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

本文介紹了Petri網在一套工具中的應用，用以設計、分析、監控、記錄和除錯分散式控制系統的執行時協調。使用Petri網對分散式元件之間的互動進行建模。在執行應用程式之前，可以使用不同的Petri網分析工具對系統進行分析。在執行時，可以通過觀察不同Petri網的演化過程，方便地監視分散式系統中不同元件之間的互動。除了監視之外，還可以檢測系統以記錄具有不同詳細級別的狀態更改。最後，圖形化工具可用於逐步或以相同的執行速度視覺化系統的演進。這些工具還允許轉到特定的執行點並可視化全域性系統的狀態。

二、分散式控制系統

在分散式控制系統中，控制器元素不在位置中央。相反，它們分佈在整個系統中，每個元件子系統都由一個或多個控制單元控制。整個控制器系統通過網路連線，以進行通訊和監視。

圖2顯示了本文介紹的分散式控制單元以及協調和除錯系統。有四個不同的控制單元，可以自主控制系統的不同元素：機器人，建築裝置，使用者介面和拾取單元（傳送帶和工業機器人）。中央伺服器負責分散式控制單元的協調，以執行不同的任務。

中央伺服器上執行著三個模組：

Petri網編輯器：該模組允許將任務定義為Petri網。這些任務包括可能由四個控制單元執行的命令。我們使用分層Petri網，其中Petri網中的命令可以是另一個命令的執行。事件可以由任何控制單元和任何其他任務（Petri網）產生。 最後，可以分析Petri網的安全性，有界性和活動性等屬性。

Petri網排程器。任務由排程程式執行，該排程程式從XML定義檔案載入Petri網路。然後根據當前標記解釋執行命令的Petri網，並訂閱可能演變載入的Petri網的事件。

Petri網路偵錯程式。在執行任務時，可以使用此偵錯程式監視相關Petri網的發展。

三、不同控制單元間的協調

Petri網已被廣泛用於建模、設計、執行和評估動態製造系統中的任務。作為一個簡單的示例，圖3顯示了可用於“GET NEW BOX”任務的Petri網。即使圖3中沒有，也可以新增不同的Petri網機制（例如計時器）來處理一些常見問題。

在編輯器模式下，使用者可以使用簡單直觀的Petri網圖形編輯器建立新任務。 圖3顯示了編輯任務時的GUI。Petri網結構是通過選擇並拖動不同的元素來建立的：位置，過渡，弧和標記。然後，必須定義動作（與位置和過渡相關）和條件（與過渡相關）。

動作可以是在圖2的分散式控制體系結構中的任何控制單元中實現的命令。可以從GUI自動生成的選單列表中選擇這些命令。每個命令都是一條訊息，使用者必須定義命令引數，當在編輯器中選擇該命令時，這些引數將自動出現在新的對話方塊視窗中。

條件可以是圖2中任何模組產生的事件。這些事件也可以從GUI自動生成的選單列表中選擇。事件可以是訊息的簡單到達、可以是某個訊息引數的條件、也可以是相同或不同訊息上多個引數的任何邏輯表示式。

四、除錯方法

1、模型檢查

分析petri網的能力通常被認為是最重要的活動。通過對petri網的分析，設計者可以深入了解建模系統的行為和特性。有兩種主要型別的分析可以在petri網上執行。第一個涉及到可達樹的建立，第二個涉及到矩陣方程。由於可達樹方法能夠有效地解決安全性和有界性問題，所以首先選擇了可達樹方法。

如果網中的所有庫所均安全，則Petri網被宣佈為安全。 如果對於所有可能的標記，該庫所的令牌數量從未超過一個，則該位置被稱為安全。如果對於所有可能的標記，網中任何單個位置的令牌數量均不超過k，則Petri網為k界。

關於控制系統的一個有趣特性是活性，它與完全沒有死鎖有關。活性表示針對所有可能的可達狀態遷移的能力。這意味著，無論選擇哪種觸發順序，Petri網都可確保無死鎖操作。

