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fakultät für informatik informatik 12 technische universität dortmund Petri Nets Peter Marwedel TU Dortmund, Informatik 12 Graphics: © Alexandra Nolte, Gesine Marwedel, 2003 2010/10/22 These slides use Microsoft clip arts. Microsoft copyright restrictions apply.

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fakultät für informatikinformatik 12

technische universität dortmund

Petri Nets

Peter MarwedelTU Dortmund,Informatik 12

Gra

phic

s: ©

Ale

xand

ra N

olte

, Ges

ine

Mar

wed

el, 2

003

2010/10/22 These slides use Microsoft clip arts. Microsoft copyright restrictions apply.

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- 2 -technische universitätdortmund

fakultät für informatik

p.marwedel, informatik 12, 2010

Models of computation considered in this course

Communication/local computations

Shared memory

Message passingSynchronous | Asynchronous

Undefined components

Plain text, use cases | (Message) sequence charts

Communicating finite state machines

StateCharts SDL

Data flow (Not useful) Kahn networks, SDF

Petri nets C/E nets, P/T nets, …

Discrete event (DE) model

VHDL*, Verilog*, SystemC*, …

Only experimental systems, e.g. distributed DE in Ptolemy

Von Neumann model C, C++, Java

C, C++, Java with librariesCSP, ADA |

* Classification is based on implementation of VHDL, Verilog, SystemC with central queue

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- 3 -technische universitätdortmund

fakultät für informatik

p.marwedel, informatik 12, 2010

Introduction

Introduced in 1962 by Carl Adam Petri in his PhD thesis.Focus on modeling causal dependencies;no global synchronization assumed (message passing only).Key elements: Conditions

Either met or no met. Events

May take place if certain conditions are met. Flow relation

Relates conditions and events.Conditions, events and the flow relation forma bipartite graph (graph with two kinds of nodes).

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- 4 -technische universitätdortmund

fakultät für informatik

p.marwedel, informatik 12, 2010

Example: Synchronization at single track rail segment

“Preconditions“

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- 5 -technische universitätdortmund

fakultät für informatik

p.marwedel, informatik 12, 2010

Playing the “token game“

use normal view mode!

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- 6 -technische universitätdortmund

fakultät für informatik

p.marwedel, informatik 12, 2010

Conflict for resource “track“

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- 7 -technische universitätdortmund

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p.marwedel, informatik 12, 2010

More complex example (1)

Thalys trains between Cologne, Amsterdam, Brussels and Paris.

[http://www.thalys.com/be/en]

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p.marwedel, informatik 12, 2010

s

More complex example (2)

Slightly simplified: Synchronization at Brussels and Paris,using stations “Gare du Nord” and “Gare de Lyon” at Paris

use normal view mode!

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- 9 -technische universitätdortmund

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p.marwedel, informatik 12, 2010

Condition/event nets

Def.: N=(C,E,F) is called a net, iff the following holds

1. C and E are disjoint sets

2. F (C E) (E C); is binary relation,(“flow relation“)

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p.marwedel, informatik 12, 2010

Pre- and post-sets

Def.: Let N be a net and let x (C E). x := {y | y F x} is called the pre-set of x, (or preconditions if x E) x := {y | x F y} is called the set of post-set of x, (or postconditions if x E)

Example:

xx x

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p.marwedel, informatik 12, 2010

Loops and pure nets

Def.: Let (c,e) C E. (c, e) is called a loop iff cFe eFc.

Def.: Net N=(C,E,F) is called pure, if F does not contain any loops.

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p.marwedel, informatik 12, 2010

Simple nets

Def.: A net is called simple if no two nodes n1 and n2 have the same pre-set and post-set.

Example (not simple nets):

Def.: Simple nets with no isolated elements meeting some additional restrictions are called condition/event nets(C/E nets).

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- 13 -technische universitätdortmund

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p.marwedel, informatik 12, 2010

Place/transition nets

Def.: (P, T, F, K, W, M0) is called a place/transition net iff

1. N=(P, T, F) is a net with places p P and transitions t T

2. K: P (ℕ0 {}) \{0} denotes the capacity of places( symbolizes infinite capacity)

3. W: F (ℕ0 \{0}) denotes the weight of graph edges

4. M0: P ℕ0 {} represents the initial marking of placesW

M0

(Segment of some net)

defaults: K = W = 1

defaults: K = W = 1

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- 14 -technische universitätdortmund

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p.marwedel, informatik 12, 2010

Computing changes of markings

“Firing“ transitions t generate new markings on each of the places p according to the following rules:

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- 15 -technische universitätdortmund

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p.marwedel, informatik 12, 2010

Activated transitions

Transition t is “activated“ iff

Activated transitions can “take place“ or “fire“,but don‘t have to.We never talk about “time“ in the context of Petri nets. The order in which activated transitions fire, is not fixed(it is non-deterministic).

