艦船電子綜合化系統(tǒng)總線網(wǎng)絡(luò)DSPN建模與分析

馬紹惠，海本齋，任艷娜

(1. 河南工學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，河南 新鄉(xiāng) 453000；2. 河南師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453007；3. 河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息與管理科學(xué)學(xué)院，河南 鄭州 450002)

艦船電子綜合化系統(tǒng)總線網(wǎng)絡(luò)DSPN建模與分析

馬紹惠1，海本齋2，任艷娜3

(1. 河南工學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，河南 新鄉(xiāng) 453000；2. 河南師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453007；3. 河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息與管理科學(xué)學(xué)院，河南 鄭州 450002)

周期性消息和非周期性消息對(duì)艦船電子綜合化系統(tǒng)總線網(wǎng)絡(luò)性能的影響是艦船電子綜合化電子系統(tǒng)總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)過(guò)程的難點(diǎn)之一。針對(duì)該問(wèn)題，提出采用以確定與隨機(jī)Petri網(wǎng)（Deterministic and Stochastic Petri Net, DSPN）建立周期性消息的總線網(wǎng)絡(luò)DSPN模型和考慮非周期性消息的總線網(wǎng)絡(luò)DSPN模型，有效模擬了周期性消息和非周期性消息在艦船電子綜合化系統(tǒng)總線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膭?dòng)態(tài)行為。以TimeNET4.2軟件為仿真平臺(tái)，分別實(shí)現(xiàn)了周期性消息的總線網(wǎng)絡(luò)DSPN模型和考慮非周期性消息的總線網(wǎng)絡(luò)DSPN模型，研究分析周期性消息和非周期性消息對(duì)艦船電子綜合化系統(tǒng)總線網(wǎng)絡(luò)性能的影響。該成果可以為設(shè)計(jì)滿足特定性能要求的艦船電子綜合化電子系統(tǒng)總線網(wǎng)絡(luò)提供理論依據(jù)。

艦船電子綜合化系統(tǒng)；消息；總線網(wǎng)絡(luò)；建模

0 引 言

艦船電子綜合化系統(tǒng)總線網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)代化艦船的神經(jīng)中樞[1–4]。艦船電子綜合化系統(tǒng)以總線網(wǎng)絡(luò)為紐帶將各類子系統(tǒng)、設(shè)備、模塊和部件連接起來(lái)，從根本上改變了傳統(tǒng)艦船的體系結(jié)構(gòu)和工作模式，使得現(xiàn)代艦船的戰(zhàn)斗力大大增強(qiáng)。因此，如何選擇一種有效的數(shù)學(xué)工具，建立艦船電子綜合化系統(tǒng)總線網(wǎng)絡(luò)的性能分析模型，分析各類消息對(duì)總線網(wǎng)絡(luò)性能的影響，特別是非周期性消息對(duì)總線網(wǎng)絡(luò)性能的影響，對(duì)于設(shè)計(jì)滿足特定功能需求的艦船電子綜合化系統(tǒng)具有緊迫而關(guān)鍵性的意義。

近年來(lái)，總線網(wǎng)絡(luò)研究一直是各軍事平臺(tái)和民用領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。文獻(xiàn)[5]采用隨機(jī)Petri網(wǎng)（Stochastic Petri Net，SPN）建立了總線網(wǎng)絡(luò)模型，但SPN僅有的指數(shù)時(shí)間變遷不能描述總線網(wǎng)絡(luò)的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)行為和確定時(shí)間的動(dòng)態(tài)行為；文獻(xiàn)[6]以有色Petri網(wǎng)（Colored Petri Net，CPN）為數(shù)學(xué)工具構(gòu)建了總線網(wǎng)絡(luò)性能分析模型，CPN在模型描述總線動(dòng)態(tài)行為方面并沒(méi)有明顯提升，而是通過(guò)在變遷上添加時(shí)間函數(shù)來(lái)計(jì)算消息的時(shí)間指標(biāo)，所求得的總線網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)也是基于特定消息集合條件下的計(jì)算與分析，且無(wú)法計(jì)算消息的延遲時(shí)間；文獻(xiàn)[7]以O(shè)PNET為仿真工具構(gòu)建了總線網(wǎng)絡(luò)性能分析模型，但是該模型僅能給予特定消息集合計(jì)算總線網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)，所獲得的性能指標(biāo)不具有統(tǒng)計(jì)意義上的規(guī)律性；文獻(xiàn)[8]以網(wǎng)絡(luò)演算理論為數(shù)學(xué)工具構(gòu)建了總線網(wǎng)絡(luò)性能分析模型，但是該模型僅能基于特定消息集合條件下計(jì)算最差條件下的消息最大延遲時(shí)間，是一種極端情況的分析與計(jì)算。以上文獻(xiàn)大多側(cè)重研究周期性消息對(duì)總線網(wǎng)絡(luò)性能影響，而沒(méi)有重點(diǎn)研究對(duì)總線網(wǎng)絡(luò)性能產(chǎn)生重大影響的非周期性消息。

