一种基于混成时空Petri网模型上的CPS物理实体的形式化建模方法技术

本发明专利技术提出一种基于混成时空Petri网模型上的CPS物理实体的形式化建模方法，首先分析了信息物理融合系统（CPS）的特性后提出了一种合理的体系结构图，然后针对CPS中事件消息的时空特性和物理实体的动态变化性设计出一个新的事件表达方式。并在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网模型，使其不仅能够描述物理实体逻辑及时间层次的行为，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，从而得到一种新的CPS物理实体建模方法。该方法解决了CPS对实时性以及时空一致性的要求，并且考虑到物理环境的动态性引入连续变量，几乎适用于所有环境。为CPS的发展提供了基础。

【技术实现步骤摘要】

本模型涉及一种信息物理融合系统（CPS）的设计方法，具体为一种基于混成时空Petri网模型上的CPS物理实体的形式化建模方法。
技术介绍
信息物理融合系统(CPS)是一种融合计算、通信与控制的大型复杂实时反馈系统。它强调信息世界与物理世界之间的融合，强调对环境的实时监测与控制，通过与环境的实时交互来实现或扩展系统功能，以安全、可靠和实时的方式来控制物理实体。能够达到实时感知和动态控制物理环境的CPS具有非常广泛的应用前景。CPS作为集成计算、通信与控制于一体的复杂系统，并且要求高度的实时性以及时间、空间相结合等特性使得CPS系统建模与验证成为一项巨大挑战。错误的系统建模会直接影响系统可靠性，甚至对生命安全和财产安全带来危险，随着对CPS逐渐深入的研究，迫切需要一种严谨、可靠的建模方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种新的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网模型，使其不仅能够描述物理实体逻辑及时间层次的行为，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，最后以医疗控制系统为例，分析建模方法的可行性。本专利技术采用的技术方案如下：一种基于混成时空Petri网模型上的CPS物理实体的形式化建模方法，包括一个体系结构以及提出混成时空Petri网应用于CPS的建模；体系结构如附图，主要由以下几个部分构成：传感器网络(SensorNetwork)：由若干传感器节点(SensorNode)及汇集节点(SinkNode)组成。传感器节点负责实时监控物理对象并获取对象的某些物理属性值，例如智能医疗中病人的血压、体温等生命特征参数。当获取的物理对象某一属性超出预定的范围，传感器节点就会立刻生成相应的CPS简单事件并将事件传给汇集节点。汇集节点收集传感器节点传送过来的事件，并将来自不同传感器节点采集的同一物理属性或来自同一传感器节点不同时间采集的同一物理属性进行融合，产生相应的融合事件，并将简单事件及融合事件发送到控制中心作进一步的处理。另一方面，汇集节点还会转发来自控制中心的控制命令到相应的传感器或控制器节点。控制中心(ControlCenter)：即控制服务器，负责处理传感器网络传来的简单事件及融合事件，以及根据事先定义的逻辑对事件进行组合产生更复杂的复合事件，并根据事件信息产生相应的控制命令，进而向执行器网络的控制节点发布控制命令，在紧急情况下也会直接向用户发送警告信息。同时，控制中心会将事件信息及控制命令发布给信息中心。另外，控制中心还会接受通过认证的用户发来的控制命令，并将命令转发给执行器网络或传感器网络相应的控制器节点。信息中心(InformationCenter)：即数据服务器，主要用于存放整个系统的各种事件信息，将相关的信息分类整合并得出物理对象的变化规律。另一方面负责管理用户，并响应合法用户的数据查询和分析请求。执行器网络(ActorNetwork)：由若干执行器单元和控制节点组成，控制节点负责接受并执行控制中心发来的控制命令，以便调整与控制物理对象的某些物理属性，达到改变物理对象的目的。用户终端(UserTerminal)：包括手机、笔记本、桌面计算机及特定终端设备等，负责提供用户与CPS之间的接口。CPSRTnet：即CPS实时网络，用于连接系统其它各部分，为系统提供实时网络服务，保证信息的实时传输。在这个体系结构中，系统通过传感器获取物理环境信息，并通过执行器执行指令改变物理环境。最前端设备采集单一属性，层层向上，由简单到复杂，系统设备的精密度和功能性方面层层递增直到中心设备用于协调全部系统信息。易于维护，分工明确，适用于几乎所有环境。下面是建模部分：首先需要对CPS中的物理实体进行分类，例如感知设备与控制设备。在CPS实时事件模型中，以下简称事件模型，每个物理实体必须具备一些基本特征：具有系统中唯一的身份ID，以区别其他物理实体。具有一定的空间属性与非空间属性，空间属性指物理实体在系统的统一坐标系下的坐标位置或系统中的区域位置。非空间属性指实体所处的状态，例如静止，移动，空闲，忙碌等。感知设备具备感知环境信息的能力，并能通过网络媒介将信息发送给信息处理单元。执行设备能够接收信息处理设备通过网络媒介传输来的控制指令，并依据指令正确到达目的地来改变物理环境。通过对物理实体的抽象来构造物理实体类，这里将物理实体类(EntityClass)定义为一个三元组：EnC=(ECid，CP，OP)ECid指物理实体类的ID，CP指这类物理实体的属性集合，OP指这类物理实体的行为集合。每一个物理实体都属于一种物理实体类，每一个物理实体都是物理实体类的一个实例。这里将物理实体(Entity)定义为一个五元组：En=(Eid，EnC，EP，EOP，HT)Eid表示物理实体的ID，EnC指该物理实体所属的物理实体类，EP指该物理实体的属性集合，EOP指该物理实体的行为集合，HT指的是该物理实体所处的混成时空Petri网。根据CPS事件所包含属性的不同，可以将CPS事件分成三种：简单事件Es(SimpleEvent)，融合事件Ef(FusedEvent)与复合事件Ec(CompositeEvent)。简单事件由传感器节点产生，指单一物理属性P超出一定限度而直接引起的事件。融合事件是指汇集节点将不同传感器节点对同一被监控对象所采集到同一物理属性的简单事件信息进行融合，或将同一传感器节点对同一监控对象在不同时间采集到的同一物理属性的简单事件信息进行融合后产生的融合事件。复合事件是指由控制中心将不同的事件进行组合而产生的复杂事件。由于CPS是一个基于事件的系统，其中所有的计算、通信和控制操作都是基于事件单元。对于事件的处理可以通过对其属性特征的处理来完成。本文从事件的固有属性出发，同时考虑到事件组成、空间分布等特性，设计出新的事件表示方法。将事件(Event)表示为一个八元组：E={e，P，T，L，TO，LO，O，ω本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于混成时空Petri网模型上的CPS物理实体的形式化建模方法，包括一个体系结构和混成时空Petri网应用于CPS的建模；体系结构主要由以下几个部分构成：传感器网络、控制中心、信息中心、执行器网络、用户终端、CPS实时网络组成；所述传感器网络：由若干传感器节点及汇集节点组成；传感器节点负责实时监控物理对象并获取对象的某些物理属性值，当获取的物理对象某一属性超出预定的范围，传感器节点就会立刻生成相应的CPS简单事件并将事件传给汇集节点；汇集节点收集传感器节点传送过来的事件，并将来自不同传感器节点采集的同一物理属性或来自同一传感器节点不同时间采集的同一物理属性进行融合，产生相应的融合事件，并将简单事件及融合事件发送到控制中心作进一步的处理；另一方面，汇集节点还会转发来自控制中心的控制命令到相应的传感器或控制器节点；所述控制中心即为控制服务器，负责处理传感器网络传来的简单事件及融合事件，以及根据事先定义的逻辑对事件进行组合产生更复杂的复合事件，并根据事件信息产生相应的控制命令，进而向执行器网络的控制节点发布控制命令，在紧急情况下也会直接向用户发送警告信息；所述信息中心即数据服务器，主要用于存放整个系统的各种事件信息，将相关的信息分类整合并得出物理对象的变化规律；另一方面负责管理用户，并响应合法用户的数据查询和分析请求；所述执行器网络：由若干执行器单元和控制节点组成，控制节点负责接受并执行控制中心发来的控制命令，以便调整与控制物理对象的某些物理属性；所述用户终端负责提供用户与CPS之间的接口；所述CPSRTnet即为CPS实时网络，用于连接系统其它各部分，为系统提供实时网络服务；在整个体系结构中，系统通过传感器获取物理环境信息，并通过执行器执行指令改变物理环境；最前端设备采集单一属性，层层向上，由简单到复杂，系统设备的精密度和功能性方面层层递增直到中心设备用于协调全部系统信息。...

