Réseaux de Petri, Cours M. DAOUDI

Table des matières Les réseaux de Petri

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1 Notations et règles de franchissement 1.1 Places, Transitions et Arcs . . . . . . . 1.2 Marquages . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3 Franchissement . . . . . . . . . . . . . 1.4 Réseaux particuliers . . . . . . . . . .

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3 3 4 4 5

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7 8 9 11 11 11 11 12 12 12 13 13 13 13 14 14 15

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2 Propriétés des réseaux de Petri 2.1 Graphe de Marquage Accessible (GMA) . . . . . . . . . . . . 2.2 Le vecteur d’occurrence et l’équation de changement d’état . 2.3 Quelques propriétés qualitatives . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.1 Bornitude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.2 Pseudo-vivacité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.3 Quasi-vivacité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.4 Vivacté . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.5 Réseau sans blocage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.6 Etat d’accueil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.7 Conservation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4 Types de réseaux de Petri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.1 Réseaux de Petri généralisés . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.2 Réseaux de Petri à capacités . . . . . . . . . . . . . . 2.4.3 Graphe de marquage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5 Arborescence de couverture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.1 Algorithme de contstruction d’un graphe de marquage

1

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Les réseaux de Petri Les réseaux de Petri ont été inventés par le mathématicien allemand Carl Alain Petri dans les années 1960.

2

Chapitre

1

Notations et franchissement 1.1

règles

de

Places, Transitions et Arcs

Un réseau de Petri (RdP) est : - un graphe - formé de deux types de nœuds appelés places et transitions, reliés par des arcs orientés - biparti, c.-à-d. qu’un arc relie alternativement une place à une transition et une transition à une place Remarques : - Une place (pi ) modélise les ressources utilisées dans le système. - Une transition (ti ) modélise les actions sur les ressources. Exemple : la place p1 est en entrée de la transition t1 et p2 est en sortie de t1 .

- Une transition sans place en entrée est une transition source. - Une transition sans place en sortie est une transition puits.

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1. Notations et règles de franchissement

1.2

Marquages

Chaque place (pi ) d’un RdP peut contenir un ou plusieurs marqueurs (jetons). La configuration complète du réseau, avec toutes les marques positionnées, forme le marquage et définit l’état du réseau (et donc l’état du système modélisé).

1.3

Franchissement

C’est le formalisme qui permet de passer d’un marquage à un autre, ce qui rend compte de l’évolution du système modélisé. Une transition est franchissable si chacune des places en entrée compte au moins un jeton ; dans ce cas : - le franchissement est une opération indivisible (atomique) - un jeton est consommé dans chaque place en entrée - un jeton est produit dans chaque place en sortie Exemples :

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1. Notations et règles de franchissement

1.4

Réseaux particuliers

i. Les graphes d’état : chaque transition ne dispose que d’une place en entrée et une place en sortie.

ii. Les réseaux sans conflit : chaque place n’a qu’une transition en sortie.

iii. Les réseaux dits simples : réseaux avec conflit, où chaque transition n’intervient au plus que dans une situation de conflit.

iv. Graphes purs : aucune place n’est à la fois en entrée ou en sortie de la même transition.

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1. Notations et règles de franchissement Définition : un réseau de Petri est défini par le tuple (P, T, P ré, P ost, M0 ) P : ensemble de places pi T : ensemble de transitions P ré : P ré(p, t) est une valeur (≥ 0) associée à l’arc allant de la place p à la transition t P ost : P ost(p, t) est une valeur (≥ 0) associée à l’arc allant de la transition t à la place p M0 : vecteur décrivant le marquage initial, M o = (M0 (p1 ), . . . , M0 (pn )) ↑ nombre de jetons dans la place p1 Exemple : Soit P = p1 , p2 , p3 où p1 représente la ressource «fichier», p2 la ressource «imprimante» et p3 la ressource «fichiers en cours d’impression». On peut définir le RP suivant dans son état initial (par exemple).

