基于Petri網(wǎng)的ETC高速收費(fèi)系統(tǒng)優(yōu)化分析

劉靜 王麗麗 劉祥偉

摘要：業(yè)務(wù)流程的建模是業(yè)務(wù)管理的核心內(nèi)容之一，對(duì)業(yè)務(wù)流程進(jìn)行建模優(yōu)化分析顯得尤為重要.本文給出了基于Petri網(wǎng)的ETC高速收費(fèi)流程模型的優(yōu)化分析方法.首先結(jié)合實(shí)際ETC高速收費(fèi)系統(tǒng)，分析流程模型中活動(dòng)間的間接關(guān)系，找出源流程模型中存在的問(wèn)題，然后對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化.最后利用PIPE軟件驗(yàn)證其合理性.

關(guān)鍵詞：Petri網(wǎng);行為輪廓;優(yōu)化;ETC高速收費(fèi)系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.9? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1673-260X（2019）02-0056-03

1 引言

隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展及其廣闊的應(yīng)用前景，Petri網(wǎng)建模已經(jīng)成為分析解決業(yè)務(wù)流程問(wèn)題的常用方法.在建模過(guò)程中可能會(huì)由于實(shí)際問(wèn)題復(fù)雜交互而出現(xiàn)不適用的情形，則此時(shí)根據(jù)Petri網(wǎng)的性質(zhì)和行為輪廓進(jìn)行建模優(yōu)化就變得極其重要，解決模型的適用性成為建模優(yōu)化的核心問(wèn)題.

目前，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)行為輪廓建模的優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)[1]介紹了Petri網(wǎng)的相關(guān)定義和基本原理，以及這些定義和原理在實(shí)際生活建模中的應(yīng)用.文獻(xiàn)[2]提出將兩個(gè)業(yè)務(wù)流程模型事物的驅(qū)動(dòng)關(guān)系合并成一個(gè)單一的過(guò)程模型，并將該模型進(jìn)行優(yōu)化，使得流程的模型優(yōu)化不僅局限在最初的原始模型中，而是使活動(dòng)之間存在間接的交互關(guān)系，該方法現(xiàn)已用于技術(shù)分析和過(guò)程挖掘中.文獻(xiàn)[3]介紹了一種Petri網(wǎng)可達(dá)性檢查技術(shù)，并給出了利用組合性來(lái)提高Petri網(wǎng)性能的一些具體例子.文獻(xiàn)[4]針對(duì)服務(wù)交互過(guò)程中出現(xiàn)的間接行為關(guān)系的情況，提出了一種基于綜合的行為輪廓的間接約束條件下的行為交互的研究方法，研究了綜合的行為輪廓，并將其用于服務(wù)交互的有效行為關(guān)系的選擇過(guò)程中，該方法拓展了已有方法僅考慮直接交互行為關(guān)系的情況.文獻(xiàn)[5]介紹了ETC收費(fèi)系統(tǒng)在高速公路收費(fèi)流程的應(yīng)用以及普遍存在的一些問(wèn)題，在結(jié)合國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了完善我國(guó)ETC高速收費(fèi)流程的相應(yīng)對(duì)策.文獻(xiàn)[6]針對(duì)高速電子不停車(chē)收費(fèi)系統(tǒng)存在的交通擁堵、易發(fā)生交通事故、充值不便等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一套基于OBU接收機(jī)與NFC充值的電子收費(fèi)系統(tǒng).