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p.marwedel, informatik 12, 2010

Shorthand for changes of markings

Let

p P: M´(p) = M(p)+ t(p)

Slide 14:

+: vector add M´ = M + t

0

),(),(

\),(

\),(

)(ttpptWtpW

ttpptW

ttptpW

ptif

if

if

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p.marwedel, informatik 12, 2010

Matrix N describing all changes of markings

Def.: Matrix N of net N is a mapping

N: P T ℤ (integers)

such that t T : N(p,t)= t(p)Component in column t and row p indicates the change of the marking of place p if transition t takes place.For pure nets, (N, M0) is a complete representation of a net.

0

),(),(

\),(

\),(

)(ttpptWtpW

ttpptW

ttptpW

ptif

if

if

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- 18 -technische universitätdortmund

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p.marwedel, informatik 12, 2010

Example: N =

s

11

11

11

11

111

11

11

11

11

11

11

11

11

13

12

11

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

10987654321

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

tttttttttt

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- 19 -technische universitätdortmund

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p.marwedel, informatik 12, 2010

Place - invariants

For any transition tj T we are looking for sets R P of places for which the accumulated marking is constant:

0)( Rp

j pt

Example:

Standardized technique for proving properties of system models

tj

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- 20 -technische universitätdortmund

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p.marwedel, informatik 12, 2010

Characteristic Vector

Rp

RppcR if 0

if1)(Let:

RjRPp

jRp

j ctpcptpt

)()()(0

0)( Rp

j pt

Scalar product

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- 21 -technische universitätdortmund

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p.marwedel, informatik 12, 2010

Condition for place invariants

Accumulated marking constant for all transitions if

0

.........

01

Rn

R

ct

ct

Equivalent to NT cR = 0 where NT is the transposed of N

0)()()(

RjRPp

jRp

j ctpcptpt

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p.marwedel, informatik 12, 2010

More detailed view of computations

0

0

0

0

)(

...

)(

)(

)(...)(

...

)(...)(

)(...)(

2

1

1

212

111

nR

R

R

nmm

n

n

pc

pc

pc

ptpt

ptpt

ptpt

System of linear equations.Solution vectors must consist of zeros and ones.Equations with multiple unknowns that must be integers called diophantic ( Greek mathematician Diophantos, ~300 B.C.).Diophantic linear equation system more complex to solve than standard system of linear equations (actually NP-hard))Different techniques for solving equation system (manual, ..)

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p.marwedel, informatik 12, 2010

Application to Thalys example

NT cR = 0,with NT =

∑rows=0 1 linear dependency among rows rank = 10-1 = 9 Dimension of solution space = 13 - rank = 4

Solutions? Educated guessing

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p.marwedel, informatik 12, 2010

Manually finding generating vectorsfor 4-dimensional space

Set 1 out of 4 components to 1 and others to 0 to obtain generating vectors Find independent sets components

in the matrix after deleting one row (7, 8, 12 easy to identify)

s

or assume that a particular place is included in R (e.g. p6), whereas places along the path of other objects (e.g. p11, p12, p13) are not.

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p.marwedel, informatik 12, 2010

1st basis vector

• t10(p10) b1(p10) + t10(p11) b1(p11) + t10(p13) b1(p13) = 0

b1(p10) = 0

• t9(p9) b1(p9) + t9(p10) b1(p10) = 0

b1(p9)=0

• …

Set one of components(6, 11, 12, 13)to 1, others to 0.

1st basis b1: b1(p6)=1, b1(p11)=0, b1(p12)=0, b1(p13)=0

All components {0, 1}

cR1 = b1b1 = (1,1,1,1,1,1,0,0,0,0,0,0,0)

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p.marwedel, informatik 12, 2010

Interpretation of the 1st invariant

Characteristic vector describes places for Cologne train.

