Висновки

• Мережа Петрі є орієнтованим дводольним графом, який має чотири базових елементи: вузли або місця (places), переходи (transitions), дуги (arcs) і маркери (tokens).

• Вузли визначають стан, в якому може знаходитись мережа або її частина.

• Переходи — це активні елементи мережі, які позначають дії, що виконуються під час спрацьовування переходів.

• Розмітка М мережі Петрі – це функція, яка ставить у відповідність маркерам вузлів цілі додатні числа. Суть розмітки полягає в приписуванні кожному вузлу певної кількості маркерів.

• Спрацьовування переходу — це подія, яка змінює розмітку мережі.

• Мережа Петрі знаходиться в «живому» стані (живуча розмітка), коли кожен із переходів може збуджуватись нескінченну кількість разів.

• Мережа Петрі знаходиться в «мертвому» стані (заблокована), якщо вона не має жодного збудженого переходу.

• Розширення мережі Петрі — це така її модифікація, яка збільшує можливості мережі стосовно опису та моделювання систем.

Контрольні запитання та завдання

1. Побудуйте просту мережу Петрі для роз'вязання задачі про філософів, що обідають (див. приклад 3.2).

2. Технологічна лінія на виробництві створює напівфабрикат з визначених матеріалів і працює періодично. На початку кожного періоду завантажується певна кількість матеріалів, після чого починається основний процес — виробництво, під час якого може виникнути збій. Тоді матеріали, які знаходились у лінії (завантажені на початку періоду) вилучаються з технологічного процесу. Завантажується нова порція матеріалів, і основний процес починається спочатку. На рис. 3.25 наведено модель цього процесу в термінах мережі Петрі. Пріоритети переходів T2, Т3 вважати рівними.

Задайте функцію початкової розмітки цієї мережі і вагу зазначених дуг (J, К, H). Варіанти відповіді:

1. ;

2. ;

3. ;

4. .

Рис. 3.25. Модель технологічного процесу

3. Розглянемо процес, який є прикладом «нецікавої» гри. Дехто сидить у кімнаті, в який є закрита ваза і відкрита скринька, в обох містяться чорні і червоні кулі. Швидко взявши будь-які дві кулі з вази, він звіряє їх кольори: якщо вони різні, то кладе їх у скриньку, інакше кулі повертаються у вазу і туди ж зі скриньки додається куля того ж кольору, що і дві попередні. Процес повторюється доти, доки в одній із ємностей не буде вистачати куль для продовження гри. На рис. 3.26 наведено модель цього процесу в термінах мереж Петрі. Введені позначення: R — червона куля, В — чорна куля.

Необхідно встановити вагу дуг Fi, і = 1, 2, 3, 4, 5.

Варіанти відповіді:

F1 = R, F2 = В, F3 = R, F4 = 2В, F5 = 2В, F6 = 2R;

F1 = В, F2 = R, F3 = В, F4 = 2В, F5 = 2R, F6 = 2В;

F1 = В, F2 = R, F3 = В, F4 = 2R, F5 = 3В, F6 = 3R;

F1 = R, F2 = В, F3 = В, F4 = 2R, F5 = 3В, F6 = 3R.

Рис. 3.26. Модель процесу гри

4. Клініка має відділення хірургії, де на зміні працює один хірург і три медсестри. Коли з'являється пацієнт, якому роблять операцію, у ній бере участь весь присутній персонал. Після проведення операції пацієнт розміщується в палаті реабілітації, де його доглядає одна з медсестер. Періодично його оглядають один хірург і одна медсестра, доки не з'явиться новий пацієнт.

На рис. 3.27 наведено модель даного процесу в термінах мереж Петрі.

Рис. 3.27. Модель процесу операції

Введені позначення: S — хірург, N — медсестра, Р — пацієнт.

Необхідно встановити вагу дуг Xi, і = 0, 1, 2, 3, 4, 5.

Варіанти відповіді:

Х0 = {Р}, Х1 = {S, N}, Х2 = {S, 3N}, Х3 = {S, N}, Х4 = {N}, Х5 = {N};

Х0 = {2Р}, Х1 = {S, 2N}, Х2 = {S, 3N}, Х3 = {S, N}, Х4 = {N}, Х5 = {N};

Х0 = {2Р}, Х1 = {S, N}, Х2 = {S, 3N}, Х3 = {S, 2N}, Х4 = {2N}, Х5 = {2N};

Х0 = {Р}, Х1 = {S, 2N}, Х2 = {S, 2N}, Х3 = {S, 2N}, Х4 = {2N}, Х5 = {N}.

Чи правильно вибрано функцію початкової розмітки цієї мережі згідно з рис. 3.27?

5. Розглянемо процес організації конференції. Спочатку учасників повідомляють, що їм необхідно представити матеріали для реєстрації. Після цього (або в той же час) починається процес прийому матеріалів різних авторів, який триває лише певний період часу. Потім матеріали реєструються. У кожному конкретному випадку приймається рішення про запрошення автора. Можна прийняти лише 80% матеріалів для доповідей. Яка з моделей цього процесу, зображених на рис. 3.28, а – в в термінах мереж Петрі, є правильною?

