An Efficient Siphon-Based Deadlock Prevention Policy for a Class of Generalized Petri Nets

We propose a new deadlock prevention policy for an important class of resource allocation systems (RASs) that appear in the modeling of flexible manufacturing systems (FMSs). The model of this class in terms of generalized Petri nets is, namely, S 4 PR. On the basis of recent structural analysis results related to the elementary siphons in generalized Petri nets on one hand and an efficient deadlock avoidance policy proposed for the class of conjunctive/disjunctive (C/D) RASs on the other hand, we show how one can generate monitors to be added to a net system such that all its strict minimal siphons are max -controlled and no insufficiently marked siphon is generated. Thereby, a new, simple, and more permissive liveness-enforcing supervisor synthesis method for S 4 PR is established

Deadlock Prevention Policy with Behavioral Optimality or Suboptimality Achieved by the Redundancy Identification of Constraints and the Rearrangement of Monitors

This work develops an iterative deadlock prevention method for a special class of Petri nets that can well model a variety of flexible manufacturing systems. A deadlock detection technique, called mixed integer programming (MIP), is used to find a strict minimal siphon (SMS) in a plant model without a complete enumeration of siphons. The policy consists of two phases. At the first phase, SMSs are obtained by MIP technique iteratively and monitors are added to the complementary sets of the SMSs. For the possible existence of new siphons generated after the first phase, we add monitors with their output arcs first pointed to source transitions at the second phase to avoid new siphons generating and then rearrange the output arcs step by step on condition that liveness is preserved. In addition, an algorithm is proposed to remove the redundant constraints of the MIP problem in this paper. The policy improves the behavioral permissiveness of the resulting net and greatly enhances the structural simplicity of the supervisor. Theoretical analysis and experimental results verify the effectiveness of the proposed method

Contributions to the deadlock problem in multithreaded software applications observed as Resource Allocation Systems

Desde el punto de vista de la competencia por recursos compartidos sucesivamente reutilizables, se dice que un sistema concurrente compuesto por procesos secuenciales está en situación de bloqueo si existe en él un conjunto de procesos que están indefinidamente esperando la liberación de ciertos recursos retenidos por miembros del mismo conjunto de procesos. En sistemas razonablemente complejos o distribuidos, establecer una política de asignación de recursos que sea libre de bloqueos puede ser un problema muy difícil de resolver de forma eficiente. En este sentido, los modelos formales, y particularmente las redes de Petri, se han ido afianzando como herramientas fructíferas que permiten abstraer el problema de asignación de recursos en este tipo de sistemas, con el fin de abordarlo analíticamente y proveer métodos eficientes para la correcta construcción o corrección de estos sistemas. En particular, la teoría estructural de redes de Petri se postula como un potente aliado para lidiar con el problema de la explosión de estados inherente a aquéllos. En este fértil contexto han florecido una serie de trabajos que defienden una propuesta metodológica de diseño orientada al estudio estructural y la correspondiente corrección física del problema de asignación de recursos en familias de sistemas muy significativas en determinados contextos de aplicación, como el de los Sistemas de Fabricación Flexible. Las clases de modelos de redes de Petri resultantes asumen ciertas restricciones, con significado físico en el contexto de aplicación para el que están destinadas, que alivian en buena medida la complejidad del problema. En la presente tesis, se intenta acercar ese tipo de aproximación metodológica al diseño de aplicaciones software multihilo libres de bloqueos. A tal efecto, se pone de manifiesto cómo aquellas restricciones procedentes del mundo de los Sistemas de Fabricación Flexible se muestran demasiado severas para aprehender la versatilidad inherente a los sistemas software en lo que respecta a la interacción de los procesos con los recursos compartidos. En particular, se han de resaltar dos necesidades de modelado fundamentales que obstaculizan la mera adopción de antiguas aproximaciones surgidas bajo el prisma de otros dominios: (1) la necesidad de soportar el anidamiento de bucles no desplegables en el interior de los procesos, y (2) la posible compartición de recursos no disponibles en el arranque del sistema pero que son creados o declarados por un proceso en ejecución. A resultas, se identifica una serie de requerimientos básicos para la definición de un tipo de modelos orientado al estudio de sistemas software multihilo y se presenta una clase de redes de Petri, llamada PC2R, que cumple dicha lista de requerimientos, manteniéndose a su vez respetuosa con la filosofía de diseño de anteriores subclases enfocadas a otros contextos de aplicación. Junto con la revisión e integración de anteriores resultados en el nuevo marco conceptual, se aborda el estudio de propiedades inherentes a los sistemas resultantes y su relación profunda con otros tipos de modelos, la confección de resultados y algoritmos eficientes para el análisis estructural de vivacidad en la nueva clase, así como la revisión y propuesta de métodos de resolución de los problemas de bloqueo adaptadas a las particularidades físicas del dominio de aplicación. Asimismo, se estudia la complejidad computacional de ciertas vertientes relacionadas con el problema de asignación de recursos en el nuevo contexto, así como la traslación de los resultados anteriormente mencionados sobre el dominio de la ingeniería de software multihilo, donde la nueva clase de redes permite afrontar problemas inabordables considerando el marco teórico y las herramientas suministradas para subclases anteriormente explotadas

