21、时间Petri网结构翻译与铁路模型模拟器解析-优快云博客

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时间Petri网结构翻译与铁路模型模拟器解析

1. 时间Petri网模型简化与实现

在特定情况下，模型可以进行简化。当只考虑一个客户端和一个入口时，若选择语句在接受或延迟分支后没有可选代码，代码分支延迟和代码分支1的转换就可以被移除。例如在某些示例网络中，涉及到的过渡、超时2和代码2的转换就体现了这种简化结构，它对应着进程2的选择和进程3的入口调用。

为了避免累积漂移，像在进程1中，我们用包含时间变量 Last Event 的 delay until 语句替代对应 TIME 转换的 delay 语句。新的实现与从模型推导出来的实现具有相同的行为。

1.1 带延迟触发替代的ATC建模

下面的网络模型展示了带有延迟语句作为触发替代的ATC语句的行为：

CODE 1
end ATC
[D, D]
ATC
CODE 1
end ATC
[D, D]
ATC
CODE 1
end ATC
[D, D]
ATC
CODE 1
end ATC
[D, D]
ATC
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
D > 0
CODE 1
end ATC
[D, D]
delay
EVALUATION
ATC
alt
CODE
D <= 0
delay IN
PROGRESS
CODE
EXCUTES
delay IN
PROGRESS
CODE
EXCUTES
S 1
S 3
exit
S 1
S 3
exit
select
delay D;
    alt_CODE;
then abort
    CODE_1;
end select;
alt
CODE
alt
CODE
alt
CODE

当ATC开始时，需要评估延迟表达式：
- 若表达式为正，标记延迟进行中和代码执行的位置，启用 TIME 和 CODE 转换，这两个转换竞争移除两个位置的令牌。
- 若 CODE 转换在时间 D 过期前触发，移除令牌并禁用 TIME 转换，执行延迟替代的代码。
- 若时间 D 过期前 CODE 转换未触发，移除令牌并禁用 CODE 转换，即中止代码执行。
- 若延迟表达式为负或零，直接执行延迟替代的代码。在本研究范围内，延迟表达式总是为正，不考虑此情况。

应用并行冗余位置的简化规则，可将延迟进行中和代码执行的位置简化为一个。在示例中，若延迟替代被触发，需要标记两个位置（S1和S3）并执行退出语句，避免标记 end ATC 位置。最终结构通过后融合规则得到，结果模型可在涉及位置p4和转换代码1和超时1的示例网络中识别。同样，用对应的 delay until 语句替代延迟，使用 Last Event 变量。

下面是这个过程的流程图：

graph TD
    A[ATC开始] --> B{评估延迟表达式}
    B -- 表达式为正 --> C[标记延迟和代码执行位置]
    C --> D{CODE转换先触发?}
    D -- 是 --> E[移除令牌, 禁用TIME转换, 执行延迟替代代码]
    D -- 否 --> F[移除令牌, 禁用CODE转换, 中止代码执行]
    B -- 表达式为负或零 --> G[直接执行延迟替代代码]

1.2 带入口调用触发替代的ATC建模

下面的网络模型展示了带有入口调用作为触发替代的ATC语句的一般行为：

CODE 1
end ATC
ABORT
ATC
abortable
part
NOT STARTS
CODE 2
CODE alt
RENDEZVOUS
abortable
part
WAIT FOR
accept
SERVER
accept
accept
INMEDIATE
accept NOT
INMEDIATE
CALLING
entry call
SERVER
CONTINUES
ABORT
RENDEZVOUS
WAIT FOR
accept
SERVER
accept
CODE 1
abortable
part
end ATC
RENDEZVOUS
WAIT FOR
accept
SERVER
accept
CODE 1
abortable
part
end ATC
RENDEZVOUS
SERVER
accept
CODE 1
abortable
part
end ATC
select
    entry_call (executes CODE_2);
    CODE_alt;
then abort
    CODE_1;
end select;
(1)
(2)
(3)
(4)
CODE alt
CODE alt
exit

当ATC开始时，标记可中止部分和等待接受的位置，代码1开始执行，同时等待服务器接受位置的标记：
- 若服务器接受位置已标记， RENDEZVOUS 转换触发，移除可中止部分位置的令牌，中止代码启动。
- 若服务器接受位置未标记，代码执行在服务器接受位置被标记时中止。若该位置一直未标记，代码完成执行，移除等待接受位置的令牌并中止入口调用。

