基于本体的语义Petri网研究及其在系统建模中的应用

【摘要】： Petri网作为一种形式化建模的方法,虽然在系统并发等性能的评价和验证上提供了很多方法,但是其能够描述的语义信息十分有限,虽然各类高级Petri网模型旨在扩展模型的表达能力,但是与UML和IDEF等描述性建模方法相比表义仍显不足,缺乏对面向对象机制的全面支持。而且Petri网模型需要专门的建模软件支持,与其他模型无法实现自动的转化和信息共享。由于这些问题的存在使Petri网不能满足新一代系统设计方法的需要,严重的制约了其在控制领域乃至与分布式软件系统等其他系统中的应用。 为了在系统建模时能够同时利用UML或IDEF等建模方法丰富的语义和Petri网严格的形式化验证,本文以丰富Petri网的语义信息为基本目标,以面向对象实时系统为主要研究对象,融入领域本体的基本思想和本体映射算法,提出了语义Petri网的概念及应用实例。 本文首先给出了语义Petri网的定义和基于语义Petri网的系统建模过程,语义Petri网主要由3部分构成:分层面向对象Petri网模型、模型本体库和UML模型。分层面向对象Petri网模型是采用分层策略的,对面向对象中的继承、抽象等特性提供了全面的支持。然后文中详细描述了为实现模型自动转化提供服务的模型本体库的建立方法,模型本体库需要事先由系统建模领域专家建立,并在每一次建模过程中不断完善,文中给出了模型本体的结构层次,并定义了Petri网和UML本体概念集。针对模型本体本身的特点综合现有本体映射算法的优点本文提出了综合语义相似度计算方法,作为本体映射过程中计算两个概念相似程度的依据。最后本文将语义Petri网作为描述AUV控制系统和信息交互设计方案的模型,使其在AUV设计阶段充分描述软硬件描述信息,并能在仿真验证阶段形式化验证系统的并行冲突和功能完备性,为AUV的事前验证和设计方案优化提供手段。 本文从模型定义、算法细节描述到应用实例呈现了一个集Petri网、面向对象和本体于一身的系统建模方法。这是一个针对面向对象实时系统的通用建模方法,即能够详细描述系统信息又能够对系统性能进行形式化分析验证与优化。