確定與隨機(jī)Petri網(wǎng)[9]（Deterministic and Stochastic Petri Net，DSPN）將指數(shù)時(shí)間變遷擴(kuò)展出瞬時(shí)變遷和確定時(shí)間變遷，將有向弧擴(kuò)展出禁止弧，可以更加有效地描述復(fù)雜系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為過(guò)程。文獻(xiàn)[10]在航電系統(tǒng)領(lǐng)域中采用DSPN側(cè)重研究周期性消息對(duì)總線網(wǎng)絡(luò)性能的影響，但忽略了非周期性消息對(duì)總線網(wǎng)絡(luò)性能的影響研究；文獻(xiàn)[11]在彈載網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)領(lǐng)域中采用DSPN側(cè)重研究非周期性消息對(duì)總線網(wǎng)絡(luò)性能的影響，但忽略了周期性消息對(duì)總線網(wǎng)絡(luò)性能的影響研究。在文獻(xiàn)[10 – 11]基礎(chǔ)上，以艦船電子綜合化系統(tǒng)總線網(wǎng)絡(luò)為研究對(duì)象，以DSPN為數(shù)學(xué)工具，綜合分析周期性消息和非周期性消息對(duì)總線網(wǎng)絡(luò)性能的影響，特別是非周期性消息對(duì)總線網(wǎng)絡(luò)性能的影響，以期為艦船電子綜合化系統(tǒng)總線網(wǎng)絡(luò)的分析與設(shè)計(jì)研究提供有益參考。

1 定義DSPN模型要素與用法的對(duì)應(yīng)關(guān)系

DSPN的定義和基礎(chǔ)知識(shí)參考文獻(xiàn)[9]。本文以艦船電子綜合化系統(tǒng)總線網(wǎng)絡(luò)為研究對(duì)象，定義DSPN的建模要素與用法的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如表1所示。

表1 DSPN建模要素與用法的對(duì)應(yīng)關(guān)系Tab.1 Correspondence relationship between modeling elements and usage

2 艦船電子綜合化系統(tǒng)總線網(wǎng)絡(luò)DSPN建模

圖1所示為某型艦船電子綜合化系統(tǒng)總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該總線網(wǎng)絡(luò)中，消息類型分為周期性消息和非周期性消息。其中，周期性消息占大多數(shù)，是按照一定控制規(guī)約調(diào)度后進(jìn)行發(fā)送和傳輸?shù)模芷谛韵⒌奶攸c(diǎn)是允許一定時(shí)間范圍的延遲；非周期性消息占少數(shù)，屬于隨機(jī)產(chǎn)生的事件性消息，如火警、關(guān)鍵性故障等，非周期性消息的特點(diǎn)是要求保證消息的實(shí)時(shí)性和可靠性。因此，要同時(shí)考察周期性消息和非周期性消息對(duì)總線網(wǎng)絡(luò)性能的影響。

在DSPN的建模框架下，基于自下向上的建模思路，建立各個(gè)功能模塊的DSPN模型的基礎(chǔ)上，分別建立周期性消息的總線網(wǎng)絡(luò)DSPN模型和考慮非周期性消息的總線網(wǎng)絡(luò)DSPN模型。

2.1 功能模塊的DSPN模型

1）周期性消息調(diào)度模塊DSPN模型

在艦船電子綜合化系統(tǒng)總線網(wǎng)絡(luò)中，各類任務(wù)存在著不同的實(shí)時(shí)性要求，而各類任務(wù)的完成需要一個(gè)或者多個(gè)周期性消息通過(guò)1 553 B總線發(fā)送、傳輸和接收等具體動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)通信，這就導(dǎo)致各類周期性消息具有不同的實(shí)時(shí)性要求。因此，這就需要根據(jù)一定的調(diào)度方法安排各類周期性消息的發(fā)送時(shí)間，從而滿足不同周期性消息和任務(wù)的實(shí)時(shí)性要求。艦船電子綜合化系統(tǒng)總線網(wǎng)絡(luò)通常采用負(fù)載均衡的控制規(guī)程來(lái)設(shè)計(jì)周期性消息調(diào)度方案。

