基于带抑制弧的Petri网模拟HB系统状态转换的方法

摘要

本发明涉及一种基于带抑制弧的Petri网模拟HB系统状态转换的方法，包括如下步骤：步骤一、将HB系统状态划分为运行状态模块、在网/离网模块以及容灾三个模块；步骤二、分别确定各个模块的库所、变迁及初始令牌的分布情况；步骤三、各个模块分别根据变迁与库所间的依赖关系或作用关系进行有向弧的连接，分别形成每个模块的对应Petri子模型；步骤四、根据三个模块之间关系，用有向弧或抑制弧将所述Petri子模型连接成一个Petri整体模型；步骤五、基于Petri中间件平台进行控制，对步骤四得到的Petri整体模型进行自动的分析和校验。本发明可以显示HB系统的实时状态，让运维人员即时了解HB系统状态转换的处理进度和健康程度，并加以适当控制。

说明书

技术领域

本发明属于电信技术领域，特别是涉及一种基于带抑制弧的Petri网模拟HB系统状态转换的方法。

背景技术

为了在激烈的市场竞争中取得有利地位，各运营商必须为客户提供丰富的业务资费策略、灵活的业务捆绑、预付/后付互转、统一支付、统一帐单管理等，建立实时、灵活的融合计费系统。融合计费系统由实时计费和准实时计费(HB，即Hot Billing)两部分组成，两个系统均可以实现电信的多种业务的计费处理，但具体计费过程在哪个系统处理，取决于运营商对客户计费、扣费的实时性要求。准实时计费(Hot Billing)俗称热计费，是离线计费的一种，其特点是计费系统以联机方式得到使用记录后，立即进行计费，尽可能缩短业务使用与计费之间的时间差。热计费系统(HB系统)有三种状态：运行状态(Offline、Maintenance、Online)，在网/离网，容灾(主/备)。由于业务计费是通信运营最重要的环节之一，HB系统保持健康才能保证运营商的正常业务运行，因此运维人员经常需要在三种状态之间转换HB系统以进行维护。由于HB系统的重要性，运维人员希望能够即时了解HB系统状态转换的处理进度和健康程度，从而加以适当控制，比如：发生灾难进行自动恢复时，了解已完成的切换操作、当前各系统状态以及还需要执行的操作。

Petri网作为一种图形化数学工具，是一种适合于描述异步并发现象的系统模型。原型Petri网可定义为N＝(P，T；F，M₀)，即库所、变迁、有向弧以及初始标识等元素组成，虽然原型Petri网既有丰富的描述手段与系统分析技术，但不具备零检测能力。带抑制弧的Petri网的模拟能力比原型Petri网有实质性增强，它是在原型Petri网的基础上增加一种连接库所和变迁的抑制弧形成的。

带抑制弧的Petri具备零检测能力即同图灵机具有等同的模拟能力。它使用五个元素为系统建模(权值函数默认为1，容量函数默认为无穷大)：库所(Place)、变迁(Transition)、抑制弧(Inhibitor)、有向弧(Arc)和令牌(Token)。库所(Place)：表示资源、缓冲区、条件、状态等。变迁(Transition)：表示过程、事件或算法等。抑制弧(Inhibitor)：表示对具备发生条件的变迁是否允许发生起控制作用。有向弧(Arc)：表示变迁与库所间的依赖或作用关系。令牌(Token)：表示资源可用或条件成立或资源数量等。库所、变迁、抑制弧、有向弧的连接表示系统的静态功能和结构，令牌在库所中分布情况表示系统的状态(标识)或者资源数量，变迁点燃和令牌移动描述系统的动态行为。

