系统，因此，采用c p nm l 描述面向对象着色p e t r i 网是合适 的。 c p nm l 在着色p e t r i 网中的颜色集定义已经成熟，并在一些工程中得到 了实际应用，因此，在面向水下无人探测器的面向对象着色p e t r i 网中，采用 同样的颜色集定义方法定义是可行的。c p nm l 的颜色集分为简单颜色集和 复合颜色集两类。 简单颜色集有u n i t ，b o o l e a n ，i n t e g e r ，r e a l ，s t r i n g ，e n u m e r a t e ，i n d e x 七种，如表2 1 所示；复合颜色集有p r o d u c t ，r e c o r d ，l i s t ，u n i o n ，s u b s e t ， a l i a s 六种，颜色集的定义格式见表2 2 。 哈尔滨r ：税大学硕士学位论文 - _ _ _ _ _ - _ - - - _ _ - _ - _ _ _ _ - - - - _ _ - - _ _ 一i i i ii i i r 表2 2 c p nm l 复合颜色集定义 颜色集定义 p r o d u c tc o l o rs e t sc o l o rn a l r l e5 p r o d u c tn a m e l + n a r r l e 24 + n a m e n r e c o r dc o l o rs e t sc o l o rn a m e = r e c o r di d j ：n a m e i + i d 2 ：n a m e 2 + + i d n ： n 丑：m e n 。 l i s tc o l o rs e t sc o l o rn a m e ；l i s tn a m e 0 【w i t hi n t e x p m i n i n t - e x p m “ u n i o nc o l o rs e t sc o l o rn a m e2u n i o ni d l 【：n a m e i 】+ i d 2 ：n a m e 2 】 + + i d n ：i l a r n e n 】 s u b s e tc o l o rs e t sc o l o rn a l n e s u b s e tn a m e 0b ys u b s e t f u n c t i o n c o l o rr l a l n e = s u b s e tn a m e 0w i t hs u b s e t l i s t a l i a sc o l o rs e t sc o l o rn a l l l e = n a m e 0 建立o o c p n 模型时，要求对库所、变迁、弧加以说明。库所、变迁有 相同的初始颜色集定义，弧颜色集取决于与它相连的库所、变迁的标识。变 迁的初始标识定义可以省略，但在运用c p nt o o l s 建模时，语法检查阶段将 对其进行检查，弧表达式颜色集和与它相连的库所颜色集不一致时，在弧的 附近位景就会出现一条错误消息提示，第5 章将给出c p nt o o l s 建模仿真的 过程。 2 3p e t r i 网的图形表示 p e t r i 网图是表示p e t r i 网结构的有向图。p e t r i 网包含位鼹、变迁两个基 本要素，对应的p e t r i 网图有两类节点。在图中用圆圈表示一个位鬻节点，用 短线或矩形框表示变迁节点。若( x ，y ) f ，则存在一条由z 指向y 的有向弧。 弧上的数字表示w ( x ，y ) ，若w ( x ，y ) = 1 则省略。每个位置节点旁的数字表示 对应的k ( p ) ，若k ( p ) = 0 0 则省略。每个位置节点圆圈内的小黑点数或数字 表示位置节点中的t o k e n 数。 图2 1 是一个简单的p e t r i 网变迁点火过程模型图。图中有四个位置库所， 两个变迁。图( a ) 表示p n 图的初始状态，图( b ) 、图( c ) 是变迁t l ，t 2 触发后的 p n 状态。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 p p p p 图( a ) 一个简单p n p p 图( b ) 变迁t l 触发后的p n图( c ) 变迁t 2 触发后的p n 图2 1 一个简单p n 网的点火过程 2 4p e t ri 网分析方法 在p e t r i 网理论向纵深方向发展及应用领域目益扩大的情况下，p e t r i 网分 析方法也不断发展改进。k a r p 和m i l l e r 4 6 首先引进了可达性树的概念， p e t e r s o n 则较系统地研究了矩阵方法，这两种方法己经成为p e t r i 网最常用的 分析方法。同时，h a c k 从形式语言的角度研究p e t r i 网，m u r a t a 则利用电路 理论中的有关概念和结论进行了一类特殊的p e t r i 网的分析和综合。这些，都 为p e t r i 网分析方法提供了新的手段。 目前应用比较广泛的p e t r i 网分析技术主要有三种：图分析技术、代数分 析法和归纳分析技术。