人-信息-物理系统(HCPS)在图书馆中的应用

图书馆由人、信息系统和物理系统(HCPS)组成。研究HCPS的内涵及各组成部分的关系,可为图书馆的发展指明方向。通过对早期图书馆、现代图书馆和智慧图书馆的特征分析,将HCPS理论引入图书馆中,并基于HCPS视角探讨了图书馆的演变过程,分析了不同阶段图书馆HCPS的特点与作用,提出了智慧图书馆HCPS的研究框架和重点研究内容,剖析了推动图书馆发展的赋能技术,进行了智慧图书馆HCPS的实践应用与讨论。信息系统的引入及发展助力了图书馆的演变,建立智慧图书馆HCPS的重点是开展信息系统模型的建立与仿真方法研究。初次探索HCPS在图书馆中的应用,提出的概念和研究框架仍处于探索阶段,后续需要广泛地跨学科合作与交流,不断充实和细化图书馆HCPS的研究内容、方法和技术。

信息-物理-社会视角下的电力-交通耦合网络建模与协同优化

近年来,电动汽车(EV)、快速充电设施的高速增长将电力系统和交通系统这两个复杂的基础设施网络紧密耦合。EV具备充电时间和充电位置的灵活性,对于新型电力系统正是理想的移动储能资源,可提供规模巨大的时间、空间灵活调节能力。然而,宏观的电力-交通耦合背后是海量EV用户在各类信息引导下做出的微观社会化决策,构成了复杂的信息-物理-社会系统。从这一视角对电力-交通耦合网络建模分析与协同优化的相关研究进行了梳理。首先,对两网耦合的基本场景和关键挑战进行了介绍;接着,以社会层与物理层为重点归纳了融合微观车主决策与宏观网络动态的EV群体出行-充电行为建模方法;然后,进一步纳入信息层,总结了多类定价主体与EV间的策略交互与协同优化;最后,对电力-交通耦合网络建模分析与协同优化相关方向的研究进行展望。

考虑通信-物理耦合的有源配网故障后协调恢复策略

针对极端灾害可能使智能配电网信息物理系统中通信网络和物理网络同时发生故障,而现有故障恢复策略处理此类问题时效率低,得不到最优方案。文章提出一种考虑通信-物理耦合关系的有源配电网灾后故障恢复策略,首先利用图论的知识对通信网络和物理网络之间耦合关系进行建模,在此基础上,考虑孤岛划分、网络重构以及动态协调通信-物理系统的检修策略建立了有源配电网通信网络和物理网络协调恢复模型,求解此故障恢复策略得到最优的考虑通信-物理耦合关系的有源配电网灾后协调恢复方案。最后,以通信网与改进的IEEE33节点系统为例,对所提多种优化方案的结果进行分析,验证了该文所提策略的优越性。

面向新能源消纳的信息-物理-社会标准化信息模型及其应用

标准化信息模型是信息系统间进行信息交互的必要途径。与传统的电力领域应用相比,新能源消纳应用需考虑民生供热、环保限产等社会类因素。首先,借鉴电力系统标准化的经验,设计了“消纳评估模型层-电力市场运营管理层”的两横两纵新能源消纳信息架构,阐述了信息-物理-社会标准化信息模型在新能源消纳应用构建过程中的重要作用。然后,提出了基于“现象-数据-数据提供者”的新能源消纳数据标准化建模方法,将消纳相依驱动事件分析纳入模型,实现社会类信息建模,构建面向新能源消纳评估的社会类信息标准化数据模型。同时,剖析并扩展IEC 62325市场运营包,形成新能源消纳业务信息模型,实现市场环境下促进新能源消纳的措施的标准化建模。集成面向新能源消纳评估的社会类信息标准化数据模型和新能源消纳业务信息模型,构建了面向新能源消纳的信息-物理-社会标准化信息模型。最后,在中国冀北地区集成了该标准化信息模型,提升了新能源消纳相关应用间数据交互的效率及安全性,简化了研发应用过程。

