自动驾驶云平台与大数据技术（一套基于Petri网络的分布式自动驾驶系统监控与调试工具）

自动驾驶云平台与大数据技术（一套基于Petri网络的分布式自动驾驶系统监控与调试工具）Petri网已被广泛用于建模、设计、执行和评估动态制造系统中的任务。作为一个简单的示例，图3显示了可用于“GET NEW BOX”任务的Petri网。即使图3中没有，也可以添加不同的Petri网机制（例如计时器）来处理一些常见问题。 Petri网络调试器。在执行任务时，可以使用此调试器监视相关Petri网的发展。 中央服务器上运行着三个模块： Petri网编辑器：该模块允许将任务定义为Petri网。这些任务包括可能由四个控制单元执行的命令。我们使用分层Petri网，其中Petri网中的命令可以是另一个命令的执行。事件可以由任何控制单元和任何其他任务（Petri网）产生。 最后，可以分析Petri网的安全性，有界性和活动性等属性。 Petri网调度器。任务由调度程序执行，该调度程序从XML定义文件加载Petri网络。然后根据当前标记解释执行命令的Petri网，并订阅可能演变加载的Petri网

引用

López Joaquín Diego Pérez Alejandro Santana-Alonso and Enrique Paz. "A Suite of Petri net based Tools for Monitoring and Debugging Distributed Autonomous Systems."

一、摘要

本文介绍了Petri网在一套工具中的应用，用以设计、分析、监控、记录和调试分布式控制系统的运行时协调。使用Petri网对分布式组件之间的交互进行建模。在运行应用程序之前，可以使用不同的Petri网分析工具对系统进行分析。在运行时，可以通过观察不同Petri网的演化过程，方便地监视分布式系统中不同组件之间的交互。除了监视之外，还可以检测系统以记录具有不同详细级别的状态更改。最后，图形化工具可用于逐步或以相同的运行速度可视化系统的演进。这些工具还允许转到特定的执行点并可视化全局系统的状态。

二、分布式控制系统

在分布式控制系统中，控制器元素不在位置中央。相反，它们分布在整个系统中，每个组件子系统都由一个或多个控制单元控制。整个控制器系统通过网络连接，以进行通信和监视。

图2显示了本文介绍的分布式控制单元以及协调和调试系统。有四个不同的控制单元，可以自主控制系统的不同元素：机器人，建筑设备，用户界面和拾取单元（传送带和工业机器人）。中央服务器负责分布式控制单元的协调，以执行不同的任务。

中央服务器上运行着三个模块：

Petri网编辑器：该模块允许将任务定义为Petri网。这些任务包括可能由四个控制单元执行的命令。我们使用分层Petri网，其中Petri网中的命令可以是另一个命令的执行。事件可以由任何控制单元和任何其他任务（Petri网）产生。 最后，可以分析Petri网的安全性，有界性和活动性等属性。

Petri网调度器。任务由调度程序执行，该调度程序从XML定义文件加载Petri网络。然后根据当前标记解释执行命令的Petri网，并订阅可能演变加载的Petri网的事件。

Petri网络调试器。在执行任务时，可以使用此调试器监视相关Petri网的发展。

三、不同控制单元间的协调

Petri网已被广泛用于建模、设计、执行和评估动态制造系统中的任务。作为一个简单的示例，图3显示了可用于“GET NEW BOX”任务的Petri网。即使图3中没有，也可以添加不同的Petri网机制（例如计时器）来处理一些常见问题。

在编辑器模式下，用户可以使用简单直观的Petri网图形编辑器创建新任务。 图3显示了编辑任务时的GUI。Petri网结构是通过选择并拖动不同的元素来创建的：位置，过渡，弧和标记。然后，必须定义动作（与位置和过渡相关）和条件（与过渡相关）。

动作可以是在图2的分布式控制体系结构中的任何控制单元中实现的命令。可以从GUI自动生成的菜单列表中选择这些命令。每个命令都是一条消息，用户必须定义命令参数，当在编辑器中选择该命令时，这些参数将自动出现在新的对话框窗口中。

条件可以是图2中任何模块产生的事件。这些事件也可以从GUI自动生成的菜单列表中选择。事件可以是消息的简单到达、可以是某个消息参数的条件、也可以是相同或不同消息上多个参数的任何逻辑表达式。

四、调试方法

1、模型检查

分析petri网的能力通常被认为是最重要的活动。通过对petri网的分析，设计者可以深入了解建模系统的行为和特性。有两种主要类型的分析可以在petri网上执行。第一个涉及到可达树的创建，第二个涉及到矩阵方程。由于可达树方法能够有效地解决安全性和有界性问题，所以首先选择了可达树方法。

