基于Petri网的业务化空间环境模式集成平台

2018-04-02朱坤帅蔡燕霞鲁国瑞

电子设计工程 2018年3期

朱坤帅，蔡燕霞，鲁国瑞

（1.中国科学院国家空间科学中心北京100190；2.中国科学院大学计算机与控制学院，北京100049）

空间环境模式及其技术系统是开展空间环境预报和服务的重要基础条件[1]。空间环境模式建立在大量空间探测数据的基础上，是对获取到的原始数据进行科学建模、计算，获得可供直接使用的产品数据。空间环境领域研究的层层深入使空间环境模式的数量持续增长，致使模式管理难度不断加大，以往的单一模式业务化已不能满足现实需求。

本文从空间环境模式的现状出发，探讨开展空间环境多模式业务化的应用需求，并借助于“无码编程”技术与任务调度，提出构建基于改进Petri网的业务化空间环境模式集成平台。

1 研究背景

欧美发达国家在空间环境模式集成方面起步早，已经研发出一系列的空间环境模式集成系统，如SWMF（Space Weather Modeling Framework）、CCMC（Community Coordinated Modeling Center）、SPENVIC等[2]。在NASA（美国国家航空航天局）地球科学技术部计算技术项目的推动下，美国密歇根大学的空间环境建模中心CSEM（Center for Space Environment Modeling）启动空间环境模式集成项目，建成了SWMF空间环境模式计算集成框架，实现从太阳表面到地球上层大气圈各区域空间物理过程的模式集成与分析应用[3]。NASA与美国空军、美国国家科学基金会（National Science Foundation，United States，NSF）、美国国家海洋与气象管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）等 8个机构合作开发的美国协同建模中心CCMC空间环境模式集成系统实现了模式与观测数据的融合应用，在空间环境预报领域得到了广泛的使用[4]。比利时联邦科学研究所在ESA（欧洲航天局）的资助下，成功开发了空间环境信息系统（SPENVIS），实现了模式的耦合计算与结果可视化表达，支持空间环境分析与事件预测[5]。

近年来，随着我国自主空间环境领域研究的不断深入，国内的研究机构开始注重空间环境模式研究成果的应用与推广，空间环境模式集成技术研究也随之进入起步发展阶段。其中，借助于插件的动态加载和注销来实现模式集成方法[6]，集成过程复杂，缺乏灵活性；使用模式封装模块来实现模式集成方法[7]，集成涉及面广，鲁棒性差；设置模型服务组件，通过模型计算包和适配器模块分别对数据及可执行程序进行模式集成方法[8]，但未能实现业务化。

2 基于Petri网的空间环境模式集成模型

2.1 需求分析

构建空间环境模式集成平台（Spatial Environment Mode Integration Platform，SEMIP），需要空间环境模式实现从研究级到业务级的转化[9]。

2.1.1 从单模式到多模式的扩展

空间环境模式是从事空间物理学基础研究的科研人员研究分析空间数理规律，从中归纳总结出来的[10-11]，具有专业性、针对性、独立性和多样性的特点。现有的模式业务化以个体为单位，独立集成；当增加新的模式时，需执行大量重复工作，完成整个业务过程，大大增加了工作负担。

“无码集成”技术通过便捷的配置只需为新模式设置相关数据信息来实现新模式的业务化，精简了模式集成过程，实现从单模式到多模式的迅速扩展[12]。

2.1.2 从单调控到多调度的延伸

空间环境研究正趋向于向多数据、多参数综合应用领域发展，这意味着不同模式研究之间需要更加频繁的数据交互共享。将原有的单一的模式集成置于统一的平台下，将大大提高模式运行效率，实现对多模式的有效管理。

从单一的空间环境模式运行到多模式集成业务平台，模式运行数目不断增加，合理调度各模式，实现服务器最优分配是实现平台效率及有效性的关键，也是实现空间环境模式业务化的重要环节。

