基于組合著色Petri網(wǎng)的空間復(fù)合事件檢測(cè)機(jī)制

摘要：通過建立空間事件模型,擴(kuò)展定義了空間事件復(fù)合算子及其語義;采用組合著色Petri網(wǎng)構(gòu)造基于空間關(guān)系的復(fù)合事件檢測(cè)模型并提出基于該模型的檢測(cè)算法;通過應(yīng)用實(shí)例驗(yàn)證該檢測(cè)模型是一個(gè)簡(jiǎn)潔、有效的復(fù)合事件檢測(cè)機(jī)制。

關(guān)鍵詞：空間復(fù)合事件 組合著色Petri網(wǎng) 復(fù)合事件檢測(cè)

復(fù)合事件及其檢測(cè)可以應(yīng)用到股票交易、網(wǎng)絡(luò)管理、航空交通控制、指揮決策等領(lǐng)域。隨著空間信息的廣泛應(yīng)用,在遠(yuǎn)程監(jiān)控、LBS、Location-aware計(jì)算等領(lǐng)域,也需要實(shí)現(xiàn)與空間有關(guān)的事件檢測(cè)。傳統(tǒng)空間信息應(yīng)用系統(tǒng)中與空間有關(guān)的復(fù)合事件檢測(cè)通過在應(yīng)用處理邏穎嘈詞錄?觳獾拇?朧迪幀U庵紙餼齜槳覆煥?謔迪摯?擰⒖評(píng)┱溝耐ㄓ孟低場(chǎng)S捎諍芏嗍錄?蓖ㄓ玫?事件檢測(cè)機(jī)制應(yīng)該是多個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)共享,否則系統(tǒng)的維護(hù)代價(jià)較大。

對(duì)復(fù)合事件檢測(cè)的研究最初是在主動(dòng)數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域中進(jìn)行的[2]。Ode采用有窮自動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)復(fù)合事件檢測(cè)。SAMOS采用著色Petri網(wǎng)對(duì)復(fù)合事件檢測(cè),可以攜帶事件流及事件參數(shù)等復(fù)雜信息。但是SAMOS也沒有定義和說明Petri網(wǎng)的組合問題。為解決不滿足交換律的復(fù)合算子的沖突問題,文獻(xiàn)[5]引入了時(shí)序算子,提出TR-Petri網(wǎng)。文獻(xiàn)[2]引入部分檢測(cè)事件緩沖池和時(shí)間緩沖池對(duì)原子事件進(jìn)行高效的過濾。在空間事件檢測(cè)方面目前尚未展開更多的研究工作,文獻(xiàn)[1]使用三元組{OID,TS,LOC}定義空間事件模型,支持簡(jiǎn)單的空間謂詞檢測(cè),但是這種方法是基于空間對(duì)象而不是基于事件本身的空間屬性。文獻(xiàn)[4]討論了從空間完整性約束導(dǎo)出數(shù)據(jù)庫ECA規(guī)則的方法,由于ECA條件和動(dòng)作部分可以分別在數(shù)據(jù)庫中的查詢處理和事務(wù)處理技術(shù)中找到相應(yīng)的解決方案,而事件部分研究的不是很多。本文將在此基礎(chǔ)上,研究基于空間關(guān)系的復(fù)合事件檢測(cè)機(jī)制。

1空間事件模型

在討論基于空間關(guān)系的復(fù)合事件檢測(cè)機(jī)制之前,首先必須形式化描述空間事件及空間事件復(fù)合算子?？臻g事件模型采用三元組來表示SE={EID,T,S},其中EID∈N表示事件標(biāo)識(shí);T∈N,表示等距離離散時(shí)間信息;S∈R×R表示參照坐標(biāo)系統(tǒng)定義的坐標(biāo)?？臻g對(duì)象和空間謂詞SP(SpatialPredicate)定義如下:

簡(jiǎn)單線段L:Sbegin×Send,Sbegin,Send∈R×R,Sbegin和Send分別表示線段的起始點(diǎn)和結(jié)束坐標(biāo);坐標(biāo)S在線段L上時(shí)IN(S,L)為真。

封閉區(qū)域Z:∪(L×N);坐標(biāo)S在區(qū)域Z內(nèi)時(shí)IN(S,Z)為真。

假設(shè)方向關(guān)系握兆?晗低扯ㄒ?即North方向與y軸方向一致,East方向與x軸方向一致。令b表示對(duì)象的MBR,則b可以通過其左下角坐標(biāo)(b.xl,b.yl)和右上角坐標(biāo)(b.xu,b.yu)定義。如果以s為目標(biāo),b和s1分別是參考矩形和參考點(diǎn),那么采用基于投影的方向模型,s相對(duì)于b、s1的方向關(guān)系謂詞可以由North-South方向(N,S)s,b、(N,S)s,s1和East-West方向(E,W)s,b、(E,W)s,s1的組合定義。其中,(N,S)s,b和(E,W)s,b可以通過下面的公式定義,(N,S)s,s1和(E,W)s,s1可以采用類似方式定義:

