基于Petri-Net的信息物理系统中数据冗余错误检测方法及系统

本发明属于petri-net数据异常检测领域，尤其是信息物理系统中的数据冗余错误检测方法及系统。

背景技术：

1、信息物理系统(cps)是一种将物理设备和网络计算紧密结合的系统，能实现对物理实体的实时感知和控制，提高系统的效率和安全性。目前cps已经广泛应用于各个领域，如智能家居、智能交通和医疗服务等。然而，随着在分布式传感器和并发业务单元的增加，cps的业务流程也随之变得越来越复杂。因此，如何保证cps的设计正确性，即cps能够按照其设计目标和要求来运行，不会发生错误或异常的情况，成为了产业界和学术界的热点研究话题。

2、业务流程建模表示法(bpmn)是业务流程的标准化表示法，广泛用于cps的控制流和数据流建模。然而，由于缺乏形式化方法，很难验证cps的设计正确性，特别是在其数据流中。目前在检测cps数据流中数据错误方面的研究中主要有基于测试的方法和基于模型的方法。基于petri-net(佩特里网)的方法是一种基于模型的方法，该方法通常使用可达图(rg)或状态转移图来检查数据冗余错误，如系统地遍历给定的工作流，以检测其数据流错误；将bpmn转化为petri-net网，并基于计算树逻辑(ctl)检测数据冗余错误；使用带有数据操作的petri-net(pn-do)来检测工作流系统的数据冗余错误等。但是现有的方法容易遭受状态空间爆炸的问题，且其分析结构也相对复杂，检测效率较低。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的是提供一种模型复杂度低、检测效率高的基于petri-net的信息物理系统中数据冗余错误检测方法及系统。

2、技术方案：本发明所述的基于petri-net的信息物理系统数据冗余错误检测方法，包括如下步骤：

3、将信息物理系统映射为第一佩特里网，所述信息物理系统使用业务流程建模表示法进行建模，所述第一佩特里网为带数据的佩特里网；

4、生成所述第一佩特里网的合并过程μ＝(b,e,g,d,rd,wr,de)；其中b为条件集合、e为事件集合、g为弧集合、d为数据元素集合、rd为读标注函数、wr为写标注函数、de为删除标注函数；

5、根据删除规则优化所述合并过程μ中的事件和条件得到优化合并过程μ′＝(b′,e′,g′,d′,rd′,wr′,de′,λ′,m′)；

6、在所述优化合并过程μ′中判断每一个事件是否为冗余事件，输出数据冗余错误的事件集合；

7、对所述优化合并过程μ′进行同义数据操作进而计算数据邻近事件；所述同义数据操作是给定事件e是关于数据项d的删除标注函数或结束标注函数，即(e,de:d或e,end:d)，如果存在两个属于[e]+的并发事件e1和e2，且d∈wr(e1)∪rd(e1)，则添加相同的数据操作标签，即(e1,wr:d或e1,rd:d)，从e1到e2，其中，[e]+＝{e′∈e|e′≤e}；所述数据邻近事件是给定两个事件e1和e2满足数据d∈rd(e1)∪wr(e1)∪de(e1)，若e1＜e2，则明显存在从e1到e2的路径，若在这条路径上存在事件e′满足或者e1·＝·e2，则称e1为e2的数据邻近事件；

8、判断每一个事件e是否为冗余事件的方法为：

9、判断事件e是否属于数据元素d的de或end标记函数，若属于，则在事件e的弱局部构型[e]+中计算事件e关于数据元素d的数据邻近集s(e,d)，其中，[e]+＝{e′∈e|e′≤e}；若在s(e,d)存在事件e′是属于数据元素d的wr标记函数，则将事件e加入发生数据冗余错误的事件集合e_redu中。

10、进一步地，所述将信息物理系统映射为第一佩特里网，所述信息物理系统使用业务流程建模表示法进行建模，所述第一佩特里网为带数据的佩特里网包括：根据信息物理系统中的数据对象及状态，将信息物理系统映射为第一佩特里网，并对第一佩特里网进行建模；所述第一佩特里网是初始标记为m0的带数据的网nd，记为σ＝(nd,m0)，nd＝(p,t,f,d,read,write,delete)，满足(p,t,f)是一个网，p为库所、t为变迁、f为流关系，read,write,delete分别为第一佩特里网中的读标注函数、写标注函数和删除标注函数。

