Introduzione Cosa sono le reti di Petri?

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1 Introduzione Cosa sono le reti di Petri?
Uno strumento grafico e teorico. Sono state introdotte da Carl Adam Petri nel 1962. A cosa servono le reti di Petri? Le reti di Petri posto/transizione hanno i seguenti scopi: Modellare Analizzare Valutare le prestazioni Controllare i sistemi ad eventi discreti.

2 Una rete di Petri è un grafo orientato, bipartito e pesato.
I due tipi di vertici sono detti POSTI e TRANSIZIONI. P= (p1,p2,....pm) è l’insieme dei posti T=(t1,t2, .....tn) è l’insieme delle transizioni Le relazioni tra posti e transizioni sono rappresentate da archi diretti. Gli archi possono essere rappresentati da due matrici: Pre: PT N Post : P T  N.

3 Pre: PT N è la funzione preincidenza che specifica gli archi diretti dai posti alle transizioni e viene rappresentata mediante una matrice mxn Post : P T  N.è la funzione post incidenza che specifica gli archi diretti dalle transizioni ai posti e viene rappresentata mediante una matrice mxn. Le matrici Pre e Post sono matrici di interi non negativi. Data una rete N=(P,T,Pre,Post) con m posti ed n transizioni, la matrice di incidenza C: P T  Z è la matrice mxn definita come C=Post-Pre, cioè il generico elemento di C é C(p,t)=Post(p,t)-Pre(p,t)

4 Alcune definizioni Insiemi di posti
t={pP Pre(p,t)>0} è l’insieme dei posti in ingresso a t t={pP Post(p,t)>0}è l’insieme dei posti in uscita da t Insiemi di transizioni p={tT Post(p,t)>0} è l’insieme delle transizioni in ingresso a p p={tT Pre(p,t)>0}è l’insieme dei delle transizioni in uscita da p

5 Marcatura di una rete: mediante la marcatura è possibile
definire lo stato di una rete Una marcatura è una funzione M: P N che assegna ad ogni posto un nr. Intero non negativo di marche o gettoni.

6 Una rete N con una marcatura iniziale M0 è detta
una rete marcata o sistema di rete, e viene indicata come <N, M0> Abilitazione o scatto: Una transizione t è detta abilitata dalla marcatura M se M>Pre(.,t), cioè se oni posto p della rete contiene un numero di marche pari o superiore a Pre(p,t). Per indicare che t è abilitata da M si scrive Mt>. Per indicare che t’ non è abilitata da M si scrive Mt’>.

7 Una transizione abilitata da una marcatura M può scattare.
Lo scatto di t rimuove Pre(p,t) marche da ogni posto pP e aggiunge Post(p,t) in ogni posto p, determinando una marcatura M’. Cioè vale: M’=M-Pre(.,t)+Post(.,t)=M+C(.,t) Una sequenza abilitata s viene detta sequenza di scatto e ad essa corrisponde una traiettoria. Equazione di scatto: M=M0+Cs

8 Modellazione con Reti di Petri
Sequenzialità: gli eventi si succedono in un ordine determinato Parallelismo (concorrenza): Gli eventi possono avvenire senza un ordine determinato. Sincronizzazione: Più eventi paralleli devono essere verificati per poter procedere. Scelta (conflitto): Un solo evento tra tanti può verificarsi.

9 Proprietà comportamentali (I)
Raggiungibilità Problema della raggiungibilità: data una rete marcata <N,M0>, è possibile raggiungere M da M0? Limitatezza Posto k-limitato Un posto di una rete di Petri (PN) si dice k-limitato se in tutte le marcature raggiungibili dalla rete il numero di token presenti nel posto non supera mai un valore prefissato k. Rete k-limitata e limitata Una rete si dice k-limitata se tutti i posti sono k-limitati. Una rete si dice limitata se è limitata per qualche k finito. Una rete 1-limitata si dice sana o binaria.

10 Proprietà comportamentali (II)
Una rete marcata <N,M0> è limitata se e solo se ha un insieme di raggiungibilità finito. Reversibilità: Una rete di Petri con marcatura iniziale M0 è detta reversibile se per ogni marcatura M raggiungibile da M0, M0 è raggiungibile da M.

11 Proprietà comportamentali (III)
Conservatività stretta Una rete marcata è strettamente conservativa se per ogni marcatura raggiungibile MR(N,M0) il nr. di gettoni che la rete contiene non varia: pP M(p)= pPM0 (p) Conservatività Una rete marcata è conservativa se esiste un vettore di interi positivi x tale per ogni marcatura raggiungibile M R(N,M0) vale: xTM=xTM0 Cioè il numero di gettoni pesato con x non varia. Se una rete marcata è conservativa allora essa è limitata.

12 Proprietà comportamentali (IV)
VIVEZZA Transizione quasi viva Una transizione t è quasi viva se e solo se esiste almeno una marcatura MR(N,M0) tale che t è abilitata in M. Transizione viva Una transizione t è viva se e solo se per ogni MR(N,M0) esiste M’ raggiungibile da M tale che t è abilitata in M’. Transizione morta Una transizione t è morta se e solo se non esiste MR(N,M0) tale che t è abilitata in M.

13 Proprietà comportamentali (V)
VIVEZZA Rete morta Una rete R(N,M0) è morta se ogni t è morta. Rete quasi viva Una rete R(N,M0) è quasi viva se e solo se tutte le transizioni sono quasi vive Rete viva Una rete R(N,M0) è viva se tutte le transizioni sono vive. Rete bloccante Una rete R(N,M0) è bloccante se esiste una transizione raggiungibile morta (in cui nessuna transizione è abilitata).

