Petri网原理与应用(袁崇义)PDF-书签带目录

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1) 书签带目录,PDF版 2) Petri网是一种适合于描述异步并发现象的系统模型,它既有严格的数学定义,又有直观的图形表示,既有丰富的系统描述手段和系统行为分析技术,又为计算机科学提供坚实的概念基础。 本书是对《Petri网原理》一书的修订,增加了大量的Petri网应用的内容。电梯控制系统是一个完整的应用实例,充分展示了Petri网描述异步并发特征的作用。Petri网与计算机程序系统的差异阻碍了Petri网在计算机科学中的应用。针对这一差异引入的变量类状态元素和相应的变迁规则,使扩充后的Petri网成为系统规范和程序系统语义描述的工具。这一工具与同步论的结合,在工作流应用和工作流工具开发
高等学校规划教材 Petri网原理与应用 袁崇义著 電子工業出版社 Publishing House of Electronics Industry 北京 BEIJING 内客简介 Peti网是一种适合于描述异步并发现象的系统模型,它既有严格的数学定义,又有直观的图形表示,既 有丰富的系统描述手段和系统行为分析技术,又为计算机科学提供坚实的概念基础。 本书是对《Petn网原理》→书的修订,增加了大量Pen网应用的内容。电梯控制系统是一个完整的应用 实例,充分展示了Petn网描述异步并发特征的作用。Peti网与计算机程序系统的差异阻碍了Pet网在计算 机科学中的应用。针对这一差异引入的变量类状态元素和相应的变迁规则使扩充后的Pem网成为系统规 范和程序系统语义描述的工具。这一工具与同步论的结合,在工作流应用和工作流工具开发中已有很好的应 用 本书是作者多年讲授和研究Petn网的结果。全书分为4篇:入门篇介绍Peui网基本观点及基本定义; 系统篇介绍三种网系统并分别定义事件间的基本现象顺序并发冲突冲撞等),给出网系统的分析技术和 层次化技术;理论篇包括条件事件系统同步论网逻辑信息流结构网拓扑和并发论;应用篇包括电梯控制 系统,C-net,工作流模型。坚实的理论基础是Pet网区别于其他系统模型的主要特征。 本书以理论为指导以应用为目标包含大量实例和图示适合计算机及通信、自控等专业高年级学生和 研究生用作教材和自学参考书,也可供教师科研人员及工程技术人员参考。 未经许可,不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。 版权所有,侵犯必究。 图书在版编目(CIP数据 Petn网原理与应用/震崇义著一北京:电子工业出版社,20053 高等学校规划教材 ISBN7121009706 I.P…Ⅱ.袁…Ⅲ.计算机网络-高等学校-教材Ⅳ.TP393 中国版本图书馆CIP数据核字(2005第013487号 策划编辑:童占梅 责任编辑:童占梅 印刷:北京李史山胶印厂 出版发行:电子工业出版杜 北京市海淀区万寿路173信箱邮编100036 经销:各地新华书店 开本:787×1021/6印张:18.75字数:473千字 印次:2005年3月第1次印刷 印数:4000册定价:3200元 凡购买电子工业出版社的图书,如有缺损问题请向购买书店调换。若书店售缺,请与本社发行部联系。 联系电话:(010)68279077。质量投诉请发邮件至zts@phei.com.cn,盗版侵权举报请发邮件至dq@phei 新版说明 由中国计算机学会教育专业委员会和全国高等学校计算机教育研究会(简称“两会”)组织 和推荐,自1996年起电子工业出版社出版了基于CC1991教程的15本系列教材。该系列教 材受到高校师生和读者的普遍欢迎和肯定,其中有11本入选1996-2000年全国工科电子类 专业“九五”国家规划教材。 几年过去了,计算机学科又有了很大发展。 IEEE-CS/ACM联合计算教程专题组,组织世 界各国150多位专家,历时3年多,在美、欧、亚召开了一系列会议,在CC991的基础上,发布 了“ Computing curricula2001 Computer Science Final Report”(简称CC2001)。专家们认为:随 着计算(机)学科技术的迅速发展,使得现有的任何一所学校的计算机专业都很难再像CC1991 所提到的那样能够覆盖计算(机)学科的所有知识领域。