On a : P ré(p1 , t) = 1 (p donne le poids sur l’arc) P ré(p2 , t) = 1 ; P ré(p3 , t) = 0 P ost(p1 , t) = 0 ; P ost(p2 , t) = 0 ; P ost(p3 , t) = 1 M o = (M0 (p1 ), M0 (p2 ), M0 (p3 )) = (5, 2, 0) Remarque : dans le cas général, P ré(p, t) représente le nombre de ressources de type p consommées par la transition t, et P ost(p, t) représente le nombre de ressources de type p produites suite au tir de la transition t. M (p) indique le marquage de la place p (nombre de jetons contenus dans p).

6

Chapitre

2

Propriétés des réseaux de Petri À partir du marquage initial, le réseau de Petri peut évoluer si les conditions sont vérifiées. Exemple (se référer à l’exemple précédent) : Soit M0 = (5, 2, 0) Après le franchissement (tir) de la transition t, on utilisera un fichier et une imprimante (car P ré(p1 , t) = 1 et P ré(p2 , t) = 1) et on aura un fichier en cours d’impression ; le marquage deviendra alors : M1 = (4, 1, 1) Après un deuxième tir de la transition t, on obtiendra M2 = (3, 0, 2). On ne peut plus effectuer un autre tir de t, car M2 (p2 ) = 0. Dans le cas général, pour un marquage M , une transition t est tirable si et seulement si pour tout p ∈ P , on a : M (p) ≥ P ré(p, t) La franchissabilité (ou la sensibilisation ou le tir) d’une transition k pour le marquage M se note : M [t>. Si le marquage résultant est M 0 , alors on note : M [t>M 0 . Dans l’exemple précédent : M0 [t>M1 ; M1 [t>M2 et t n’est pas tirable pour M2 car M2 (p2 ) < P ré(p2 , t) Soit M un marquage : M = (M (p1 ), M (p2 ). . . ) Notons : C − la matrice des P rés telle que : C − (ij) = P rés(Pi , tj ) et C + la matrice des P osts telle que C + (ij) = P osts(Pi , tj ) et C = C + − C − Toujours dans l’exemple précédent : on a  

 

1 0     C − = 1 ; C + = 0 0 1

(2.1)

Ainsi, avec cette notation, pour un marquage M , une transition ti est tirable si et seulement si : M ≥ i C − , où i C − est le vecteur colonne i de la matrice C − .

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2. Propriétés des réseaux de Petri Exemple (précédent) : M1 est tirable car [4, 1, 1] ≥ [1, 1, 0] c.-à-d. M1 ≥ t1 C − M2 n’est pas tirable car M2 [3, 0, 2] n’est pas supérieur à C − [1, 1, 0] - Le tir d’une transition t ou un marquage M conduit à un nouveau marquage M 0 défini par : ∀p ∈ P, M 0 (p) = M (p) − P ré(p, t) + P ost(p, t) où M 0 = M − t C − + t C + = M + k C Exemple (précédent) : M1 = M0 − t C − + t C + = [5, 2, 0] − [1, 1, 0] + [0, 0, 1] M1 = [4, 1, 1]

2.1

Graphe de Marquage Accessible (GMA)

Un marquage sera dit accessible si on peut l’atteindre à partir du marquage initial, soit directement (avec un seul tir), soit indirectement (avec plusieurs tirs). On note A l’ensemble des marquages accessibles d’un réseau de Petri. Exemple (précédent) : A = M0 , M1 , M2 Le graphe des marquages accessibles : Application : Considérons le réseau de Petri suivant :

Soit T = (k1 , k2 ), on a : 

1 0  C − = P ré =  0 1







0 1 0 1    ; C + = P ost =  1 1 0 0



0 0  0 1    ; C = C+ − C− =   1 0 1 −1

avec M0 = (1, 1, 0, 4) On peut avoir les autres marquages accessibles, exemple : M0 [t1 >M1 car [1, 1, 0, 4] > [1, 0, 0, 1] 8



0 0   −1 1

(2.2)

2. Propriétés des réseaux de Petri Donc : M1 = M0 +1 C = [1, 1, 0, 4] + [0, 0, 1, 3] etc. Le graphe des marquages accessibles :

