工业互联网安全风险防控中的CPS应用探索

随着数字技术与传统基础设施的紧密结合,工业互联网已然逐步成为新基建领域的核心战场。新基建催生的全新产业形态和发展模式,势必带来全新的风险和挑战,这也是与传统环境相比较明显的差异之一。在全力推进“新基建”的过程中,必须高度警惕并防范可能出现的各类新型风险,将预防及管控工业风险视为至关重要的一环。因此,针对工业互联网安全风险防控中的信息物理融合系统(Cyber Physical Systems,CPS)应用展开研究。

面向文本描述的CPS资源能力知识图谱构建

信息物理融合系统(cyber-physical system,CPS)在社会生活中发挥越来越广泛的作用.CPS资源的按需编排建立在CPS资源的软件定义基础上,软件接口的定义则依赖对CPS资源能力的充分描述.目前,CPS领域内缺少一个能规范表示资源及其能力的知识库和构建该知识库的有效方法.面向CPS资源的文本描述,提出构建CPS资源能力知识图谱并设计一种自底向上的自动构建方法.给定资源,所提方法先从其代码和文档中提取资源能力的文本描述信息,并基于预定义的表示模式生成规范化表示的能力短语.然后,基于动宾结构的关键成分对能力短语进行划分、聚合与抽象,生成不同类型资源的能力层次化抽象描述.最后,构建资源能力知识图谱.面向Home Assistant平台,构建了包含32个资源类别、957个资源能力的知识图谱.图谱构建实验从不同维度对比分析了手工构建和所提方法自动构建的结果.实验表明,所提方法为CPS资源能力知识图谱的自动化构建提供可行途径,有助于减少人工构建工作量,补充CPS领域内资源服务与能力的描述,并提高图谱的知识完备性.

PSO算法在互联电网CPS功率调节中的应用研究

研究了电网中不同类型AGC机组在功率缺额下所应该承担的比例大小问题。采用标准PSO算法对CPS控制策略中AGC机组调节功率的分配进行机组种群优化。利用标准PSO算法,可以避免平均分配法较难得到最优解的缺陷,从而在经济性的条件下使CPS指标达到最优。通过算例进行仿真计算,证明了该算法的有效性。

CPS及其考核在北美与国内的应用比较

目前,中国大部分区域电网已经使用控制性能标准(CPS)进行互联电网有功功率控制性能的评价与考核。在引入标准时,国内电网并非完全照搬北美的评价考核模式,而是进行了改进。主要修改包括:CPS1指标值使用短期分段平均计算法、放弃直接使用CPS2考核、使用惩罚返还的考核规则等。从理论分析和定量测算2个方面着手,分析比较了修改后的CPS在互联电网评价与考核应用中与北美的差异,并较为详尽地分析了这些差异可能给最终考核带来的影响。此外,也尝试理清控制性能评价中所涉及的相关概念。

CPS体系结构设计

Cyber-Physical System(CPS)是基于网络和嵌入式系统等技术而发展起来的下一代智能系统。体系结构是CPS的骨架和灵魂。分析了CPS概念和特性,构建了CPS三层体系结构框架,分别为包含实体的物理层、将资源互联互通的网络层和为用户提供服务的应用层。并对各层进行了深入分析,给出了各层相关概念描述。通过智能交通系统体系结构实例证明了CPS三层体系结构框架符合CPS概念,能够反映CPS特性,能够指导未来CPS研究和系统开发。

中美中小学数学课程标准的定量比较研究——基于合作问题解决(CPS)的视角

合作问题解决(即CPS)是信息社会必备的基本核心素养之一。以《美国学校数学教育的原则和标准》(2000版)《美国州际核心数学课程标准》(2010版)和中国《义务教育数学课程标准》(2011版)为比较对象,从CPS的呈现量、呈现比例、呈现效果三方面对其进行定量刻画、定性诠释表明:先于PISA2015颁布的三版课程标准已或多或少呈现了CPS,虽有意为之,但仍有较大的改进空间,CPS的课程样态和教学路径是今后研究的焦点;中国2011版和美国2000版的部分内容,相对高效地呈现了CPS,功能指向良好;从美国2000版到美国2010版,CPS的呈现量及效果不仅大幅下降,而且其观点与美国2000版完全相左,折射出美国数学课程改革似乎正摇摆不定。

关于华东电网实行SCPS的探讨

华东电网引入北美电力可靠性委员会(NERC)的控制性能标准(CPS)起到了改善系统频率控制性能的作用,但现行的控制标准中并未对发电机组自动发电控制(AGC)性能予以约束。文中介绍了NERC推行的发电机组评价标准——服务提供者控制性能指标(SCPS),分析了该指标的特点,探讨了华东电网实行SCPS的可行性。该指标的推行将有助于统一华东电网内发电机对于电网频率控制贡献度的评价标准,提高各发电机组改善电网频率控制性能的积极性,改善华东电网的频率质量及系统的频率控制特性。