11、进一步地，所述将信息物理系统映射为第一佩特里网，所述信息物理系统使用业务流程建模表示法进行建模，所述第一佩特里网为带数据的佩特里网包括：合并过程μ＝merge(β)，生成所述合并过程μ的方法为：

12、将所有具有相同标签和发生深度的β冲突条件合并为一个条件；

13、所有具有相同标签的β事件，即前集和后集，合并为一个事件；

14、β的所有相关弧需要根据合并的条件和事件进行重定向；

15、其中，β是第一佩特里网的分支过程。

16、进一步地，所述将信息物理系统映射为第一佩特里网，所述信息物理系统使用业务流程建模表示法进行建模，所述第一佩特里网为带数据的佩特里网包括：

17、将业务流程建模表示法的排他网关映射为第一佩特里网的冲突结构；

18、将业务流程建模表示法的并行网关映射为第一佩特里网的并发结构；

19、将活动映射为变迁及其前库所或后库所；

20、将数据对象或数据库的输入和输出映射为变迁中读写数据元素的标记函数；

21、将外部输入映射为在变迁中写入数据元素的标记函数；

22、将活动之间的消息流映射为一个库所及其前或后变迁；

23、其他连接对象映射为相关库所和变迁之间的弧线。

24、进一步地，所述根据删除规则优化所述合并过程μ中的事件和条件得到新的合并过程μ′＝(b′,e′,g′,d′,rd′,wr′,de′,λ′,m′)包括：

25、将所述合并过程μ转换为目标交互式合并过程μλ＝(b,e,g,d,rd,wr,de,λ,m)，其中λ为标记函数，用于标记当前事件的类型，m:b→{0,1,2,3,…}为网的一个标识；标记函数λ:e→l∪{α}，l＝{！,？,@}×d，包括空标α、写入！、读取？、删除@；

26、在所述目标交互式合并过程μλ中根据删除规则删除事件和条件，得到优化合并过程μ′。

27、进一步地，所述根据删除规则优化所述合并过程μ中的事件和条件得到优化合并过程μ′＝(b′,e′,g′,d′,rd′,wr′,de′,λ′,m′)包括：

28、删除规则1：

29、，若(·e)·＝{e}，则该事件e可被删除，其中：

30、b′＝b-·e；

31、e′＝e-{e}；

32、g′＝f-{(x,e)|x∈·e}-{(e,y)|y∈e·}-{(x,y)|x∈·(·e)∧y∈(·e)}∪{(x,y)|x∈·(·e)∧y∈e·}；

33、d′＝d；

34、rd′＝rd；

35、wr′＝wr；

36、de′＝de；

37、λ′＝λ-{(e,α)}；

38、若x∈·e∧m(x)＝＝0，则m′＝m；若，则

39、删除规则2：

40、，若·e1＝·e2…＝·en∧e1·＝e2·＝…＝en·，则这n个e1,e2,…,en都可被删除，得到新的mp为μ′＝(b′,e′,g′,d′,rd′,wr′,de′,λ′,m′)，其中：

41、b′＝b-·e1；

42、e′＝e-(·e1)·；

43、g′＝g-{(x,y)|x∈·e1∧y∈(·e1)·}-{(x,y)|x∈(·e1)·∧y∈e1·}-{(x,y)|x∈·(·e1)∧y∈(·e1)}∪{(x,y)|x∈·(·e1)∧y∈e1·}；

44、d′＝d；

45、rd′＝rd；

46、wr′＝wr；

47、de′＝de；

48、λ′＝λ-{(e1,α)}-{(e2,α)}…-{(en,α)}；

49、若x∈·ei∧m(x)＝＝0，则m′＝m；若，则其中i取值为1～n；

50、删除规则3：

51、，若·e1＝·e2＝…＝·en＝·e∧e1·＝e2·＝…＝en·＝e·，则(·e1)·中的α可以全部删除，e事件不能删除，增加一个α用于保持删除规则中存在的冲突结构，其中：

52、b′＝b；

53、e′＝e-{x|x∈(·e1)·∧λ(x)＝α}∪{en+1}；

54、g′＝g-{(x,y)|x∈·e1∧y∈(·e1)·∧λ(y)＝α}-{(x,y)|x∈(·e1)·∧y∈e1·∧λ(x)＝α}∪{(x,α)|x∈·e1}∪{(α,y)|y∈e1·}；