Рис. 3.28. Моделі процесів організації конференції: варіант 1 (а); варіант 2 (б); варіант 3 (в)

Сети Петри

Сети Петри — аппарат для моделирования динамических дискретных систем (преимущественно асинхронных параллельных процессов).

Сеть Петри определяется как четверка , где и — конечные множества узлов и переходов, и — множества входных и выходных функций.

Другими словами, сеть Петри представляет собой двудольный ориентированный граф, в котором узлам соответствуют вершины, изображаемые кружками, а переходам — вершины, изображаемые утолщенными черточками; функциям соответствуют дуги, направленные от узла к переходам, а функциям — от переходов к позициям.

В сетях Петри вводятся объекты двух типов:

• динамические — изображаются маркерами внутри узлов;

• статические — им соответствуют узлы сети Петри.

Распределение маркеров по узлам называют маркировкой. Маркеры могут перемещаться в сети. Каждое изменение маркировки называют событием, причем каждое событие связано с определенным переходом. Считается, что события происходят мгновенно и разновременно при выполнении некоторых условий.

Каждому условию в сети Петри соответствует определеннай узел. Совершению события соответствует срабатывание (возбуждение или запуск) перехода, при котором маркеры из входных узлов этого перехода перемещаются в выходные узлы. Последовательность событий образует моделируемый процесс.

Правила срабатывания переходов (рис. 1), конкретизируют следующим образом:

а) переход срабатывает, если для каждого из его входных узлов выполняется условие , где — число маркеров в -м входном узле, — число дуг, идущих от -го узла к переходу;

б) при срабатывании перехода число маркеров в -м входном узле уменьшается на , а в -м выходном узле увеличивается на , где — число дуг, связывающих переход с -м узлом.

На рис. 1 показан пример распределения маркеров по узлам перед срабатыванием, эту маркировку записывают в виде (2,2,3,1). После срабатывания перехода маркировка становится иной: (1,0,1,4).

Рис. 1. Фрагмент сети Петри

Можно вводить ряд дополнительных правил и условий в алгоритмы моделирования, получая ту или иную разновидность сетей Петри. Так, прежде всего полезно ввести модельное время, чтобы моделировать не только последовательность событий, но и их привязку ко времени. Это осуществляется приданием переходам веса — продолжительности (задержки) срабатывания, которую можно определять, используя задаваемый при этом алгоритм. Полученную модель называют временной сетью Петри.

Если задержки являются случайными величинами, то сеть называют стохастической сетью Петри. В стохастических сетях возможно введение вероятностей срабатывания возбужденных переходов. Так, на рис. 2 представлен фрагмент сети Петри, иллюстрирующий конфликтную ситуацию — маркер в узле может запустить либо переход , либо переход . В стохастической сети предусматривается вероятностный выбор срабатывающего перехода в таких ситуациях.

Рис. 2. Конфликтная ситуация

Если задержки определяются как функции некоторых аргументов, которыми могут быть количества маркеров в каких-либо узлах, состояния некоторых переходов и т.п., то имеем функциональную сеть Петри.

Во многих задачах динамические объекты могут быть нескольких типов, и для каждого типа нужно вводить свои алгоритмы поведения в сети. В этом случае каждый маркер должен иметь хотя бы один параметр, обозначающий тип маркера. Такой параметр обычно называют цветом; цвет можно использовать как аргумент в функциональных сетях. Сеть при этом называют цветной сетью Петри.

Среди других разновидностей сетей Петри следует упомянуть ингибиторные сети Петри, характеризующиеся тем, что в них возможны запрещающие (ингибиторные) дуги. Наличие маркера во входном узле, связанном с переходом ингибиторной дугой, означает запрещение срабатывания перехода.

Пример 1

Требуется описать с помощью сети Петри работу группы пользователей на единственной рабочей станции WS при заданных характеристиках потока запросов на пользование WS и характеристиках поступающих задач. Сеть Петри представлена на рис. 3.

Здесь переходы связаны со следующими событиями: — поступление запроса на использование WS, — занятие станции, — освобождение станции, — выход обслуженной заявки; позиция используется для отображения состояния WS: если в имеется метка, то WS свободна и пришедшая заявка вызывает срабатывание перехода ; пока эта заявка не будет обслужена, метки в не будет, следовательно, пришедшие в позицию запросы вынуждены ожидать срабатывания перехода .

Рис. 3.  Сеть Петри для примера 1

Пример 2

На рис. 4 представлена сеть Петри, соответствующая организации параллельных вычислений на основе асинхронного message passing interface (MPI) [1].

