基于Petri网的建模技术Appt课件.ppt
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1、基于基于PetriPetri网的建模技术网的建模技术在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确agenda1 Petri Net概述概述2.经典经典Petri Net3.高阶高阶Petri网网4.一个一个Petri网建模实例网建模实例5.小结小结2在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确1 Petri Net概述概述经典的经典的Petri net是由是由 Carl Adam Petri在在 1962年的博士论文年的博士论文中提出的。中提出的。是离散事件动态系统(
2、是离散事件动态系统(Discrete Event Dynamic System,DEDS)的描述工具,可描述异步、同步、并行逻辑关系,)的描述工具,可描述异步、同步、并行逻辑关系,是描述、分析和控制是描述、分析和控制DEDS的最有效和应用最广泛的方法;的最有效和应用最广泛的方法;大量研究大量研究(10.000 publications),至,至1985年,它主要被用于年,它主要被用于理论界;自从理论界;自从80年中期后,实际的应用越来越多,这主要年中期后,实际的应用越来越多,这主要是由于引入高阶是由于引入高阶 Petri nets和许多工具;和许多工具;最早是应用于计算机信息处理、然后工程方面
3、(自动制造最早是应用于计算机信息处理、然后工程方面(自动制造系统)、目前在计算机、自动化、通信、交通、电力与电系统)、目前在计算机、自动化、通信、交通、电力与电子、服务与制造都得到广泛应用。子、服务与制造都得到广泛应用。3在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确PetriPetri网观点可简单的归纳到两个基本概念网观点可简单的归纳到两个基本概念:事件事件和条件和条件,许多系统均可从事件与条件的观点去建模;许多系统均可从事件与条件的观点去建模;事件是系统中的动作事件是系统中的动作,事件的出现是由系统状态控制的事件的出现是由系统状
4、态控制的;系统状态可描述为一组条件系统状态可描述为一组条件,条件就是系统状态的谓词条件就是系统状态的谓词或逻辑描述或逻辑描述;前条件前条件:由于事件是动作:由于事件是动作,所以它可以发生。为了使事所以它可以发生。为了使事件发生件发生,必须使某些条件成立必须使某些条件成立,这种条件称为事件的前条这种条件称为事件的前条件件;后条件后条件:事件的发生可能破坏前条件而使另外的条件成:事件的发生可能破坏前条件而使另外的条件成立立,这种条件称为事件的后条件。这种条件称为事件的后条件。4在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确因此因此状态状
5、态状态状态(一组条件)和(一组条件)和转移转移转移转移(事件事件)是Petri nets的最基本单元。的最基本单元。基本Petri网包含库所(状态)、转移、以及它们的关系。高阶高阶Petri nets 是对是对Petri nets的扩展:的扩展:颜色颜色(for the modelling of attributes)时间时间(for performance analysis)层次层次(for the structuring of models,DFDs)5在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确Petri网的特点网的特点从控
6、制和管理的角度模拟系统从控制和管理的角度模拟系统,不涉及系统所依不涉及系统所依赖的物理化学原理赖的物理化学原理,这样可以简化某些细节这样可以简化某些细节,易于易于理解。理解。精确描述系统中事件的依赖关系和不依赖关系精确描述系统中事件的依赖关系和不依赖关系,这这是事件之间存在的、不依赖于观察的关系。是事件之间存在的、不依赖于观察的关系。具有统一的语言描述系统结构和行为具有统一的语言描述系统结构和行为,方便建模方便建模仿真仿真,从而起到沟通不同子系统间桥梁的作用。从而起到沟通不同子系统间桥梁的作用。与顺序模型不同与顺序模型不同,Petri,Petri网系统比其他图形建模工网系统比其他图形建模工具更
7、适于描述并发和冲突。具更适于描述并发和冲突。6在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确冲突冲突并发并发7在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确Petri net主要用途:主要用途:系统性能分析:如制造系统设备使用率、生产率、系统性能分析:如制造系统设备使用率、生产率、可靠性等。可靠性等。系统控制:直接从可视化模型中产生系统控制:直接从可视化模型中产生DEDS监控监控编码,进行系统实施控制。编码,进行系统实施控制。系统仿真:系统分析与评估的系统仿真。系统仿真:
8、系统分析与评估的系统仿真。数字分析:可通过结构变化描述系统的变化,支数字分析:可通过结构变化描述系统的变化,支持持DEDS形式的数学描述与分析;形式的数学描述与分析;还可以转化为其它的还可以转化为其它的DEDS模型,如马可夫链等。模型,如马可夫链等。8在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确利用利用PetriPetri网建模具有以下优点。网建模具有以下优点。(1)Petri(1)Petri网建立在严格的数学基础上,精确描述系统中事网建立在严格的数学基础上,精确描述系统中事件的依赖关系和不依赖关系件的依赖关系和不依赖关系,这是事
9、件之间存在的、不依赖这是事件之间存在的、不依赖于观察的关系,已有了许多成熟的分析方法和工具。于观察的关系,已有了许多成熟的分析方法和工具。(2)(2)兼顾了严格语义与图形表示两方面,具有统一的语言描兼顾了严格语义与图形表示两方面,具有统一的语言描述系统结构和行为述系统结构和行为,方便建模仿真方便建模仿真,从而起到沟通不同子系从而起到沟通不同子系统间桥梁的作用统间桥梁的作用;(3)Petri(3)Petri网是一种基于状态的建模方法,与基于事件的过网是一种基于状态的建模方法,与基于事件的过程建模方法不同程建模方法不同,Petri,Petri网系统比其他图形建模工具更适于网系统比其他图形建模工具更