考虑物理-信息-交通网耦合的配电网多时段动态供电恢复策略

信息通信技术的发展实现了配电网的可观可控,但当配电网受到严重灾害影响而导致大停电时,配电终端设备的有效性亦会对供电恢复产生影响。为此,提出一种考虑物理-信息-交通网耦合的配电网多时段动态供电恢复策略。首先,为保证负荷的可靠恢复,该策略深入探讨信息网与配电网的耦合关系对负荷恢复的影响;其次,为最大限度地恢复负荷,考虑移动储能系统(MESS)的功率支撑作用,动态优化MESS配置节点;接着,在MESS调度过程中计及交通道路和车流量的影响,选择Floyd算法获得最短路径,实现MESS与分布式能源的时空协同供电;最后,算例研究验证了所提策略的有效性和优越性。

Tor网桥分发中融合物理-社交属性的女巫节点检测机制

作为目前应用范围最广的网络审查规避系统之一,Tor在网桥分发过程中面临着严重的女巫攻击威胁。具有丰富网络和人力资源的审查者往往会部署大量女巫节点,它们通过伪装成正常节点来获取网桥信息并将其封锁或屏蔽。在此过程中,由于女巫节点和正常节点身份、目的和意图的不同,在网络活动中会产生个体或群体行为差异,称为节点行为特征。针对上述女巫攻击威胁,在分析节点行为特征的基础上提出了融合物理-社交属性的女巫节点检测机制。设计了节点物理域和社交域属性评估方法。采用客观反映节点上网桥正常运行状态的节点积分值和体现网桥屏蔽情况的节点风险指数来评估节点的物理域属性;用描述节点静态属性标签的社交相似度和刻画节点动态交互行为特征的社交信任度来评估节点的社交域属性。进而,融合节点的物理域和社交域属性定义可信度指标,表征当前节点为女巫节点的可能性,并以此为指导推测节点的真实身份,实现对女巫节点的精准检测。基于构建的Tor网络运行情况模拟器和Microblog PCU数据集对所提机制的检测性能进行仿真实验。结果表明,所提机制能够有效提高女巫节点识别率,降低误检率,对于审查者的迷惑行为具有更强抵御能力,并且在节点社交属性缺失情况下仍具有良好检测性能。

信息物理融合的电力系统日前-日内优化调度

原有的电力系统调度模型是物理模型与信息模型分立的。建立信息物理融合的电力系统调度模型,可以充分分析与挖掘可调资源的调节能力,扩大电力系统可调度空间,增强电网对可再生能源的消纳能力。为此以我国现有电力系统调度框架为基础,提出了一种信息物理融合的电力系统日前-日内调度框架,在此框架下对电力系统源-网-荷建模,形成信息物理融合的电力系统日前-日内调度模型。基于所建模型,以经济调度为目标,提出了电力系统日前-日内优化调度策略。算例分析验证了所提策略的有效性,结果表明电力系统的信息物理融合建设可以降低系统的运行成本。最后指出在电力系统的信息物理融合建设过程中应以目标为导向,建设多时间尺度的分层级信息物理融合电力系统。

电力信息物理系统跨域攻击协同防御架构及机制研究

我国电力基础设施已经发展成为具有高度信息化、自动化、智能化特征的信息物理融合系统.信息-物理交互在显著提升电力供给效率和性能的同时,也引入了新型网络安全威胁,通过发生于信息域并明确作用于物理域的跨域攻击,可造成电力基础设施系统性瘫痪,继而引发大面积停电事故,而当前孤立的信息侧或物理侧防御体系难以有效应对跨域攻击威胁.本文介绍了电力系统面临的信息物理跨域攻击威胁现状,分析了传统防御方法面对跨域攻击时存在的不足,提出了一种信息物理协同的跨域攻击防御架构,在针对跨域攻击传播的不同阶段,从感知、辨识、阻断三个角度设计了防御方法,通过算例验证了所提信息物理协同防御架构能够有效保障电力系统安全稳定运行.

信息-物理融合系统若干关键问题综述

信息-物理融合系统(Cyber-Physical System,CPS)集成了计算系统与物理系统,并通过嵌入式计算机与网络实现了两者之间的协作和融合,将对人们的生产和生活方式产生重要影响.CPS是一个全新的研究领域,利用现有基础理论和技术设计CPS时面临着众多问题.介绍了CPS的概念、特点和体系结构,分析了与嵌入式系统、网络的关联,从计算系统、网络系统和控制系统3个方面概括了CPS设计面临的主要挑战,并着重探讨了当前一些可用于CPS设计的理论和技术以及CPS研究的最新进展,指出CPS当前的发展应以解决系统抽象层次设计、系统建模、体系结构设计、数据传输和管理、子系统集成方面的问题作为其下一步发展主要的研究方向,并提出了一些可行的解决办法,可为相关研究提供参考.