基于平均报酬模型全过程R(λ)学习的互联电网CPS最优控制

提出了一种新颖的基于平均报酬模型的全过程R(λ)学习互联电力系统CPS最优控制方法。该方法与电网自动发电控制(AGC)追求较高的考核时间段内的10min平均控制性能标准(CPS)指标合格率的目标相吻合,且所提出的基于平均报酬模型的R(λ)学习算法与基于折扣报酬模型的Q(λ)学习算法相比,在线学习收敛速度更快,可获得更佳的CPS指标。此外,所提出的改进的R(λ)控制器具有全过程在线学习的特点,其预学习过程被一种新型的在线"模仿学习"所代替,克服了以往强化学习控制需要另外搭建仿真模型来进行预学习收敛的严重缺陷,提高了R(λ)控制器的学习效率及其在实际电力系统中的应用性。

描述CPS物理实体的时空Petri网模型

时间Petri网在经典Petri网的基础上引入了时间因素,不仅能分析逻辑层次的系统性能,还能分析时间层次的系统性能,然而包含空间因素的信息物理融合系统(cyber-physical system,CPS)的产生需要对时间Petri网进行拓展。CPS集成计算系统和物理系统,不仅能够实时感知物理环境信息,并且能够通过物理实体改变物理环境。对CPS的物理层面特点进行了深入分析,研究了CPS物理实体的属性及其位置变迁过程,提出了一种CPS物理实体的形式化建模方法。在时间Petri网的基础上引入了空间因素,构造了时空Petri网模型,使其不仅能够描述物理实体逻辑及时间层次的行为,并且能够描述物理实体位置变迁所引起的状态变化。最后以机器人控制系统为例,进一步阐述了时空Petri网模型的有效性。

CPS系统物理实体时空一致性建模与分析

CPS作为一个混合系统,是计算系统和物理系统的集中体现,注重计算进程和物理进程行为一致性分析与刻画。传统建模方式只针对物理进程和计算进程进行单一建模,难以满足CPS物理实体状态转移时空一致性的要求,在此基础上提出一种新的建模方法。将CPS时空状态转移融合成一个状态转移实时时空事件,并在时间Petri网基础上引入空间标签,建立时空Petri网模型,利用时空Petri网对物理实体状态转移过程进行分析。最后通过列车控制系统实例进一步分析了时空模型的有效性,从而例证了该方法的可行性。

面向CPS的时间戳不确定事件调度算法

信息物理融合系统(cyber-physical system,CPS)作为计算过程和物理过程的统一体,是集计算、通信、控制于一体的下一代智能系统。事件是连接信息世界和物理世界的重要元素,但是在实际应用中,由于数据的漏读,各个监测系统之间事件的时间粒度不匹配,来自分布式系统的事件存在着时间不同步问题等原因,会造成事件的时间戳不确定。利用时间戳不确定复杂事件的剪枝技术改进时间戳确定事件调度的低水标记算法,提出了时间戳不确定的复杂事件调度算法,并对CPS中的读写事件进行了合理调度。实验证明该算法的事件调度准确性高,保证将正确的事件执行顺序反馈给CPS系统。

CPS对于不同负荷规模的适用性分析

南方电网控制性能标准(CPS)指标存在与控制区域规模相关的特殊规律:在负荷规模相差悬殊的控制区域之间,CPS1指标的分布具有显著的差异。通过对北美CPS原理的深入分析,研究并验证了该现象的产生机理,指出由于区域控制偏差的平均波动与频率响应系数总体呈非线性正相关关系,因此CPS用于评价规模悬殊区域控制性能时存在适用性问题。引入各控制区域中短周期负荷波动平均幅值,提出了北美电力可靠性集团(NERC)标准评价规模悬殊区域控制性能的适应性调整方法。仿真结果表明,该方法消除了规模悬殊区域间CPS1指标的特殊分布现象,能够解决CPS的适用性问题。

CPS拓扑结构节点重要性排序方法

信息物理融合系统(Cyber-physical Systems,CPS)拓扑结构中节点重要性排序是CPS拓扑分析的重要方面。针对CPS内在结构特征,构建一种CPS拓扑结构模型——交互网络模型。然后结合CPS信息交互特点定义节点交互介数作为衡量具体节点重要性度量,阐明该测度能够反映节点的相对重要度,并给出了时间复杂度为多项式阶的节点重要性排序有效算法。最后构建CPS拓扑实例进行分析,并与节点介数进行对比,说明节点重要性排序能够为CPS的运行和防护提供重要参考。

面向智能棉纺生产的CPS架构及其关键技术

棉纺行业是中国纺织产业中最重要的基础行业之一,在推进其智能制造和加速产业转型升级方面必须有自己的创新.在分析了棉纺智能化发展状况和所面临的挑战后,根据信息物理系统(cyber-physical system,CPS)的特征和现代棉纺生产流程的现状,以工业大数据和信息集成技术为基础,提出了面向智能棉纺生产的"感知-通信-融合-控制"4层CPS框架结构,在此基础上探讨了该架构的关键技术.CPS架构及其关键技术将有力促进智能棉纺生产各类资源的高效配置、生产流程智能优化、质量和效率的大幅提升.