55、d′＝d；

56、rd′＝rd；

57、wr′＝wr；

58、de′＝de；

59、λ′＝λ；

60、m′＝m。

61、进一步地，所述根据删除规则优化所述合并过程μ中的事件和条件得到优化合并过程μ′＝(b′,e′,g′,d′,rd′,wr′,de′,λ′,m′)包括：对所述删除规则进行正确性分析，采用弱互模拟作为检验行为是否一致的标准，把检验源合并过程与目标交互式合并过程间是否保持行为一致性的问题规约为检验源源合并过程与目标交互式合并过程间是否满足弱互模拟的问题。

62、进一步地，所述在所述优化合并过程μ′中判断每一个事件是否为冗余事件，输出数据冗余错误的事件集合包括：

63、在判断优化合并过程μ′中判断每一个事件是否为冗余事件之前，对所述优化合并过程μ′进行初始化；所述初始化包括：

64、在优化合并过程μ′的开始条件前加入条件b′0和事件e′0，在结束条件后加入条件b′和事件e′，b′和e′下标分别为μ′中条件与事件的最大下标i加一；

65、在优化合并过程μ′中加入流关系{b′0}×{e′0}、{e′0}×{b0}、{b′i}×{e′}和{e′}×{b′}；

66、将e′0标记为对所有数据进行删除的操作，即de(e′0)＝d；将e′标记为结束操作，即end(e′)＝d，end为结束标注函数，end:e→2d。

67、本发明所述的基于petri-net的信息物理系统数据冗余错误检测系统，包括：

68、佩特里网映射单元，用于将信息物理系统映射为第一佩特里网，所述信息物理系统使用业务流程建模表示法进行建模，所述第一佩特里网为带数据的佩特里网；

69、合并过程生成单元，用于生成所述第一佩特里网的合并过程μ＝(b,e,g,d,rd,wr,de)；其中b为条件集合、e为事件集合、g为弧集合、d为数据元素集合、rd为读标注函数、wr为写标注函数、de为删除标注函数；

70、合并过程优化单元，用于根据删除规则优化所述合并过程μ中的事件和条件得到优化合并过程μ′＝(b′,e′,g′,d′,rd′,wr′,de′,λ′,m′)；

71、冗余错误检测单元，用于在所述优化合并过程μ″中判断每一个事件是否为冗余事件，输出数据冗余错误的事件集合；

72、所述冗余错误检测单元中，对所述优化合并过程μ′进行同义数据操作进而计算数据邻近事件；所述同义数据操作是给定事件e是关于数据项d的删除标注函数或结束标注函数，即(e,de:d或e,end:d)，如果存在两个属于[e]+的并发事件e1和e2，且d∈wr(e1)∪rd(e1)，则添加相同的数据操作标签，即(e1,wr:d或e1,rd:d)，即(e1,rd:d)，从e1到e2，其中，[e]+＝{e′∈e|e′≤e}；所述数据邻近事件是给定两个事件e1和e2满足数据d∈rd(e1)∪wr(e1)∪de(e1)，若e1＜e2，则明显存在从e1到e2的路径，若在这条路径上存在事件e′满足或者e1·＝·e2，则称e1为e2的数据邻近事件；

73、判断每一个事件e是否为冗余事件的方法为：

74、判断事件e是否属于数据元素d的de或end标记函数，若属于，则在事件e的弱局部构型[e]+中计算事件e关于数据元素d的数据邻近集s(e,d)，其中，[e]+＝{e′∈e|e′≤e}；若在s(e,d)存在事件e′是属于数据元素d的wr标记函数，则将事件e加入发生数据冗余错误的事件集合e_redu中。

75、本发明所述的计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现根据所述的基于petri-net的信息物理系统数据冗余错误检测方法。

76、有益效果：与现有技术相比，本发明的优点在于：(1)本发明使用petri-net的展开技术，采用结构分析的方法来检测数据冗余错误，缓解了因使用可达图或状态转移图检测而遭受状态空间爆炸的问题；同时，解决了在发生数据流错误后可达图的状态空间不完整，从而无法检测出所有数据冗余错误的问题。(2)设计了数据冗余错误的检测算法，对于属于数据元素d的de或end标记函数的事件e，在其数据邻近集中寻找是否存在事件e′是属于数据元素d的wr标记函数，通过上述步骤，可以检测出信息物理系统数据流中的数据冗余错误，以验证信息物理系统的设计正确性；同时，通过实验对比证明了本发明的优越性与有效性；(3)设计了α删除规则并分析了α删除规则的正确性，通过将α删除规则与合并过程结合，减少大量无关的控制流条件以及事件，在保证行为一致性的前提下，降低了模型的复杂度，大大提高数据冗余错误检测算法的效率。