基于Petri网模型的仪器设备共享平台设计与实现

孙 福，马少闯，李前进，毛志俊

（1.军械工程学院 训练部，河北 石家庄050003；2.军械工程学院5系，河北 石家庄050003）

基于Petri网模型的仪器设备共享平台设计与实现

孙 福1，马少闯1，李前进2，毛志俊1

（1.军械工程学院 训练部，河北 石家庄050003；2.军械工程学院5系，河北 石家庄050003）

针对当前高校大型仪器设备共享率低的情况，使用Petri网建模理论建立了高校仪器设备共享平台Petri网模型,并分析了此模型的正确性。基于建立的模型对平台的功能和架构进行了设计，采用SSH 2框架实现了此平台，较好满足了实际应用的需要。

Petri网；仪器设备共享平台；SSH 2

引言

大型仪器设备作为科学研究重要手段，是高等学校开展教学和研究工作的重要物质基础。其利用率高低关系到高等学校科技创新能力的形成和发挥。实现资源共享可以提高仪器设备利用率,降低科研成本,提高各实验室的技术水平。因此，各高校研究、开发了各具特色的管理信息系统,为大型仪器共享管理起到了重要作用。

大型仪器管理工作在实际执行过程中存在跨部门信息共享、多级管理部门审核等现象，这样就形成了一个工作流。目前各高校采用的仪器共享管理系统大多没有对工作流进行建模，在实际使用过程中出现了一系列的问题。

（1）仪器数据及时性和真实性难以保证，仪器共享率低。

仪器设备的购置审核归属于财务部门，仪器设备的管理归属于教学保障部门，仪器设备的日期维护归属于基层教研室或者实验室。如果没有对各部门工作流程进行建模，进行各部门业务间的无缝链接，必然会使部门间业务协同有很大困难，致使仪器设备信息难以及时更新，造成设备闲置或者报废设备依然可以预约等一系列问题。

（2）工作流程存在死锁现象，造成业务冲突。

仪器设备的共享涉及多种情况，每一个状态的变化都会影响整个工作业务，在建设共享平台系统时，如果不对业务流程建模，对极端情况的处理就会缺乏考虑，必然会造成业务死锁，即某种业务情况形成死循环。

（3）仪器使用数据分析不足，难以实现智能决策。

对仪器使用情况数据的分析仅限于统计汇总，没有引入常用的统计分析工具，如时间序列分析、聚类分析、相关性分析等，无法给管理者的决策提供数据支撑。

针对于此，本文利用Petri建模技术，建立了高校仪器共享平台的业务流模型，并采用Spring+Hibernate技术设计实现了高校仪器设备共享管理系统。

一、采用Petri网对工作流程建模

1.Petri网建模理论[1]

Petri网最早由C.A.Petri于1962年在其博士论文中提出，既可以用于确定性建模，也可用于逻辑性的定性建模，已成为控制理论处理离散时间系统的有力工具。Petri网的主要优点为：采用网络图的形式模拟组织、结构和状态的变化，能有效模拟异步并发系统，直接分析模型实体中是否具有诸如死锁、状态空间无限等异常特征。

Petri网是一个三元数组N=（P，T，F），其中P是节点集合，T是变迁节点的集合，F是p→t，t→p的有向弧线集合。设p∈P，t∈T，I（t）={P|（p，t）∈F}称为t的输入库所集，0（t）={|（t，p）∈F}称为输出库所集。设库所集P={p1，p2，p3，p4，p5}，变迁集 T={t1}，流关系 F={（p1，t1），（p2，t1），（p3，t1），（t1，p4），（t1，p5）}，则Petri网图如图1所示：

2.仪器设备共享平台的Petri网模型

仪器共享平台涉及的工作流程主要分为仪器信息管理流程、仪器预约审核流程，其业务流程包括三个库所仪器管理员（P1）、教保部门管理人员（P2）、普通用户（P3）。仪器管理员对应变迁集T1={新增仪器（t1）、删除仪器（t2）、审核预约（t3）}，教保部门管理人员对应变迁集T2={审核新增仪器 （t4）、审核删除仪器 （t5）、审核预约（t6）}，普通用户对应变迁集T3={预约仪器（t7）}，所以此Petri网模型为库所集P={P1，P2，P3}，变迁集T={t1，t2，t3，t4，t5，t6，t7}。仪器共享平台的流关系如下：

图1 Petri网图

建立Petri网模型如图2所示：

图2 仪器共享平台Petri模型

经过对以上模型的分析，可知此模型主要实现了仪器预约和审核：流关系（P3，t7，P1，t3，P2，t6，P3），（P3，t7，P1，t3，P3）；仪器新增和审核：流关系（P1，t1，P2，t4，P3），（P1，t1，P2，t4，P1）；仪器报废和审核：流关系（P1，t2，P2，t5，P3），（P1，t2，P2，t5，P1）等三个工作流程。根据模型图可以看出此模型的每一个任务都是可执行的，每一个任务都是可触发的；如果在运行环节存在拒绝申请（即值为0的变迁），则模型可立刻转入终止状态，并通过一个返回信息返回初始状态，而中断后的位置都是空的；没有死任务，也就是说Petri网是活的。[2]据以上分析，可知此模型的设计是合理的。

二、仪器共享平台的总体结构

在建立共享平台Petri模型的基础上，开发了一套基本B/S架构的高校大型仪器设备共享平台。仪器共享平台严格按照MVC模式设计，以求在最大程度上实现程序的 “解耦”。技术实现上采用流行的 Spring+ Struts+Hibernate（SSH2）架构。[3]总体结构分为控制器层（Controller）、服务器层（Service）、模型层（Model）、DAO层和视图层（View）。总体架构如图3所示：