我們對行為分析實施的分析模組包括：

•狀態空間分析：通過構建所有可到達標記的樹來分析Petri網。然後可以分析可達樹以確定Petri網的屬性，例如可達性、有界性、死鎖和安全性。

•不變分析：分析Petri網以確定P不變和T不變向量。

2、在執行期間監視系統

即使程式基於無故障演算法，其實現也可能包含由於編碼錯誤而引起的錯誤。分散式系統協調中也會出現類似情況。這就是說，我們可能會使用安全且實時的Petri網，但仍需要除錯工具。

排程程式排程不同的控制單元動作和執行動作（其他Petri網），以及與產生的事件的同步。通過釋出和訂閱訊息來執行與體系結構中其他控制單元的互動。啟動時，排程程式同意任務執行或取消請求。在接收時無法執行的執行請求根據其優先順序儲存在不同的佇列中。

新任務的執行是開始從pnml檔案中載入被解釋的petri網。然後，排程程式訂閱事件中引用的所有訊息。最後，設定初始標記，並執行與標記位置相關的行為。Petri網只能隨著訊息的到達或計時器的結束而發展。

每當Petri網的狀態（啟動，停止，演進）或等待佇列的狀態（新增或刪除新請求）發生變化時，都會發出一條新訊息，報告已發出更改以進行監視（圖2中的偵錯程式模組）。並存儲在日誌檔案中以進行離線除錯。

監視程式模式下的偵錯程式模組訂閱不同的排程程式訊息，這些訊息顯示不同的正在執行或正在等待的Petri網路的狀態。每個正在執行的Petri網都顯示在一個帶有當前標記的不同選項卡中，如圖4所示當排程程式演變一個Petri網標記時，將發出新訊息，並且偵錯程式將更新Monitor選項卡。帶有排隊任務（Petri網）和訊息的資訊視窗也可以顯示在圖4所示的左側選項卡式窗格中。

3、離線除錯

除錯分散式系統的一般方法是在系統執行時建立日誌，然後離線分析日誌，以減少對執行的干擾。

當日志資料量很大時，除錯將以離線方式進行。對bug的搜尋必須採用有效的策略來選擇哪些是相關的，哪些不是。然後，系統管理員可以在播放記錄器模式下執行偵錯程式，開啟日誌檔案並以與實際執行相同的速度播放它。正在執行的Petri網的不同選項卡將顯示為監視模式。使用者還可以逐步監視日誌檔案。最後，使用者可以看到有關IPC（程序間通訊）訊息的不同詳細資訊，包括訊息欄位中包含的資訊。

圖4顯示了重播已記錄的執行時的主要偵錯程式。圖4左側的面板包括幾個選項卡：一個選項卡中的Petri網資訊，而另一個選項卡中的訊息資訊。右側的面板顯示了兩個選項卡，它們對應於圖中所示執行點處處於活動狀態的兩個Petri網。

直接從日誌資料除錯系統可能相當困難。然而，使用petri網偵錯程式是一種很容易找到執行點的方法，在執行點上，系統的演化與它的設計不一致。此外，大量的bug最終會導致petri網被固定的標記所卡住。找到這一點並從中除錯應用程式是很容易的。

五、總結和結論

本文的主要貢獻是展示在分散式系統協調的設計和實現中使用Petri網的除錯優勢。

首先，它們可用於模型檢查，以深入了解建模系統的行為和屬性。其次，使用Petri網監視系統非常有幫助，我們可以在快照中觀察系統狀態。第三，分析執行期間記錄的資料，用視覺化介面描述petri網的演化過程，還可以跳到執行過程中的特定點並檢視每條訊息的資料。第四種是使用日誌重播協調系統，同時除錯其中一個單元，而不需要執行所有其他單元，只有當控制單元之間交換的所有訊息都通過協調單元時，才能執行此操作。

在此分散式應用程式中，使用了三種不同型別的控制單元：

1、移動機器人控制單元管理移動機器人導航和監視自主任務。它通過Wi-Fi連線到Intranet。

2、建築物控制單元管理建築物裝置，包括安全感測器和警報。

3、使用者介面管理與使用者的互動，從而允許他們監視移動機器人的活動並命令新的監視任務。

感謝國家自然科學基金專案（重點專案）智慧軟體系統的資料驅動測試方法與技術（61932012）資助