本文使用前两者来进行模型性质分析。 2 4 1p e t r i 网的图分析技术 图分析技术以一个有限的有向图( 树) 直接展现一个网系统的运行机制， 类似于一个状态机。可达树方法描述的是在某一初始状态下，系统可能达到 的状态，即根掘给定的一个初始标志，经过一系列变迁，产生一组新的标志， 对于每个新标志又可经不同的变迁产生新标志，以此类推，形成一个树形图， 哈尔演工程大学硕士学位论文 i 、f 礴掇为耦始标志。 可达树方法可证明安全性、有界性、守恒性和可覆盖性问题，窀的优点 是能反映一个网系统的动态 亍为季瑟一黧将短。特裂缝，慰予一个鸯器p e 舔 网，它是个准确刻画，而鼠对应一个肖限状态机。然而，对无界p e t r i 网， 它只能部分反映。本文研究的a u v 系统是一个大型复杂系统，但擞建立结 构穰鳖辩，秘瑾帮箨鲢霹知穗帮恒定浚决定了系统懿有赛馥。虽然麓谈瘴信 息具有实时更新和不断增加的特性，但在一次任务执行中，系统获取的信息 霪是有限的；同时，由于软件簸限铡，知识疼系统的存储窑爨也具鸯有限馕， 可以视为肖限状态机。 p 厂r 网系统= ( p ，t ，f ；k ，矿，m o ) 的可达树由构造算法定义。的可达树 是瀣算法2 1 阉构逡熬撵续稳，它翁每一节轰x 都蠢令耘记掰，掰，楚麸s 裂 非负整数绒的映射，即m 。：s _ o ，l 2 一 u 和 。 算法2 1 1 ( 1 ) t ( x ) 麴初值只露搬节点r ，m ，= m 。，郯m ，戳初始标悫标记。 ( 2 ) 令x 为t ( x ) 的叶节点。装任何变邋r t 在村，均无发生权，x 为真叶节 点；黎姨根节点r 到z 静鼹径上鸯鬓一节点y ，y x ，健掰。= 掰：，剽x 也是粪叶节点。若丁( z ) 的所有叶带点均为真叶节点，算法终止。否则执 行( 3 ) 。 ( 3 ) 若r ( z ) 香时节赢石，x 不楚真时节患。于是在掰：至多商夸交遗有发生 权。对m ：授权发生的每个变迁f t ，在t ( x ) 上添加一个新节点y ，y 是 x 的予警点，从并到y 斡农囱弧用变迁 标记。繁点y 懿拣记掰。楚麴下定 义躺；首先计算出膨，的后继材，即对所有p 尸， m ( p ) = m ；( p ) 一g ( p ，r ) + ( ，p ) ，然后计算肼。对所张p p ， m ，( 功： 国，蓉疑r 銎蔓豹鹣径上有节熹孑篌褥掰z 材置掰：) 掰奶 ” l m ( p _ 否则 ( 4 ) 匿到步骤( 2 。 p t 湖的基本特性与其可达树结构特征之问存在对应关系。 缡论2 1 【有界性的判剐】 一令p e t r i 两。( p ，t ，f ；k ，矽，m 。) 为有界静，郎萁可选集l 磊磊) 为肖限静， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 当且仅当p e t r i 网的可达树中不出现无限参量u 。 结论2 2 安全性的判别】 一个p e t r i 网= ( p ，t ，f ；k ，w ，m 。) 为安全的，当且仅当其可达树的所有 节点的位置标志中只包含0 和1 两类元。 结论2 3 活性的判别 一个p e t r i 网= ( p ，t ，f ；k ，w ，m 。) 是活的，当且仅当其可达树不存在 “死”结点( 即无后续结点的结点) 。 结论2 4 【死锁的判别 个p e t r i 网= ( p ，t ，f ；k ，w ，m 。) 中的一个变迁节点t 是死锁的，当且 仅当此变迁节点t 不出现在p e t r i 网的可达树的任一路分支上。 结论2 5 可覆盖性的判别 称p e t r i 网= ( p ，t ，f ；k ，w ，m 。) 中的一个状态标志m 为可覆盖的，如果 存在另一个可达标志m l m 。) ，使得对于p t 网中每个位鹭节点p 的状态标 志，均有m ( p ) m ( p ) 成立。对一个p t 网= ( p ，t ，f ；k ，w ，m o ) 和一个指 定的状态标志m 能够在p t 网的可达树中搜索大于或等于其状态标志的节 点，就可判别此状态标志m 的可覆盖性。 2 4 2p e t r i 网的代数分析法 代数分析技术主要以关联矩阵的形式对一个网系统的结构给予刻画，然 后建立状态可达的线性系统关系。它的优点在于可以借助线性代数的有关结 果，简洁的展现p e t r i 网的一些性质，尤其是结构性质。 p e t r i 网的结构以及变迁的激活和执行可以用矩阵运算来描述和分析。关 联矩阵方法基于公式m 卫叶m ：m = m + p u ，其中m 和吖是标志，口 是变迁序列，p 为关联矩阵( i n c i d e n c em a t r i x ) ，u 为变迁向量。用关联矩阵 描述p e t r i 网的结构，优点是可以借助线性代数的有关结果，简洁地展现p e t r i 网的一些性质，尤其是结构性质；缺点是难于很好地描述动态特性，状态方 程的有解只是可达性的必要条件而非充分条件。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 _ _ - 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