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基于面向方面的Petri网在实时系统中的应用


基于面向方面的 Petri 网在实时系统中的应用
摘要:petri 网作为一种图形化的建模方法,具有直观易用的特 点,是业务流程建模常用方法。面向方面建模的基本思想是按系统 特征划分程序模块。传统的实时系统与时间密切相关。我们分离实 时系统时间方面,然后用时间 petri 网来建模,最后通过实例来简 单地说明建模过程。 关键词:时间 petri 网;面向方面;实时系统;

关注点 aspect-oriented petri net applications in real-time systems cai rewen,zhang lichen,yang min (faculty of computer,guangdong university of technology,guangzhou510006,china) abstract:petri net as a graphical way of modeling is frequently used in business process model,for its presentation is visualized and its operation is simple.the basic idea of aspect-oriented modeling is to divide the modules according to the features of the system.the traditional real-time system is strictly related to the time.first,we separate the aspect of the time in the real-time system.then we use time petri net to model it.finally, we introduce the modeling process according a use case. keyword:time petri net;aspect-oriented;real-time

system;concerns petri 网在数学上是建模和检验软件产品的基本技术。 它不仅有着 优越的建模能力和有利于结构化属性,而且在设计、分析和控制上 也是一个非常有效的工具[1]。在各种系统行为范围中,petri 网被 广泛推荐使用。 但传统的 petri 网并不支持面向方面的建模。 目前, 针对 petri 网或面向方面来对实时系统进行建模的研究有很多,但 大部分的都没有将他们统一起来。 文献[2]用简单时间 petri 网去分析实时软件。文献[3-6]只涉及 时间 petri 网、面向方面和实时系统三者中一个或两个。文献[7] 对 prt 网作了一个面向方面的扩展。文献[8]提出一种通过分离时 间属性,并用时间 petri 网建模分析实时系统。 一、相关工作 我们通过把面向方面的特征加到 petri 网中,扩展 petri 网去支 持 aom。方面模块和基本模块用 petri 网和基本网来表示。而方面 网必须和基本网组合起来,通过编织机制,形成新的编织网。 本文对实时系统的面向方面进行时间建模时,通过引入时间方面 来表达系统的时间特性,用时间 petri 网进行建模,最后通过实例 来说明。 本文其余部分组织如下。第 2 部分描述了面向方面的时间 petri 网模型和实例。第 3 部分总结了本文。第 4 部分是参考文献。 二、面向方面的 petri 网的实时系统模型

(一)面向方面 传统的软件设计是按面向过程或面向对象开发的,但由于系统横 切属性引起的“代码混乱”和“代码分散”问题,使得软件的开发 成本和维护成本很高,而面向方面编程就是在此情况下被提出来 的。 在面向方面的编程语言中,主要存在以下几个概念: (1)join point(连接点):程序执行中激发通知被执行的触发点。 (2)pointcut(切入点) :是系统中的连结点,如对象生成点, 方法入口点等。 (3)introduction(引入) :提供原类的修改特性,用来为添加 新的变量和方法。 (4)advice(通知) 定义程序在切入点所要完成的功能,包括 : 前置通知、后置通知、环绕通知和异常通知等等。 (5)aspect:实现关注点功能的模块化单元,由 pointcut、 introduction 和 advice 组成。 (二)时间 petri 网 petri 网是 1962 年由佩特里发明的,适合于描述异步的、并发的 计算机系统模型。经典的 petri 网由库所、变迁、有向弧和令牌等 元素组成的。它较常用于软件设计、工作流管理、工作流模式、数 据分析、并行程序设计、协议验证等中。 经典的 petri 网是没有全局时间的,把时间特性加入到 petri 网

模型,使得它们能够被应用于实时系统的分析。当前用于描述时间 的 petri 网模型可谓百花齐放,各有千秋;有的在变迁上引入时间 元素,有的在位置上引入时间,还有的在弧上放置时间元素[9]。 时间 petri 网定义如下: 定义 1 五元组 称作时间 petri 网(tpn)当且仅当: ① ② 是一个 petri 网,称作 z 的源网; ,其中 表示正有理数。

i 称作 z 的时间函数, ,有 , , 和 分别称作 t 的最早发生时 间和最晚发生时间。 我们在这里使用 petri 网来表示我们编织后的模块,它由一个基 本的时间 petri 网和一个方面网组合而成。 (三)实时系统 实时系统广泛应用于国防、 航空、 自动化控制等领域。一个实 时系统要有清晰的实时响应特性以及很强的承受能力。 但实时系统的设计存在几个难题:第一,程序员必须确定时间约 束符合系统条件;第二,由于系统通常情况下是物理分布的,它们 的行为经常依赖通信网络的随机延迟和不可预测的中断等;最后, 多个异步进程的存在,可能产生死锁和饥渴等。 (四)基于面向方面的时间 petri 网实时系统建模 面向方面的时间 petri 网面向方面包括了面向方面编程(aop)的 基本特征。aop 模块化将关注点横切成方面。一个 aop 包含大量基

础模块,而这些方面能够被编织到一个可执行的整体中去。 1.编织网机制 我们通过将一个基本网和通知网、切入点等组成的一个或多个方 面网,通过一些确定规范,用一个编织器形成新的网规范,然后得 到最后的编织模型。如图 1 所示: 图 1:编织处理模型 2.建模过程,实例 我们火车控制系统的进出站来对建模过程做个实例分析。火车由 进站开始到出站的操作时间及运行状态如下图所示: 图 2:基本网 n1 在基本网 n1 中,n1.t4 为切入点。 在现实环境中,列车开动前,需要记录列车此时的时间状态,以 便列车控制调度查看,所以此时列车启动的时间直接影响到后面列 车的控制调度。 调整调度时间的方面网如图 3 所示: 图 3:方面网 n2 整合方面网到基本网中的分下面几步: (1)由图 2 可知,此通知网中的通知属于后置通知,而方面网的 切入位置是(n1.t4,n1.p4),n1 中 t4 的输出弧应指向方面网中变迁 t 的输出位置,而方面网中的输入弧 p 应指向基本网中 p4。 (2)删除方面网中的第一个变迁 t、输出弧和方面网中的最后一

个库所 p。 最后得到的模型如下图所示:

图 4:编织网 三、总结 本文通过基于面向方面的时间 petri 网为火车进入站台的控制系 统建立理想状态模型,但并没有对其失败模型及更为复杂的情况进 行分析,同时,并没有运用时间 petri 网来为复杂的控制做可达性 及一致性分析。 本文的工作如下: (1)介绍了面向方面、时间 petri 网和实时系 统的一些概念; (2)引出了面向方面时间 petri 网相关概念; (3) 总结出建模过程及建立起实例模型并进行了简单的介绍。 进一步的工作有: (1)将火车控制系统及模型更深入结合起来研 究,建立更为精确的模型; (2)把方面网的冲突及冲撞等问题考虑 进去,并进行归并处理; (3)对可达性及一致性进行分析研究。 参考文献: [1]modular representation of urban traffic systems based on hybrid petri nets [2]a petri-net-based approach to real-time program analysis [3]基于面向方面的实时系统建模方法 [4]基于面向对象时间 petri 网的业务流程建模方法研究

[5]基于时间 petri 网的建模与分析 [6]一种基于 petri 网的面向方面的用例建模方法 [7]threat-driven modeling and verification of secure software [8]compositional schedulability analysis of real-time systems using time petri nets [9]时间 petri 网分析工具的实现 [10]面向方面建模方法的研究及其应用


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