如果將(N,S)s1,s2和(E,W)s1,s2的組合記作(N,S,E,W)s1,s2,那么基于四元組(N,S,E,W)s1,s2的不同取值可以定義s1相對(duì)于s2的16種方向關(guān)系,如NW(s1,s2)=(1,0,0,1)。

空間事件的語義解釋函數(shù)Φ(SE):T×S→{True,False}定義為:Φ(SE(t,s))=True,ifaneventoftypeSEoccursattimetandlocations。

首先將傳統(tǒng)的事件復(fù)合算子語義擴(kuò)展定義如下:

·非空間算子NSO(NonSpatialOperator)

OR(SE1,SE2)(t,s)=SE1(t,s)∨SE2(t,s)

方向和距離算子有參考事件或者區(qū)域,因此這些算子是不滿足交換律的。從定義來看,這些算子在時(shí)間上是以參考事件的出現(xiàn)為檢測(cè)起始事件的。

2基于組和著色Petri網(wǎng)的空間復(fù)合事件檢測(cè)模型

2.1檢測(cè)模型

傳統(tǒng)的Petri網(wǎng)對(duì)于公共事件表達(dá)式需要構(gòu)造冗余的Petri網(wǎng),而且無法對(duì)位置信息進(jìn)行檢測(cè),需要對(duì)之改造和擴(kuò)展。本文提出基于組合著色Petri網(wǎng)的復(fù)合事件檢測(cè)模型,既能夠利用復(fù)合事件的公共表達(dá)式,也可以在存儲(chǔ)較少事件歷史的情況下,保持積聚算子。

定義(1)——復(fù)合事件檢測(cè)組件Petri網(wǎng)CPN(ComponentPetriNet)

CPN的靜態(tài)結(jié)構(gòu)是一個(gè)八元組,CPN=(P,PI,PO,T,A,C,E,W)相關(guān)含義如下:

P是庫所的有限集合。將每個(gè)原子事件對(duì)應(yīng)到組件Petri網(wǎng)的一個(gè)輸入庫所,復(fù)合事件對(duì)應(yīng)到組件Petri網(wǎng)的一個(gè)輸出庫所,則定義PIP為有限輸入庫所集合,定義PIP為有限輸出庫所集合。T是變遷的有限集合。AP×T∪T×P是連接變遷和庫所的弧的有限集合。C是標(biāo)記類型(即顏色)的有限集合。E為弧函數(shù)。將每條弧映射到一個(gè)表達(dá)式、空間算子或者是缺省的單位權(quán)值。Eik表示由Pi到Tk或者Ti到Pk的弧函數(shù)。其中權(quán)值函數(shù)只作用在P×T,空間算子只作用在T×P。W:T→N變遷權(quán)值函數(shù),將每個(gè)變遷映射到一個(gè)自然數(shù)表示的權(quán)值。

定義(2)——組件Petri網(wǎng)的聯(lián)接變遷、聯(lián)接弧及標(biāo)記向量

聯(lián)接變遷(ConnectionTransition)集合TOI為聯(lián)接輸出庫所和輸入庫所的變遷,聯(lián)接弧(ConnectionArc)集合AOI定義為AOIPO×TOI∪TOI×PI,同時(shí)定義PTI為聯(lián)接輸入庫所集合,PTO為聯(lián)接輸出庫所集合。令Pi∈P,mark(Pi)=(t,s)表示Pi中當(dāng)前標(biāo)記的值,其分量分別標(biāo)記為mark(Pi).t和mark(Pi).s。當(dāng)mark(Pi).t=0時(shí)表示Pi中當(dāng)前無標(biāo)記。令Tk∈TOI∪T,°Tk表示Tk所有輸入庫所的集合,Tk°表示Tk所有輸出庫所的集合。[!--empirenews.page--]

定義(3)——組合著色Petri網(wǎng)CCPN(CompositionalColoredPetriNet)

CCPN的靜態(tài)結(jié)構(gòu)是CCPN=(CPN,TOI,AOI)。

定義(4)——變遷的授權(quán)

