论文研究-基于Petri网的情境感知系统建模与仿真.pdf

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情境感知系统对情境信息的利用程度在不断提高,对服务的多样性提出了更高要求,但是传统的情境感知系统的建模方法难以满足对系统动态描述和模拟的需求。通过对传统的Petri网进行扩展,提出了情境感知系统的赋时着色Petri网模型;并结合仿真工具CPN Tools对模型进行模拟和验证,进而发现系统设计中存在的潜在不足,对其优化改进。以痴呆老人智能辅助系统为例,证明了该方法的有效性。
第2期 包杰,等:基于 Petri网的情境感知系统建模与仿真 ·623 是唯一的,即需要满足O(t)=1,其中O'()表示变迁t的P PI P 出度。 规定3为了解决由于变迁的触发所带来的死锁,模型屮 可能会出现代表两个相同情境的库所如图2(a)所示。当变BO ○Mp=1 P 迁t触发后,p中的托肯将被转移走,从而使得2无法触发。 为了避免发生这样的死锁,在模型屮复制一个代表相冋情境的 图3有约束关系的情境的表达方式 库所P1,使其满足:C(p1)=C(p1),从而使得上述的死锁不会 经过分析,本文给出如下的模型一致性检测规则 出现,如图2(b)所示。 规则1如果AC(p)→∧C(p),则C(1)、C(2)所表 “加强再次提“病人尚未(“病人尚未吃药” 冷肉 [1,3] 理画操示的服务应该是彼此兼容一致的,其中AC(p)→AC(pD P “提示病人吃药”] 4“提示人吃药”] 离科 指的是当·t1的情境均为真时,t2的情境必然为真。比如 4, Py 人C(P)表示{“温度大于25℃时”,而AC(p)表示“温度 大于20咒℃时”},显然前者情境为真时,后者情境必然为真。 图2复制情境解决模型中出现的死锁 规则2如果Gp(·1)2Gn(2)且C(t1)=C(h2),则说 规定4情境感知下的Pet网是没有循环分支的 明模型中存在冗余的情境,模型的表示不够准确,需要对模型 定义2给定模型CS門N=(P,T,F;C,D),为了表示网络进行精简,去除几余库所。 的状态,给定标志(M,6)。其中:M:P→{0,1},M对库所中的 托肯进行标志,M(p)=1意味着库所p所代表的情境为真反3基于 CPN Tools的情境感知系统仿真 之为假。考虑到在情境感知系统中,相同的情境可能再次出 通过第2章的模型,很容易对某个情境感知的应用系统进 现,为了防止模型中出现反复调用的情况,比如提示吃过药后,行建模,得到其系统行为的逻辑模型。为了验证模型的动态特 出现反复提示的情况,本文引入变量δ用来标志库所发生的次性,发现模型设计中可能存在的不合理环节,不文提出利用仿 数,δ:P→10,1}。对丁给定的CsP,本文定义其初始状态为真软件对模型进行进一步的模拟运行,发现问题,优化改进系 (M,6),且所有库所p需满足:M(p)=0,6(p)=0。 统设计。 定义3给定模型CSFN=(P,T,F;C,D),对于某一状态3.1系统仿真平台 (M,8),当仅当任意的p∈·t满足M(p)=1且8(p)=0时, CPn Tools0最早是由丹麦 Aarhus大学开发的一款现今 称变迁t使能,变迁t在其时延间隔[d,d2]之间能够触发触最成熟的CPN建模与仿真⊥具,支持功能强大的元语言 发后系统状态变为(W,8),时间超过d2后,变迁t将不再触M1),扩展性比较强。它具有易于建模、仿真、分析的特点, 发。触发时托青转移规则为 并集成了较为强大的模型检验功能,如状态空间工具等。并 a)如果p∈t,则M'(p)=1; 可以对工作流、计算机网路协议、资源分配等问题进行模拟 b)如果p∈·t,则8(p)=1,否则8(P)=8(p) 硏究;通过状态空间的方法来验证网络的各种性质,如活性 c)如果p∈·t且C(p)是屮间情境,则M'(p)=0。 有界性等,并且可以给出相应的仿分析报告。 CPn Tools有 2.2情境感知系统模型的性质研究 着很直观的用户交互界面,有着许多小的工具面板,非常人 考虑到在情境感知系统屮,由于情境的触发带有不确定性化,并且对Pti网有着非常直观的表达能力。同时CP 性,在某一时刻可能同时触发了几个不同的服务,而这些服务To对于非商业用途的使用提供完全免费的授权 之间存在着相互的制约性,比如服务A、B、C同时满足了触发3.2情境感知系统的仿真设计 条件,但是此时由于资源或其他条件的约束只能触发其屮一个 本文采用 CPn Tools对构建的情境感知模型进行模拟仿 服务。定义4给出这种约束关系的定义。为了描述这样的制真研究。考虑到情境感知下的系统的特殊性,在仿真时针对如 约关系,本文给出了两种方法:如果相互制约的两个服务之间下几个向题,结合CNTo进行了特别设计 存在着相同的情境,则通过该情境就可以揹述这种制约关系, a)由于情境感知下的系统运行是由传感器或者事件驱动 如图3(a)所示;如果两个服务之间没有相同情境,为∫描述这触发的,与工作流系统的Pe网模型不同,情境感知下的系统 样的约束关系,本文定义了一类特殊的情境库所,称永真库所行为是由一些独立的情景片段构成,所以得到的Pti模型 Pm,即M(pm)=1,利用永真库所来实现这种制约关系,如图是一些独立的结构,没有循环等分支,一个片段完成后,如何自 3(b)所示。 