10、适于确定触发方式、描述同步并发系统,并具有更多的柔性。确定触发方式、描述同步并发系统,并具有更多的柔性。从建模角度从建模角度可视化图形描述却被形式化数学方可视化图形描述却被形式化数学方法支持;法支持;9在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确PetriPetri网建模的缺点:网建模的缺点:PetriPetri网的优点实际上是在模型构成上增加了模型的组成网的优点实际上是在模型构成上增加了模型的组成元素,因此往往导致组成模型的元素数量过多;元素,因此往往导致组成模型的元素数量过多;PetriPetri网不如基于活动网络容易理解;网
11、不如基于活动网络容易理解;PetriPetri网的建模中不能在网中体现数据流,尽管基于状态网的建模中不能在网中体现数据流,尽管基于状态建模的建模的PetriPetri网能够精确、方便地对过程的控制逻辑进行网能够精确、方便地对过程的控制逻辑进行定义,在这种情况下,数据流就与控制流完全混合,当两定义,在这种情况下,数据流就与控制流完全混合,当两者不一样的时候,者不一样的时候,PetriPetri网就无法显式地表示这种独立于网就无法显式地表示这种独立于控制流之外的控制流;控制流之外的控制流;10在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明
12、确agenda1 Petri Net概述概述2.经典经典Petri Net3.高阶高阶Petri网网4.一个一个Petri网建模实例网建模实例5.小结小结11在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确2 经典经典Petri Net经典的经典的Petri网是一个由库所网是一个由库所 places()和和转移转移transitions()构成的网络构成的网络t2p1p2p3p4t3t1连接连接具有方向,并在库所和转换之间。具有方向,并在库所和转换之间。托肯托肯Token 是动态对象。是动态对象。Petri网的网的状态状态由分布在库所
13、中的托肯决定由分布在库所中的托肯决定12在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确Petri网的网的组成元素组成元素PetriPetri网简称网简称网简称网简称PNG(Petri Net Graph)PNG(Petri Net Graph),它有库所和,它有库所和,它有库所和,它有库所和转移两种结点转移两种结点转移两种结点转移两种结点库所库所(Place)小圆圈)小圆圈 P转移转移(Transition)小方块)小方块 T连接连接(Connection)是库所和转移之间的有向边,)是库所和转移之间的有向边,流关系流关系 F,K托
14、肯托肯(Token)是库所中的动态对象,可以从一个)是库所中的动态对象,可以从一个库所移动到另一个库所库所移动到另一个库所 13在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确Petri网的网的规则规则连接是有方向的,其上可以标出权重连接是有方向的,其上可以标出权重两个库所或转移之间不允许有边,且不应该有孤两个库所或转移之间不允许有边,且不应该有孤立节点立节点库所可以拥有任意数量的托肯库所可以拥有任意数量的托肯 14在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确顺序流程迭代
15、(循环)流程并发流程选择流程15在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确转移转移t1具有三个输入库所具有三个输入库所(p1,p2 and p3)和两个和两个输出库所输出库所(p3 and p4).库所库所p3 既是既是t1的输入库所又是它的输出库所的输入库所又是它的输出库所.p1p2p3p4t1输入库所输入库所/输出库所输出库所16在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确转移是主动元素,而库所和托肯是被动元素转移是主动元素,而库所和托肯是被动元素如果输入库所都
16、包含了托肯,那么转移就被激活如果输入库所都包含了托肯,那么转移就被激活t1t2Transition t1 is not enabled,transition t2 is enabled.使能条件使能条件17在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确激活的转移可以被点火激活的转移可以被点火点火将消耗输入库所的托肯,并为输出库所产生托肯点火将消耗输入库所的托肯,并为输出库所产生托肯t2t2Firing is atomic.点火点火18在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题
17、也很明确托肯迁移的托肯迁移的例子例子19在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确两个转移竞争同一个托肯:冲突两个转移竞争同一个托肯:冲突即使有两个托肯,依然存在冲突即使有两个托肯,依然存在冲突t1t2不确定性不确定性20在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确库所库所代表缓存,渠道,地理位置,条件或者状态代表缓存,渠道,地理位置,条件或者状态转移转移代表时间,传输或者转换代表时间,传输或者转换托肯托肯表示对象表示对象(humans,goods,machines
18、),信息或信息或者对象的状态者对象的状态过程的状态用位于过程的状态用位于库所库所的的托肯托肯来表示,状态之间来表示,状态之间的变换用的变换用转移转移来表示来表示基于基于Petri Net的流程建模的流程建模21在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确形式化表达形式化表达一般Petri网定义为五元组=(P,T,F,K,M0)其中其中,P,P 为位置的集合为位置的集合,用圆圈代表用圆圈代表,表示系统的状态表示系统的状态;T;T 为转移的集合为转移的集合,用空心矩形代表用空心矩形代表,表示系统中的事件表示系统中的事件;F F 称为称
19、为P-TP-T的流关系的流关系,其规定资源的输出流其规定资源的输出流;K K 称为称为T-PT-P的流关系的流关系,其规定资源的输入流其规定资源的输入流;M0 M0 称为称为PetriPetri网网的初始标识。的初始标识。Token表示工作对象,转移是网络中的控制点。表示工作对象,转移是网络中的控制点。Petri网进网进行算法扩展行算法扩展,可以使它具有处理模型求解系统运行的能力。可以使它具有处理模型求解系统运行的能力。22在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确rgredyellowgreenyrgy例子:交通灯例子:交通灯
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