Process Completing Sequences for Resource Allocation Systems with Synchronization

This paper considers the problem of establishing live resource allocation in workflows with synchronization stages. Establishing live resource allocation in this class of systems is challenging since deciding whether a given level of resource capacities is sufficient to complete a single process is NP-complete. In this paper, we develop two necessary conditions and one sufficient condition that provide quickly computable tests for the existence of process completing sequences. The necessary conditions are based on the sequence of completions of � subprocesses that merge together at a synchronization. Although the worst case complexity is O(2�), we expect the number of subprocesses combined at any synchronization will be sufficiently small so that total computation time remains manageable. The sufficient condition uses a reduction scheme that computes a sufficient capacity level of each resource type to complete and merge all � subprocesses. The worst case complexity is O(�⋅�), where � is the number of synchronizations. Finally, the paper develops capacity bounds and polynomial methods for generating feasible resource allocation sequences for merging systems with single unit allocation. This method is based on single step look-ahead for deadly marked siphons and is O(2�). Throughout the paper, we use a class of Petri nets called Generalized Augmented Marked Graphs to represent our resource allocation systems

Fluidization of Petri nets to improve the analysis of Discrete Event Systems

Las Redes de Petri (RdP) son un formalismo ampliamente aceptado para el modelado y análisis de Sistemas de Eventos Discretos (SED). Por ejemplo sistemas de manufactura, de logística, de tráfico, redes informáticas, servicios web, redes de comunicación, procesos bioquímicos, etc. Como otros formalismos, las redes de Petri sufren del problema de la ¿explosión de estados¿, en el cual el número de estados crece explosivamente respecto de la carga del sistema, haciendo intratables algunas técnicas de análisis basadas en la enumeración de estados. La fluidificación de las redes de Petri trata de superar este problema, pasando de las RdP discretas (en las que los disparos de las transiciones y los marcados de los lugares son cantidades enteras no negativas) a las RdP continuas (en las que los disparos de las transiciones, y por lo tanto los marcados se definen en los reales). Las RdP continuas disponen de técnicas de análisis más eficientes que las discretas. Sin embargo, como toda relajación, la fluidificación supone el detrimento de la fidelidad, dando lugar a la pérdida de propiedades cualitativas o cuantitativas de la red de Petri original. El objetivo principal de esta tesis es mejorar el proceso de fluidificación de las RdP, obteniendo un formalismo continuo (o al menos parcialmente) que evite el problema de la explosión de estados, mientras aproxime adecuadamente la RdP discreta. Además, esta tesis considera no solo el proceso de fluidificación sino también el formalismo de las RdP continuas en sí mismo, estudiando la complejidad computacional de comprobar algunas propiedades. En primer lugar, se establecen las diferencias que aparecen entre las RdP discretas y continuas, y se proponen algunas transformaciones sobre la red discreta que mejorarán la red continua resultante. En segundo lugar, se examina el proceso de fluidificación de las RdP autónomas (i.e., sin ninguna interpretación temporal), y se establecen ciertas condiciones bajo las cuales la RdP continua preserva determinadas propiedades cualitativas de la RdP discreta: limitación, ausencia de bloqueos, vivacidad, etc. En tercer lugar, se contribuye al estudio de la decidibilidad y la complejidad computacional de algunas propiedades comunes de la RdP continua autónoma. En cuarto lugar, se considera el proceso de fluidificación de las RdP temporizadas. Se proponen algunas técnicas para preservar ciertas propiedades cuantitativas de las RdP discretas estocásticas por las RdP continuas temporizadas. Por último, se propone un nuevo formalismo, en el cual el disparo de las transiciones se adapta a la carga del sistema, combinando disparos discretos y continuos, dando lugar a las Redes de Petri híbridas adaptativas. Las RdP híbridas adaptativas suponen un marco conceptual para la fluidificación parcial o total de las Redes de Petri, que engloba a las redes de Petri discretas, continuas e híbridas. En general, permite preservar propiedades de la RdP original, evitando el problema de la explosión de estados

Recent advances in petri nets and concurrency

CEUR Workshop Proceeding

Obstructions in Security-Aware Business Processes

This Open Access book explores the dilemma-like stalemate between security and regulatory compliance in business processes on the one hand and business continuity and governance on the other. The growing number of regulations, e.g., on information security, data protection, or privacy, implemented in increasingly digitized businesses can have an obstructive effect on the automated execution of business processes. Such security-related obstructions can particularly occur when an access control-based implementation of regulations blocks the execution of business processes. By handling obstructions, security in business processes is supposed to be improved. For this, the book presents a framework that allows the comprehensive analysis, detection, and handling of obstructions in a security-sensitive way. Thereby, methods based on common organizational security policies, process models, and logs are proposed. The Petri net-based modeling and related semantic and language-based research, as well as the analysis of event data and machine learning methods finally lead to the development of algorithms and experiments that can detect and resolve obstructions and are reproducible with the provided software