Cyber-physical-social System in Intelligent Transportation

A cyber-physical system (CPS) is composed of a physical system and its corresponding cyber systems that are tightly fused at all scales and levels. CPS is helpful to improve the controllability, efficiency and reliability of a physical system, such as vehicle collision avoidance and zero-net energy buildings systems. It has become a hot R&D and practical area from US to EU and other countries. In fact, most of physical systems and their cyber systems are designed, built and used by human beings in the social and natural environments. So, social systems must be of the same importance as their CPSs. The indivisible cyber, physical and social parts constitute the cyber-physical-social system (CPSS), a typical complex system and it's a challengeable problem to control and manage it under traditional theories and methods. An artificial systems, computational experiments and parallel execution (ACP) methodology is introduced based on which data-driven models are applied to social system. Artificial systems, i.e., cyber systems, are applied for the equivalent description of physical-social system (PSS). Computational experiments are applied for control plan validation. And parallel execution finally realizes the stepwise control and management of CPSS. Finally, a CPSS-based intelligent transportation system (ITS) is discussed as a case study, and its architecture, three parts, and application are described in detail. © 2014 Chinese Association of Automation.

Cyber-Physical-Social Based Security Architecture for Future Internet of Things

As the Internet of Things (IoT) is emerging as an attractive paradigm, a typical IoT architecture that U2IoT (Unit IoT and Ubiquitous IoT) model has been presented for the future IoT. Based on the U2IoT model, this paper proposes a cyber-physical-social based security architecture (IPM) to deal with Information, Physical, and Management security perspectives, and presents how the architectural abstractions support U2IoT model. In particular, 1) an information security model is established to describe the mapping relations among U2IoT, security layer, and security requirement, in which social layer and additional intelligence and compatibility properties are infused into IPM;2) physical security referring to the external context and inherent infrastructure are inspired by artificial immune algorithms;3) recommended security strategies are suggested for social management control. The proposed IPM combining the cyber world, physical world and human social provides constructive proposal towards the future IoT security and privacy protection.

Cyber-Physical Systems as General Distributed Parameter Systems:Three Types of Fractional Order Models and Emerging Research Opportunities

Cyber-physical systems (CPSs) are man-made complex systems coupled with natural processes that, as a whole, should be described by distributed parameter systems (DPSs) in general forms. This paper presents three such general models for generalized DPSs that can be used to characterize complex CPSs. These three different types of fractional operators based DPS models are: fractional Laplacian operator, fractional power of operator or fractional derivative. This research investigation is motivated by many fractional order models describing natural, physical, and anomalous phenomena, such as sub-diffusion process or super-diffusion process. The relationships among these three different operators are explored and explained. Several potential future research opportunities are then articulated followed by some conclusions and remarks. © 2014 Chinese Association of Automation.

Decentralized Event-Triggered Average Consensus for Multi-Agent Systems in CPSs with Communication Constraints

The paper investigates decentralized event-triggered average consensus problem for multi-agent systems in cyberphysical systems (CPSs) with communication constraints. To reduce communication burden and improve the communication efficiency of multi-agent systems in CPSs, event-trigger is distributed at subsystem/agent level. A multi-agent system is then modeled as a reduced dimension hybrid system by taking into account decentralized event-triggered mechanism, communication delays and data dropouts within one framework. Some sufficient conditions for average consensus of each agent and an upper bound of communication delay and maximal allowable number of successive data dropouts (MANSD) are obtained, which can conveniently provide the relationship between the triggering parameters, communication constraints and the system stability. Specially, the quantitative relationship between the triggering parameters, MANSD and the system stability is derived. Finally, simulation results are given to illustrate the effectiveness of the proposed method. © 2014 Chinese Association of Automation.