2.2

Le vecteur d’occurrence et l’équation de changement d’état

Soit T ∗ l’ensemble de transitions T ∗ = t1 , t2 , . . . , tn Soit S une séquence de transitions (S ∈ T ∗ ) ; le vecteur d’occurrences ~σ est tel que : ~σ = (~σ (t))t où ~σ (t) est le nombre d’occurrences de t dans S. Exemple : Soit le graphe de marquage ci-dessous, avec T = t1 , t2 , t3 Considérons la séquence ~σ = t1 t2 t3 Alors le vecteur d’occurrences ~σ = (~σ (t1 ), ~σ (t2 ), ~σ (t3 )) est ~σ = (2, 1, 0)

Ainsi, à partir d’un marquage M , on peut tirer une séquence de transitions σ, et on trouve le marquage M 0 . L’équation de changement d’état est alors donnée comme suit : M 0 = M + C · ~σ 9

2. Propriétés des réseaux de Petri Exemple : le franchissement d’une transition «source» consiste à rajouter un jeton à chacune des places en sortie.

Exemple : le franchissement d’une transition «puits» consiste à retirer un jeton de chacune de ses places en entrée.

Exemple : séquence de franchissement : M0 [t1 >M1 avec M1 = (0, 1, 0, 0) M0 [t1 t2 >M2 avec M2 = (0, 0, 0, 1) M0 [t1 t3 >M3 avec M3 = (0, 0, 0, 1) Ensemble des marquages accessibles : M ∗ = M0 , M1 , M1 , M3

Séquence de franchissement

Graphe de marquage

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2. Propriétés des réseaux de Petri

2.3

Quelques propriétés qualitatives

Vérifiables en se basant sur le graphe des marquages accessibles.

2.3.1

Bornitude

Une place sera dite k-bornée si ∀M, M (p) ≤ k Exemple (précédent) : – M0 (p1 ) = M1 (p1 ) = M2 (p2 ) = M3 (p3 ) = M4 (p4 ) = 1 donc p1 est 1-bornée – la place p4 est 4-bornée Un réseau de Petri est borné s’il existe une valeur k telle que : ∀M, ∀p, M (p) ≤ k Remarque : pour que le réseau soit borné, il faut que son ensemble de marquages accessibles A soit fini (sinon, le réseau n’est pas borné). Exemple :

2.3.2

Pseudo-vivacité

Le réseau de Petri est pseudo-vivant si ∀M, ∃t/M [t> c.-à-d. pour tout marquage, il existe au moins une transition tirable à partir de ce marquage. Ainsi, le GMA d’un RdP pseudo-vivant possède au moins un arc (transition) sortant de chaque état (marquage). Un réseau pseudo vivant n’a pas de marquage puits (ou mort) c.-à-d. un marquage sans transition tirable. Donc s’il y a un marquage à partir duquel on ne peut pas tirer une transition alors le réseau n’est pas pseudo-vivant.

2.3.3

Quasi-vivacité

Un réseau est quasi-vivant si : ∀k, ∃M/M [t> c.-à-d. que pour toute transition, il existe au moins un marquage à partir duquel on peut direr cette transition. Ainsi, la quasi-vivacité désigne la possibilité de franchir au moins une fois chaque transition.

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2. Propriétés des réseaux de Petri

2.3.4

Vivacté

Un RdP est vivant s’il est pseudo-vivant et quasi-vivant. Exemple :

est un réseau vivant.

2.3.5

Réseau sans blocage

Un RdP est dit sans blocage s’il n’a pas de marquage puits (mort). Exemple :

M1 (après franchissement de t2 ) est un blocage

2.3.6

Etat d’accueil

Un RdP admet un état d’accueil Ma si : ∀M ∈ A, ∃σ ∈ T ∗ /M [σ>Ma c.-à-d. un marquage d’accueil Ma est tel qu’on peut lui accéder à partir de n’importe quel autre marquage M via une séquence de transition σ. – Un état d’accueil est accessible quelque soit l’évolution du réseau, – Si le marquage initial (M0 ) est un marquage d’accueil, alors le réseau est dit réinitialisable. Exemple : Réseau réinitialisable

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2. Propriétés des réseaux de Petri

2.3.7

Conservation

Un réseau de Petri est conservatif si : ∀M ∈ A,

X

M0 (pi ) =

X

i

i

Exemple : Considérons le RdP tel que : M0 = [5, 8, 3] ; 5+8+3=16 M1 = [4, 6, 6] ; 4+6+6=16 M2 = [3, 7, 6] ; 3+7+6=16 Ce réseau est dit conservatif.