2.2 模型构建

图1展示了空间环境模式集成的物理总体过程。SEMIP通过从原始数据库获取原始数据，经过模式集成平台“加工”处理后，把获得的产品数据送入产品数据库。该过程实现了业务化、自动化的空间环境模式运作。

为了更好地描述SEMIP平台业务化运行过程，文中引入图形化建模工具——Petri网对SEMIP进行抽象建模[13-14]。经典Petri网（如图2）由库所（Place）、变迁（Transition）、令牌（Token）和有向弧（Connection）等元素组成，具有自然、直观、简单易懂和易用的特点[15]。

图2 经典Petri网

在经典Petri网的基础上提出了一种基于改进Petri网的模式运算模型。通过给令牌“着色”，并引入模式状态评级R、模式运行周期C、各变迁的功能函数及状态函数等来完成构建基于改进Petri网的模式运算模型。

模式运算模型包括模型的静态定义和模式运作过程两个部分[16]，主要要素关系如下：

1）静态定义

定义1：令牌集M={Mi∈M，i=1，2，....，n}，改进的Petri网给令牌赋予属性，且每一个令牌Mi={mj∈Mi，i，j=1，2，...n}由更小的令牌子属性组成，随着令牌在运作过程中不断被转移，令牌属性也随之不断变化，变化的令牌属性决定着变迁是否进行下去；在一次过程中，不存在完全相同的两个令牌，如：∀x≠y且x，y∈{1，2，....，n}，Mx≠My。

定义2：库所集P={Pi∈P，i=1，2，...n}是变迁前后令牌的库所，若前后一致，则表示该变迁未变更库所。

定义 3：活动集T={Ti∈T，i=1，2，...n}涵盖了整个模型运作中所有变迁活动，且每一个变迁Ti={tj∈Ti，i，j=1，2，...n}由更小的子变迁组成。同一过程中的各活动不存在并发行为，即∀x≠y且x，y∈{1，2，....，n}，Tx⋂Ty=∅。

定义 4：模式状态评级R={1，2，...，n}表示模式状态，状态不同，模式运行所在的库所不同。例如，SEMIP平台中，评级R为服务器当前状态，根据服务器状态的不同，新加入的模式任务将会分配到状态最佳服务器中去，且行为不可逆。

定义5：模式运行周期C=c，c值为固定值，模式确定后，则不能更改。

2）运作过程

定义6.模型运作过程W=(M，P，T，R，C)分3步完成，分别为准备前期P-（如图3所示）、准备后期P+（如图4所示）和周期运行Wˉ（如图5所示）。P-=(M，P，T，R)为模式准备必须的前期条件，通过变迁T的作用，令牌M属性随着库所P的变更发生变化，模式状态R作为M属性中的一部分也发生作用。同样，P+=(M，P，T)则为模式准备必备的后期条件。模式状态R在前期影响库所P后就失去作用。Wˉ =(P-，P+，C)实现模式的周期运作过程。

图3 P-活动过程

至此，完成了模式运算模型的阐述，接下来，将该模型应用于SEMIP平台的设计与实现中。

图4 P+活动过程

图5 Wˉ活动过程

3 应用设计

3.1 空间环境模式集成平台描述

图6展示了空间环境模式集成平台的模型架构设计。SEMIP平台分为“无码集成”和“任务调度”两大主要模块。

图6 模型架构设计

根据集成的时间节点，无码集成又可以分为模式运行前的输入准备和模式运行后的输出准备，具体实现过程如图7所示。

图7 无码集成

输入准备时，首先获取所需的模式信息，配置XML数据模板及相关原始数据的元数据表，等待指令后能够规范自动生成所需要的输入数据文件，完成输入准备工作；输出准备时，配置XML数据模板及相关产品数据元数据表，等待获取到的输出数据文件，完成解析，最终实现将产品数据存放入指定的产品数据库中[17]。