图3 仪器共享平台架构图

控制器层（Controller）负责处理Dispatch Servlet分发的请求，根据请求的数据，分发给相应的业务处理模块，仪器共享平台的Petri网模型共有三个处所，对应建立三个控制器类——普通用户控制器、仪器管理员控制器、教保管理控制器。这样通过判断用户角色，把请求分发给相应的控制器处理。每一个处所都对应自己的变迁集，每一个控制器的控制转发函数对应变迁集中的每一个变迁，以实现Petri网模型的业务流关系。[4]

服务器层主要用来实现复杂的业务逻辑处理，对应Petri网模型中具体的每一个变迁的实现，因此建立了三个服务器类——普通用户服务器、仪器管理员服务器、教保管理服务器。每一类中根据变迁集中的变迁建立相应的业务处理函数。

DAO层和Model层主要是用来对数据库进行操作。Model层对应数据库中某个表的实体类，这样把一个数据表对象化。DAO层是数据访问层，对已经对象化的数据库表的Model对象进行增删查改等数据操作。

视图层又称为表现层，主要用来把业务处理结果以某种形式展示给用户，主要采用JSP+Struts2标签实现。

三、仪器共享平台系统的具体实现

1.系统设计思路

高校仪器设备共享平台的设计目标是最大程度地实现仪器共享，提高高校仪器设备的使用效率，并提供智能决策功能，为教学保障部门购置仪器设备提供数据支撑和决策参考。因此参照前面建立的仪器设备共享平台的Petri网模型，主要实现了仪器查询预约与审核、仪器信息实时管理、仪器报废实时管理、智能决策支撑等功能模块。

2.系统实现

仪器设备共享平台的Petri网模型包含三个处所，因此相应建立三个用户角色——教保管理员、仪器管理员、普通用户。根据Petri网模型的流关系实现了仪器预约申请、仪器预约审核、仪器新增申请、仪器删除申请等功能。与工作流无关的功能包括用户权限管理、智能决策支撑等共用功能。系统的整个组织结构如图4所示：

图4 高校仪器设备共享平台组织结构图

（1）用户权限管理

不同用户角色利用各自的用户名、密码登录后，转换到相应的用户角色页面。并把用户名保存在Session中。Session是一种记录客户状态的会话机制，当客户端浏览器访问服务器时，服务器把客户端信息记录在服务器上，客户端浏览器再次访问时只需从Session中查找该客户状态就可以了。[5]为了防止用户在同一台电脑上登录多个用户以致造成用户角色的误操作，用户权限管理模块还实现了单点登录功能，即一台电脑只允许一个用户登录。

（2）仪器查询预约

仪器设备使用情况复杂多变，为了提高仪器使用效率，采用智能搜索算法，对用户输入的预约查询条件进行智能化搜索，并把最佳方案排在搜索结果的最前面供用户选择。

（3）仪器预约审核

仪器的预约审核采用两级审核，先由仪器管理员根据仪器使用情况对预约申请进行审核，然后报教保管理员审核备案。

（4）仪器信息增删

仪器信息的增加和删除，先由仪器管理员提出申请，报批教保管理员，教保管理员审核通过前，仪器信息被锁定，不能被普通用户预约使用。此外，为了避免仪器信息更新的滞后，本平台留有和财务、采购等部门对接的数据接口，以实现对仪器信息的全程监控。

（5）智能决策支撑

为了便于教保人员更好地掌握仪器使用情况，为以后仪器的管理和采购提供数据支撑，平台提供了智能决策支撑功能。利用数理统计的方法，引入数学期望、标准差、二阶矩等统计量，[6]实现对仪器使用情况、用户预约情况的数据分析，并可以把数据导出为SSPS统计软件支持的SAV格式和Excel文件，便于用户使用自己熟悉的软件对数据进行进一步的分析。

四、系统示例

本文在确保平台实用性的基础上，开发了一套B/S架构的仪器设备共享平台管理系统。开发平台为JAVA EE，采用流行的Spring+Struts+Hibernate轻量级架构具体实现平台各功能，数据库采用的是 SQL Server 2005，应用服务器采用Tomcat。图5为教保管理员用户界面：

图5 仪器设备共享平台——教保管理员界面

五、结语

本文利用Petri网建模理论建立了高校仪器设备共享平台的模型。从此模型出发，采用SSH2实现了高校仪器设备共享管理系统。目前此系统已投入运行，有效解决了仪器设备信息使用效率低、信息更新滞后、统计数据难以提供决策支撑等问题。

[1]袁崇义.Petri网原理与应用[M].北京:电子工业出版社,2005.3:128.

[2]汪家常,徐昶,季小明,计勇.基于工作流的高校学费管理系统研究[J].计算机应用与软件,2012(6).

[3]阳雪峰,陈文臣.JavaW eb 2.0基于Spring、Struts、Hibernate轻量级架构开发[M].北京:机械工业出版社, 2009.1:183.

[4]欧阳俊,杨贯中,陶勇,唐金鹏，申奥.基于对象Petri网工作流建模的研究与实现[J].计算机工程与设计,2005 (10).

[5]卢汉鹏.JSP开发技术详解[M].北京:化学工业出版社,2010.7:191.

[6]魏宗舒等.概率论与数理统计教程[M].北京:高等教育出版社,2003:227-231.

（编辑:王天鹏）

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1673-8454（2015）15-0087-03