基于混成时空petri网的cps建模及验证

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1、学校代码：10406分类号：TP393.17学号：130085212007南昌航空大学硕士学位论文（专业学位研究生）基于混成时空Petri网的CPS建模及验证硕士研究生：汪亚亚导师：谭朋柳申请学位级别：硕士学科、专业：软件工程所在单位：软件学院答辩日期：2016年6月授予学位单位：南昌航空大学ModelingandverificationbasedonHybridSpatial-TemporalPetriNetforCyberPhysicalSystemADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterOnSoftwareE

2、ngineerbyWangYayaUndertheSupervisionofProf.TanPengliuschoolofsoftwareNanchangHangkongUniversity,Nanchang,ChinaJune,2016摘要信息物理融合系统(CPS)是一类集成了计算过程、通信网络、物理过程、传感器网络以及控制系统的大型，复杂的实时反馈系统。由于CPS内部异构单元之间的通讯、交互和协同的形式错综复杂，因此需要建立一个完善的模型对CPS进行描述和分析。这依赖于良好的建模方法以及完善的仿真和验证工具。Petri网是对离散变量以及并行系统的数字表示

3、，是一种用令旗牌流水动的方式来表达系统动作态变化的网格络，适用于描写述异常步并且发的计算机系统模型。传统的Petri网是一种简易单的过去程模样型，无法描述系统在时间方面以及空间层面的内容。因此论文构造了混成时空Petri网模型(HSPN)，使其不仅能够描述物理实体逻辑以及时间层次的行为，而且能够描述物理实体位置变迁所引起的状态变化。贝叶斯网络(Bayesiannetwork)是一种基于概率论与图论的数学模型，便于计算机的处理，适合应用于CPS中的决策与判断机制。UML作为可视化描述结构和行为的标准语言，在实时系统中发挥了比较重要的作用。UML时序图不仅能细致

4、的描述对象间的状态转换，同时也能够展现交互次序以及其中的时间细节。CPS的系统复杂度及可靠性要求远高于一般的传统系统，因此使用传统的应用验证技术并不合适。UPPAAL是基于时间自动机的一个实时系统验证的工具，具有很强的仿真和验证能力，符合CPS系统建模的验证要求。但需要利用UML时序图将HSPN模型转换为与其语义等价的一组TA模型。再使用模型验证工具UPPAAL对此混成时空Petri网的模型进行验证。论文选取CPS最重要的研究领域之一的医疗信息物理融合系统(MCPS)作为建模对象。在充分分析CPS体系结构的基础上构造了一个合理的MCPS的体系结构，并提出一种

5、混成时空Petri网的建模方法对MCPS进行建模分析。利用贝叶斯网络对于不确定性推理的数据分析能力，作为MCPS的内部诊断机制，通过UML时序图对MCPS的典型事件进行描述，并转换为TA模型，通过UPPAAL工具进行仿真与验证。对MCPS模型的仿真与验证结果表明论文中采用的混成时空Petri网建模方法保证了CPS对于高可靠性与实时性的要求，同时体现了物理实体在时间与空间上的连续变化。证明了这是一种可行的，安全的建模机制，是对MCPS描述与分析十分有效的方法。关键词：信息物理融合系统（CPS）；混成时空Petri网；时间自动机（TA）；UPPAALⅠAbstr

6、actCyber-PhysicalSystem(CPS)isakindoflargeandcomplexreal-timefeedbacksystemwhichintegratescalculationprocessthecommunicationnetwork,thephysicalprocess,sensornetworkandthecontrolsystem.WeneedacomprehensivedescriptionandanalysisonthemodeloftheCPSduetothecomplexformoftheinternalcommun

7、ication,interactionandsynergybetweenheterogeneousunits.Thisdependsonagoodmodelingmethodandperfecttoolsforsimulationandvalidation.PetriNetisadigitalrepresentationofdiscretevariablesandparallelsystem,itisaflowwayofusingthetokentoexpressthedynamicchangeofnetwork,whichissuitabletodescr

8、ibethecomputersystemmodelo