基于Petri網(wǎng)的倉(cāng)庫(kù)火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)建模優(yōu)化分析①

陳 帥

(安徽理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

0 引 言

隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展及其廣泛的應(yīng)用，原有的業(yè)務(wù)流程已經(jīng)不能滿足現(xiàn)實(shí)的情形，依據(jù)Petri網(wǎng)的相關(guān)定義和基本原理對(duì)日常生活中的業(yè)務(wù)流程進(jìn)行建模，可以更明確的理解業(yè)務(wù)流程各個(gè)活動(dòng)之間的相互關(guān)系及其可達(dá)性[1]，便于直觀地觀察到現(xiàn)有流程存在的缺陷，因此應(yīng)用行為輪廓及Petri網(wǎng)的相關(guān)性質(zhì)對(duì)模型中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行建模分析就顯得格外重要。Petri網(wǎng)的行為輪廓應(yīng)用合理的自由選擇Petri網(wǎng)，從過(guò)程行為方面建立模型，具體數(shù)字化Petri網(wǎng)模型間的行為關(guān)系，更有利于反映模型內(nèi)部行為間的相互關(guān)系[2]。文獻(xiàn)[3]從現(xiàn)有的嚴(yán)格行為等價(jià)的不適應(yīng)性出發(fā)，提出了行為輪廓的概念，它能夠捕獲流程模型的基本行為約束。文獻(xiàn)[4]提出了一種基于Petri網(wǎng)行為特征的分析方法，而現(xiàn)有的分析方法大多是基于對(duì)Petri網(wǎng)結(jié)構(gòu)特征的分析，忽略了Petri網(wǎng)的行為特征。首先構(gòu)建行為順序關(guān)系，并對(duì)其行為進(jìn)行分析，構(gòu)建原始模型，之后通過(guò)提出一致性分析的方法對(duì)原始模型進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而得到優(yōu)化模型。文獻(xiàn)[5]提出了在為業(yè)務(wù)流程建模時(shí)，將多個(gè)輸入模型合并成一個(gè)綜合模型，并提取其摘要的方法。基于以上背景和Petri網(wǎng)行為輪廓的思想，提出了一種倉(cāng)庫(kù)火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)的優(yōu)化模型。

1 基本概念

定義1[2](網(wǎng))用一個(gè)三元組表示N=(S,T;F)：

1)S∪T≠?;

2)S∩T≠?;

3)F?(S×T)∪(T×S);

4)dom(F)∪cod(F)=S∪T;

其中

dom(F)={x∈S∪T|?y∈S∪T:(x,y)∈F},

cod(F)={x∈S∪T|?y∈S∪T:(y,x)∈F}。

在上述條件中，S與T是不相交的兩個(gè)集合，S是庫(kù)所的集合，T是變遷的集合。F是網(wǎng)N的流關(guān)系。

定義2[6](變遷發(fā)生規(guī)則)一個(gè)四元組PN=(S,T;F,M0)稱作 Petri 網(wǎng),當(dāng)且僅當(dāng)：

1)N=(S,T;F)為一個(gè)網(wǎng)；

2)M:S→Z·為標(biāo)識(shí)(或狀態(tài))函數(shù)，M0對(duì)于變遷是初始標(biāo)識(shí)；

3)發(fā)生規(guī)則：

①變遷t∈T可以發(fā)生，當(dāng)且僅當(dāng)?s∈·t:M(s)≥1，記作M[t>；

②在標(biāo)識(shí)M下使能的變遷發(fā)生后，得到一個(gè)新的表示M′(記作M[t>M′)，則有

定義3[7](可達(dá)性)已知Petri網(wǎng)PN=(S,T;F,M),如果存在t∈T,使M[t>M'則稱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MK為從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)系的集合稱為網(wǎng)系統(tǒng)的行為輪廓,記作BP={→,→-1,+,‖},對(duì)任何的變遷對(duì)(t1,t2)∈(T×T)滿足下面關(guān)系：

1)若t1?t2且t2≯t1，則稱嚴(yán)格序關(guān)系，記作t1→t2；

2)若t1≯t2且t2≯t1，則稱排他關(guān)系，記作t1+t2；

3)若t1?t2且t2?t1，則稱交叉序關(guān)系，記作t1‖t2。

2 基于Petri的倉(cāng)庫(kù)火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)模型優(yōu)化分析

現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)企業(yè)的倉(cāng)庫(kù)，尤其是中小型企業(yè)，仍然在采用非常傳統(tǒng)的火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)，這種系統(tǒng)不僅智能化程度低，而且還存在識(shí)別火災(zāi)不精準(zhǔn)、安裝復(fù)雜和誤報(bào)率高的缺點(diǎn)。大多都是在火災(zāi)發(fā)生后產(chǎn)生警報(bào)，這時(shí)企業(yè)已經(jīng)受到了一定的損失。如果人們能夠在火災(zāi)初期及時(shí)發(fā)現(xiàn)并迅速解決，甚至起到預(yù)防的效果，這樣就能將企業(yè)的損失降到最低。下面利用Petri網(wǎng)對(duì)這種情況進(jìn)行建模分析。