基于CPSS视角的需求响应能力评估综述

对信息—物理—社会系统与需求响应评估的结合进行综述。首先对信息物理系统的历史和框架进行分析。接着总结了现有的需求响应研究现状,包括需求响应潜力评估的意义、分类和评估方法。对于需求响应能力评估的数据来源进行总结,包括问卷调查和运行数据采集。在信息—物理—社会系统与需求响应结合方面,分别分析需求响应的物理域、信息域和社会域基础,介绍相应的建模方法和研究内容。最后,对未来的研究展望进行讨论,包括市场考核机制、快速仿真与建模技术以及综合能源下的需求响应管理。

基于CPSS的综合能源微网群参与调频辅助服务成本建模分析

随着双碳战略的实施,新能源在电力系统中所占比例不断提高,系统频率调节能力逐渐下降.针对该问题,对分布式综合能源微网群参与电力系统调频辅助服务展开深入研究.首先,基于微网个体聚合后参与调频市场的理念,阐述综合能源微网参与调频辅助服务市场的模式;其次,建立综合能源微网群的信息-物理-社会模型,基于该模型计算微网群体的调频成本,成本模型中考虑多种调频方式,并利用灰色定权聚类方法对微网的社会属性进行分类,用以仿真分析微网个体参与调频市场的意愿及概率值;然后,基于蒙特卡罗模拟提出微网聚合商参与调频辅助服务时的成本计算方法,为聚合商参与调频市场报价提供基础.最后,对一个拥有5个综合能源微网的聚合商进行仿真分析,得到其调频成本的变化曲线.仿真结果显示微网个体的社会属性对聚合商的调频成本影响可达到6.921%,在报价过程中需要充分计及微网社会属性所带来的不确定性风险.

城市轨道交通CPSS平台构建研究

城市轨道交通系统同时涉及工程复杂性和社会复杂性,呈现动态性、开放性、交互性、自主性等特征,是社会物理信息系统(Cyber-physical-social system, CPSS)的典型代表,传统的仿真技术难以对其进行全面的研究和分析.本文研究并构建了城市轨道交通CPSS平台(包括物理系统模型、社会系统模型、Cyber系统模型),建立相应的计算实验平台和综合评估系统,描述其详细功能.通过CPSS平台可进行各种极限和常规实验,对城市轨道交通在正常情况下的评估优化和在突发事故下的应急管理进行研究,提高对城市轨道交通的建模、评估、分析和优化能力,还可为运行方案评估与规划、城市轨道交通设计、应急预案评价与优化、人员培训等方面提供技术支持.

社会物理信息系统(CPSS)及其典型应用

美国提出的信息物理系统(CPS)现已成为全球研究热点,主要研究工程复杂性要素,或者包括其社会复杂性要素的某一方面。事实上,上述两种要素必须作为不可分割、地位平等的整体加以研究,才能更好地实现复杂系统安全、高效等管理与控制目标。为此,本文主要讨论更为完整的社会物理信息系统(CPSS)的建模、知识自动化、行为分析与管控等内容,及其在交通和制造领域的典型应用。

平行智能与CPSS:三十年发展的回顾与展望

社会物理信息系统(Cyber-physical-social systems,CPSS)在传统物理信息系统(Cyber-physical systems,CPS)的基础上纳入对社会信号及社会关系的考虑,利用网络世界近乎无限的人力、数据和信息资源,突破物理世界有限的资源约束以及时空的限制.然而,CPSS中人类和社会行为的复杂性加剧了实际系统和其模型之间的建模鸿沟,使得系统的形态演变为“默顿系统”.对此,以ACP方法为核心的平行智能(Parallel intelligence,PI)框架通过组合人工系统(Artificial systems,A)、计算实验(Computational experiments,C)、平行执行(Parallel execution,P)三个过程,为跨越这一鸿沟提供了可行的路径.具体而言,ACP将模型从系统解析器转变为数据生成器,使原本难以控制的“默顿系统”可测试、可计算、可验证,为复杂系统中“涌现”和“收敛”的对立统一确立了方法基础.本文从平行控制与智能控制、平行机器人与平行制造、平行管理与智能交通、平行医学与智慧健康、平行生态与平行社会、平行经济系统与社会计算、平行军事系统以及平行认知与平行哲学这八个方面阐述面向CPSS的平行智能应用成果.最后,对CPSS未来的发展方向和技术趋势进行了讨论与展望.