一种信息-物理融合系统体系结构

信息-物理融合系统(cyber-physical system,CPS)是当今最前沿的交叉研究领域之一,它被普遍认为是计算机信息处理技术史上的下一次革命,将会改变人与现实物理世界之间的交互方式,具有广泛的应用前景.CPS是一种分布式且深度嵌入式的实时系统,实时性是CPS的一个极重要特征和性能要求.研究了CPS体系结构,提出了一种CPS系统模型,并且从实时任务调度和实时网络两个方面,提出了解决系统实时性保证问题的初步方案,为进一步的研究工作奠定了基础.

电力信息物理融合系统的网络-物理协同攻击

随着智能电网的发展及智能设备不断引入电力信息物理融合系统(CPPS)中,CPPS面临一种新的攻击方式--网络-物理协同攻击(CCPAS)。这种攻击方式既隐蔽又可引发连锁故障,易造成大规模停电事故。首先,阐述CPPS遭受CCPAS的基本形式,在直流潮流模型下构建考虑状态估计约束的CCPAS模型。然后,探讨CCPAS的机理,以攻击者的角度分析规避状态估计监测后最大范围的攻击,分析CCPAS情景下CPPS的脆弱线路。最后,以IEEE 14、118节点系统为例,通过仿真计算验证模型的有效性、适用性,对比分析考虑状态估计约束后物理攻击的限制。

信息-物理融合系统动态行为模型构建方法

信息-物理融合系统(Cyber-Physical System,CPS)特有的计算、通信、控制的联合动态性,计算与物理的多尺度融合性,系统环境及状态的时空交互性以及系统动态行为的非确定性,不但使面向CPS的模型驱动设计与验证方法在CPS系统设计中更为重要,而且也向其提出了新的技术挑战.论文在结合典型实例分析CPS系统特征及其模型构建具体挑战的基础上,研究并总结了CPS动态行为建模的主要方法:一体化建模方法从CPS系统层面描述计算过程与物理过程的交互与融合;时空交互建模方法关注CPS系统行为与时间及空间关系的语义表示;功能和实现兼容建模方法侧重刻画CPS系统的逻辑设计和物理实现的映射与支撑;而集成建模方法则重点解决多异构模型的交互方式与语义的一致表达.论文基于多异构实体的CPS系统建模框架,提出了一种CPS系统结构与动态行为的协同建模方法,并用CPS-ADL对其进行了实现和验证.

面向未来网络的信息-物理融合系统的探讨

随着信息通信技术的发展,信息-物理融合系统已成为相互依存、深度融合的超大规模二元复合网络系统。研究其信息网络框架、体系结构和大数据及碎片化知识的属性,对未来智能电网理论研究和实际工程应用具有重要意义。针对互联网、物联网、大数据知识等引领人类社会进入信息知识大爆炸时代的特征,重点探讨电力信息-物理融合系统所面临的机遇和挑战,未来将呈现新能源并网、电子信息装置比率提升、多能源和多网络融合的发展趋势,从发、输、变、调配用等环节提出了大数据和人工智能知识的应用展望,助力于未来智能电网信息化决策与部署。

基于时空π-演算的信息物理融合系统组件可替换性判定

信息物理融合系统(Cyber Physical System,CPS)组件的可替换性为CPS故障处理和系统升级提供了重要保障。采用面向服务的方法设计CPS体系结构,将CPS组件可替换性判定等价为CPS服务的可替换性判定。该文针对CPS的时空特性,在经典π-演算理论的基础上,引入时间和空间算子,提出时空π-演算理论,用于CPS服务的形式化建模。从服务可替换性和兼容性的关系入手,提出CPS服务可替换性判定定理。最后通过一个实际案例,展示了如何判定CPS组件的可替换性。

含矿构造岩相带的地质-地球物理信息组合预测花岗岩外接触带型钨矿床——以内蒙古额济纳旗某探矿区为例

我国钨矿资源丰富，类型多样（盛继福等，2015）。从找矿历史来看，钨矿床主要是依靠地质露头和化探方法发现的，很少采用物探方法。本文研究的探矿区位于内蒙古额济纳旗某花岗岩基的东侧，处于荒漠戈壁覆盖区。地勘单位通过大比例尺土壤化探扫面，圈出了几个钨元素异常，施工的探槽在石英脉中发现了钨矿化。

