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交通信息物理融合系统的建模方法研究
| 论文题名： | 交通信息物理融合系统的建模方法研究 |
| 关键词： | 交通管理;信息物理融合系统;Petri网;形式化建模 |
| 摘要： | 信息物理融合系统（Cyber-Physical System，CPS）的建模中主要有统一模型理论、混合模型理论、基于事件驱动的建模理论、扩展模型理论四种理论，但前三种建模理论对于CPS所涉及连续的物理系统以及离散信息系统融合的表述兼容性较差且实现复杂度较高。在交通CPS的应用中，其本身既存在连续过程，又拥有离散操作。因此本文在扩展模型理论的基础上，对Petri网进行扩展改进，增强模型的表达能力，并用于交通CPS系统的建模，便于对其进行分析。该方法用于融合交通CPS建模中物理感知的连续过程与信息系统的离散状态，通过将连续因子以一定的方式融入离散状态之中，既可以分析物理事件对于信息系统的影响，又可以体现信息系统通过计算、控制、执行等实现改变物理世界的现象。本文的主要研究内容如下： （1）概述了CPS的特点和建模挑战，归纳总结出多种CPS建模方法，明确了信息系统结合物理系统建模的困难之处，因此选取形式化建模方法中的Petri网作为交通CPS的建模方法和工具。 （2）Petri网是对离散并行系统的数学表示，并且有图形化表示方法。为了使Petri网更好地描述CPS中的离散事件且兼容连续属性，我们在原型Petri网的基础上引入分层模型、着色集以及赋时属性，由此提出了一种分层着色赋时Petri网（Hierarchy Colored Timed Petri Net，HCTPN）模型。为了验证所提出模型的可用性，我们提出了三个实例并分别进行建模与分析，其中实例一针对车联网CPS结合前防撞预警系统进行建模，我们构造出整体的模型图，并对模型的合理性进行阐述；此外，实例二针对CPS智能小区停车系统，我们分别对停车场模型与CPS控制器进行建模，并且提出三种智能停车决策规则模型，同时予以可行性分析；最后，实例三针对城市BRT停靠系统，我们对BRT车辆与路面单位进行建模，同时结合实际的乘客上下车场景进行系统建模，根据对模型中的状态可达图进行分析，从而改良了BRT停靠系统模型。 （3）在验证环节中，我们首先对所扩展的HCTPN进行理论分析验证，确保拓展后的网络符合原型Petri网的性质。此外对上述三个实例分别进行了验证：首先，我们使用UPPAAL工具将实例一中的CPS行为描述为带有时钟和数据变量的自动机网络，我们在每个状态机的状态上都安排了时钟限制，以满足CPS的实时性，并进行死锁、可行性以及可达性检验；其次，我们对实例二中提出的三种智能决策的模型进行实验，证明提出的模型可以在合适的延迟范围内解决冲突问题；最后，实例三通过建模并模拟多乘客上车场景，最终实验表明所提出的改良模型可以解决乘客上下车的安全问题。 实验与验证结果表明本文提出的方法可以有效地运用于交通CPS的建模与分析中。 |
| 作者： | 陈浩铎 |
| 专业： | 计算机技术 |
| 导师： | 张立臣 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 广东工业大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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