CPSS架构下基于“引导信息”和平行控制的社区微电网能量管理方法

微电网将成为未来社区供电的主要形式,信息技术的发展与融入将使社区微电网的数据更加实时、透明,有助于提高微电网的需求侧管理水平。基于信息-物理-社会系统,该文将社区微电网划分为包含物理设备、信息空间和社会角色的物理层、信息层和社会层三层架构,并提出一种包含"引导信息"和平行控制的社区微电网能量管理方法。"引导信息"是指微电网运营商在互联网上发布的一系列信息,旨在引导社区电力用户用能决策,使其尽可能多的使用可再生能源产生的电力,主动参与微电网能量管理,提高可再生能源利用率。平行控制作为一种数据驱动方法,帮助微电网运营商寻找最佳引导策略,获得最大的经济效益。社区微电网运营商与电力用户通过这种方法实现双赢。基于并网社区微电网的仿真结果证明了该方法的可行性和有效性。

CPSS视角下城市建筑与配电网高韧性协调运行:研究述评与展望

“韧性”是城市应对自然灾害、提高风险防控能力的重要属性。频发的大停电事故会造成严重的经济和民生损失,阻碍城市发展甚至威胁国家能源安全“,韧性配电网”是“韧性城市”的必然要求与基本保障。高比例建筑负荷是城市配电网的主要特征,恢复供电后的建筑负荷行为异于常态,不仅对电力供应提出了更高的要求,而且给予配电网韧性以提升潜力。城市建筑作为用户与电力系统、电力市场、大数据等深度交互的主要场所之一,其与配电网的协调运行是一个复杂的信息-物理-社会系统(CPSS)。首先,文中重点关注城市配电网负荷恢复阶段,总结了当前城市建筑与配电网高韧性协调运行在物理、社会、信息维度面临的问题;然后,分别对极端条件下城市建筑与配电网的耦合机理和建模(物理维度)、城市建筑产消者行为刻画与激励机制设计(社会维度)、配电网灾后态势感知与数据共享(信息维度)三方面的研究现状进行了述评;最后,总结了CPSS视角下城市建筑与配电网高韧性耦合运行研究所面临的四重挑战,并对未来的研究路径进行了展望。

Parallel Driving in CPSS:A Unified Approach for Transport Automation and Vehicle Intelligence

The emerging development of connected and automated vehicles imposes a significant challenge on current vehicle control and transportation systems. This paper proposes a novel unified approach, Parallel Driving, a cloud-based cyberphysical-social systems(CPSS) framework aiming at synergizing connected automated driving. This study first introduces the CPSS and ACP-based intelligent machine systems. Then the parallel driving is proposed in the cyber-physical-social space,considering interactions among vehicles, human drivers, and information. Within the framework, parallel testing, parallel learning and parallel reinforcement learning are developed and concisely reviewed. Development on intelligent horizon(iHorizon)and its applications are also presented towards parallel horizon.The proposed parallel driving offers an ample solution for achieving a smooth, safe and efficient cooperation among connected automated vehicles with different levels of automation in future road transportation systems.

Cloud Control Systems

The concept of cloud control systems is discussed in this paper, which is an extension of networked control systems (NCSs). With the development of internet of things (IOT), the technology of NCSs has played a key role in IOT. At the same time, cloud computing is developed rapidly, which provides a perfect platform for big data processing, controller design and performance assessment. The research on cloud control systems will give new contribution to the control theory and applications in the near future. © 2014 Chinese Association of Automation.

“新型电力系统数字化关键技术综述”专辑评述

数字化是推动新型电力系统发展的重要动力,已成为广受学术界和产业界关注的热点技术。为此,《电力系统自动化》编辑部组织了“新型电力系统数字化关键技术综述”专辑,系统化介绍了新型电力系统数字化基础元件装备、边缘计算技术、通信安全与防护、智能化调度决策等一系列技术成果,代表了本领域最新技术成果和先进经验。文中立足于新型电力系统数字化发展的整体趋势,对专辑论文按研究方向进行了系统性梳理,对其核心成果与观点进行了归纳总结,希望能够完整呈现专辑成果对新型电力系统数字化关键技术体系的支撑作用,为相关技术研究的进一步深化提供参考。