Petri网的抑制弧只对(在原型Petri网意义下)具备发生条件的变迁是否允许发生起控制作用。变迁一旦发生，抑制弧对由此引起的标识变化不产生影响。带抑制弧的Petri网定义为：N＝(P，T；F，I，M₀)，其中：P为库所集，每个库所用圆圈表示；T为变迁集，每个变迁用横条表示；F为有向弧，I为抑制弧，只能从库所引向变迁，抑制弧相当于把一条有向边的箭头换成一个小圆圈；M₀为初始标识，N的标识可用n维向量表示，其中n为网N中库所个数，每个分量代表相对应的库所所含令牌数。通过带抑制弧的Petri网建模分析方法，可以较好的辅助分析复杂系统中常见的同步、并发、资源共享、冲突、死锁等问题。

发明内容

因此，本发明的目的在于基于带抑制弧的Petri网来模拟HB系统状态转换。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于带抑制弧的Petri网模拟HB系统状态转换的方法，包括如下步骤：

步骤一、将HB系统状态划分为运行状态模块、在网/离网模块以及容灾三个模块；

步骤二、基于带抑制弧的Petri网，用库所代表各个模块的不同状态，用变迁来代表各个模块内部不同状态之间的切换，用令牌的分布情况表示模块所处的状态，分别确定各个模块的库所、变迁及初始令牌的分布情况；

步骤三、各个模块分别根据变迁与库所间的依赖关系或作用关系进行有向弧的连接，分别形成每个模块所对应的Petri子模型；

步骤四、根据三个模块之间关系，用有向弧或抑制弧将所述Petri子模型连接成一个Petri整体模型；

步骤五、基于Petri中间件平台进行控制，对步骤四得到的Petri整体模型进行自动的分析和校验。

其中，还包括：步骤六、应用化简规则等价化简所述Petri整体模型。

其中，还包括：步骤七、判断经步骤六化简后的Petri整体模型是否有界，若有界则建立相应的可达图。

本发明可基于带抑制弧的Petri网来模拟HB系统状态转换，可以显示HB系统的实时状态，让运维人员即时了解HB系统状态转换的处理进度和健康程度，从而加以适当控制；采用等价化简规则针对Petri整体模型进行化简，有效解决了Petri网的“状态空间爆炸”问题；针对化简图建立可达图，通过可达图实现了快速分析HB系统状态转换的活性、有界性、安全性等特性，辅助运维人员执行HB系统状态转换。

附图说明

下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式详细描述，将使本发明的技术方案及其他有益效果显而易见。

附图中，

图1是应用本发明所得到的模拟HB系统状态转换的带抑制弧的Petri网的示意图；

图2是串联库所合并示意图；

图3是并联库所合并示意图；

图4是混合化简I示意图；

图5是混合化简II示意图；

图6是消除自环路变迁示意图；

图7是消除自环路库所示意图；

图8是带抑制弧的串联库所合并示意图；

图9是带抑制弧的并联变迁合并示意图；

图10是带抑制弧的混合化简I示意图；

图11是消除带抑制弧的自循环变迁示意图；

图12是简化图1后得到的带抑制弧的Petri网的示意图；

图13是图12的带抑制弧的Petri网的可达图示意图。

具体实施方式

如图1所示，其为应用本发明所得到的模拟HB系统状态转换的带抑制弧的Petri网示意图，在图1及随后的附图中，圆形节点表示库所(Place)，实心方形节点表示变迁(Transition)，库所和变迁之间带箭头的连线表示有向弧(Arc)，库所和变迁之间带圆圈的连线表示抑制弧(Inhibitor)，实心圆点表示令牌(Token)。

按照本发明基于带抑制弧的Petri网模拟HB系统状态转换的方法得到图1所示的带抑制弧的Petri网的过程包括以下步骤：

步骤一、将HB系统状态划分为运行状态模块、在网/离网模块以及容灾三个模块；分析现有HB系统的三种状态，包括运行状态(具体分为Offline、Maintenance、Online)、在网/离网、容灾(主/备)及其关系，将HB系统划分和整理，实现HB系统三种状态的模块化，具体如下。