任务调度负责服务器的初始化分配及模式的周期运行。当新的模式集成时，SEMIP平台会根据实时的服务器集群的运行状态，评级最优的服务器分配给该模式使用；将配置好的新模式开启，SEMIP平台会自动根据模式需求的运行周期，定期启动模式，实现持续7*24业务化运行[18]。

3.2 模型应用研究

模型中W=(M，P，T，R，C)表示模式运算过程。以“F10.7未来27日预报模式”模型为例，进行模型应用研究[19]。模式运算模型主要定义要素如表1、表2所示。

表1 令牌及其属性含义

表2 任务及其具体描述

首先，完成平台的输入准备P-初始化。根据模式的物理功能，设置模式编号、起算日期；根据当前服务器集群评级R，为新模式分配目标服务器。配置原始数据元数据及对应XML输入模板。

其次，完成平台的输入准备P+初始化。配置产品数据元数据及对应XML输出模板。

接着，开启任务调度。根据设定的起算日期及对应的模式编号、输入模板、原始数据元数据，生成输入数据文件，启动新模式，获取输出数据文件，解析文件后，根据产品数据元数据及输出模板，实现产品数据入库工作，完成模式的一次运作。

最后，任务调度进入Wait过程，经24小时（F10.7未来27日预报模式运算周期为24 h）后，任务调度重新开启。

4 系统实现

4.1 系统设计

SEMIP平台基于BS架构，采用Java、JSP语言开发，运行在Windows系统平台上；模式程序采用多种编程语言实现，如 Fortran、C、Matlab、Java，运行在Linux/Windows系统平台上；原始数据库/产品数据库采用Oracle11g数据库。系统框架如图8所示。

图8 空间环境模式集成平台系统框架

4.2 实验流程

文中以F10.7未来27日预报模式为例进行实验验证。

F10.7未来27日预报模式采用时间序列模型中的自回归方法开展F10.7中期预报研究。该模式利用自回归算法处理前期若干天的F10.7观测日值，得到未来27天的F10.7日值。目前，F10.7观测日值数据存储在原始数据库中，并每天持续更新。

1）分析物理模式。对F10.7未来27日预报模式进行分析，获得该模式的原始数据元数据、输入文件、输出文件、产品数据元数据、运行周期，并匹配相对应的输入模板（如图9所示）、输出模板。

图9 F10.7观测日值输入模板、输入数据

2）模式集成。通过友好界面，实现“无码集成”如图10所示。通过配置F10.7未来27日预报模式的数据源、模板、程序等信息，添加该模式到平台任务界面如图11所示。

图10 无码集成配置

图11 平台管理

3）任务调度。开启任务调度。根据模式运行周期，定时发送任务信息至相关服务器，完成模式运行工作，并将获取到的产品数据存入产品数据库。

4.3 结果分析

SEMIP平台实现了便捷的无码集成和7*24的业务化运行，完成了实验设想。

“无码集成”的模式集成方式体现了平台的易配置性、可重用性和扩展灵活性。平台在添加新模式时，只需获取到该模式所需的数据来源（元数据），不需要编码，仅仅通过友好的可视化界面就能实现新模式的集成工作，并且不会影响到其他现有模式。通过对前期空间环境模式的调研，模式所需的输入模板、输出模板大致相同，即使新模式下需要新的模板，也可以通过模板配置快速生成，大大增加了可重用性和扩展灵活性。

任务调度的模式运行管理方式体现了平台的业务化。友好的可视化界面配置实现了平台的“零基础使用”，7*24的业务化运行，实现了模式的自动化机制；统一的平台管理界面能够更便捷的管理多模式，更高效地完成模式运作。

5 结论

本文提出的基于改进Petri网的业务化空间环境模式集成平台有效的解决了空间环境模式业务化程度低的问题，实现了空间环境模式从研究级到业务级的转化，从单模式到多模式的扩展，从单调控到多调度的延伸，具备易配置性、可重用性和扩展灵活性。空间环境模式集成平台的构建，为航天领域从事空间环境的科研人员提供了应用性强，使用便捷的可用产品数据，必将大大助力科研任务的持续开展。

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