稱變遷Tk是授權(quán)的,如果對(duì)i,Pi∈°Tk,mark(Pi).t≠0。授權(quán)變遷可被觸發(fā),觸發(fā)時(shí)同時(shí)執(zhí)行如下三個(gè)步驟:(1)如果Pi中標(biāo)記數(shù)與Ai,k權(quán)值相等,mark(Pi)=0,對(duì)i,Pi∈°Tk,如果Pi中標(biāo)記數(shù)小于權(quán)值,則將標(biāo)記數(shù)累加并且?guī)焖槐Ａ糇罱臉?biāo)記信息;(2)如果Ak,i上未定義空間謂詞并且Pi中標(biāo)記數(shù)與Ai,k權(quán)值相等,則mark(Pj)=Ekj(MAX{Eik(mark(Pi))|對(duì)i,Pi∈°Tk}),對(duì)j,Pj∈Tk°,其中MAX{(a1,b1),(a2,b2),…,(an,bn)=a,b},1≤k≤n,1≤i≤n,ai≤ak;(3)如果Ai,k上定義的SP為真,則mark(Pj)=Ekj(MAX{Eik(mark(Pi))|對(duì)i,Pi∈°Tk}),對(duì)j,Pj∈Tk°,其中MAX{(a1,b1),(a2,b2),…,(an,bn)=a,b},1≤k≤n,1≤i≤n,ai≤ak;如果Ak,i上定義的SP為假,則mark(Pi)=0,對(duì)i,Pi∈°Tk。使用組件Petri網(wǎng)組合CCPN時(shí),用聯(lián)接弧將組件Petri網(wǎng)的輸出庫所與一個(gè)聯(lián)接變遷聯(lián)接,同時(shí)將該聯(lián)接變遷通過聯(lián)接弧與另一個(gè)組件Petri網(wǎng)的輸入庫所相聯(lián)。這樣的連接不會(huì)影響組件Petri網(wǎng)自身的觸發(fā)過程,而其觸發(fā)又可以帶動(dòng)整個(gè)CCPN的觸發(fā),從而簡(jiǎn)潔、有效地組合成了更復(fù)雜的事件檢測(cè)Petri網(wǎng)。可以有兩種方式構(gòu)成CCPN,即事件作為多個(gè)復(fù)合事件的組件事件,如圖1(a);或者復(fù)合事件作為進(jìn)一步復(fù)合事件的一個(gè)組件事件,如圖1(b)。原子事件有可能對(duì)應(yīng)到多個(gè)組件Petri網(wǎng)的輸入庫所,因此進(jìn)行全局模式的事件檢測(cè)時(shí),CCPN在遞歸觸發(fā)時(shí)需要將事件類型及其發(fā)生時(shí)刻、發(fā)生位置在網(wǎng)上傳播。這樣,對(duì)應(yīng)于同樣的原子事件只需要一次檢測(cè)即可。對(duì)于復(fù)合事件也是一樣的策略,在每個(gè)CPN輸出庫所中都將檢測(cè)到的復(fù)合事件保存到事件鏈表中。

圖1CCPN組合方式

2.2空間復(fù)合事件檢測(cè)算法

構(gòu)造完成CCPN模型后,本節(jié)給出全局模式下復(fù)合事件的檢測(cè)算法和CCPN中標(biāo)記觸發(fā)并遞歸尋找授權(quán)變遷的算法。

算法(1)——設(shè)原子事件由數(shù)據(jù)庫內(nèi)核檢測(cè),則全局模式下的復(fù)合事件檢測(cè)算法描述如下:

輸入:原子事件

輸出:檢測(cè)結(jié)果鏈表

forallCPNwhichcontainsprimitiveeventPEasinputplace

insertPEtodetectedlist;

PE.i:=inputplaceofPEinCPN;

foreverybroadcastinFindAndFire(PE.i);

foralloutputplaceofCPN

insertCEtodetectedlist

detectedlist中維護(hù)當(dāng)前檢測(cè)到的事件鏈表。

算法終止性分析:首先復(fù)合事件集是有限的,并且復(fù)合事件的組件事件也是有限的,那么

(1)如果沒有任何變遷觸發(fā),FindAndFire過程將終止,具體見算法(2);

(2)FindAndFire算法遞歸次數(shù)有限,那么廣播事件次數(shù)有限;

(3)整個(gè)算法當(dāng)FindAndFire算法終止后終止。

算法(2)——CCPN事件檢測(cè)算法

FindAndFire(mplace)

Foreachtransitionk

Forinputplacesoftransitionsk

i:=1;

Findfirstinputplace;

IF(m[i].t≠0){

Holdthelatestinformationorcomputecumula-tiveoperatorduetoN[i,k]}

WHILEfiringANDii:=i+1;

Searchotherinputplaceandt:=m[i];

IFt.t=0{{firing:=FALSE;}ELSE{IFt.t>m[l].t{l:=i;}}}}

IFfiring{

t:=m[l];

Firethetransition;

Foreachoutputplacesjoftransitionsk{

Broadcastforglobaldetectionorcomputer

spatialoperatorduetoN[i,k];

FindAndFire(j);}}

其中SpatialOperate(mplace)為空間算子計(jì)算算法,輸入為變遷位置,輸出布爾型。對(duì)于二元SO,輸入庫所只保留最近的參考事件,如果變遷所有輸入庫所中的事件滿足空間算子,則返回TRUE,否則返回FALSE。本文不詳細(xì)列出。