本文根據(jù)高速不停車(chē)電子收費(fèi)系統(tǒng)的實(shí)際工作原理，以Petri網(wǎng)行為輪廓為基礎(chǔ)，提出了一種ETC高速收費(fèi)系統(tǒng)的優(yōu)化模型.文章第一部分介紹了Petri網(wǎng)中相關(guān)定義和基本原理，以及行為輪廓的基本定義.第二部分結(jié)合實(shí)際高速ETC收費(fèi)情況，給出ETC高速收費(fèi)系統(tǒng)Petri網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖，并對(duì)現(xiàn)有的收費(fèi)系統(tǒng)進(jìn)行分析，找出其中不合理的地方，再結(jié)合Petri網(wǎng)以及行為輪廓的相關(guān)知識(shí)加以改進(jìn)，得出優(yōu)化后的ETC高速收費(fèi)系統(tǒng)模型并對(duì)該模型進(jìn)行分析，從而避免了實(shí)際收費(fèi)情況中會(huì)出現(xiàn)的一些問(wèn)題.第三部分對(duì)給出的Petri網(wǎng)收費(fèi)系統(tǒng)模型驗(yàn)證了其合理性，進(jìn)而得出該ETC收費(fèi)系統(tǒng)優(yōu)化模型是合理的.文章最后總結(jié)了全文得出結(jié)論并展望了未來(lái)關(guān)于Petri網(wǎng)的ETC收費(fèi)系統(tǒng)的研究方向.

2 基本概念

定義1[7]（流程模型Petri網(wǎng)） 流程模型Petri網(wǎng)PN=（P，T，F(xiàn)，C）是一個(gè)四元組滿(mǎn)足以下條件：

定義3[1]（可達(dá)性） 設(shè)N=（P，T;F，M）為Petri網(wǎng)，如果存在t∈T使M[t>M']則稱(chēng)M'為從M直接可達(dá)的.如果存在變遷序列t1，t2，…，tk和標(biāo)識(shí)序列M1，M2，…，Mk使得M[t1>M1[t2>M2…Mk-1[tk>Mk，則稱(chēng)Mk是從M可達(dá)的.從M可達(dá)的一切標(biāo)識(shí)的集合記為R（M）.

定義4[8]（行為輪廓） 設(shè)（N，M0）是一個(gè)網(wǎng)，初始標(biāo)識(shí)為M0，將所有關(guān)系的集合稱(chēng)為網(wǎng)系統(tǒng)的行為輪廓，記作BP{→，→-1，+，‖}，對(duì)任給的變遷對(duì)（t1，t2）∈（T×T）滿(mǎn)足下面關(guān)系：

3 基于Petri網(wǎng)的ETC高速收費(fèi)流程模型優(yōu)化分析

通過(guò)分析研究我國(guó)的交通壓力和汽車(chē)的飛速增加，對(duì)我們的環(huán)境造成的污染日漸增加等，就當(dāng)下的收費(fèi)方式已經(jīng)滿(mǎn)足不了高速交通壓力，應(yīng)用ETC收費(fèi)系統(tǒng)有效地緩解了這些問(wèn)題，大大提高了通行效率.

基本的ETC收費(fèi)流程如圖1所示，在高速公路行駛的車(chē)輛分為兩種情況ETC用戶(hù)t2和普通用戶(hù)t3，t2和t3是排他序關(guān)系，記作t2+t3.ETC用戶(hù)可以自由選擇ETC入口或普通入口，即t2引發(fā)t4和t6，t4和t6也是排他序關(guān)系（t4+t6），若t4發(fā)生，引發(fā)t5入口掃描，t4和t5是嚴(yán)格序關(guān)系，記作t4→t5.若t6發(fā)生，引發(fā)t7刷ETC卡，t6和t7也是嚴(yán)格序關(guān)系（t6→t7）.t5和t7的發(fā)生都可以引發(fā)t9進(jìn)入高速，此時(shí)，ETC用戶(hù)可以自由選擇ETC出口和普通出口，即t9引發(fā)t10，t11且t10，t11是排他序關(guān)系（t10+t11）.假若選ETC出口則引發(fā)t12，t13和t14是排他序關(guān)系（t13+t14），若余額充足則交易成功，車(chē)輛通過(guò)，即t13依次引發(fā)t18，t19且是嚴(yán)格序關(guān)系（t13→t18→t19）.若余額不足則離開(kāi)ETC車(chē)道進(jìn)入普通車(chē)道，現(xiàn)金支付，即t14引發(fā)t15，t16也為嚴(yán)格序關(guān)系（t14→t15→t16），假如選普通出口則出口處刷ETC卡，即t11引發(fā)t17.t16，t17也都能引發(fā)t18，t19.普通用戶(hù)只能通過(guò)普通入口領(lǐng)卡進(jìn)入高速，普通出口支付現(xiàn)金通過(guò)高速，即t3發(fā)生進(jìn)而依次引發(fā)t8，t9，t11，t16，t18，t19.

