劉曉霞 李芳

摘? 要：針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)視頻感知的動(dòng)態(tài)同步問(wèn)題，本文用π網(wǎng)理論建立了物聯(lián)網(wǎng)視頻感知的抽象模型DSAM，以描述其動(dòng)態(tài)同步問(wèn)題。首先建立基于π網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)視頻感知抽象模型DSAM，然后對(duì)模型進(jìn)行了狀態(tài)演變、模型變遷和動(dòng)態(tài)交互等分析，最后利用模型DSAM對(duì)實(shí)例進(jìn)行分析和仿真。通過(guò)對(duì)模型DSAM的仿真和分析可知，該模型能夠正確處理物聯(lián)網(wǎng)視頻感知的動(dòng)態(tài)同步并發(fā)性，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：π網(wǎng);視頻感知;物聯(lián)網(wǎng);同步模型;動(dòng)態(tài)演化

中圖分類號(hào)：TP393? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Dynamic Synchronous Modeling and Simulation of Video

Sensing of Internet of Things

LIU Xiaoxia1，LI Fang2

（1.Department of Information Engineering，Sichuan Water Conservancy Vocational College，Chongzhou 611231，China;

2.College of Computer Science，Chongqing University，Chongqing 400044，China）

Abstract：Aiming to solve the dynamic synchronous problems in the video sensing of Internet of Things，the paper establishes a Dynamic Synchronization Abstract Model （DSAM） based on the π-nets theory to describe the dynamic synchronous problems.At first，the DSAM of the video sensing of Internet of Things is established based on π nets.And then this paper analyzes state evolution，model transition and dynamic interaction.At last，The DSAM is used to analyze and simulate examples.Through the analysis and simulation of the DSAM，it is known that the model can be used to correctly deal with the dynamic synchronous concurrency of the video sensing of Internet of Things，and it has certain practical value.

Keywords：π-nets;video sensing;Internet of Things;synchronization model;dynamic evolution.

1? ?引言（Introduction）

隨著信息與通信技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷在現(xiàn)代城市中得以應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)視頻感知系統(tǒng)是一個(gè)綜合系統(tǒng)，具有其自身的特點(diǎn)，如連續(xù)交互性、服務(wù)機(jī)制與質(zhì)量和多種媒體信息的實(shí)時(shí)性、同步性等，其中物聯(lián)網(wǎng)視頻感知信息的實(shí)時(shí)性和同步性是其關(guān)鍵性問(wèn)題。

而物聯(lián)網(wǎng)視頻感知各種信息的同步問(wèn)題，主要是各種信息間的同步模型和同步機(jī)制的問(wèn)題，前者主要描述各種信息間的時(shí)態(tài)關(guān)系，后者主要描述信息間時(shí)態(tài)關(guān)系的保證方法。就目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究而言，各種信息間的同步模型主要有時(shí)間軸同步模型、分層層次同步模型和共同時(shí)間參考點(diǎn)同步模型。在同步模型中，使用Petri網(wǎng)進(jìn)行表述的、已提出的具有代表性的模型主要有OCPN、XOCPN[1]、TSPN[2]、FTPN[3]和DTPN[4]。

物聯(lián)網(wǎng)視頻感知系統(tǒng)要求各種信息間動(dòng)態(tài)同步特性，而動(dòng)態(tài)同步特性表現(xiàn)為可接受的扭曲時(shí)間、用戶操作時(shí)間的動(dòng)態(tài)性和延遲敏感性三個(gè)方面。而基于Petri網(wǎng)的模型未完善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)同步問(wèn)題。因此，本文應(yīng)用π網(wǎng)理論，提出一種物聯(lián)網(wǎng)視頻感知?jiǎng)討B(tài)同步抽象模型DSAM，以解決系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)同步問(wèn)題。

2? ?模型建立（Model establishment）

2.1? ?π網(wǎng)

1962年，德國(guó)的Carl Adam Petri博士在其博士論文中提出Petri網(wǎng)，其目的是研究信息系統(tǒng)及其相互關(guān)系的一種數(shù)學(xué)模型。Petri網(wǎng)現(xiàn)已成為具有嚴(yán)密數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的一種數(shù)學(xué)和圖形工具，可用于對(duì)具有異步、分布和并發(fā)特征的系統(tǒng)。20世紀(jì)90年代，由Robin Milner等人提出了一種新的并發(fā)理論—π演算（π-calculus），用于研究計(jì)算機(jī)并行理論領(lǐng)域的并發(fā)計(jì)算模型，描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。