如果网中的所有库所均安全，则Petri网被宣布为安全。 如果对于所有可能的标记，该库所的令牌数量从未超过一个，则该位置被称为安全。如果对于所有可能的标记，网中任何单个位置的令牌数量均不超过k，则Petri网为k界。

关于控制系统的一个有趣特性是活性，它与完全没有死锁有关。活性表示针对所有可能的可达状态迁移的能力。这意味着，无论选择哪种触发顺序，Petri网都可确保无死锁操作。

我们对行为分析实施的分析模块包括：

•状态空间分析：通过构建所有可到达标记的树来分析Petri网。然后可以分析可达树以确定Petri网的属性，例如可达性、有界性、死锁和安全性。

•不变分析：分析Petri网以确定P不变和T不变向量。

2、在执行期间监视系统

即使程序基于无故障算法，其实现也可能包含由于编码错误而引起的错误。分布式系统协调中也会出现类似情况。这就是说，我们可能会使用安全且实时的Petri网，但仍需要调试工具。

调度程序调度不同的控制单元动作和执行动作（其他Petri网），以及与产生的事件的同步。通过发布和订阅消息来执行与体系结构中其他控制单元的交互。启动时，调度程序同意任务执行或取消请求。在接收时无法执行的执行请求根据其优先级存储在不同的队列中。

新任务的执行是开始从pnml文件中加载被解释的petri网。然后，调度程序订阅事件中引用的所有消息。最后，设置初始标记，并执行与标记位置相关的行为。Petri网只能随着消息的到达或计时器的结束而发展。

每当Petri网的状态（启动，停止，演进）或等待队列的状态（添加或删除新请求）发生变化时，都会发出一条新消息，报告已发出更改以进行监视（图2中的调试器模块）。并存储在日志文件中以进行离线调试。

监视程序模式下的调试器模块订阅不同的调度程序消息，这些消息显示不同的正在运行或正在等待的Petri网络的状态。每个正在运行的Petri网都显示在一个带有当前标记的不同选项卡中，如图4所示当调度程序演变一个Petri网标记时，将发出新消息，并且调试器将更新Monitor选项卡。带有排队任务（Petri网）和消息的信息窗口也可以显示在图4所示的左侧选项卡式窗格中。

3、离线调试

调试分布式系统的一般方法是在系统运行时创建日志，然后离线分析日志，以减少对执行的干扰。

当日志数据量很大时，调试将以脱机方式进行。对bug的搜索必须采用有效的策略来选择哪些是相关的，哪些不是。然后，系统管理员可以在播放记录器模式下运行调试器，打开日志文件并以与实际执行相同的速度播放它。正在运行的Petri网的不同选项卡将显示为监视模式。用户还可以逐步监视日志文件。最后，用户可以看到有关IPC（进程间通信）消息的不同详细信息，包括消息字段中包含的信息。

图4显示了重播已记录的执行时的主要调试器。图4左侧的面板包括几个选项卡：一个选项卡中的Petri网信息，而另一个选项卡中的消息信息。右侧的面板显示了两个选项卡，它们对应于图中所示执行点处处于活动状态的两个Petri网。

直接从日志数据调试系统可能相当困难。然而，使用petri网调试器是一种很容易找到执行点的方法，在执行点上，系统的演化与它的设计不一致。此外，大量的bug最终会导致petri网被固定的标记所卡住。找到这一点并从中调试应用程序是很容易的。

五、总结和结论

本文的主要贡献是展示在分布式系统协调的设计和实现中使用Petri网的调试优势。

首先，它们可用于模型检查，以深入了解建模系统的行为和属性。其次，使用Petri网监视系统非常有帮助，我们可以在快照中观察系统状态。第三，分析执行期间记录的数据，用可视化界面描述petri网的演化过程，还可以跳到执行过程中的特定点并查看每条消息的数据。第四种是使用日志重播协调系统，同时调试其中一个单元，而不需要运行所有其他单元，只有当控制单元之间交换的所有消息都通过协调单元时，才能执行此操作。

在此分布式应用程序中，使用了三种不同类型的控制单元：

1、移动机器人控制单元管理移动机器人导航和监视自主任务。它通过Wi-Fi连接到Intranet。

2、建筑物控制单元管理建筑物设备，包括安全传感器和警报。

3、用户界面管理与用户的交互，从而允许他们监视移动机器人的活动并命令新的监视任务。

致谢

本文由浙江理工大学宁一璇翻译转述。

感谢国家自然科学基金项目（重点项目）智能软件系统的数据驱动测试方法与技术（61932012）资助