本文的目的是探討DSPN在艦船電子綜合化系統(tǒng)總線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性分析中的應(yīng)用價(jià)值，因此僅假設(shè)系統(tǒng)有2組不同的周期性消息子集合，即大周期為100 ms 的消息子集合和小周期為50 ms 的消息子集合。在1個(gè)大周期內(nèi)，大周期100 ms的消息子集合被發(fā)送1次，小周期為50 ms的消息子集合被發(fā)送2次。為模擬艦船電子綜合化系統(tǒng)總線網(wǎng)絡(luò)中周期性消息大小周期調(diào)度的過(guò)程，構(gòu)建了周期性消息調(diào)度模塊的DSPN模型（見(jiàn)圖2）。

主要模型要素的含義如下：庫(kù)所P1用以控制小周期的啟動(dòng)和循環(huán)，并控制大周期為100 ms的k1個(gè)周期性消息的消息子集合的生成；庫(kù)所P2用以控制小周期的結(jié)束和循環(huán)；庫(kù)所P3用標(biāo)記的容量控制小周期為50 ms的k2個(gè)周期性消息的消息子集合的生成；庫(kù)所P4和P5中的標(biāo)記容量分別表示大周期為100 ms和小周期為50 ms的周期性消息數(shù)；庫(kù)所P6和P7中的標(biāo)記容量分別表示大周期為100 ms和小周期為50 ms的待發(fā)送周期性消息數(shù)。瞬時(shí)變遷T1表示新的小周期開(kāi)始；確定時(shí)間變遷T2的實(shí)施延時(shí)為50 ms，即一個(gè)小周期的時(shí)間，用來(lái)控制小周期的循環(huán)，并控制大周期為100 ms的k1個(gè)周期性消息的消息子集合的生成；瞬時(shí)變遷T3用來(lái)控制小周期為50 ms的k2個(gè)周期性消息的消息子集合的生成；指數(shù)時(shí)間變遷T4和T5表示消息間的間隔時(shí)間，實(shí)施時(shí)間服從的泊松分布。模型的初始標(biāo)識(shí)見(jiàn)圖1。

2）非周期性消息的DSPN模型

非周期性消息是艦船電子綜合化系統(tǒng)總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)之一，因此研究其對(duì)總線網(wǎng)絡(luò)性能的影響尤為重要。

圖3為非周期性消息的DSPN模型。主要模型要素定義如下：庫(kù)所P18表示非周期性消息到達(dá)；庫(kù)所P19表示某個(gè)非周期性消息子集達(dá)到完成；庫(kù)所P20表示待發(fā)送的非周期性消息個(gè)數(shù)。瞬時(shí)變遷T17用來(lái)管理非周期性消息的到達(dá)；指數(shù)時(shí)間變遷T18模擬非周期性消息的到達(dá)，設(shè)定其服從參數(shù)為的泊松分布。

3）消息傳輸模塊的DSPN模型

為了模擬艦船電子綜合化系統(tǒng)總線網(wǎng)絡(luò)中消息的傳輸過(guò)程，構(gòu)建了消息傳輸模塊的DSPN模型（見(jiàn)圖4）。

主要模型要素的含義如下：庫(kù)所P8有標(biāo)記時(shí)表示存在待傳輸?shù)南ⅲ粠?kù)所P9有標(biāo)記時(shí)表示消息在總線上正在傳輸；庫(kù)所P10有標(biāo)記時(shí)表示當(dāng)前消息需要等待一個(gè)消息間隔時(shí)間；庫(kù)所P11有標(biāo)記時(shí)表示消息到達(dá)消息接收端。瞬時(shí)變遷T6表示消息可以在總線上傳輸；指數(shù)時(shí)間變遷T7表示當(dāng)前消息在總線網(wǎng)絡(luò)上的傳輸時(shí)間，假設(shè)1 553 B總線的消息長(zhǎng)度為l，則，每個(gè)消息字為20 μs，則每個(gè)消息μs，為不失一般性假設(shè)模型中每個(gè)消息的長(zhǎng)度為l=16，則指數(shù)時(shí)間變遷T7的實(shí)施時(shí)間服從的泊松分布；指數(shù)時(shí)間變遷T8表示消息正在等待的消息間隔時(shí)間，1 553 B總線的消息間隔時(shí)間[4 μs，12 μs]，為不失一般性假設(shè)模型中μs，即指數(shù)時(shí)間變遷T8的實(shí)施時(shí)間服從的泊松分布。