Рис. 4.  Сеть Петри для примера 2

Пример 3

Требуется описать с помощью сети Петри процессы возникновения и устранения неисправностей в некоторой технической системе, состоящей из множества однотипных блоков; в запасе имеется один исправный блок; известны статистические данные об интенсивностях возникновения отказов и длительностях таких операций, как поиск неисправностей, замена и ремонт отказавшего блока. Поиск и замену отказавшего блока производит одна бригада, а ремонт замененного блока — другая бригада. Сеть Петри показана на рис. 5. Отметим, что при числе меток в позиции, равном , можно в ней не ставить точек, а записать в позиции значение .

В нашем примере значение в позиции соответствует числу имеющихся в системе блоков. Переходы отображают следующие события: — отказ блока, — поиск неисправного блока, — его замена, — окончание ремонта.

Очевидно, что при непустой позиции переход срабатывает, но с задержкой, равной вычисленному случайному значению моделируемого отрезка времени между отказами. После выхода маркера из он попадает через в , если имеется метка в позиции , это означает, что обслуживающая систему бригада специалистов свободна и может приступить к поиску возникшей неисправности. В переходе метка задерживается на время, равное случайному значению длительности поиска неисправности. Далее маркер оказывается в и, если имеется запасной блок (маркер в ), то запускается переход , из которого маркеры выйдут в , и в через отрезок времени, требуемый для замены блока. После этого в имитируется восстановление неисправного блока.

Рис. 5.  Сеть Петри для примера 3

Рассматриваемая модель описывает функционирование системы в условиях, когда отказы могут возникать и в рабочем, и в неисправном состояниях системы. Поэтому не исключены ситуации, при которых более чем один маркер окажется в позиции .

Список литературы

1. В.Э.Малышкин. Основы параллельных вычислений. -2003 ЦИТ СГГА, http://www.ssga.ru/metodich/paral1/contents.html

Анализ сетей Петри

Анализ сложных систем на базе сетей Петри можно выполнять посредством имитационного моделирования СМО, представленных моделями сетей Петри. При этом задают входные потоки заявок и определяют соответствующую реакцию системы. Выходные параметры СМО рассчитывают путем обработки накопленного при моделировании статистического материала.

Возможен и другой подход к использованию сетей Петри для анализа объектов, исследуемых на системном уровне. Он не связан с имитацией процессов и основан на исследовании таких свойств сетей Петри, как ограниченность, безопасность, сохраняемость, достижимость, живость.

Ограниченность (или K-ограниченность) имеет место, если число меток в любой позиции сети не может превысить значения . При проектировании автоматизированных систем определение позволяет обоснованно выбирать емкости накопителей. Возможность неограниченного роста числа меток свидетельствует об опасности неограниченного роста длин очередей.

Безопасность — частный случай ограниченности, а именно это 1-ограниченность. Если для некоторой позиции установлено, что она безопасна, то ее можно представлять одним триггером.

Сохраняемость характеризуется постоянством загрузки ресурсов, т.е. где — число маркеров в -й позиции, — весовой коэффициент.

Достижимость характеризуется возможностью достижения маркировки из состояния сети, характеризуемого маркировкой .

Живость сети Петри определяется возможностью срабатывания любого перехода при функционировании моделируемого объекта. Отсутствие живости означает либо избыточность аппаратуры в проектируемой системе, либо свидетельствует о возможности возникновения зацикливаний, тупиков, блокировок.

В основе исследования перечисленных свойств сетей Петри лежит анализ достижимости.

Один из методов анализа достижимости любой маркировки из состояния — построение графа достижимости. Начальная вершина графа отображает , а остальные вершины соответствуют маркировкам. Дуга из в означает событие _j и соответствует срабатыванию перехода . В сложных сетях граф может содержать чрезмерно большое число вершин и дуг. Однако при построении графа можно не отображать все вершины, так как многие из них являются дублями (действительно, от маркировки всегда порождается один и тот же подграф вне зависимости от того. из какого состояния система пришла в ). Тупики обнаруживаются по отсутствию разрешенных переходов из какой-либо вершины, т.е. по наличию листьев — терминальных вершин. Неограниченный рост числа маркеров в какой-либо позиции свидетельствует о нарушениях ограниченности.

Приведем примеры анализа достижимости.

Пример 1

Сеть Петри и граф достижимых разметок представлены на рис. 1.

На рисунке вершины графа изображены в виде маркировок, дуги помечены срабатывающими переходами. Сеть является неограниченной и живой, так как метки могут накапливаться в позиции , срабатывают все переходы, тупики отсутствуют.

Рис. 1.  Сеть Петри и ее граф достижимости для примера 1

Пример 2

Сеть Петри и граф достижимых разметок представлены на рис. 2.

Сеть, моделирующая двухпроцессорную вычислительную систему с общей памятью, является безопасной, живой, все разметки достижимы.

Рис. 2.  Сеть Петри и ее граф достижимости для примера 2

Пример 3

На рис. 3 представлены сеть Петри и ее граф достижимости из работы [1].

Рис. 3.  Сеть Петри и ее граф достижимости для примера 3

Список литературы

1. В.Э.Малышкин. Основы параллельных вычислений. -2003 ЦИТ СГГА, http://www.ssga.ru/metodich/paral1/contents.html