【技术特征摘要】
1.一种基于混成时空Petri网模型上的CPS物理实体的形式化建模方法，包括一个体系
结构和混成时空Petri网应用于CPS的建模；体系结构主要由以下几个部分构成：传感器网
络、控制中心、信息中心、执行器网络、用户终端、CPS实时网络组成；
所述传感器网络：由若干传感器节点及汇集节点组成；传感器节点负责实时监控物理
对象并获取对象的某些物理属性值，当获取的物理对象某一属性超出预定的范围，传感器
节点就会立刻生成相应的CPS简单事件并将事件传给汇集节点；汇集节点收集传感器节点
传送过来的事件，并将来自不同传感器节点采集的同一物理属性或来自同一传感器节点不
同时间采集的同一物理属性进行融合，产生相应的融合事件，并将简单事件及融合事件发
送到控制中心作进一步的处理；另一方面，汇集节点还会转发来自控制中心的控制命令到
相应的传感器或控制器节点；
所述控制中心即为控制服务器，负责处理传感器网络传来的简单事件及融合事件，以
及根据事先定义的逻辑对事件进行组合产生更复杂的复合事件，并根据事件信息产生相应
的控制命令，进而向执行器网络的控制节点发布控制命令，在紧急情况下也会直接向用户
发送警告信息；
所述信息中心即数据服务器，主要用于存放整个系统的各种事件信息，将相关的信息
分类整合并得出物理对象的变化规律；另一方面负责管理用户，并响应合法用户的数据查
询和分析请求；
所述执行器网络：由若干执行器单元和控制节点组成，控制节点负责接受并执行控制
中心发来的控制命令，以便调整与控制物理对象的某些物理属性；
所述用户终端负责提供用户与CPS之间的接口；
所述CPSRTnet即为CPS实时网络，用于连接系统其它各部分，为系统提供实时网络服
务；
在整个体系结构中，系统通过传感器获取物理环境信息，并通过执行器执行指令改变
物理环境；最前端设备采集单一属性，层层向上，由简单到复杂，系统设...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭朋柳，汪亚亚，朱明，冒苏敏，周乐，
申请(专利权)人：南昌航空大学，
类型：发明
国别省市：江西;36