动实现触发下一个片段。本文结合 CPN Tools工具中的时间 定义4给定模型CPN=(P,,F;C,D),4,t∈T当且截( time stamp)的概念,通过给相应的库所指定某个时间戳,从 仅当·t1∩·t2≠φ时,称变迁h、t是相互排斥的。 而可以实现模拟情景的自动触发的特性。 当枃建岀情境感知系统所需的初始逻辑模型后,由于初始 b)设计好的Peti网每一个初始状态都对应现实屮每一次 设计的模型可能在逻辑的描述中存在不一致和不准确的地方,的情景输入,因为情景的发生带有不确定性,所以为了能够实 为此,本文定义G(·)={C(p)p∈·},G(·4)代表·现模拟系统这种不确定的运行行为,本文考虑将库所中托肯的 所表示的所有的情境的集合 获得设计为随机函数,即用p1. Scenario rand()来表示库所p1 624 计算机应用研究 第29卷 中的托肯值 性、有界性以及系统行为特性。 c)系统逻辑的Petn网中,在 CPN Tools上实现时将相同类 型的库所用冋一个色彩标忐,变迁屮如果属于一类功能的用同 种颜色标记,在后期系统进行开发时方便开发人员育接将相 同颜色的归为同一功能模块进行开发设计。 4案例研究 人口的老龄化使得老年痴呆症的病发率逐年增加,这给家 庭生活带来了较大的看护负担。照顾者长时问的看护会使得 其身心疲惫,再加上看护者缺乏一定的护理指导和培训,这些 图4案例中的模型在 CPN Tools上的实现 都使得当前痴呆老人看护的质量较低。普适计算、情境感 表1系统设计中所涉及的库所、变迁和相应的颜色集 知的兴起给传统的计算模式带来了革新,本文结合情境感知技 片所/变迁 术,提出了为早期的痴呆老人构建一个智能的辅助系统 药时间到 老人在卧室休息 指导老人的日常生活行为,希望能够在一定程度上减轻照顾者 P=p)′=P”系统吃药检测完毕P17=p)0 系统服务完毕 的看护压力,提高痴呆老人的生活质量。本文案例中设计的场3-P3-P3老人未去取药 老人订阅了手机报 景如下 P4=D5=p系统吃药提示完毕 手机报发送时间到 Jodm患有早期的轻度老年痴呆症,容易忘记一些事情,需 电话响起 系统进行吃药检测 要系统对其辅助提示。比如当到了预设的吃药时间,系统进行 老人走向药箱 系统发出吃药提示 老人取错药物 糸统加强吃药提示 检测,如果John并未自己去吃药,系统则自动提示他去取药 系统警告完毕 系统警告其取错药 如果Jlm并未按提示去取药,则系统应该加强提示的级别和 老人离开药箱 系统加强告 程度。如果到吃药时间时,正好他的亲戚打来电话跟他聊天, 老人并未将药放回 系统检测卧室 考虑到不应该打扰病人的通话,因为这样的通话能让患者愉悦 午休时向到 系统开启睡眠模式 并且有助于记忆的恢复,所以系统并不提示Jh去吃药,当通 系统检测完毕 系统发送订阅信息 话完毕后再进行提示;但是如果通话时间过长,比如违反了医 表2给出的是活性分析结果。 Dead markings指的是死标 生嘱咐的要在饭后一小时内吃药的要求,此时考虑到John的志状态,在该标志下任何赋值变迁都是非使能的; dead transi 身体健康,系统应该主动提示Jlm结束通话,去拿药。 John正im指的是死的变迁,即该变迁在该模型中的任何发生序列中 走向药箱去取药,但此时系统通过药瓶感知到Jhn取错了药都无法发生。一般情况下死变迁的出现预示着设计的不合理, 或者取的药量不对,则系统应该快速主动发岀提示让他将药放可以去掉死变迁而不影响模型的动态行为。由结果看,本实验 回并重新拿药。如果Jhm并未将药放回,而是直接离开药箱,中的模型存在一个死变迁4,经过前而的分析可以发现,通过 则系统应该再次提示,并加强提示的级别。John吃完午饭后,复制情境库所可以避免这样的死变迁的发生。 系统检测到Joh在卧室准备午休,此时系统主动开启卧室的 表2状态空间分析报告——活性分析 眠模式,隔离噪声。Joh比较喜欢体育,如果他定制∫体育 新闻的手机报,到了定制时间系统会自动将信息发送到病人的 dead transition instances 手机上。 表3给出了每个库所的托肯的数量区间, 按照本文提出的reti网模型,可以得到该系统的模型结 表3状态空间报告——有界性分析 构,在 CPn Tools中表示为图4。系统中所涉及的库所、变迁以 best integer bounds upper lower 及相应的颜色集均列举在表1中。此外,考虑到尽可能让老人 Smart_ Carcgiver-Systcm'P1o 自己主动记起事情,减少提醒,模型中人为地给变迁加上∫廷 Smart_Caregiver_System 0 迟时间,使得提示不是立刻触发;有些情况,延迟的时间也可能 Smart_Caregiver_System Pll 0 是一个函数,比如图4屮的t4(@+ phone_time),此时的提示 Smart- Caregiver_? 