文獻(xiàn)[5]提出了將Petri網(wǎng)與π演算結(jié)合的π網(wǎng)，并給出了π網(wǎng)的定義、規(guī)則和形式化描述語(yǔ)言等，本文利用π網(wǎng)來(lái)研究物聯(lián)網(wǎng)視頻感知?jiǎng)討B(tài)同步問(wèn)題，以保證物聯(lián)網(wǎng)視頻感知系統(tǒng)的正常交互，并充分發(fā)揮和利用Petri網(wǎng)和π演算的互補(bǔ)性，而且也是現(xiàn)代形式化研究方法的發(fā)展趨勢(shì)。

2.2? ?模型建立

物聯(lián)網(wǎng)視頻感知系統(tǒng)是一個(gè)典型的并發(fā)型動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。利用π網(wǎng)，建立了一種物聯(lián)網(wǎng)視頻感知?jiǎng)討B(tài)同步抽象模型DSAM（Dynamic Synchronization Abstract Model）來(lái)描述其動(dòng)態(tài)同步特性。

定義1 定義DSAM為一個(gè)π網(wǎng)，即，其中，表示一個(gè)基本的令牌Petri網(wǎng)系統(tǒng)，為物聯(lián)網(wǎng)視頻感知的庫(kù)所集;X={X1，X2，X3，…}表示交互按鈕的集合，是物聯(lián)網(wǎng)視頻感知信息的變遷集合，不同的按鈕代表不同的變遷;且;Tt表示物聯(lián)網(wǎng)視頻感知同步變遷的時(shí)間關(guān)系集合，是網(wǎng)DSAM的弧集，且;是定義在上的一個(gè)屬性函數(shù)，表示位置集合的映射關(guān)系集合。

CP為一個(gè)六元組，即CP=（P，T，B，F(xiàn)，ID，M：M0）為一個(gè)基本Petri網(wǎng)，網(wǎng)中僅有“Normal”和“Master”兩種類型的位置。其中：P是一個(gè)位置集合;T為變遷集合;B：P×T→I，I={1，2，3，…}，表示從位置到變遷的有向弧集;F：T×P→I，I={1，2，3，…}，表示從變遷到位置的有向弧集;M：P→I是網(wǎng)系統(tǒng)的標(biāo)識(shí)，I={0，1，2，…}，M0是初始標(biāo)識(shí);為OPN（Object-oriented Petri Nets，OPN）元，即，其中為基本Petri網(wǎng)定義的元，為的托肯;為演算描述的DSAM模型的演化因子。

X={X1，X2，X3，…}為交互按鈕集，共有六種按鈕：“Skip”“Pause”“Back”“Replay”“Restart”和“Modify Speed”。

Tt主要描述物聯(lián)網(wǎng)視頻感知系統(tǒng)的同步時(shí)間變遷的時(shí)間關(guān)系的集合，可利用TPN（Time Petri Net）可形式化定義Tt。

依據(jù)文獻(xiàn)[6]，DSAM符合π網(wǎng)的定義，是一個(gè)π網(wǎng)。在此還需對(duì)進(jìn)行定義，以更加完善的描述DSAM模型。

定義2 為時(shí)間關(guān)系集合，是一個(gè)TPN網(wǎng)的擴(kuò)展，即：

其中，為物聯(lián)網(wǎng)視頻感知系統(tǒng)的有限庫(kù)所的集合。

為物聯(lián)網(wǎng)視頻感知系統(tǒng)的時(shí)間動(dòng)態(tài)變遷的有限集合，且滿足條件。

表示物聯(lián)網(wǎng)視頻感知系統(tǒng)中各種信息數(shù)據(jù)的有限變遷集合，且滿足。

是控制流的弧的集合，F(xiàn)df是數(shù)據(jù)流的弧的集合，表示系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)關(guān)系。

為到同步變遷規(guī)則的映射。

，即動(dòng)態(tài)時(shí)間變遷集合到有限庫(kù)所的映射關(guān)系，且滿足。

，為時(shí)間映射函數(shù)，R+是正實(shí)數(shù)集。

為變遷與其相關(guān)聯(lián)的交互按鈕集合X的映射函數(shù)關(guān)系，即，可定義為。

依據(jù)前面建立的模型，利用圖形化描述方法，可得到模型DSAM的圖形化描述圖。在的同步時(shí)間約束下，使得令牌發(fā)生變遷，在物聯(lián)網(wǎng)視頻數(shù)據(jù)幀的交互操作下，使得變遷進(jìn)一步發(fā)生轉(zhuǎn)移，得到如圖1所示的模型DSAM的圖形描述。