1.1运行状态模块：在此模块下，包括Offline、Maintenance、Online三种状态及其之间的状态转换。

1.2在网/离网模块：包括离网和入网两种状态及其之间的状态转换。可以理解，对于实际的HB系统，可以确定运行状态模块和在网/离网模块之间的关系：只有在Online状态才能入网；从Online切到Offline或者Maintenance状态前，必须先离网。即入网时，可用抑制弧控制具备发生条件的变迁是否允许进行。

1.3容灾(主/备)模块：包括主系统和备系统两种状态及其之间的状态转换，而且，对于实际的HB系统：主、备系统之间切换只能在Maintenance状态进行。

步骤二、用库所代表各个模块的不同状态，用变迁来代表各个模块内部不同状态之间的切换，用令牌的分布情况表示模块所处的状态，分别确定各个模块的库所、变迁及初始令牌的分布情况；根据各个模块进行分析，先确定库所、变迁及其初始令牌，针对各个模块，若哪个状态条件成立则哪个代表该状态的库所持有令牌。

2.1对于运行状态模块，Online状态可细分为：Online正常状态，Online超负荷状态，Online故障状态；Offline状态可细分为：Offline正常状态，Offline故障状态。各状态可用库所表示，则运行状态模块的库所可分别命名为：P0_Online_正常，P1_Online_超负荷，P2_Online_故障，P3_Offline_正常，P4_Offline_故障，P5_Maintenance。根据它们之间依赖或作用关系，可用变迁表示运行状态之间的切换过程。运行状态模块的变迁分别为：T0_Off正常到On正常、T1_Off正常到Maint、T2_On正常到Off正常、T3_On正常到Online超负荷、T4_On正常到On故障、T5_Online正常到Maint、T6_On超负荷到On故障、T7_On超负荷到On正常、T8_On超负荷到Off正常、T9_On故障到On正常、T10_On故障到Off故障、T11_Off故障到Off正常、T12_Maint到Off正常、T13_Maint到On正常。此处依次按每个库所判断与其它所有库所的关系，若能从该状态库所切换到另一个状态库所，则存在一个变迁，并将变迁(Transition)名命名为该库所名或者库所名简称到另一库所(状态)名或者库所名简称。例如，在图1中，库所P3O_ffline_正常到库所P0_Online_正常的变迁被命名并标记为T0_Off正常到On正常。

2.2对于在网/离网模块，库所为：P6_在网、P7_离网；变迁为：T14_在网到离网、T15_离网到入网。

2.3对于容灾(主/备)模块，库所为：P8_备系统、P9_主系统。变迁为：T16主到备系统、T17_备到主系统。

根据各个模块建模时先确定库所，依次按每个库所判断与其它所有库所的关系再确定变迁，最后依次判断库所和所有变迁的关系并用有向弧或者抑制弧进行连接，增强了建模的清晰度。

步骤三、各个模块分别根据变迁与库所间的依赖关系或作用关系进行有向弧的连接，分别形成每个模块所对应的Petri子模型，形成对应运行状态模块、在网/离网模块及容灾模块的三个Petri子模型。

步骤四、确定模块之间关系，根据三个模块之间关系，整合各个模块的Petri子模型，用有向弧或抑制弧将各Petri子模型连接成一个Petri整体模型，即形成图1所示的Petri网模型。

4.1运行状态模块和容灾(主/备)模块的衔接点是主备系统切换只能在Maintenance状态进行，即：库所P5_Maintenance分别和变迁T16主到备系统、T17_备到主系统进行有向弧连接。

4.2运行状态模块和在网/离网模块的衔接点是只有在Online状态才能入网；从Online切到Offline或者Maintenance状态前，必须先离网。换言之，运行状态模块中的库所P3_Offline_正常、P4_Offline_故障、P5_Maintenance分别与变迁T15_离网到入网用抑制弧连接控制；在网/离网模块中的库所P6_在网分别与运行状态模块中的变迁T2_On正常到Off正常、T8_On超负荷到Off正常”、T10_On故障到Off故障、T5_Online正常到Maint用抑制弧连接控制。