14 ANALISI MEDIANTE EQUAZIONE DI STATO
Insieme di raggiungibilità di <N, M0> R(N,M0)={MNm | sT* : M0[s>M Ovvero l’insieme delle marcature che possono essere raggiunte dalla marcatura iniziale. Insieme potenzialmente raggiungibile di <N, M0> PR(N,M0)={MNm | yNn : M=M0+Cy Ovvero l’insieme dei vettori M per cui esiste y che soddisfa l’equazione di stato Vale: R(N,M0)PR(N,M0) L’insieme PR(N,M0) può aiutare a verificare la raggiungibilità di una marcatura. Ad esempio se l’equazione M=M0+Cy non ammette soluzione allora M non è raggiungibile.

15 Analisi basata sulla matrice di incidenza (I)
P-invariante Si dice P-invariante di una PN un vettore colonna x di m elementi non negativi tale che xTC=0. Tale equazione può avere infinite soluzioni: se x è un P-invariante anche kx è un P-invariante Il supporto di un P-invariante x è l’insieme dei posti corrispondenti agli elementi non-nulli di x. P-invariante a supporto minimo Un P-invariante è a supporto minimo se il suo supporto non contiene quello di nessun altro P-invariante della rete.

16 Analisi basata sulla matrice di incidenza (I)
Sia <N, M0> una PN e sia X=x1 x2…xk la matrice formata dalle colonne dei p-invarianti xi per i=1,…,k. L’insieme X-invariante di <N, M0> è IX(N,M0)={MNm | XT M=XT M0 Ovvero l’insieme dei vettori M tali che xiT M=xiT M0 per ogni xi Vale: R(N,M0)PR(N,M0) IX(N,M0)

17 Proprietà strutturali (I)
N è strutturalmente strettamente conservativa se il vettore 1 è un p-invariante. N è strutturalmente conservativa se esiste un vettore p-invariante x il cui supporto contenga tutti i posti. Rete coperta da P-invarianti Una rete si dice coperta da p-invarianti se ogni posto della rete appartiene al supporto di almeno un p-invariante.

18 T-invariante Si dice T-invariante di una rete un vettore colonna y di dimensione n soluzione della seguente equazione Cy=0 ovvero M=M0+Cy=M0 Un T invariante indica che se fosse possibile fare scattare ogni transizione del supporto di y, tante volte quante indicate da y, la rete tornerebbe alla marcatura iniziale.

19 Classi di reti di Petri Una PN è detta:
Ordinaria se ogni arco ha molteplicità unitaria cioè Pre(p,t)=0 o =1 e Post(p,t)=0 o =1 . Pura se per ogni posto p e t vale Pre(p,t)Post(p,t)=0, cioè se la rete non contiene alcun cappio. Ristretta se è pura e ordinaria. Una macchina di stato è una rete ordinaria in cui ogni transizione ha esattamente un arco in ingresso ed un arco in uscita. Un grafo marcato è una rete ordinaria in cui ogni posto ha esattamente un arco in ingresso ed uno in uscita.

20 Alcune definizioni Insiemi di posti
t={pP Pre(p,t)>0} è l’insieme dei posti in ingresso a t t={pP Post(p,t)>0}è l’insieme dei posti in uscita da t Insiemi di transizioni p={tT Post(p,t)>0} è l’insieme delle transizioni in ingresso a p p={tT Pre(p,t)>0}è l’insieme dei delle transizioni in uscita da p

21 Il grafo di copertura Si vogliono caratterizzare le situazioni in cui sequenze di transizioni portano ad incrementare alcune componenti della marcatura. Si considera allora un nuovo vettore con il simbolo w che si può pensare come un simbolo di infinito. Si dice una w-marcatura di una rete un vettore M in cui una o più componenti può assumere il valore w. Per determinare se t è abilitata da una w-marcatura M>Pre(.,t) si deve tener conto che per ogni n  N vale w >n e w±n=w. Perdendo alcune informazioni sulla raggiungibilità, si costruisce il grafo di copertura.

22 Grafo di copertura 1-Si parta dalla marcatura iniziale M0 2-Si consideri una marcatura M senza etichetta 2.1 - per ogni t abilitata da M - si calcoli M’ raggiunta da M scattando t - si consideri il cammino che parte dal nodo radice e arriva a M’, se questo cammino ha un nodo M*<M’ allora si sostituisca ad M’ il nodo M’w il vettore ottenuto da M’ in cui tutte le componenti strettamente maggiori delle componenti di M’ si sostituiscono con il simbolo w - si aggiunga un arco t tra M e M’w - se esiste già un nodo M’w nel grafo si elimini il nuovo nodo e si aggiunga l’arco tra M e M’w già esistente 2.2 -si etichetti come vecchio il nodo M e si torni a 2

23 Grafo di copertura: alcune proprietà
Data una marcatura M si dice che è w-coperta da Mw se Mw(p)=M(p) per ogni p tale che Mw(p)w, tale relazione si indica con MwwM. M è raggiungibile  allora esiste nel grafo Mw che copre M. M è raggiungibile se M è un nodo del grafo. Se MR(N,M0)  esiste nel grafo un cammino orientato da M0 ad Mw, con M coperta da Mw. MR(N,M0) solo se esiste nel grafo un cammino orientato da M0 ad M.

24 Proprietà comportamentali con il grafo di copertura
Una rete marcata <N,M0> è limitata se e solo se ha un insieme di raggiungibilità finito. Si consideri la rete marcata <N,M0> ed il suo grafo di copertura: un posto p è k-limitato se e solo se per ogni M0 vale Mw(p)<k. La rete marcata è limitata se e solo se nessun nodo del grafo contiene il simbolo w (il grafo di copertura è un grafo di raggiungibilità).