We proved that: the number of trains along the path remains constant .

00000001111111, Rc

s

CR,1

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p.marwedel, informatik 12, 2010

2nd basis vector

• t10(p10) b2(p10) + t10(p11) b2(p11) + t10(p13) b2(p13) = 0

b2(p10) = 1

• t9(p9) b2(p9) + t9(p10) b2(p10) = 0

b2(p9)=1

• …

Set one of components(6, 11, 12, 13)to 1, others to 0.

2nd basis b2:

b2(p6)=0, b2(p11)=1,

b2(p12)=0, b2(p13)=0

b2 not a characteristic

vector, but cR,2=b1+b2 is

cR,2 =

(1,0,0,0,1,1,0,0,1,1,1,0,0)b1 = (1, 1, 1, 1,1,1,0,0,0,0,0,0,0)b2 = (0,-1,-1,-1,0,0,0,0,1,1,1,0,0)

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Interpretation of the 2nd invariant

We proved that:

None of the Amsterdam trains gets lost (nice to know ).

We proved that:

None of the Amsterdam trains gets lost (nice to know ).

,1,0,0),1,0,0,1,1(1,0,0,0,12,Rc

s

CR,2

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Setting b3(p12) to 1 and b4(p13) to 1leads to an additional 2 invariants

We proved that: the number of trains serving

Amsterdam, Cologne and Paris remains constant.

the number of train drivers remains constant.

00000001111111, Rc

01000110000004, Rc

10011000000003, Rc

00111001100012, Rc

s

CR,4

CR,3 CR,1CR,2

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- 30 -technische universitätdortmund

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p.marwedel, informatik 12, 2010

Applications

Modeling of resources;

modeling of mutual exclusion;

modeling of synchronization.

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p.marwedel, informatik 12, 2010

Predicate/transition nets

Goal: compact representation of complex systems.

Key changes:

Tokens are becoming individuals;

Transitions enabled if functions at incoming edges true;

Individuals generated by firing transitions defined through functions

Changes can be explained by folding and unfolding C/E nets,

semantics can be defined by C/E nets.

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p.marwedel, informatik 12, 2010

Example: Dining philosophers problem

n>1 philosophers sitting at a round table;n forks,n plates with spaghetti;philosophers either thinkingor eating spaghetti(using left and right fork).

How to model conflict for forks?

How to guarantee avoiding starvation?

How to model conflict for forks?

How to guarantee avoiding starvation?

2 forks needed!

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Condition/event net modelof the dining philosophers problem

Let x {1..3}tx: x is thinkingex: x is eatingfx: fork x is available

Model quite clumsy.

Difficult to extend to more philosophers.

Model quite clumsy.

Difficult to extend to more philosophers.

Normal view mode!

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- 34 -technische universitätdortmund

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Tokens: individuals.

Semantics can be defined by replacing net by equivalent condition/event net.

Tokens: individuals.

Semantics can be defined by replacing net by equivalent condition/event net.

Predicate/transition modelof the dining philosophers problem (1)

Let x be one of the philosophers,let l(x) be the left spoon of x,let r(x) be the right spoon of x.

f 1f 2

f 3

p1 p3

p2

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- 35 -technische universitätdortmund

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Predicate/transition modelof the dining philosophers problem (2)

Model can be extended to arbitrary numbers of people.

Model can be extended to arbitrary numbers of people.

use normal view mode!

f 1f 2

f 3

p1 p3

p2

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- 36 -technische universitätdortmund

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Evaluation

Pros: Appropriate for distributed applications, Well-known theory for formally proving properties, Initially a quite bizarre topic, but now accepted due to

increasing number of distributed applications.

Cons (for the nets presented) : problems with modeling timing, no programming elements, no hierarchy.

Extensions: Enormous amounts of efforts on removing limitations.

back to full screen mode

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Computational Graphs @ UML: Activity diagram

© Cris Kobryn: UML 2001: A Standardization Odyssey, CACM, October, 1999

Extended Petri nets. Include decisions(like in flow charts). Graphical notation similar to SDL.

“swimlane“

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Summary

Petri nets: focus on causal dependencies

Condition/event nets

• Single token per place

Place/transition nets

• Multiple tokens per place

Predicate/transition nets

• Tokens become individuals

• Dining philosophers used as an example

Extensions required to get around limitations

Activity diagrams in UML are extended Petri nets