2.2 周期性消息的總線網(wǎng)絡(luò)DSPN模型

為模擬艦船電子綜合化系統(tǒng)總線網(wǎng)絡(luò)中各類不同周期的消息的動(dòng)態(tài)發(fā)送、傳輸、接收等動(dòng)作及過(guò)程，將周期性消息調(diào)度模塊的DSPN模型和消息傳輸模塊的DSPN模型進(jìn)行綜合，構(gòu)建了周期性消息的總線網(wǎng)絡(luò)DSPN模型（見(jiàn)圖5）。

主要模型要素的含義如下：庫(kù)所P12和P14有標(biāo)記時(shí)分別表示周期為50 ms和100 ms的消息獲得總線使用權(quán)；庫(kù)所P13和P15有標(biāo)記時(shí)分別表示周期為50 ms和100 ms的消息發(fā)送完畢；庫(kù)所P16和P17有標(biāo)記時(shí)分別表示周期為50 ms和100 ms的消息正在處于發(fā)送狀態(tài)。瞬時(shí)變遷T9和T11分別表示周期為50 ms和100 ms的消息即將發(fā)送；瞬時(shí)變遷T10和T12分別表示周期為50 ms和100 ms的消息發(fā)送完畢；瞬時(shí)變遷T13和T14分別表示當(dāng)前沒(méi)有周期為50 ms和100 ms的消息發(fā)送，將總線使用權(quán)轉(zhuǎn)移；變遷T15和T16分別表示消息之間的時(shí)間間隔，實(shí)施時(shí)間服從的泊松分布。模型的初始標(biāo)識(shí)見(jiàn)圖5。

2.3 考慮非周期性消息的總線網(wǎng)絡(luò)DSPN模型

為模擬艦船電子綜合化系統(tǒng)總線網(wǎng)絡(luò)中非周期性消息對(duì)總線網(wǎng)絡(luò)性能的影響，將周期性消息調(diào)度模塊的DSPN模型、非周期性消息的DSPN模型和消息傳輸模塊的DSPN模型進(jìn)行綜合，構(gòu)建了考慮非周期性消息的總線網(wǎng)絡(luò)DSPN模型（見(jiàn)圖6）。

新增加的庫(kù)所和變遷定義如下：庫(kù)所P21有標(biāo)記時(shí)表示非周期性消息獲得總線使用權(quán)；庫(kù)所P22有標(biāo)記時(shí)表示非周期性消息發(fā)送完畢；庫(kù)所P23有標(biāo)記時(shí)表示非周期性消息為發(fā)送狀態(tài)。瞬時(shí)變遷T21表示非周期性消息即將發(fā)送；瞬時(shí)變遷T22表示非周期性消息發(fā)送完畢；瞬時(shí)變遷T20表示當(dāng)前沒(méi)有非周期性消息發(fā)送；變遷T19表示消息間的時(shí)間間隔，實(shí)施時(shí)間服從的泊松分布。模型的初始標(biāo)識(shí)見(jiàn)圖6。

3 模型仿真分析

TimeNET 4.2是德國(guó)柏林工業(yè)大學(xué)開(kāi)發(fā)用于支持DSPN的建模與仿真工具[12]。本文以TimeNET 4.2為仿真平臺(tái)，考察周期性消息和非周期性消息對(duì)艦船電子綜合化系統(tǒng)總線網(wǎng)絡(luò)性能的影響。

在總線網(wǎng)絡(luò)DSPN模型中，用庫(kù)所P9的標(biāo)記數(shù)來(lái)表示總線網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，用庫(kù)所P16和P17的標(biāo)記數(shù)與指數(shù)時(shí)間變遷T7的平均實(shí)施速率的比值表示周期為50 ms和100 ms消息的延遲時(shí)間（Delaytime1和Delaytime2）。

此外，模型中周期為50 ms和100 ms的消息子集合中周期性消息的個(gè)數(shù)分別為：。

3.1 周期性消息對(duì)總線網(wǎng)絡(luò)性能的影響

周期性消息的總線網(wǎng)絡(luò)DSPN模型運(yùn)行成功得到總線網(wǎng)絡(luò)負(fù)載隨著時(shí)間動(dòng)態(tài)變化曲線（見(jiàn)圖7）和周期為50 ms和100 ms消息的延遲時(shí)間隨著時(shí)間動(dòng)態(tài)變化曲線（見(jiàn)圖8和圖9）。

3.2 非周期性消息對(duì)總線網(wǎng)絡(luò)性能的影響

考察非周期性消息對(duì)總線網(wǎng)絡(luò)性能的影響，分別假設(shè)非周期性消息到達(dá)參數(shù)λ18或者非周期性消息數(shù)k3為常值時(shí)，總線網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、周期為50 ms和100 ms消息的延遲時(shí)間的變化規(guī)律。

