Petri net modules in the transformation-based component framework

AbstractComponent-based software engineering needs to be backed by thorough formal concepts and modeling techniques. This paper combines two concepts introduced independently by the two authors in previous papers. On one hand, the concept of Petri net modules introduced at IDPT 2002 in Padberg [J. Padberg, Petri net modules, Journal on Integrated Design and Process Technology 6 (4) (2002) 105–120], and on the other hand a generic component framework for system modeling introduced at FASE 2002 in Ehrig et al. [H. Ehrig, F. Orejas, B. Braatz, M. Klein, M. Piirainen, A generic component concept for system modeling, in: Proceedings of FASE ’02, Lecture Notes in Computer Science, vol. 2306, Springer, 2002]. First we develop a categorical formalization of the transformation based approach to components that is based on pushouts. This is the frame in which we show that Petri net modules can be considered as an instantiation of the generic component framework. This allows applying the transformation based semantics and compositionality result of the generic framework to Petri net modules. In addition to general Petri net modules we introduce Petri net modules preserving safety properties which can be considered as another instantiation of pushout based formalization of the generic framework

Matrizen- und zustandsraumreduzierende Verfahren zur Leistungsbewertung großer stochastischer Petrinetze

Viele qualitative und quantitative Analysemethoden von Petrinetzmodellen basieren auf der Berechnung aller Modellzustände. Für sehr große Modelle ist eine Berechnung wichtiger Eigenschaften aufgrund ihrer zu großen Zustandsräume oft unmöglich. Diese Restriktion ist als das Problem der Zustandsraumexplosion bekannt. Sehr große Zustandsräume ziehen darüber hinaus die Behandlung sehr großer Matrizen nach sich. Während der numerischen Analyse muß nach der Ermittlung aller Zustände eines Petrinetzmodells eine quadratische Matrix erstellt werden, deren Dimension von der Anzahl der ermittelten Zustände ist. Diese Arbeit untersucht matrizen- und zustandsraumreduzierende Verfahren zur Überwindung des Problems der Zustandsraumexplosion. Durch die in dieser Arbeit beschriebenen Verfahren sind deutlich größere Modelle als bisher analysierbar. Die Möglichkeiten und Grenzen dieser Verfahren werden untersucht und erläutert. Anhand von Beispielen werden die beschriebenen Verfahren zur Reduzierung von Matrizen und Zustandsräumen vorgestellt. Kern der Arbeit ist eine neue Aggregierungsmethode. Unter Aggregierung wird dabei der Prozeß verstanden, ein großes, komplexes Modell in ein kleineres, weniger komplexes Modell zu überführen. Bedingung einer geeigneten Aggregierung ist die Bewahrung wichtiger Eigenschaften des Originalmodells. Zu diesen Eigenschaften gehören wichtige strukturelle Merkmale eines Modells. In dieser Arbeit werden solche strukturellen Merkmale erläutert und Verfahren vorgestellt, die deren effiziente Ermittlung ermöglichen. Es wird gezeigt, daß die in dieser Arbeit präsentierte Aggregierungsmethode die für die numerische Analyse wichtigen strukturellen Eigenschaften bewahrt. Eine Bewahrung zeitbehafteter Eigenschaften von Modellen bei deren Aggregierung wurde in bisherigen Untersuchungen kaum beachtet. In dieser Arbeit wird ein Graphen basiertes Verfahren vorgestellt, mit welchem häufig auftretende Strukturen in stochastischen Petrinetzen zu einer zeitbehafteten Transition mit einer markierungsabhängigen Schaltzeit aggregiert werden. Die dadurch erzeugten aggregierten Modelle mit einem deutlich reduzierten Zustandsraum weisen für wichtige Leistungsmaße ein ähnliches, in manchen Fällen gar gleiches Verhalten auf, wie das Originalmodell. Andere bekannte Verfahren zur Angleichung des Zeitverhaltens des aggregierten Modells an das Originalmodell basieren dagegen auf aufwendigen iterativen numerischen Analysen. Durch die Vermeidung eines solchen Iterationsverfahrens läßt sich die in dieser Arbeit vorgestellte Aggregierungsmethode in bekannte approximative Analyseverfahren integrieren. Die Anwendung einer solchen Integration wird demonstriert. Abschließend wird anhand einer Reihe von Beispielen die Praktikabilität der hier vorgeschlagenen Aggregierungsmethode experimentell untersucht

