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
【技术领域】
[0001] 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 Petr i网模型上的CPS物理实体的形式化建模方法。
【背景技术】
[0002] 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。
【发明内容】
[0003] 本发明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迀所引起的状态变化。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。
[0004] 本发明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（Sensor Network):由若干传感器节点（Sensor Node)及汇集节点（Sink Node)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。
[0005] 控制中心（Control Center):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。
[0006] 信息中心（Information Center):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。
[0007] 执行器网络(Actor Network):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。
[0008] 用户终端(User Terminal):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。
[0009] 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。
[0010]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。
[0011] 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。
[0012] 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。
[0013] 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。
[0014] 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 J L· 〇
[0015] 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。
[0016] 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(Entity Class)定 义为一个三元组： EnC=(ECid，CP，0P) ECid指物理实体类的ID，CP指这类物理实体的属性集合，0P指这类物理实体的行为集 合。
[0017] 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，E0P，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，Ε0Ρ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。
[0018] 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(Simple Event)，融合事件Ef(Fused Event)与复合事件Ec(Composite Event)。
[0019] 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。
[0020] 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。
[0021] 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。
[0022] 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。
[0023] 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，L0，0，ω} e=(eid，t)，eid代表事件的ID，在生成事件时同时生成，是事件在整个系统中的唯一标 识。t表示事件类型，也可以体现在E的下标处。
[0024] P代表事件的属性，是一个集合的形式，P={pl，p2,…，pn}。
[0025] T代表事件生成的时间。T=[tl，t2]，当tl=t2时为时间点事件，t2>tl时为时间段事 件。
[0026] L代表事件生成的地点。L=[(x，y，z)，r]，（x，y，z)代表事件发生的三维地点，r代表 事件发生的范围半径，r=0时为点事件，r>0时为区域事件。
[0027] T0代表观察者发现事件发生的时间，T0=[tol，to2]，当t〇l=t〇2时为时间点事件， to2>tol时为时间段事件。。
[0028] L0代表观察者发现事件发生的地点，L0= [ (xo，yo，zo)，ro]，（xo，yo，Z0)代表事件 发生的三维地点，ro代表事件发生的范围半径，ro=0时为点事件，ro>0时为区域事件。
[0029] 0代表观察者，即发现事件发生的传感器节点。
[0030] ω代表事件的权重值来体现事件的实时级别，会影响到事件的调度与处理。
[0031] 此八元组的形式化表达很好的体现了事件的时间，空间，属性