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。

融合信息物理社会因素的配电网可靠性评估方法

为分析重大社会活动中信息系统先进技术和社会系统应急保电措施对配电网可靠性的影响,文中提出融合信息物理社会因素的配电网可靠性评估方法。首先,为分析信息物理社会系统的相互作用,构建了配电网可靠性的信息物理社会交互框架。然后,通过构建设备发展型和破坏型故障状态转移模型,量化了信息系统中缺陷诊断、风险预警技术作用周期以及社会系统中检修人员技术水平与设备故障率的关系。通过构建设备故障恢复时间模型,量化了信息系统中故障定位技术精度以及社会系统中交通路况、应急物资充裕度与设备故障恢复时间的关系。最后,为了验证框架和模型的有效性,文中建立了一个包含信息物理社会系统基本信息的测试系统。结果验证了信息、社会系统对配电物理系统可靠性的提升作用。

面向需求响应的空调智能体:概念、构建和应用

园区内各变频空调(IAC)的运行特性、运行环境、用户行为和用户习惯千差万别,这给园区运营商引导大规模IAC参与需求响应(DR)带来了挑战。首先,对IAC的信息物理社会属性进行了分析,并提出了基于规则的社会属性刻画方法。其次,根据具身通用人工智能的概念,提出了面向DR的空调智能体概念。然后,从主动感知、主动交互、主动行动和主动演化的维度设计了空调智能体,其能在DR期间融合IAC的信息物理社会属性,使自身的负荷形状曲线接近被下发的目标形状曲线。进而,参考基于负荷准线的DR机制,提出了大规模空调智能体自下而上参与DR的方法,以实现聚沙成塔效应。最后,利用离散事件仿真框架SimPy对1万个空调智能体参与DR的情形进行仿真,从刻画社会属性的规则自演化、空调智能体性能和聚沙成塔效应这3个方面进行分析。结果表明,空调智能体在时效性、友好性、用户满意性和鲁棒性方面具有较大优势。

从工业4.0到能源5.0:智能能源系统的概念、内涵及体系框架

分析推动工业进程和能源进程交互发展的因素和趋势,结合能源互联网的发展要求,提出了建立能源5.0的迫切性和必要性.着重讨论了在网络化之后,能源系统呈现的社会性问题,认为在传统方式之外,必须引入人类社会学、管理学等软科学进行分析建模;指出了虚拟人工系统根本不同于传统仿真系统等理念,只有利用虚拟人工模型,采用平行系统,才能建立能源5.0.阐述了能源5.0的理论、框架和技术,明确了能源5.0、基于社会物理信息系统(Cyber-physical-social system,CPSS)的平行能源是等价的概念.指出能源5.0核心是构建与实际能源系统同构的虚拟人工能源系统,通过虚拟人工能源系统的计算实验,确定优化控制策略,引导实际能源系统运行,并使虚拟人工系统和实际系统平行执行、共同演化,形成智能能源系统.最后以华电集团已经完成的分布式能源5.0示范项目和正在实施的火力发电5.0项目及智能家居能源系统,探讨了能源5.0的研究内容、技术途径及应用前景.

信息物理系统技术综述

信息物理系统(Cyber-physical system, CPS)将计算、通信与控制技术紧密结合,实现了计算资源与物理资源的结合与协调. CPS是当前自动化领域的前沿研究方向,已经引起了学术界和工业界的广泛关注.本文对CPS进行了简要介绍,根据技术的应用特点对CPS的现有研究成果进行了分类,综述了各个研究方向的意义和研究进展,给出了CPS的两个典型实际案例,探讨了CPS研究中亟待解决的问题以及未来可能的研究方向.

软件定义的犯罪现场分析过程及其知识自动化方案

犯罪现场分析是一个从痕迹到心理(生理)的结果回溯过程,是查明犯罪、证实犯罪的起点和基础,也是侦查破案的核心关键.借鉴近年来复杂系统相关理论和方法在众多领域的成功应用和良好成效,构建基于复杂系统的犯罪现场分析模型框架.从软件定义的系统和流程角度介绍基于人工社会、计算实验、平行执行(简称ACP)方法的犯罪现场平行系统模型构建的基本思想、框架体系和主要方法.从平行系统的角度阐述知识自动化在犯罪现场分析过程中的重要作用.