Effiziente simulationsbasierte Optimierung farbiger stochastischer Petri-Netze

Modelle erleichtern das Verstehen und Verbesserung technischer Systeme. Dabei werden durch Abstraktion komplexer Systeme nur noch wesentliche Bestandteile von Design und Verhalten nachgebildet, das Modell ist damit deutlich leichter handhabbar und verständlicher als das reale System. Durch Anpassung des Modells bzw. seiner Konfiguration wird eine Optimierung des Systems erleichtert oder überhaupt erst ermöglicht. Optimierung eines Modells bedeutet dabei, aus der Menge aller Systemkonfigurationen diejenige(n) zu bestimmen, für die sich das Modell - und damit später auch das reale System - hinsichtlich bestimmter Bewertungskriterien bestmöglich verhält. Aufgrund zufälliger Einflussgrößen wird das Finden einer optimalen Systemkonfiguration auf konventionellem Wege unmöglich oder zumindest unrealistisch schwer. Hier setzt die indirekte Optimierung durch Simulation an. Ein großes Problem ist dabei der enorme Zeitbedarf von Simulationen. Thema der Arbeit ist die Frage, wie die Effizienz simulationsbasierter Optimierung durch Kombination bekannter und neuer Verfahren erhöht werden kann. Dafür wurde ein neues Verfahren der adaptiven Genauigkeitssteuerung mittels Multiphasen-Optimierung entwickelt. Für die Beantwortung der Frage wurde zunächst ein Analysewerkzeug erstellt, mit dem die verschiedenen Verfahren zur simulationsbasierten Optimierung untersucht werden können. Um auf bisherige Vorarbeiten und Veröffentlichungen am Fachgebiet aufzubauen, wurde für diese Arbeit das Simulationssystem TimeNET verwendet. Als formales Modell für komplexe, diskrete Systeme kommen farbige, stochastische Petri-Netze (Stochastic Colored Petri Nets) zum Einsatz. Typische Probleme simulationsbasierter Optimierung werden betrachtet. Es werden bekannte Verfahren verglichen und ein neues Verfahren vorgestellt, welches den Simulationszeitbedarf in Betracht zieht und damit auf die Anwendung für simulationsbasierte Optimierung zugeschnitten ist. Abschließend werden die Verfahren anhand von SCPN-Simulationen und Benchmarkfunktionen bewertet.Models facilitate the understanding and improvement of technical systems. By abstracting complex systems, only essential components of design and behavior are reproduced, making the model much easier to handle and more understandable than the real system. By adapting the model or its configuration, an optimization of the system is made easier or even possible. Optimization of a model means to determine from the set of all system configurations the one for which the model - and thus later also the real system - behaves best in terms of certain evaluation criteria. Due to random factors, finding an optimal system configuration by conventional means, e.g. through (Mixed Integer) Linear Programming often is impossible or at least unrealistic hard. This is where indirect optimization through simulation comes into play. A big challenge is the amount of time required by simulations. Topic of this thesis is increasing the efficiency of simulation-based optimization by combining well known and new methods. For this purpose, a new method of adaptive accuracy control using multi-phase optimization has been developed and integrated into a prototype software tool. To build on previous work and publications, the simulation system TimeNET was used for this work. Therefore (Stochastic Colored Petri Nets) are used as a formal model for complex, discrete systems. Typical problems of simulation-based optimization are considered. Known methods are compared and a new method is presented, which takes into account the required simulation time and thus is tailored to simulation-based optimization. Finally, the presented methods are evaluated using SCPN simulations and benchmark function

Redes de Petri reactivas e hierárquicas - integração de formalismos no projecto de sistemas reactivos de tempo-real

Dissertação apresentada para obtenção do grau de Doutor em Engenharia Electrotécnica, especialidade de Sistemas Digitais, pela Universidade Nova de Lisboa, Faculdade de Ciências e TecnologiaNesta dissertação faz-se a apresentação de uma nova classe de Redes de Petri, as Redes de Petri Reactivas e Hierárquicas (RdP-RH). O objectivo principal da proposta é o de suportar o projecto integrado de sistemas reactivos de tempo-real, permitindo, para além do apoio às diversas fases do ciclo de desenvolvimento, nomeadamente especificação, validação, verificação e realização, integrar submodelos especificados através de diferentes formalismos. Como exemplos representativos de sistemas reactivos de tempo-real refiram-se os sistemas embebidos, os sistemas de automação e os circuitos digitais de aplicação específica. De entre os formalismos tidos como interessantes, refiram-se, os formalismos típicos de especificação dos sistemas a eventos discretos passíveis de uma representação gráfica, como as máquinas de estado, os statecharts e as redes de Petri, bem como alguns dos formalismos genericamente designados como de controlo inteligente, como sistemas de produção de regras, de regras com imprecisão e de regras difusas. A classe das Redes de Petri Reactivas (RdP-R), utilizada como núcleo das RdP-RH, é caracterizada como tomando as Redes de Petri Coloridas como classe de referência, às quais se adicionam capacidades de modelação de características não-autónomas, intrínsecas aos sistemas que se pretendem modelar. Discutem-se alguns aspectos ligados à sua realização, nomeadamente os temas de construção do espaço de estados e da resolução automática de conflitos. A introdução de três mecanismos distintos de estruturação hierárquica, denominados por decomposição horizontal, vertical e mista, conduz à definição das RdP-RH. Nelas se utilizam três tipos de nós denominados por macronós, metanós e supernós, associados aos três mecanismos propostos. Os mecanismos de estruturação hierárquica do modelo são complementados com a representação vectorizada dos nós do grafo. Discute-se a aplicação das RdP-RH na modelação de statecharts e de formalismos de controlo inteligente, com ênfase para os controladores difusos, onde a necessidade de integrar controlo e processamento de dados permite utilizar cabalmente as capacidades das RdP-RH. Em torno da análise de trabalhos realizados na área de aplicação de “edifícios inteligentes”, utilizada como referência para o trabalho desenvolvido, identificam-se alguns temas em que se prevêm ou são desejados desenvolvimentos no futuro próximo recorrendo às RdP-RH