所以需按市场需求将计算(机)学科 划分为4个主要分支:计算机科学、计算机工程、软件工程和信息系统。其中计算机科学是各 分支的基础,CC2001正是基于计算机科学制定的。我国“两会”追踪CC2001,经过3年多的工 作,最后以中国计算机科学与技术教程2002研究组的名义推出了“ China Computing Curricula 2002”(简称CC2002)。CC2001与CC1991比较有以下几个方面的变化: (1)将CC1991确定的11个主领域扩展为14个主领域:离散结构、编程基础、算法与复杂 性、计算机组织与体系结构、操作系统、网络计算、编程语言、人-机交互、图形学与可视化计算、 智能系统、信息管理职业与社会问题软件工程数值计算。对各主领域的名称、核心内容及 选学内容都进行了调整和扩充。 (2)提出了课程的组织结构和实现策略。课程分为3类:人门(基础)课程、核心(必修)课 程和附加(选修)课程。入门课程可按编程、算法和硬件优先等多种方式组织,使学生能够接触 到计算机系统的设计构造和应用,为学生提供实用性的技能训练同时还应提高学生的兴趣 和智慧;核心课程的组织可按传统、压缩、系统或网络方法进行特别强调贯彻CC191提出的 3个过程、12个重复概念、职业与社会的关系等方法论思想;此外,还应设置一些介绍热门或前 沿技术的附加课程。 (3)更加强调学生的专业实践,要求把专业实践放在重要位置,并贯穿于教学的全过程。 这次对系列教材的全面修版,力求反映计算(机)学科发展的最新成就,并力争符合 CC200和CCC2002所提出的要求及高校课程和教学改革的需要。这套教材的对象为本科 生、研究生和高职高专生(通过删减使用),信息技术领域的从业人员也可使用。 为了保证编审和出版质量,编委会进行了调整,电子工业出版社成立了编辑出版小组。在 教材工作的基础上,编委会对教材大纲逐一进行了认真讨论和评审,其中一些关键性和难度 较大的教材还进行了多次讨论和修改。 限于水平和经验,教材中还会存在缺点和不足,希望读者提出中肯的批评和建议。读者可 以通过电子工业出版社华信教育资源网站htp:/www.hxedu.com.cn反馈信息并发表意见, 我们在此表示衷心的感谢! 教材编委会 教材编委会 主任杨文龙北京航空航天大学 常委张吉锋上海大学 朱家铿东北大学 龚天富电子科技大学 袁开榜重庆大学 委员陈传波华中科技大学 傅清祥福州大学 俸远祯电子科技大学 古天龙柱林电子工业学院 李建中哈尔滨工业大学 刘乃琦电子科技大学 王文辉东北大学 陆枫华中科技大学 王晓东福州大学 王永军东北大学 王玉龙北方工业大学 徐洁电子科技大学 徐炜民上海大学 杨心强解放军理工大学 袁崇义北京大学 张璟西安理工大学 章振业北京航空航天大学 朱一清东南大学 童占梅电子工业出版社 胡先福电子工业出版社 前言 本书之基础是电子工业出版社1998年出版的《Peti网原理》一书。新书除原理外,突出 了 Petri网应用,特别是理论指导下的应用。 Petn网的成功应用要求使用者有两方面的造诣:对 Petri网原理及技术准确而深入的理 解和把握,对应用领域及应用问题细致而深入的认识和分析。 本书应用篇包括N部电梯的控制问题和工作流领域的模型、分析和实现。与传统的全局 控制不同,Peti网的局部确定思想和异步并发特点在电梯控制系统的设计与分析中表现出自 已特有的优势和魅力。电梯控制系统还充分揭示了Pet网系统对细节的精确描述带来的负 面效果:节点过多,系统繁琐而不易分析。针对特定领域定义专用的概念和结构以屏蔽细节不 仅是可能的,也是必须的。没有细节就没有正确性,所以细节正确是屏蔽的前提。 工作流领域的工作是作者与北京大学软件工程中心(及其公司)合作研究的结果。研究的 基础是他们已经完成并投人使用的北京市属某局的工作流系统。他们在工作实践中提出了问 题,特别是如何使用荷兰学者Alst等定义的工作流网( WF net的问题。在我们的讨论班上 我熟悉了工作流,也熟悉了工作流网我们不仅发现了工作流网及其相关概念的若干不合理之 处,后来还在 Aalst和他的同事K. van hee共同撰写的 Workflow Management,》书中找到了 这些不合理之处的症结所在。 Wil van der aalst等人的工作代表了20世纪90年代以来Pet网应用的主要成就之 因为全世界目前基于Peti网的工作流研究几乎没有不受其影响的。 