3? ?模型分析（Model analysis）

利用π網(wǎng)理論，分析DSAM模型的狀態(tài)演變、變遷和動(dòng)態(tài)交互。

3.1? ?狀態(tài)演變

在研究DSAM模型時(shí)，首先要分析模型的狀態(tài)，給出該模型的狀態(tài)集合，然后在狀態(tài)基礎(chǔ)上對(duì)模型進(jìn)行狀態(tài)演變研究，給出狀態(tài)演變規(guī)則。

定義3 模型狀態(tài)集定義：DSAM的狀態(tài)集用Ss表示，則Ss為一個(gè)三元組，即，其中：為模型中含有token的位置集合;為模型中各種信息的動(dòng)態(tài)有效時(shí)間段表，表中數(shù)量與標(biāo)記的位置數(shù)一致，若某時(shí)刻用戶進(jìn)行了暫停操作，則中的數(shù)值為該位置剩余的時(shí)間值;用戶將要操作的按鈕表，即記錄用戶從現(xiàn)在時(shí)刻到結(jié)束可選的操作。

規(guī)則1 狀態(tài)演變規(guī)則：假設(shè)是狀態(tài)Ss在相對(duì)時(shí)間使能的變遷，則模型可在動(dòng)態(tài)有效時(shí)間發(fā)生變遷，并演變?yōu)樾碌臓顟B(tài)，即，其中：

①。

②是標(biāo)記的位置所具有的動(dòng)態(tài)相對(duì)有效時(shí)間段表，設(shè)為庫(kù)所在狀態(tài)Ss呈現(xiàn)的時(shí)間間隔，則滿足：

（i）;

（ii）

③

其中，為變遷的輸入位置。

3.2? ?模型變遷

模型DSAM的變遷主要有“Key”型變遷和非“Key”型變遷[7]。

定義4 變遷發(fā)生條件：設(shè)在時(shí)間內(nèi)，變遷在內(nèi)的時(shí)間點(diǎn)的觸發(fā)由狀態(tài)決定，則必須滿足：

①在時(shí)間點(diǎn)被使能：;

②滿足：。

當(dāng)滿足定義4給出的變遷條件時(shí)，變遷并不能發(fā)生，因?yàn)檫€需要時(shí)間因子。定義2可知，若時(shí)間Tt符合并滿足TPN網(wǎng)要求，則變遷就能夠發(fā)生[8]。

規(guī)則2 模型通信變遷規(guī)則：假設(shè)為模型DSAM的一對(duì)共軛變遷，若存在互補(bǔ)交互的網(wǎng)DSAM的兩個(gè)子網(wǎng)，且標(biāo)識(shí)網(wǎng)DSAM的所有庫(kù)所狀態(tài)項(xiàng)的函數(shù)對(duì)任意兩個(gè)屬于Ss的狀態(tài)，均有：，

則t1和t2可在網(wǎng)DSAM中產(chǎn)生通信變遷，即，（表示庫(kù)所的輸入變遷、自由輸出變遷、受限輸出變遷、通信變遷和匹配變遷等各種信息間的變遷類型），使得，，，，且具有的規(guī)則為：

設(shè)，其中為物聯(lián)網(wǎng)視頻感知各種信息的編號(hào)，x為輸出庫(kù)所標(biāo)號(hào);y為輸出上的自由通道名;a為通道名的替換;則有：

①當(dāng)時(shí)，則，且，。

②當(dāng)，則，且，。

3.3? ?模型動(dòng)態(tài)交互

對(duì)物聯(lián)網(wǎng)視頻感知系統(tǒng)而言，與用戶的動(dòng)態(tài)交互，以實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)視頻感知同步問(wèn)題[9]。若變遷在接受用戶輸入按鈕時(shí)具有如圖2所示的交互操作實(shí)現(xiàn)示意圖（其中{X1，X2，X3，…}為交互按鈕集X）。

①“Skip”：若用戶輸入按鈕為“Skip”，則模型DSAM變遷即刻激活，且不正在執(zhí)行的庫(kù)所是否完成語(yǔ)義。

②“Pause”和“Restart”：若用戶提交一個(gè)“Pause”，庫(kù)所接受一個(gè)令牌，同時(shí)進(jìn)行Nop操作，直到下一個(gè)輸入交互為“Restart”。

③“Modify Speed”：若用戶在時(shí)刻輸入庫(kù)所的“Modify Speed”操作，則其結(jié)果為改變物聯(lián)網(wǎng)視頻感知各種信息的執(zhí)行速度。