应该待结束通话后才能发出,延迟时间是不确定的。 Snart_ Caregiver_ System'p13 0 本文利用 cPn Tools对图4所示的模型进行仿真模拟,通 art_ Caregiver_System P14 过库所随机产生的不同的托肯分布,对应了不同的网络初始状 Smart_Caregiver_System'PIs Smart Caregiver_System P16 态,即实际中所有叫能发生的情景。经过输入这些不同的情景 Smart_Caregiver_System'P1? 进行模拟,可以对所建立的模型进行结构分析,得到标准的状 Smart_ Caregiver-SysleimP18 态报告,从而看出是否存在死锁;同时也可以通过仿真的分析 Smart_Caregiver_System'P19 报告中,看出在仿真过程中系统行为的触发过程,通过人工分 Smart_ Caregiver_System'P2 析,发现设计中不合理的环节。 cPn Tools得出的仿真分析报 告有许多部分,限于篇幅原因,这里只分析其屮重要的几种:活 从实验结果可以看出,该模型中的库所满足有界性,模型 第2期 包杰,等:基于 Petri网的情境感知系统建模与仿真 ·625 是安全的,符合实际应用要求。 系统的需要 表4给出了在某一次的情景仿真模拟时的系统行为的分参考文献 析报告。从该实验结果中可以看出,在仿真时间@70时,系统(1MARw. The computers for the twenty-first century[J. Scientific 同时执行了为卧室开启睡眠模式( Open_Sleep mode)和发送订 American,1991,265(3):94-104 阅的手机报信息(Send_ Message)两个服务。通过人工分析容2] SCHILIT W N. A system architecture for context-aware mobile com 易发现,这两个行为同时进行是不合理的,因为老人在午休时, puting D]. New York: Columbia University, 1995 按照设计系统为卧室开启安静模式,有助于老人入眠,但此时[3] MIT Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory [EB/ 手机报的发送会干扰老人的休息,所以这两个服务之间存在着 Ol.http://oxvgen.lesmitcdu 潜在的不一致性。这种不一致性从静态的Peti网结构中是很4110HNs0NB, WINOGRAD T,OXA. Interactive workspaces[ 难发现的,只有在动态模拟运行时才可能显现出来。为了消除 Computer,2003,364):9-101 这种不协调,可以考虑将手机报服务先挂起,待老人休息完后,(5」Microsoftresearch[EB/OL,htp://research.microsof.com/ea 再对其进行发送。改进后的Pe网如图5所示,图中虚线框 16InstituteofHciandMultimediaEb/oL.http://media.cs.tsing 中内容为改进的结构设计。 表4仿真报告——系统行为分析 17 BRADLEY N A, DUNLOP M D. Toward a multi-disciplinary model count tme system action of context to support context-aware computing J. Human-Compu System Check@(1: Smart_ Caregiver System) ter Interaction, 2005, 20(4): 403-446 Prompl @(1: Snarl_ Caregiver SysleIn [8 BERTHOMIEL B, DIAZ M. Modeling and verific ation of time de 5 Warn@(1: SmartCaregiver_ Svstem) Strong_ Warn (a(I: Smart_Caregiver_ System) pendent systems using time Petri nets J|. IEEE Trans on Software check_ Bedroom (1: Smart_Caregiver_ System Engincering,1991,17(3):259-273 Open_ sleepMode @(1: Smart_Caregiver_System) [9 SCHILIT B N, THEIMER MM. Disseminating active map informa IJ. IEEE Network, 1994, 8(5): 22 10 BEER W, CHRISTIAN V, FERSCHA