时间Petri网在即时检验流程建模中的应用

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摘要：针对即时检验系统的设计与开发建模问题，提出一种基于时间Petri网的并发系统建模分析方法，为即时检验流程设计建立较为准确的信息化模型。通过将活动持续时间概念引入Petri网模型中，提出了适用于即时检验系统建模的时间Petri网建模方法，并设计了嵌入Petri网模型中的调度仿真器协助分析、优化即时检验控制过程。仿真实验结果表明所提出的时间Petri网建模方法在可达节点和运行时间等方面能够满足并行多类别即时检验调度与控制系统的流程建模实际需要，为流程仿真和分析提供有力工具，从而辅助系统设计者对即时检验系统进行优化。

关键词：时间Petri网；即时检验；建模方法；调度仿真器；优化分析

中图分类号： TP311

文献标志码：A

Abstract：

Concerning the problems of designing and modeling the process of PointOfCare Testing （POCT） system， a method for concurrence system modeling and analyzing based on TimePetri Net （TPN） was proposed which built more accurate information model for the process designing of POCT system. The activity holding duration was introduced into classical TPN， and the TPN modeling method for POCT control process was proposed. The scheduling simulator embedded in Petri net model was also designed for assisting the analysis， and optimization of the POCT control process. The simulation results show that the proposed modeling method for TPN can satisfy the practical requirement of process modeling of the parallel multiclass POCT control system in the fields such as reachable nodes and running time and provide powerful tool for process simulation and analysis. Furthermore， the proposed TPN can assist the system designer for the optimization of POCT system.

英文关键词Key words：

TimePetri Net （TPN）； PointOfCare Testing （POCT）； modeling method； scheduling simulator； optimization analysis

0引言

快速诊断已经成为我国健康医疗领域关注的热点之一，研制开发能够实现自动加样、自动传输、自动检测、自动存储等功能，具有检测通量高、精度高、灵敏度高等优点的新型即时检验（PointOfCare Testing， POCT）系统已经成为摆在我国医疗仪器研发人员面前亟待完成的任务。Hulshof等[1]对健康医疗领域的计划决策方法进行了系统阐述，着重针对健康医疗计划与控制框架中的资源能力计划进行分析，提出了医学计划不同于其他领域计划调度问题的决策难点。POCT仪器中的检验流程建模过程和模型往往相当复杂，基于单纯的数学形式化建模方法在实际应用中由于各种原因往往难以令人满意。比如，基于优化理论的数学规划方法为了简化问题一般会忽略某些现实的约束条件，导致理论研究成果很少能够完全应用于即时检验系统的设计与控制中；基于软计算（soft computing）思想的启发式算法以牺牲获得最优解的代价换取求解速度从而达到更快的收敛速度，但是得到的近似最优解有时难以满足实际需要。Vuyst等[2]对医疗系统资源分配调度的计算效率问题进行了深入研究，从缩短病人等待时间和医生诊断时间两个角度分析医疗系统分配调度优化问题，提出了一种能够有效降低调度计算复杂度的方法。Denton等[3]认为近年来在医学诊断领域取得的技术进展在提高人们健康水平的同时也增大了医学决策的复杂性，认为这些决策复杂性很大程度上是由诸如突发诊断或者诊疗时间延长等不确定因素引起的。

Petri网（Petri Net， PN）作为一种图形化、数学化的建模工具，在并行系统建模与优化方面表现出强大的描述和分析能力[4]。Petri网模型的不同抽象层次以及它们之间的相互解释使其非常适用于描述系统生命周期。研究者基于经典Petri网模型提出了一系列用于描述现实系统的扩展模型，其中时间Petri网（TimePetri Net， TPN）将时间概念融入模型中，能够更好地建模和分析并行系统，并且已有研究也证明了时间Petri网在系统分析方面的良好性能。Valentin等[5]将Petri网作为形式化手段用于仿真和评价所开发的Web service系统，并且为了解决Web服务组件的时间和优先协同问题采用了时间Petri网模型。Gradisar等[6]采用时间Petri网模型以及一系列信息构件快速构造并行系统的模型，进而对系统进行优化分析。Simona[7]将时间Petri网的建模和分析技术应用于软件工程中，减少由于时间拖期引起的软件系统设计中的风险。刘建昆等[8]在研究列车控制系统建模时将带抑止弧的增广Petri网作为计算模型，对车站调度和区间运行子系统建模，克服了原型Petri网建模方法在列车控制系统的不足。黄小庆等[9]针对自动测试系统中的并行测试任务调度问题开展工作，建立了并行测试的时间Petri网模型，并将遗传粒子群优化（Genetic AlgorithmParticle Swarm Optimization， GAPSO）算法引入到时间Petri网的变迁序列寻找过程中。为了满足工作流模型在建模能力上的要求，崔玉爽等[10]提出了一种添加复位弧对工作流网进行扩展的方法，并给出该方法的形式化表示。