由以上可以看出，ETC用戶(hù)如按圖1模型行駛，則存在安全隱患.當(dāng)ETC用戶(hù)選擇ETC出口但余額不足時(shí)，此時(shí)離開(kāi)ETC車(chē)道進(jìn)入普通車(chē)道進(jìn)行現(xiàn)金交易，這一措施在實(shí)際生活中可行性比較小，容易造成交通事故.針對(duì)這種情況，用Petri網(wǎng)的相關(guān)運(yùn)行規(guī)則，通過(guò)增加相關(guān)的控制結(jié)構(gòu)對(duì)原模型進(jìn)行優(yōu)化如圖2所示.

圖2中優(yōu)化部分主要從ETC用戶(hù)進(jìn)入高速后該如何選擇哪個(gè)出口通過(guò)高速進(jìn)行考慮，即對(duì)ETC車(chē)載單元obu進(jìn)行改進(jìn)，使其具有對(duì)行駛車(chē)輛時(shí)時(shí)計(jì)費(fèi)的功能，根據(jù)車(chē)輛行駛路程以每公里0.5元計(jì)費(fèi)并計(jì)算出ETC卡里余額，當(dāng)余額充足（≥10）時(shí)，obu不會(huì)發(fā)出響聲，此時(shí)可以選擇ETC出口通過(guò)高速且不會(huì)在ETC出口處出現(xiàn)余額不足無(wú)法支付的情況，進(jìn)而避免了車(chē)輛離開(kāi)ETC車(chē)道進(jìn)入普通車(chē)道而存在的安全隱患.當(dāng)余額不足（<10）時(shí)，obu將報(bào)警發(fā)出響聲，提醒用戶(hù)ETC卡里余額不足，無(wú)法正常通過(guò)ETC出口，此時(shí)有兩種方法供用戶(hù)選擇，第一行駛到高速出口時(shí)，選擇普通車(chē)道用現(xiàn)金支付的方式通過(guò)高速，第二通過(guò)手機(jī)轉(zhuǎn)賬的方式對(duì)ETC卡進(jìn)行充值使其余額充足，再來(lái)選擇ETC出口則能正常通過(guò).優(yōu)化部分在模型中主要體現(xiàn)在增加了變遷t10，t11，t12，t13，t14，t15，t17，而t10引發(fā)t11，t12，且t11，t12是排他序關(guān)系（t11+t12），t11依次引發(fā)t13，t14，且它們是嚴(yán)格序關(guān)系（t11→t13→t14，），而t17的發(fā)生又回到了t14.

由以上可以看出，增加控制結(jié)構(gòu)t10，t11，t12，t13，t14，t15，t17即可實(shí)現(xiàn)ETC高速收費(fèi)流程模型的優(yōu)化，從而有效降低了交通事故發(fā)生頻率，提高了通行效率.

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于Petri網(wǎng)給出了ETC高速收費(fèi)流程模型的一種優(yōu)化方法.根據(jù)Petri網(wǎng)的變遷發(fā)生規(guī)則及其可達(dá)性和行為輪廓的嚴(yán)格序、排他序等基本性質(zhì)，通過(guò)增加庫(kù)所和變遷的方式對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，減少高速收費(fèi)站的擁堵現(xiàn)象，增加道路的利用率.

未來(lái)，還需對(duì)優(yōu)化后的模型基于Petri網(wǎng)行為輪廓提出相應(yīng)的算法來(lái)分析模型的一致性，進(jìn)一步對(duì)模型進(jìn)行檢驗(yàn)分析.

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