Aalst等人研究工作的特 点是以传统的Petn网系统为基础提出针对特定领域的网模型,借助原有的系统性质(活性、 有界性等)来定义新的性质(如 WF- net的 soundness),借助原有分析技术来完成分析(如计算 T不变量等)。可惜 Aalst等人对Pet网的基本原理不甚熟悉,也不了解通用网论,他们的工 作也就欠缺了理论的指导。由于其着眼点集中在技术层面上作研究,使得他们的研究成果 (WF-net及相关概念)带有先天的不足和概念上的模糊。 作者2004年2月底曾有幸见到Aast本人,当时他来华参加清华大学出版社为他的 《 Workflow Management一书中译本出版举行的首发式。清华大学王健民教授组织了一个一 天的工作流研讨会,使我有机会与他交谈。当我问到他对同步论等通用网论分支的看法时,发 现他对这些并无了解,自然也就谈不上以此作为指导。熟悉工作流的读者应该熟悉 Aalst的 工作流网,不妨与本书对工作流的建模、分析和实现作一个比较。同样是以 Petri网为基础,得 到了完全不同的结果。不能说我们的工作就没有毛病,但是我们在理论的指导下至少已经避 免了只着眼于技术必然会产生的若干错误。重要的并不是我们在工作流方面已经取得的成 果,而是以理论为指导的方法。理论的作用有时候体现在你对问题的认识深度和分析方法上, 而不是把公式或者公理写在你的论文里。 着眼于技术层面的研究方法是20世纪90年代以来 Petri网发展的主流。例如现在文献 中流行的有色网系统的定义实质是把 ○口○和○○ l2 映射成 即p1,力3→51,p2→52,p4→54,t1,t→t。这一映射不是折叠,而且其逆映射是不连续(网拓 扑定义下)的。作者认为,可以把这种映射看成屏蔽细节的结构变换,而有色网的定义还是以 PT-系统的折叠为宜。这就是作者没有从众修改书中有色网定义的原因。 2003年10月, Carl adam petri教授本人来华访问在香山饭店作了一周的学术演讲和一 周的自由交流。 Carl adam是中国人民真正的朋友,年近80的 Carl adam将他多年的科研成 果特别是尚未发表的成果首先在中国宣讲,让中国人先知道,这实在令我们感动。可惜作者 水平有限,也不能在他本人发表之前将他的研究成果收在本书中。作者仅以此书作为庆祝他 80诞辰(生于1926年2月26日)的礼物,提前敬献在他面前,以表达感激之情。 本书分为4篇除前面提到的应用篇外,系统篇和理论篇基本上与《Peti网原理》一书相 同,只是作了一些文字上的修正和补充。入门篇增加了阐述基本观点的第1章,还包括原书中 介绍网系统实例的一章。基本观点是理解Petn网的基础,也是文献和Pet网书刊中几乎不 讨论的内容。《Peti网原理》一书中将这些观点分散在各章节,这次集中在一起,并以作者多 年教学的新体会加以丰富。不熟悉Pet网的读者不妨从第2章入手,到读完系统篇以后再体 会第1章的观点。 计算机程序系统的状态元素是变量。变量的值是数据,数据有结构。Petn网的状态元素 是库所( place),库所的“值”是托肯( token),托肯只计个数,没有结构(有色托肯也没有结构)。 从数据的角度看库所的“值”为非负整数;从运算的角度看库所只允许非负整数的加和减。 库所的这些特点与变量允许的丰富的数据结构和数学运算相差甚远限制了Petn网描述程序 系统的能力。此外,变量允许读写两种操作,而且允许并行读同一个变量;库所只允许一种访 问形式对托肯个数的加和减,都只考虑托肯数量的限制,不考虑计算机存储器的限制。 P/T系统的伴随库所从数值变化的角度可以描述读操作,但这种“读”不允许并行(参看变迁 规则)。总之要描述程序变量库所不是合适的选择。本书在介绍工作流模型时,定义了一种 C-net,用于描述异步并发的程序系统,其中字母C代表 computing。由于Peti网系统分析技 术中所包含的覆盖树、不变量等,不能直接用于C-net,所以没有把Cnet放在高级网系统一 章来介绍。Cnet的研究和应用还需要进一步的努力。 作者曾考虑在本书增加时间网和随机网两种系统的内容但还是放弃了。原因是,一来作 者对这两种系统没有深入的了解,不敢悍然动笔;二则实在还看不出如何解决这两种系统的实 现问题;再者,本书的目标只是Pet网理论和应用基础,不可能将涉及Petn网的内容全部包 括在内 正如Pet网原理》书前言中所表达的作者十分感谢电子工业出版社、国家自然科学 基金委员会及东南大学对Petr网研究一贯的支持。