基于Petri网的ETC高速收费系统优化分析

刘静 王丽丽 刘祥伟

摘要：业务流程的建模是业务管理的核心内容之一，对业务流程进行建模优化分析显得尤为重要.本文给出了基于Petri网的ETC高速收费流程模型的优化分析方法.首先结合实际ETC高速收费系统，分析流程模型中活动间的间接关系，找出源流程模型中存在的问题，然后对模型进行优化.最后利用PIPE软件验证其合理性.

关键词：Petri网;行为轮廓;优化;ETC高速收费系统

中图分类号：TP391.9  文献标识码：A  文章编号：1673-260X（2019）02-0056-03

1 引言

随着信息技术的迅速发展及其广阔的应用前景，Petri网建模已经成为分析解决业务流程问题的常用方法.在建模过程中可能会由于实际问题复杂交互而出现不适用的情形，则此时根据Petri网的性质和行为轮廓进行建模优化就变得极其重要，解决模型的适用性成为建模优化的核心问题.

目前，国内外很多学者对行为轮廓建模的优化问题进行了研究，文献[1]介绍了Petri网的相关定义和基本原理，以及这些定义和原理在实际生活建模中的应用.文献[2]提出将两个业务流程模型事物的驱动关系合并成一个单一的过程模型，并将该模型进行优化，使得流程的模型优化不仅局限在最初的原始模型中，而是使活动之间存在间接的交互关系，该方法现已用于技术分析和过程挖掘中.文献[3]介绍了一种Petri网可达性检查技术，并给出了利用组合性来提高Petri网性能的一些具体例子.文献[4]针对服务交互过程中出现的间接行为关系的情况，提出了一种基于综合的行为轮廓的间接约束条件下的行为交互的研究方法，研究了综合的行为轮廓，并将其用于服务交互的有效行为关系的选择过程中，该方法拓展了已有方法仅考虑直接交互行为关系的情况.文献[5]介绍了ETC收费系统在高速公路收费流程的应用以及普遍存在的一些问题，在结合国内外经验的基础上，提出了完善我国ETC高速收费流程的相应对策.文献[6]针对高速电子不停车收费系统存在的交通拥堵、易发生交通事故、充值不便等问题，设计了一套基于OBU接收机与NFC充值的电子收费系统.

本文根据高速不停车电子收费系统的实际工作原理，以Petri网行为轮廓为基础，提出了一种ETC高速收费系统的优化模型.文章第一部分介绍了Petri网中相关定义和基本原理，以及行为轮廓的基本定义.第二部分结合实际高速ETC收费情况，给出ETC高速收费系统Petri网结构图，并对现有的收费系统进行分析，找出其中不合理的地方，再结合Petri网以及行为轮廓的相关知识加以改进，得出优化后的ETC高速收费系统模型并对该模型进行分析，从而避免了实际收费情况中会出现的一些问题.第三部分对给出的Petri网收费系统模型验证了其合理性，进而得出该ETC收费系统优化模型是合理的.文章最后总结了全文得出结论并展望了未来关于Petri网的ETC收费系统的研究方向.

2 基本概念

定义1[7]（流程模型Petri网） 流程模型Petri网PN=（P，T，F，C）是一个四元组满足以下条件：

定义3[1]（可达性） 设N=（P，T;F，M）为Petri网，如果存在t∈T使M[t>M']则称M'为从M直接可达的.如果存在变迁序列t1，t2，…，tk和标识序列M1，M2，…，Mk使得M[t1>M1[t2>M2…Mk-1[tk>Mk，则称Mk是从M可达的.从M可达的一切标识的集合记为R（M）.

定义4[8]（行为轮廓） 设（N，M0）是一个网，初始标识为M0，将所有关系的集合称为网系统的行为轮廓，记作BP{→，→-1，+，‖}，对任给的变迁对（t1，t2）∈（T×T）满足下面关系：

3 基于Petri网的ETC高速收费流程模型优化分析

通过分析研究我国的交通压力和汽车的飞速增加，对我们的环境造成的污染日渐增加等，就当下的收费方式已经满足不了高速交通压力，应用ETC收费系统有效地缓解了这些问题，大大提高了通行效率.

基本的ETC收费流程如图1所示，在高速公路行驶的车辆分为两种情况ETC用户t2和普通用户t3，t2和t3是排他序关系，记作t2+t3.ETC用户可以自由选择ETC入口或普通入口，即t2引发t4和t6，t4和t6也是排他序关系（t4+t6），若t4发生，引发t5入口扫描，t4和t5是严格序关系，记作t4→t5.若t6发生，引发t7刷ETC卡，t6和t7也是严格序关系（t6→t7）.t5和t7的发生都可以引发t9进入高速，此时，ETC用户可以自由选择ETC出口和普通出口，即t9引发t10，t11且t10，t11是排他序关系（t10+t11）.假若选ETC出口则引发t12，t13和t14是排他序关系（t13+t14），若余额充足则交易成功，车辆通过，即t13依次引发t18，t19且是严格序关系（t13→t18→t19）.若余额不足则离开ETC车道进入普通车道，现金支付，即t14引发t15，t16也为严格序关系（t14→t15→t16），假如选普通出口则出口处刷ETC卡，即t11引發t17.t16，t17也都能引发t18，t19.普通用户只能通过普通入口领卡进入高速，普通出口支付现金通过高速，即t3发生进而依次引发t8，t9，t11，t16，t18，t19.

由以上可以看出，ETC用户如按图1模型行驶，则存在安全隐患.当ETC用户选择ETC出口但余额不足时，此时离开ETC车道进入普通车道进行现金交易，这一措施在实际生活中可行性比较小，容易造成交通事故.针对这种情况，用Petri网的相关运行规则，通过增加相关的控制结构对原模型进行优化如图2所示.

图2中优化部分主要从ETC用户进入高速后该如何选择哪个出口通过高速进行考虑，即对ETC车载单元obu进行改进，使其具有对行驶车辆时时计费的功能，根据车辆行驶路程以每公里0.5元计费并计算出ETC卡里余额，当余额充足（≥10）时，obu不会发出响声，此时可以选择ETC出口通过高速且不会在ETC出口处出现余额不足无法支付的情况，进而避免了车辆离开ETC车道进入普通车道而存在的安全隐患.当余额不足（<10）时，obu将报警发出响声，提醒用户ETC卡里余额不足，无法正常通过ETC出口，此时有两种方法供用户选择，第一行驶到高速出口时，选择普通车道用现金支付的方式通过高速，第二通过手机转账的方式对ETC卡进行充值使其余额充足，再来选择ETC出口则能正常通过.优化部分在模型中主要体现在增加了变迁t10，t11，t12，t13，t14，t15，t17，而t10引发t11，t12，且t11，t12是排他序关系（t11+t12），t11依次引发t13，t14，且它们是严格序关系（t11→t13→t14，），而t17的发生又回到了t14.

由以上可以看出，增加控制結构t10，t11，t12，t13，t14，t15，t17即可实现ETC高速收费流程模型的优化，从而有效降低了交通事故发生频率，提高了通行效率.

4 结束语

本文基于Petri网给出了ETC高速收费流程模型的一种优化方法.根据Petri网的变迁发生规则及其可达性和行为轮廓的严格序、排他序等基本性质，通过增加库所和变迁的方式对其进行优化，减少高速收费站的拥堵现象，增加道路的利用率.

未来，还需对优化后的模型基于Petri网行为轮廓提出相应的算法来分析模型的一致性，进一步对模型进行检验分析.

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