应用转换预融合规则和并行冗余位置规则，可简化模型。入口调用后执行的代码包括退出语句，避免标记 end ATC 位置。这种结构可在涉及位置S9、S3和S10，以及中止3和代码3转换的示例网络中直接看到。

下面是这个过程的流程图：

graph TD
    A[ATC开始] --> B[标记可中止部分和等待接受位置]
    B --> C{服务器接受位置已标记?}
    C -- 是 --> D[RENDEZVOUS转换触发, 移除令牌, 中止代码启动]
    C -- 否 --> E{代码执行完成?}
    E -- 是 --> F[移除等待接受位置令牌, 中止入口调用]
    E -- 否 --> G[等待服务器接受位置标记, 标记后中止代码执行]

2. 铁路模型模拟器介绍

在教育领域，Ada编程语言在并发和实时编程课程中已使用多年。学生们有廉价的Ada 95编程环境，但铁路模型的使用受限，因此开发了铁路模型模拟程序。

2.1 模拟器支持的模型

当前版本的程序可以模拟两种类型的 Märklin Digital 比例模型：
| 模型类型 | 开关数量 | 接触点数量 |
| ---- | ---- | ---- |
| A型 | 17 | 26 |
| B型 | 24 | 36 |

此外，还能让学生为放置在工业计算机科学实验室的第三种模型准备作业，该模型包含45个开关和2 * 96个簧片继电器类型的接触点。由于模型的描述也是模拟器的输入，因此可以轻松创建所需数量的模型。

2.2 模拟器的视图

控制台窗口 ：提供文本用户界面，跟踪事件并报告错误，如碰撞和脱轨。生成的跟踪信息也会写入文本文件。
图形窗口 ：显示正在使用的模型和火车，火车由带有黄色小粒子指示前进方向的紫红色矩形表示。可以通过点击窗口底部的六个图标来控制模拟器：
- 左边两个图标用于移动视角和旋转模型。
- 中间两个图标用于前后缩放。
- 最后两个图标用于改变模拟速度和提供逐步模式。

2.3 模拟器的架构

模拟器用Ada 95编写，开发环境是 ObjectAda ，软件在PC的Windows NT或95系统上运行，图形界面使用 OpenGL 实现。
- 数据结构 ：用于实现模型和管理火车的数据结构在名为 Model 的包中，并发访问通过受保护对象进行互斥处理。
- 任务：
- Window 任务：控制模型和火车的图形显示，处理鼠标在图标上的操作。
- Simulation 任务：考虑火车速度模拟火车的进展，在每个模拟步骤显示模型和火车状态的文本信息并更新相应的数据结构。

Window 和 Simulation 任务通过 Model 内部的受保护对象进行同步，以在每个模拟步骤更新图形窗口并根据鼠标操作修改模拟器行为。

Train_Handler 包使用户能够控制真实的 Märklin 比例模型或模拟器，两种情况下包的规范相同，行为也相同，特别是火车经过接触点时。 P_Display 包的规范是 Ada.Text_IO 的子集，由于 Train_Handler 规范唯一，用户程序在使用模拟器或控制真实模型时是相同的。由于 P_Display 处理来自多个任务的消息，控制台窗口的互斥必须通过受保护对象完成。

下面是模拟器架构的示意图：

graph LR
    A[用户程序] --> B[Train_Handler包]
    A --> C[P_Display包]
    B --> D[Model包]
    C --> D
    D --> E[Window任务]
    D --> F[Simulation任务]
    E --> G[图形窗口]
    F --> H[控制台窗口]
    F --> I[跟踪文件]

综上所述，时间Petri网模型的简化和实现为实时系统的编程提供了有效的方法，而铁路模型模拟器为学生提供了更好的学习工具，让他们能更方便地进行并发和实时编程的实践。

时间Petri网结构翻译与铁路模型模拟器解析

3. 时间Petri网模型的优势与意义

时间Petri网模型在实时系统的建模和实现中具有重要的优势和意义。

3.1 模型简化带来的效率提升

通过对模型进行简化，如移除不必要的代码分支转换，能够减少系统的复杂度。这不仅使得模型更加清晰易懂，还能提高系统的执行效率。在实际应用中，系统的复杂度往往会影响其运行速度和资源占用，简化模型可以有效降低这些负面影响。例如，在只考虑一个客户端和一个入口的情况下，移除代码分支延迟和代码分支1的转换，减少了不必要的逻辑判断和处理步骤，从而使系统能够更快地响应和执行任务。