步骤五、基于Petri中间件平台进行控制，对步骤四得到的Petri整体模型进行自动的分析和校验。通过令牌在带抑制弧的Petri网中的不同库所之间的流动可以模拟HB系统状态转换的动态过程，利用Petri中间件平台进行控制可快速即时的对HB系统状态转换进行模拟，及时发现状态转换中的问题，起到对运维人员的指导作用。可以将图1所示的带抑制弧的Petri网输入Petri中间件平台或Petri模拟软件等Petri网模拟工具，从而得到HB系统状态转换的实时状态。对于Petri网模拟工具的使用方法为本领域技术人员所熟知，在此不再赘述。

5.1结合显示装置，可以直观的显示系统状态转换的实时状态，让运维人员即时了解HB系统状态转换的处理进度和健康程度，并加以适当控制。

5.2发生灾难进行自动恢复时，可以显示已完成的HB系统状态切换操作、当前各系统状态以及还需要执行的操作。

本发明可进一步包含步骤六：应用图2至图11所示的化简规则等价化简Petri整体模型。图2至图11所示为本发明所使用的多种Petri网化简规则示意图，图中左侧为化简前的图，右侧为化简后的图。图12为图1的带抑制弧的Petri网示意图经图2至图11所示的规则化简后的简化带抑制弧的Petri网示意图。

针对整体模型进行等价化简，是为了解决Petri网的“状态空间爆炸”问题，便于后续分析验证HB系统状态转换中是否存在死锁。

6.1本发明采用到的化简规则分别如下：

①串联库所化简，如图2串联库所合并示意图所示；

②并联库所化简，如图3并联库所合并示意图所示；

③混合化简I，如图4混合化简I示意图所示；

④混合化简II，如图5混合化简II示意图所示，图5中原图中M(p1)≥1；原图记作N₁，化简后的图记作N₂，可达标识集做相应变换：

${\forall }_x\in P_2,M_2\left(x\right)=\left(\begin{array}{cc}{M}_1\left(p0\right)+M_1\left(x\right)& x=t^{\prime }\backslash p\\ M_1\left(p0\right)+M_1\left(p1\right)& x=p\\ M_1\left(x\right)& x=P_2\backslash t^{\prime }\end{array}\right);$

⑤消除自环路变迁，如图6消除自环路变迁示意图所示；

⑥消除自环路库所，如图7消除自环路库所示意图所示；

6.2本发明采用到的带抑制弧的化简规则分别如下：

①带抑制弧的串联库所合并，如图8带抑制弧的串联库所合并示意图所示；

②带抑制弧的并联变迁合并，如图9带抑制弧的并联变迁合并示意图所示；

③带抑制弧的混合化简I，如图10带抑制弧的混合化简I示意图所示；

④消除带抑制的自环路变迁，如图11消除带抑制弧的自循环变迁示意图所示。

其中，混合化简I、混合化简II、带抑制弧的串联库所合并、带抑制弧的并联变迁合并、消除带抑制的自环路变迁及带抑制弧的混合化简I这六条化简规则是发明人总结并证明的等价化简规则，在此发明中直接进行了应用。

本发明可进一步包括步骤七：判断步骤六化简后的Petri整体模型是否为有界Petri网，若有界则建立相应的可达图，可通过Petri网的可达图来判定有界Petri网的各种动态特性。本领域技术人员可以理解，若不是有界，可采取准完备有限可覆盖性图分析，为减小篇幅在此没有进行说明。

定义本发明所得到的带抑制弧的Petri网为N＝(P，T；F，I，M₀)。

7.1带抑制弧的Petri网N＝(P，T；F，I，M₀)的可达图的构造算法步骤如下。

7.1.1从初始标识M₀开始，反映初始令牌在网中的分布情况。

7.1.2当前标识记作M，在当前标识下能够具有触发权的每一个变迁，进行触发后所得标识记作M’，判断M’并进行处理：

①若M’不等于任何已有标识时即M’为新标识，再判断M’是否按相应弧的权值递增(或者递减)，若是按相应弧的权值递增(或者递减)则相应分量写成“权值*n”，否则，用有向弧连接M和M’；