苹果MdCPS基因的克隆、定位及其在柱型/普通型间的表达差异分析

为研究赤霉素合成途径关键酶基因,了解果树的矮化机理。以苹果品种富士当年生新梢的茎尖为试材,以苹果基因组数据库为依据,克隆了编码苹果CPS的基因Md CPS（Gen Ban K登录号：KC433942.1）。该基因g DNA序列含有15个外显子和14个内含子,其编码序列（Coding sequence,CDS）长度为2 400 bp,共编码799个氨基酸。在已发表的金冠苹果基因组中,与该基因相对应的转录本是MDP0000147908,它的定位区间为chr11：32433834-32439214。同源性分析表明,Md CPS与其他植物的CPS间有较高的相似性（49%-67%）。以杂交组合富士（普通型）×舞姿（柱型）的亲本品种及F1后代当年生新梢的茎尖组织为试材,实时荧光定量PCR（qRT-PCR）分析表明,尽管该基因在柱型亲本中的表达水平显著低于普通型亲本,但在其后代的柱型与普通型群体间差异并不明显。同时,在柱型杂种及其普通型突变体间的分析结果也表明,Md CPS的表达水平与柱型性状没有明显的相关性。可见,柱型苹果茎尖组织中活性赤霉素含量偏低受其合成早期步骤关键酶基因Md CPS的影响不大。

混成时空Petri网的CPS实时事件模型

在分析网络物理系统(CPS)特点的基础上,提出了一种新的CPS体系结构,并对事件进行形式化定义。提出了一种新的CPS物理实体的形式化建模方法。在Petri网的基础上引入时空因素和连续变量,构造了混成时空Petri网(HSPN)模型,使其不仅能够描述物理实体逻辑和时间层次的行为,而且能够描述物理实体位置变迁所引起的状态变化。将其应用于实时事件CPS模型设计,以医疗控制系统为例,分析建模方法的可行性。

基于CPS方法的工业机器人系统

基于信息物理融合系统(CPS)的工业机器人系统是智能制造的使能技术和设备,提出了一种基于CPS方法的工业机器人系统,实现了物理世界和信息世界的融合。系统分为物理层、网络层、控制层和应用层。物理层的数据通过网络层上传给控制层,更新物理世界在信息世界的信息;应用层对其进行优化、决策;控制层将决策转变为设备的控制信息,通过网络层实现物理层的控制。采用该方法实现的工业机器人系统,在ER3A-C60型工业机器人上,采用自制的控制系统和MICRO-6013CM型工业相机进行验证,证实了该方法的可行性。

关于CPS应用的学术讨论

由《CPS及其考核在北美与国内的应用比较》一文,引出对于频率考核和频率控制性能评价的时段、频率考核方法以及提高CPS1分值的方法和结论等方面的学术讨论。同时,指出在对频率控制方法作出调整时,应结合当前中国电网的实际情况仔细研究,审慎修改。

空中交通CPS级联失效与缓解策略

为有效缓解空中交通级联失效,改进传统负载-容量模型,并发现容量调节参数存在级联失效临界值;建立空中交通物理信息系统(CPS)模型,定义节点正常、拥堵和失效3种工作状态,提出度分配、介数中心性分配和剩余容量分配等节点流量分配策略,以此缓解航路网和管制网的级联失效,建立网络正常率指标来评估策略实施效果。以中国华东地区空中交通CPS为实例分析,结果表明:在节点介数中心性分配策略下,网络抵御级联失效的能力较强,最先从崩溃状态开始恢复;节点剩余容量分配策略下,各节点可以充分发挥接收额外流量的作用,网络级联失效最早恢复至正常状态,缓解效果较好。

一种CPS馈电的宽带圆极化双菱环天线

提出了一种新型的双菱环形天线,通过在双菱环内添加寄生环来提高天线的圆极化带宽,每个环上槽口的位置决定天线的圆极化特性。双菱环和寄生双菱环分别在低频和高频处产生圆极化波,从而使天线的圆极化带宽增加,3 dB圆极化带宽达到了24.1%,在圆极化频带内增益为10 dB以上。为了测量天线性能,设计了共面带状线到微带线的转换巴伦,因为巴伦和天线在同一个平面内,所以对天线的性能产生了一点影响。