2.4 2.4.1

Types de réseaux de Petri Réseaux de Petri généralisés

Dans ces réseaux, des poids sont associés aux arcs. Exemple :

2.4.2

Réseaux de Petri à capacités

Dans ces réseaux, des poids sont associés aux places. Exemple :

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M (pi )

2. Propriétés des réseaux de Petri

2.4.3

Réseaux de Petri à priorité

Dans ces réseaux, on franchit la transition avec la plus grande priorité. Exemple :

2.4.4

Graphe de marquage

À utiliser quand le nombre de marquages accessibles est fini. Exemple :

Les propriétés déterminées à partir de ce graphe de marquages sont : – 2 blocages : M2 et M3 – 2-borné – non-vivant (non peusdo-vivant : ∀M, ∃t/M [t>) – quasi-vivant (∀t, ∃M/M [t>) – non réinitialisable (on ne peut pas trouver à partir d’un marquage une séquence de transition pour retrouver un marquage M0 )

2.5

Arborescence de couverture

Un graphe de marquage ne peut plus être construit quand le réseau est non borné c.-à-d. quand le nombre de marquages accessibles est infini. D’où le recours au graphe de couverture. C’est un graphe à nombre de marquages fini.

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2. Propriétés des réseaux de Petri

2.5.1

Algorithme de contstruction d’un graphe de marquage

Pas 1 : À partir du marquage initial M0 , indiquer toutes les transitions validées et les marquages accessibles successeurs correspondants. Si un des marquages est strictement supérieur à M0 , on met la variable "w" pour chacun des composantes supérieures aux composantes de M0 . Pas 2 : Pour chaque nouveau marquage Mi , on fait soit le pas 2.1, soit le pas 2.2 Pas 2.1 : S’il existe sur le chemin de M0 jusqu’à Mi (exclu) un marquage Mj = Mi , alors Mi n’a pas de successeur. Pas 2.2 : Sinon, on prolonge le graphe avec les successeurs Mk (Mi ) : une composante "w" de Mi reste une composante de "w" de Mk . S’il existe un marquage Mj sur le chemin de M0 à Mk tel que Mk > Mj , alors on met "w" pour chacune des composantes supérieure aux composantes de Mi . Opérations sur "w" (nombre très grand) (

∀n ∈ N; n < ∞

n+w+w+n=w+w =w w−n=w

Équation fondamentale Exemple :

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2. Propriétés des réseaux de Petri Soit la séquence σ = t1 t2 , donc ~σ = (1, 1, 0, 0, 0) 

1 0   C − = 0  0 0

0 1 0 0 0

0 0 1 0 0





0 0   0 1   1 ; C + = 1   0 1 0 1

0 0 0 1 0

0 0 0 0 1





−1 1   0  1   0 ; C = C + −C − =  1    0 0 0 0

0 −1 0 1 0

0 0 −1 0 1 (2.3)

L’équation fondamentale correspondant à cette séquence est : M2 = M0 + C · ~σ  



−1 1 0  1       M2 = 0 +  1    0  0 0 0

0 −1 0 1 0

0 0 −1 0 1

  

 





 

0 −1 1 1 1         0  1 0  0  0          0  · 0 = 0 +  1  = 1          −1 0 0  1  1 0 0 0 0 −1

Graphe de marquages :

Propriétés : – sauf – sans blocage – réinitialisable : M0 est un état d’acceuil – 2 séquences répétitives : T1 T2 T3 T4 et T1 T3 T2 T4

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(2.4)



1 0   0  −1 −1

2. Propriétés des réseaux de Petri Exemple : Graphe de couverture et graphe de marquages

t1 est une transition source, franchissable un nombre infini de fois, d’où le recours au graphe de couverture. À partir de M0 = (0), seule t1 est franchissable : M0 [t1>M1 = (1); M1 est supérieure à M0 , donc M1 = (w) À partir de M1 , t1 et t2 sont franchissables : – on tire t1 : M2 = (w + 1) = M 1 =⇒ M 2 n’a plus de successeur – on tire t2 : M3 = (w − 1) = (w) = M1 =⇒ M3 n’a plus de successeur

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