④“Back”：即用戶輸入了后退操作，其結(jié)果是直接退到上一個(gè)時(shí)刻或時(shí)間段的物聯(lián)網(wǎng)視頻感知信息。

⑤“Replay”：若用戶輸入為“Replay”按鈕，則模型DSAM表現(xiàn)為重新執(zhí)行所操作的物聯(lián)網(wǎng)視頻感知的各種信息。

由以上分析可知，DSAM模型能夠很好地實(shí)現(xiàn)和完成媒體與用戶的動(dòng)態(tài)交互。

4? 模型仿真與性能分析（Model simulation and

performance analysis）

4.1? ?實(shí)例仿真

為使用DSAM模型描述物聯(lián)網(wǎng)視頻感知?jiǎng)討B(tài)同步問(wèn)題，在此假設(shè)物聯(lián)網(wǎng)視頻感知系統(tǒng)為視頻、聲音、文本和動(dòng)畫(huà)的復(fù)合數(shù)據(jù)流，媒體對(duì)象和子對(duì)象之間的時(shí)序關(guān)系如圖3所示。用戶通過(guò)交互按鈕集X完成與物聯(lián)網(wǎng)視頻感知各種信息進(jìn)行交互。開(kāi)始運(yùn)行時(shí)可直接跳到進(jìn)行表現(xiàn)，可“Pause”和“Restart”Vdo1的表現(xiàn)，可從Vdo3回到Vdo2進(jìn)行表現(xiàn)，也可使am1重新表現(xiàn)[10]。

聲音、視頻的同步如圖4所示。聲音、視頻數(shù)據(jù)流速度為10幀/秒。QoS中最大扭曲為80ms，最大抖動(dòng)為10ms。

4.2? ?異常處理

由實(shí)例仿真可知，QoS中的最大扭曲和最大抖動(dòng)是使物聯(lián)網(wǎng)視頻感知各種信息難以完全同步所致，故需要對(duì)媒體數(shù)據(jù)流采用一定的方法進(jìn)行處理。處理后的聲音、視頻如圖5所示。

在物聯(lián)網(wǎng)視頻感知同步通信中，由于信號(hào)衰減、干擾和延遲等造成數(shù)據(jù)丟失是不可避免的。仿真實(shí)例中，對(duì)聲音數(shù)據(jù)不能隨意丟棄音頻流的LDU，而引入抑止弧來(lái)進(jìn)行異常處理;對(duì)視頻媒體流，丟失少量的數(shù)據(jù)對(duì)視頻QoS影響不大。因此，該模型能夠?qū)崿F(xiàn)異常處理，對(duì)于一定程度的對(duì)象丟包具有魯棒性。

4.3? ?模型性能分析

對(duì)模型進(jìn)行性能分析，先從媒體內(nèi)部同步量化進(jìn)行分析，然后從視頻信息間的同步量化進(jìn)行分析。

對(duì)視頻內(nèi)部同步量化進(jìn)行分析，其指標(biāo)主要是緩沖區(qū)下溢次數(shù)和數(shù)據(jù)信息丟包率，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)得到表1所示數(shù)據(jù)。從表1數(shù)據(jù)可知，模型DSAM在測(cè)試驗(yàn)證時(shí)，得到的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)下溢次數(shù)較其他兩種模型要少;視頻信息數(shù)據(jù)丟包率也較其他兩種模型的丟包率要低。因此，模型DSAM在視頻內(nèi)同步控制方面具有一定的優(yōu)越性。

對(duì)視頻幀間同步進(jìn)行量化測(cè)試，測(cè)試環(huán)境選用視頻圖像、語(yǔ)音、文本等，并在實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)視頻感知教室的老師講課進(jìn)行測(cè)試，以驗(yàn)證視頻幀間同步。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，得到表2所示數(shù)據(jù)。從表2數(shù)據(jù)可知，無(wú)同步控制時(shí)，視頻幀間同步率較有同步控制時(shí)要低。

綜上分析可知，模型DSAM在視頻內(nèi)同步控制和視頻幀間同步控制都具有優(yōu)異的性能。

5? ?結(jié)論（Conclusion）

針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)視頻感知?jiǎng)討B(tài)同步問(wèn)題，利用Petri網(wǎng)與π演算結(jié)合的π網(wǎng)，建立物聯(lián)網(wǎng)視頻感知系統(tǒng)抽象模型DSAM，實(shí)現(xiàn)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)視頻感知系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)同步進(jìn)行建模。通過(guò)對(duì)模型DSAM的仿真和分析可知，本文所提出和建立的模型，能夠正確處理物聯(lián)網(wǎng)視頻感知的動(dòng)態(tài)同步，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

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