②若M’与已有的可达图中某个标识相等，则用有向弧连接M’和已有可达标识。

7.1.3任何变迁都不能产生新标识时，算法终止，得到可达图RG(N)。

7.2根据可达图分析活性、安全性等特性。

7.2.1有界的带抑制弧的Petri网N＝(P，T；F，I，M₀)是活的一个充分必要条件是：在可达图RG(N)中，从顶点M₀出发的每条有向路最终都走向一个强连通子图，而且在每个这样的强连通子图中，每个t∈T至少是一条有向弧的旁标。

7.2.2有界的带抑制弧的Petri网N＝(P，T；F，I，M₀)是安全的当且仅当可达图RG(N)中的每个向量都是0-1向量。

如图13所示，其为图12的带抑制弧的Petri网的可达图示意图，图13中的标识分量依次为：库所P7_离网中的令牌个数，库所P6_在网中的令牌个数，库所P0_Online_正常中的令牌个数，库所P5_Maintenance中的令牌个数。按照步骤七构造的带抑制弧的可达图算法，可达图中的死标识和活标识一目了然。由图13根据7.2.1判断可知图12所示的带抑制弧的Petri网模拟HB系统状态转换的简化网系统是活的，因采用的是等价化简规则，所以图1所示的原网系统也是活的。同理再根据7.2.2可判断图1所示的原网系统是安全的。

本发明基于带抑制弧的Petri网来模拟HB系统状态转换，利用带抑制弧的Petri网描述HB系统状态转换的过程，通过分析所得到的Petri网的特性如活性、有界性及安全性等，进而可反映HB系统状态转换的特性，便于运维人员处理HB系统状态转换。Petri网的活性可以确定所模拟的系统是否存在死锁，判断期待行为能否正常执行。Petri网的有界性反映被模拟系统中对有关资料的容量要求，用来判断是否有溢出现象。安全性其实是有界性的特例，该特性可明确系统中有无正在执行的过程或未释放的资源被再次调用。例如，通过证明图1所示的Petri网有活性，可表明HB系统状态转换能正常运行，即无死锁，可保证HB系统状态转换避免死锁。

本发明的优点在于：

一、利用Petri网是一种图形化描述过程强有力工具的特性，使用它可以直观的描述HB系统状态转换的过程，而且采用带抑制弧的Petri网增强了模拟HB系统状态转换能力。

二、建立模型时，先把所分析的系统模块化，根据各模块建立模型，然后把各个模块模型连接成一个整体模型，采取这种方法，提高了建模清晰度，减小了建模难度。

三、针对各个模型建模时，首先确定库所，依次按库所顺序，由库所之间的依附关系，再确定变迁，这样建模是避免出现混乱状态。

四、利用等价化简，可以有效的解决Petri网的“状态空间爆炸”问题，大大简化了分析网的特性，并总结了带抑制弧的化简规则，在此发明中进行了应用。

五、本发明基于带抑制弧的Petri网建立可达图，通过建立有界Petri网的可达图，实现快速分析Petri网系统的活性、安全性等特性，辅助运维人员执行HB系统状态转换。

综上所述，本发明基于带抑制弧的Petri针对HB系统状态建模，利用该模型除了具有类似流程图、框图和网图的可视化描述功能之外，还可以通过令牌在库所中的流动来模拟系统的动态特性。基于Petri网中间件平台进行控制，可以显示系统的实时状态，让维护人员即时了解处理进度和健康程度，并加以适当控制。另外，利用化简图大大简化了分析原Petri网的某些特性，通过建立化简图的可达图，实现了快速分析活性、有界性、安全性等特性。

以上所述，对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案和技术构思作出其他各种相应的改变和变形，而所有这些改变和变形都应属于本发明后附的权利要求的保护范围。