2.3應(yīng)用實(shí)例

本實(shí)驗(yàn)過程包括:用戶使用事件規(guī)范語言定義復(fù)合事件,經(jīng)過復(fù)合事件編譯器編譯成功后存入數(shù)據(jù)庫,并由CCPN構(gòu)造器構(gòu)造檢測(cè)復(fù)合事件的組合著色Petri網(wǎng)存入數(shù)據(jù)庫。當(dāng)數(shù)據(jù)庫內(nèi)核中的原子事件檢測(cè)器檢測(cè)到原子事件發(fā)生后,通知CCPN檢測(cè)器進(jìn)行復(fù)合事件檢測(cè),檢測(cè)結(jié)果通知應(yīng)用程序,應(yīng)用程序根據(jù)復(fù)合事件的發(fā)生調(diào)用ECA規(guī)則執(zhí)行器執(zhí)行下一步操作,用戶也可以在應(yīng)用程序中對(duì)數(shù)據(jù)庫中的復(fù)合事件進(jìn)行查詢、更新等維護(hù)操作。圖2為復(fù)合事件E4=OR(E1,NE(E2,E3))的全局模式檢測(cè)實(shí)例。首先將該復(fù)合事件編譯,然后構(gòu)造CCPN,如圖2(a)所示。最后進(jìn)行復(fù)合事件檢測(cè)。使用原子事件生成器按時(shí)間順序產(chǎn)生事件類型為0～10的隨機(jī)事件,事件的位置信息也是隨機(jī)的,為了演示方便,將位置范圍控制在地圖可見區(qū)域。原子事件中構(gòu)成復(fù)合事件的組件事件插入到組件事件列表中,每次插入則調(diào)用基于CCPN的復(fù)合事件檢測(cè)器檢測(cè)。由于采用Recent事件消耗策略,對(duì)于檢測(cè)到的組件事件E2,如果多次出現(xiàn),則只保留最近的,用于復(fù)合事件E4的檢測(cè)。檢測(cè)到NE(E2,E3)后,也消耗掉E2,E3,為了更清楚地演示,只在刪除E2時(shí)置Eid為“D”標(biāo)識(shí)。對(duì)于檢測(cè)到的組件事件和復(fù)合事件的空間位置信息,在地圖上進(jìn)行了顯示,圖2(b)是針對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的運(yùn)行界面。[!--empirenews.page--]

圖2應(yīng)用實(shí)例演示

需要指出的是,實(shí)驗(yàn)假定時(shí)間軸等距離。實(shí)際情況中事件的發(fā)生并非按照等距離時(shí)間間隔,因此可以設(shè)定一個(gè)時(shí)間間隔閾值,根據(jù)事件發(fā)生的最小間隔來調(diào)整該閥值,這樣就可以轉(zhuǎn)換成等距離時(shí)間間隔的情況。另外實(shí)驗(yàn)中也沒有考慮事件檢測(cè)本身所要消耗的計(jì)算時(shí)間延遲。同時(shí)聯(lián)接變遷和聯(lián)接弧也可能在事件檢測(cè)時(shí)間中造成一定的延遲。

針對(duì)現(xiàn)有的主動(dòng)數(shù)據(jù)庫事件檢測(cè)機(jī)制難以滿足空間事件檢測(cè)的需求,本文建立了空間事件模型,在該模型基礎(chǔ)上定義了基于空間關(guān)系的事件復(fù)合算子及其語義,并證明該定義對(duì)于復(fù)合運(yùn)算是封閉的;為了簡(jiǎn)化構(gòu)造復(fù)合事件檢測(cè)Petri網(wǎng),本文采用組合著色Petri網(wǎng)構(gòu)造了復(fù)合事件檢測(cè)模型,充分利用復(fù)合事件公共表達(dá)式,簡(jiǎn)化Petri網(wǎng)的構(gòu)造;提出基于CCPN的檢測(cè)算法;通過應(yīng)用實(shí)例驗(yàn)證該檢測(cè)模型是一個(gè)簡(jiǎn)潔、有效的復(fù)合事件檢測(cè)機(jī)制。

本文沒有考慮分布式環(huán)境下的空間事件檢測(cè)機(jī)制,分布式環(huán)境下要考慮原子事件的并發(fā)性。全局模式下的事件采用鏈表簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)管理,下一步將引入更好的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以提高檢測(cè)效率。同時(shí)空間算子的描述能力還不夠強(qiáng),不能滿足更多用戶的需求。將CCPN檢測(cè)系統(tǒng)與空間數(shù)據(jù)庫相結(jié)合,充分利用空間數(shù)據(jù)庫的查詢處理機(jī)制還需要做大量的工作。

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