A. et al. Modeling context- aware behavior by interpreted ECA rules[ C]//Proe uf the 9th Inle nalional Euro-Par Conference. Klagenfurt: Springer-Verlag, 2003: 26- [11] JIANG Yue-ping, WANG Wei, SHI Bai-le. Model and behavioral delerninisIn theory for ECA rules[J. Joumal of Software, 1997.8 (3):190-196 [12 MCCARTHY D, DAYAL U. The architecture of an active database managemenl sy slem[ C//Prue of ACM SIGMOD International Cunft rence on Management of Data. New York, ACM Press. 1989. 215-224 图5经过改进优化后的模型设计 [13]PU Guo-lin, YANG Qing-ping, QIU Yu-hui, et aL. Semantic mate- hing of OWL-S service ontology based on semantic grid[ J]. Journal of Computer Science, 2008, 35(4): 162-164 5结束语 [14 SYCARA K, PAOLUCCI M, ANKOLEKAR A, et al. Automated discovery, interaction and com position of semantic Web services[J] 情境感知系统的逻辑结构描述了情境感知系统在特定的 Journal of Web Semantics, 2004, 1(1): 27-46 情境下提供相应服务的行为。在系统需求分析和逻辑设计阶151 JENSEN K. Colored Petri net; high level language for system and 段,通过模拟描述系统在各种情景下的运行行为,可以很大程 analysis[ M//ROZENBERG G. Advances in Petri Nets. 1990: 342 度地减轻开发人员在动态环境下的开发负担。本文提出了其 416 于Pe虻网的情境感知系统模型,通过对传统的Pei网模型进「16 PN Group af University of A arhus of Denmark. CPV Tools[ FB/ 行约束限制和形式上的扩充,使其能更好地满足于情境感知系 (2004-08-11).http://wiki.daimi.alldk/epntnols/cpntools.wiki 统的建模。接着本文进一步分析了该模型的特性,并在初始模17s0 NG Yue-tao, WANG Jin-tang. Overview of Chinese research on 型的基础上对于系统的一致性检测、去除冗余情境等优化改进 senile dementia in mainland China[ J]. Ageing Research Re 操作进行了深入的分析,提出了系统的一致性检测规则,最终 vIews,2010,8(7):6-12 保证了模型结构的合理性。考虑到情景的动态性等特点,本文 [18 HOEY J. Rapid specification and automated generation of prom ing systems to assist people with dementia[ J]. Pervasive and Mobile 结合仿真工具 cpn Tools提出了相应的仿真设计方法;最后通 Computing,2011,7(3):299-318 过近年来普适计算中一个比较热点的案例——痴呆老人智能 [19 HUA S, SEUNG JK, KAWANISHI N, et al. A context-aware remin- 铺助系统,对不文提出的模型和伤真方法进行了验证,证明了 ding system for daily activities of dementia patients[ C]//Proc of the 该方法的叮用性。目前本文的研究工作还处于初始阶段,提出 27th International Conferenee on Distributed Camputing Systems 的模型还需要进一步进行改进和扩展,以适应更多的情境感知 Workshops. Washington DC: IEEE Computer Society, 2007: 50

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