北京航空航天大学杨文龙教授对书稿的 推荐、审阅及建议是作者一直铭记在心的。 作者还要特别感谢北京大学国家软件工程中心,感谢王立福、张世琨赵文等同事和同学, 正是与他们的合作,使作者完成了工作流的研究。感谢北京大学信息科学学院软件研究所理 论研究室的屈婉玲、王捍贫等同事及周国富、余鹏、黄雨、霍金健等同学的支持,感谢清华大学 软件学院王健民计算机系王生原的支持和协作。感谢中科院数学所陆汝钤、韦梓楚等老同事 长期的帮助和支持。 作者衷心感谢 Carl Adam Petr教授,没有他30多年来的帮助和指导,就不会有这本反映 作者大半生成就(如果能称为成就的话)的著作。 关于本书的最新勘误表请访问htt://www.theory.cs.pku.edu.cn/yey/。 袁崇义 2004年11月于北京大学 原《Petr1网原理》一书前言 1962年,联邦德国的 Carl adam petri在他的博土论文《用自动机通信》中首次使用网状结 构模拟通信系统。这种系统模型后来以 Petri网为名流传。现在,Petr网一词既指这种模型, 又指以这种模型为基础发展起来的理论。有时又把Peri网称为网论( net theory)。 30多年来Petn网应用和Pe网理论都有了长足的进步。其发展过程大体可分为三个 阶段。 20世纪60年代, Petri网的研究以孤立的网系统为对象,以寻求分析技术和应用方法为目 标。这些内容称为特殊网论( special net theory)。此处“特殊”是与“一般”或“通用”比较而言, 指的就是孤立的网系统个体 通用网论( general net theory)的研究始于20世纪70年代初。以 Carl Adam petri为核心 的一批科学家以网系统的全体为对象,研究其分类及各类网之间的关系,发展了以并发论 ( concurrency)、同步论( synchrony)、网逻辑( eulogy)和网拓扑( net topology)为主要内容的理论 体系。1979年的首届夏季培训班是对1962年以来的研究成果的总结,讲稿集结成书,由 Spring-Verlag出版社以LNCS84的形式出版发行,至今此书仍有重要参考价值。现在称为国 际Peti网学术交流会,当时称为欧洲交流会的学术年会就从次年开始,至今已是第十七届了。 20世纪80年代开始为Pet网综合发展阶段,以理论与应用的结合及计算机辅助工具的开 发为主要内容。1986年的第二届夏季培训班是又一次阶段性总结讲稿集结为LNCS254和255 两卷。 好的系统模型不仅要有充分的模拟能力和丰富的分析方法,还应该便于使用。越来越多 的人转而采用Peti网,原因就在于此。 已证明Petn网的模拟能力与图灵机( Turing machine)等价。 Petri网应用已涉及计算机 科学的各个领域,例如线路设计、网络协议、软件工程、人工智能、形式语义、操作系统、并行编 译数据管理等。Peti网与OO技术和多媒体技术的结合也具有很大的潜力。 Pet网是一种可用图形表示的组合模型,具有直观、易懂和易用的优点,对描述和分析并 发现象有它独到的优越之处。 Pet网是一种可用图形表示的数学对象,借助数学开发的Pet网分析方法和技术既可 以用于静态的结构分析,又可以用于动态的行为分析。 Peti网的目标并不是在众多的系统模型中添加一个新成员。Petr网丰富而深刻的理论 使它有别于任何其他的系统模型。W. Brauer教授在庆祝 Carl Adam Petri教授60岁生日的演 讲中指出,Petn网的发展必将为信息论奠定坚实的理论基础。 但有不少人只是被Pet的图形表示所吸引,匆匆忙忙拿来应用。由于不了解Pet网的 基本原理,许多应用都是从定义自己的所谓新型Pet网入手。有针对性地定义特定领域的专 用 Petri网不仅是可以的,而且是应该的。但这种定义需在基本原理的指导下进行。 本书围绕Pet网基本原理分上、下两篇介绍应用和理论两方面的基础知识。上篇以应用 为背景,从实例人手,引人Petr网的基本思想和网系统的基本要素然后按照从具体到抽象的 Ⅵ

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