基于Petri网的离散事件与离散和连续混合系统建模理论研究及应用

摘要

离散事件动态系统是20世纪80年代初建立的一类具有代表性的人工系统模型，它的理论在许多领域有着广泛的应用。随着计算机的应用日益普及，对离散事件动态系统中并发行为的刻画与分析愈显重要。经典的自动机模型仅适合描述系统的顺序行为，而Petri网则适合描述系统的异步并发行为。本文以Petri网理论为基础，借鉴Ramadge和Wonham基于有限自动机的离散事件系统监控理论，对实时离散事件系统的Petri网建模理论和方法进行较为全面和系统的研究，建立较完备的模型结构体系，并将一些模型扩展到以离散事件为主要特征的混合系统中。在本文中，构建一种能够表示实时离散事件系统中有时间约束事件的Petri网模型。在模型中采用无界变迁和强迫变迁处理不确定的无界事件和确定性的强迫事件。构建处理具有确定时间上限的有界事件的Petri网模型。为有界事件和有效期事件找到用无界事件和强迫事件构成的等价描述，达到简化模型种类的目的。给出以离散事件为主要特征的混合系统的Petri网模型。模型一方面能够描述、分析确定性离散事件，处理包括有界事件和有效期事件在内的确定性离散事件的并发特性；另一方面，增加对系统局部微观变化以及微观变化中的并发现象的描述，并给出计算混合系统可达状态集合的算法。给出一种新型可达图结构及其构造算法。在保持可覆盖树(图)原有特点的基础上，克服可覆盖树(图)不能用于分析Petri网的可达性、活性等特性的缺陷，增强了用可达图分析Petri网行为特性的能力。本文将提出的Petri网建模理论用于铁路信号区域计算机联锁系统联锁逻辑的形式化描述。运用层次化有色Petri网，对进路控制的行为逻辑建模。考虑到通用性，引入一种可变结构的有色Petri网模型，并给出结构变化算法。通过进路正常解锁逻辑行为的描述，阐明可变结构模型的应用前景。部分模型作为铁路车站计算机联锁软件自动测试结果的判定模型在铁路车站计算机联锁软件出厂检查装置的优化和升级的实现中得到验证关键字：实时离散事件系统、混合系统、Petri网、铁路信号、计算机联锁

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英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1引言

1.1.1实时离散事件控制系统

1.1.2混合控制系统

1.2国内外相关理论研究概况

1.2.1 Petri网研究和发展趋势

1.2.2基于Petri网的离散事件系统研究方法概述

1.2.3实时离散事件系统研究概述

1.2.4离散和连续混合系统研究概述

1.3论文的主要工作

第二章 Petri网理论基础

2.1基本Petri网

2.1.1基本定义

2.1.2 Petri网的主要特性

2.1.3 Petri网的分析方法

2.2有色Petri网(Coloured Petri Nets)

2.3层次化有色Petri网HCPN( Hierarchical Coloured Petri Nets)

2.4赋时Petri网(Timed Petri Nets)

2.5同步Petri网SYPN(Synchronized Petri Nest)

第三章 一种新型Petri网可达图及其构造算法

3.1可达树与可覆盖树

3.2一种新型可达图

3.3 Petri网特性的可达图分析

3.4小结

第四章 实时离散事件系统与离散和连续混合系统的Petri网建模研究

4.1实时离散事件系统中的基本事件

4.2含过程库所的赋时Petri网TPNP(Timed Petri Nets with Process Places)

4.2.1 TPNP模型

4.2.2 TPNP运行

4.3带有控制库所的受控赋时Petri网CTPNP(Controlled Timed Petri Nets with Process places)

4.3.1 CTPNP模型

4.3.2 CTPNP的运行

4.4具有强约束条件事件RTDES的Petri网建模

4.4.1基本赋时安全Petri网BTSPN

4.4.2有界赋时Petri网TPNB(Timed Petri Nets with Bound)

4.5通用赋时Petri网模型GTPN(Generalized Timed Petri Nets)

4.5.1具有确定实时上限离散事件的Petri网模型

4.5.2简化赋时安全Petri网TSPN(Timed Safety Petri Nets)

4.5.3简化赋时Petri网GTPN(Generalized Timed Petri Nets)

4.5.4简化受控赋时安全Petri网CTSPN(Controled Timed Safete Petri Nets)

4.6具有确定激发时间上限的混合Petri网HPN(Hybrid Petri Nets)

4.6.1模型结构

4.6.2 HPN运行

4.7混合系统中具有确定激发时间上限离散事件的建模

4.8 HPN可达状态集

4.9受控混合Petri网CHPN(Controled Hybrid Petri Nets)

4.9.1 CHPN模型

4.9.2 CHPN运行

4.10混合Petri网应用实例

4.11小结

第五章 铁路区域计算机联锁逻辑Petri网建模

5.1区域计算机联锁简介

5.2区域计算机联锁软件测试评估平台简介

5.2.1区域计算机联锁软件测试评估平台研发背景

5.2.2区域计算机联锁软件测试评估平台软、硬件结构

5.3铁路车站信号联锁逻辑及Petri网描述

5.3.1车站信号联锁逻辑

5.3.2联锁数据结构

5.3.3联锁系统进路控制的Petri网建模

5.4一种可变结构的有色Petri网模型

5.4.1可变结构的有色Petri网模型结构CPNCS(Colour Petri Nets with Changeable Structure)

5.4.2 CPNCS的结构变化方法

5.5车站进路控制逻辑的变结构Petri网模型

5.5.1正常解锁三点检查原则的变结构Petri网模型

5.5.2进路正常解锁的变结构Petri网演变模型

5.6小结

第六章 车站计算机联锁软件出厂检测装置优化升级

6.1研究背景

6.2第二代检测装置软件数据流图

6.3自动测试进程优化

6.3.1第一代出厂检测装置自动测试进程

6.3.2第二代出厂检测装置自动测试进程

6.3.3优化前后测试时间开销分析

6.4测试结果自动判定

6.5小结

第七章 结束语

致谢

参考文献

攻读博士学位期间的主要工作