使用基于物理信息的卷积神经网络求解Navier–Stokes方程的物理合理且守恒解

基于物理信息的神经网络方法(PINN)是一种使用神经网络有效求解偏微分方程(PDEs)的新兴方法。基于物理信息的卷积神经网络方法(PICNN)是一种由卷积神经网络(CNNs)增强的PINN的变体。由于卷积神经网络的参数共享特性可以有效地学习空间依赖关系,因此PICNN在一系列偏微分方程的求解问题上取得了更好的结果。然而,应用现有的基于PICNN的方法求解Navier–Stokes方程时会产生振荡的预测解,这违背了物理定律和守恒特性。为了解决这一问题,我们提出了一种将PICNN与有限体积法相结合的新方法,以获得Navier–Stokes方程的物理上合理且具有守恒特性的预测解。我们使用有限体积法推导了Navier–Stokes方程的二阶迎风差分格式。然后我们使用所推导的格式来计算偏导数并构造基于物理信息的损失函数。我们对以稳态Navier–Stokes方程作为控制方程的不同场景进行了实验以评估所提出的方法,包括对流传热问题和顶盖驱动流问题等。实验结果表明,我们的方法可以有效地提高PICNN预测解的物理合理性和准确性。

信息-物理-社会视角下的配电系统优化调度

针对考虑需求响应的配电系统的优化调度问题,从信息-物理-社会系统的角度分析了需求响应建模面临的挑战,即信息域的有限数据信息、社会域的有限理性和物理域的源荷互动特性,综合考虑有限的数据信息和用户的有限理性,建立了模型-数据混合驱动的需求响应(demand request,DR)建模方法,提出了基于Stackelberg博弈的配电网运营商(distribution network operators,DNO)与电力用户之间的优化调度方法。基于我国某省电网的实际负荷、电价数据进行仿真分析,结果表明,所提出的需求响应建模方法能够很好地刻画用户的实际响应行为,所提基于Stackelberg博弈的优化调度方法有利于降低DNO和用户成本,对促进可再生能源的利用具有积极作用。

基于安全状态更新的信息年龄-能量权衡

考虑状态更新系统中传感器节点要尽可能及时地将随机生成的状态更新传送给基站,以信息年龄(AoI)作为时间新度量,同时引入平均保密年龄和保密年龄中断概率的性能指标,保证系统的通信安全性.采用实用的截断自动重复请求(TARQ)方案,传感器节点持续传输不断更新当前状态,直到达到允许的最大传输次数或生成新的状态更新.推导出平均AoI、平均峰值AoI的闭合形式表达式,以及平均能耗的表达式,通过优化物联网(IoT)设备的传输功率和平均传输功率约束下的最大允许传输次数来最小化平均AoI,实现系统的信息年龄-能量权衡.仿真结果表明,在相同的平均传输功率约束下,采用的TARQ方案比允许无限次重传的经典自动重复请求(ARQ)方案的平均AoI更低,性能更好.

计及信息-能量耦合节点重要度的主动配电网灾后孤岛划分方法

针对自然灾害导致的主动配电网连锁故障问题,提出了一种计及信息-能量耦合节点重要度的主动配电网灾后孤岛划分方法,以实现对重要节点的持续供电。基于电力网络与电力通信网的耦合关系,以电力网络为基础网,构建分布式信息物理系统的网络架构,并结合能量流与信息流二者的业务特征,通过主客观相结合的赋权方法得到耦合节点的重要度;基于全局信息发现模型,通过局部信息交换获取全局信息以完成孤岛划分模型输入参数的获取,满足灾后的通信需求;通过控制自动开关设备、分布式电源(DG)和储能的开关状态,将主动配电网划分为多个由DG或DG与储能协同供电的微电网,以实现等效恢复负荷的最大化。通过算例仿真验证了所提方法的有效性。

ScudContext:信息-物理空间融合的大规模环境上下文服务

提出一种信息-物理空间对应的上下文模型及相应上下文基础设施ScudContext.ScudContext通过语义技术描述上下文;通过构建空间树建立信息空间与物理空间的对应关系,将SOA(service oriented architecture)标准用于组织、管理和提供各类上下文服务.ScudContext被应用于办公楼宇监控的仿真系统,从功能和性能实验结果看,ScudContext具有松耦合、易协同、可扩展、接口标准化等优点,能很好地反映物理空间上下文的演化情况.