當(dāng)非周期性消息的達(dá)到參數(shù)λ18取值為

時(shí)，非周期性消息數(shù)k3變化，得到總線網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、周期為50 ms和100 ms消息的延遲時(shí)間如表2所示。可知：總線網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、周期為50 ms和100 ms消息的延遲時(shí)間隨著非周期性消息數(shù)k3的增加而增大。

情況2：假設(shè)當(dāng)非周期性消息數(shù)k3為常值時(shí)，研究總線網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、周期為50 ms和100 ms消息的延遲時(shí)間隨著非周期性消息到達(dá)參數(shù)的變化情況。

當(dāng)非周期性消息數(shù)k3取3時(shí)，非周期性消息到達(dá)參數(shù)變化，得到總線網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、周期為50 ms和100 ms消息的延遲時(shí)間（見(jiàn)表3）。可知：總線網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、周期為50 ms和100 ms消息的延遲時(shí)間隨著非周期性消息的到達(dá)參數(shù)的變大而變小，當(dāng)小于等于時(shí)，總線網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、周期為50 ms和100 ms消息的延遲時(shí)間都變化不大趨于穩(wěn)定，非周期性消息對(duì)總線網(wǎng)絡(luò)性能幾乎沒(méi)有影響。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文在DSPN的建模框架下，建立了周期性消息的總線網(wǎng)路DSPN模型和考慮非周期性消息的總線網(wǎng)路DSPN模型，該模型可以有效模擬各類消息在艦船電子綜合化系統(tǒng)總線網(wǎng)絡(luò)上的發(fā)送、傳輸和接收等動(dòng)態(tài)行為過(guò)程。為考察周期性消息和非周期性消息對(duì)艦船電子綜合化系統(tǒng)總線網(wǎng)絡(luò)性能的影響，以TimeNET 4.2為仿真平臺(tái)，分析了總線網(wǎng)絡(luò)負(fù)載和消息延遲時(shí)間的變化趨勢(shì)和變化原因，該成果可以為設(shè)計(jì)滿足特定性能要求的艦船電子綜合化電子系統(tǒng)總線網(wǎng)絡(luò)提供理論支持工具。

表2 當(dāng)λ18為常值，k3變化時(shí)，總線網(wǎng)絡(luò)負(fù)載和消息延遲時(shí)間Tab.2 Whenλ18 is constant，k3 changes，the bus network load and message delay time

表3 當(dāng)k3為常值，λ18變化時(shí)，總線網(wǎng)絡(luò)負(fù)載和消息延遲時(shí)間Tab.3 When k3is constant，λ18 changes，the bus network load and message delay time

下一步的工作重點(diǎn)是研究多種艦船電子綜合化系統(tǒng)總線網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)工作模式下各類消息建模與性能分析。

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Modeling and analysis of bus network in the integrated ship electronic system using deterministic and stochastic petri net

MA Shao-hui1, HAI Ben-zhai2, REN Yan-na3
(1. Department of Computer Science and Technology, Henan Institute of Technology, Xinxiang 453000, China; 2. College of Computer and Information Engineering, Henan Normal University, Xinxiang 453007, China; 3. School of Information and Management Science, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China)

The influence of periodic message and aperiodic message on the performance of the bus network in the integrated ship electronic system (ISES) is one of the difficulties in the design of the bus network in the ISES. Deterministic and Stochastic Petri Net (DSPN) is used as the theoretical tooland the bus network model based on DSPN of the periodic message and the bus network model based on DSPN of the aperiodic message are established respectively, Which can effectively simulate the dynamic behavior of periodic message and aperiodic message in the bus network of the ISES. TimeNET4.2 software is used as the simulation platform, and the bus network model based on DSPN of the periodic message and the bus network model based on DSPN of the aperiodic message are realized. The influence of periodic message and aperiodic message on the performance of the bus network in the ISES through simulation experiments is analyzed. The results can provide theoretical basis for the design of the bus network in the ISES which meets specific performance requirements.

integrated ship electronic system；message；bus network；modeling

TP391

A

1672 – 7619(2017)06 – 0119 – 06

10.3404/j.issn.1672 – 7619.2017.06.024

2016 – 11 – 06

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(U1404602)；河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研資助項(xiàng)目(15B520006)；河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)資助項(xiàng)目(14A520046)；河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研資助項(xiàng)目(15A520063)

馬紹惠(1971 – )，女，碩士，副教授，研究方向?yàn)榭偩€網(wǎng)路技術(shù)及智能算法。