圖1 倉(cāng)庫(kù)傳統(tǒng)火災(zāi)預(yù)警模型圖

圖2 倉(cāng)庫(kù)火災(zāi)預(yù)警模型優(yōu)化圖

圖1為倉(cāng)庫(kù)傳統(tǒng)火災(zāi)預(yù)警模型，倉(cāng)庫(kù)監(jiān)控T1是實(shí)時(shí)進(jìn)行的，T1發(fā)生后，T2和T3是并發(fā)關(guān)系，由T2煙霧傳感器和T3溫度傳感器同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后T4發(fā)生進(jìn)行信息預(yù)處理，T5和T9是一個(gè)排他關(guān)系，如果信息處理后危險(xiǎn)系數(shù)超過(guò)閾值，T5,T6,T7發(fā)生，若危險(xiǎn)系數(shù)沒有超過(guò)閾值，則T9,T10,T11,T12發(fā)生，待無(wú)危險(xiǎn)威脅后，T8發(fā)生繼續(xù)監(jiān)控。監(jiān)控進(jìn)行的同時(shí)，T13,T14發(fā)生，員工對(duì)倉(cāng)庫(kù)進(jìn)行巡查，T15和T16是并發(fā)關(guān)系，T16發(fā)生，員工對(duì)倉(cāng)庫(kù)的各方面進(jìn)行檢查，若有問(wèn)題則報(bào)相關(guān)部門處理，若沒有問(wèn)題，則T25,T26發(fā)生，員工關(guān)好倉(cāng)門離開。系統(tǒng)雖可以在發(fā)生火災(zāi)時(shí)產(chǎn)生警報(bào)，但此時(shí)企業(yè)已經(jīng)受到了不小的損失，無(wú)法起到預(yù)防的效果,圖1中變遷文字說(shuō)明見表1。

表1 圖1中變遷文字說(shuō)明

為了最大化的減小倉(cāng)庫(kù)火災(zāi)可能給企業(yè)造成的損失，通過(guò)圖2給出了優(yōu)化后的倉(cāng)庫(kù)火災(zāi)預(yù)警模型圖，通過(guò)虛線框標(biāo)示出來(lái)的是在增加了幾個(gè)新的變遷后的優(yōu)化部分。相對(duì)于圖1，優(yōu)化后的火災(zāi)預(yù)警模型增加了T3(CO傳感器)、T4(CO2傳感器)兩個(gè)傳感器，和圖1相比，這兩個(gè)傳感器可以根據(jù)火災(zāi)初期不完全燃燒時(shí)產(chǎn)生的大量CO和CO2進(jìn)行預(yù)警，預(yù)警性能大大提高。T6進(jìn)行信息預(yù)處理后，T7,T8用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)特征信息進(jìn)行訓(xùn)練，T9,T10將對(duì)特征信息進(jìn)行模糊邏輯推理，T11將得到的決策結(jié)果輸出，T12和T15是排他關(guān)系，若決策結(jié)果為無(wú)火災(zāi)概率，T13,T14發(fā)生，繼續(xù)監(jiān)控，若有陰燃火、明火概率，T16,T17,T14發(fā)生，報(bào)相關(guān)部門進(jìn)行相應(yīng)的處理，處理完成后繼續(xù)監(jiān)控。BP算法的運(yùn)作模式主要通過(guò)四種傳感器在倉(cāng)庫(kù)中采集來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，在訓(xùn)練過(guò)程中不斷調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和閾值，使網(wǎng)絡(luò)輸出和期望輸出盡可能的接近，直到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)最后的權(quán)矩陣滿足此網(wǎng)絡(luò)的要求為止，之后可把此網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行泛化處理，以達(dá)到可預(yù)防火災(zāi)的目的，進(jìn)一步減少企業(yè)可能面臨的損失，圖2中變遷文字說(shuō)明見表2。

表2 圖2中變遷文字說(shuō)明

3 用PIPE軟件對(duì)優(yōu)化后的Petri網(wǎng)模型進(jìn)行驗(yàn)證

為檢驗(yàn)優(yōu)化后Petri網(wǎng)的正確性和可達(dá)性，對(duì)優(yōu)化后的模型圖2使用PIPE軟件仿真來(lái)驗(yàn)證其可行性，如圖3所示。

圖3 PIPE仿真圖

通過(guò)仿真，利用State Space Analysis函數(shù)，得到的Petri網(wǎng)狀態(tài)空間圖如圖4所示。由此可看出優(yōu)化后的Petri網(wǎng)是正確的、可達(dá)的,可以有效對(duì)倉(cāng)庫(kù)火災(zāi)進(jìn)行警報(bào)，減小企業(yè)的損失。

圖4 Petri網(wǎng)狀態(tài)空間圖

4 結(jié) 語(yǔ)

基于Petri網(wǎng)建立了傳統(tǒng)的倉(cāng)庫(kù)火災(zāi)預(yù)警模型，同時(shí)根據(jù)實(shí)際場(chǎng)景分析了傳統(tǒng)火災(zāi)預(yù)警模型的不足，在此基礎(chǔ)上通過(guò)增加庫(kù)所和變遷給出了優(yōu)化模型，并使用PIPE軟件實(shí)驗(yàn)仿真驗(yàn)證其正確性，解決了傳統(tǒng)火災(zāi)預(yù)警模型智能化程度低、識(shí)別火災(zāi)不精準(zhǔn)、誤報(bào)率高等問(wèn)題。建立的模型通過(guò)增加庫(kù)所和變遷，運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)采集到的特征信息進(jìn)行訓(xùn)練，使系統(tǒng)更加智能，起到了一定的預(yù)防作用，進(jìn)一步減小火災(zāi)可能給企業(yè)造成的損失，體現(xiàn)了該模型在實(shí)際場(chǎng)景中的實(shí)用性。