3.2 避免累积漂移的重要性

在实时系统中，累积漂移可能会导致系统的时间精度下降，从而影响系统的正常运行。使用 delay until 语句替代 delay 语句，并引入 Last Event 变量，可以有效避免累积漂移。这种方法确保了系统在时间上的准确性，使得系统能够按照预期的时间顺序执行任务。例如，在进程1中采用这种替代方式，新的实现与原模型具有相同的行为，但在时间控制上更加精确。

3.3 对实时系统开发的支持

时间Petri网模型为实时系统的开发提供了一种形式化的方法。它能够准确地描述系统的行为和时间特性，帮助开发者更好地理解和设计系统。通过对ATC语句的建模，如带延迟触发替代和带入口调用触发替代的ATC建模，开发者可以清晰地定义系统在不同情况下的响应和处理逻辑。这有助于提高系统的可靠性和稳定性，减少开发过程中的错误和漏洞。

4. 铁路模型模拟器的教育价值与应用前景

铁路模型模拟器在教育和实际应用中都具有重要的价值和广阔的前景。

4.1 教育价值

激发学生兴趣 ：铁路模型对学生具有很高的吸引力，模拟器能够让学生在不受实验室设备限制的情况下进行实践操作。学生可以在家中使用模拟器进行编程作业的准备，提高了学习的灵活性和积极性。
加深知识理解 ：模拟器通过模拟真实模型的行为，生动地展示了并发和实时编程的概念。学生在编写控制火车的程序过程中，能够更加深入地理解Ada任务、受保护对象、重排队等新特性的使用方法，从而提高编程能力和解决实际问题的能力。

4.2 应用前景

扩展模型种类 ：由于模拟器可以根据输入的模型描述创建不同的模型，未来可以进一步扩展支持的模型种类。这将为学生提供更多的实践场景，满足不同的教学需求。
与实际系统结合 ：模拟器的 Train_Handler 包使得用户程序在控制模拟器和真实模型时具有相同的规范和行为。这为将模拟器应用于实际系统的开发和测试提供了可能。开发者可以先在模拟器上进行程序的开发和调试，然后将其应用到真实的铁路系统中，提高开发效率和系统的可靠性。

5. 总结与展望

时间Petri网模型和铁路模型模拟器在实时系统开发和教育领域都具有重要的作用。时间Petri网模型通过简化和优化，为实时系统的建模和实现提供了有效的方法；铁路模型模拟器则为学生提供了一个便捷、有趣的学习平台，促进了并发和实时编程知识的传授和实践。

未来，我们可以进一步对时间Petri网模型生成的代码进行优化。例如，研究如何在时间Petri网中识别进程时纳入时间限制，避免周期性活动被拆分为多个进程的情况。同时，优化 Last Event 时间变量的使用，只在必要的进程中使用，减少不必要的资源开销。

对于铁路模型模拟器，可以继续丰富其功能，如增加更多的交互方式、模拟更复杂的铁路场景等。此外，还可以将模拟器与其他教学资源相结合，形成更加完善的教学体系，为学生提供更好的学习体验。

以下是一个总结表格，展示时间Petri网模型和铁路模型模拟器的关键信息：
| 项目 | 时间Petri网模型 | 铁路模型模拟器 |
| ---- | ---- | ---- |
| 核心功能 | 对实时系统行为进行建模和简化，避免累积漂移 | 模拟铁路模型行为，支持多种模型，提供教育实践平台 |
| 优势 | 提高系统效率，确保时间精度，形式化描述系统 | 激发学生兴趣，加深知识理解，可扩展性强 |
| 应用场景 | 实时系统开发 | 并发和实时编程教育 |
| 未来优化方向 | 代码优化，纳入时间限制，优化时间变量使用 | 丰富功能，结合其他教学资源 |

通过不断地改进和完善，时间Petri网模型和铁路模型模拟器将在实时系统领域发挥更大的作用，为相关领域的发展做出贡献。

graph LR
    A[时间Petri网模型] --> B[提高系统效率]
    A --> C[确保时间精度]
    A --> D[形式化描述系统]
    E[铁路模型模拟器] --> F[激发学生兴趣]
    E --> G[加深知识理解]
    E --> H[可扩展性强]
    B --> I[实时系统开发]
    C --> I
    D --> I
    F --> J[并发和实时编程教育]
    G --> J
    H --> J
    I --> K[未来代码优化]
    J --> L[未来功能丰富]