CN107846307B - 一种用于对信息物理系统故障传播的控制方法 - Google Patents

Abstract

一种用于对信息物理系统故障传播的控制方法，所述方法包括以下步骤：通过Petri网络、元件状态和状态转移构建信息物理系统运行过程模型；基于改进的蒙特卡洛模拟，对所述信息物理系统运行过程模型进行故障辨识；改变信息物理系统中S_元和T_元相关参数，观察某一元件或过程对信息物理系统可靠性影响，确定信息物理系统中元件和转移的薄弱环节；实现对故障传播的控制；从元件和故障信息传递两方面保证信息物理系统可靠运行。本发明既实现了系统运行可靠性的分析，同时可以分析出各个元件和过程对于系统故障传播的影响，采用相应措施可以抑制故障传播，从而保证系统有效运行。

Description

一种用于对信息物理系统故障传播的控制方法

技术领域

本发明涉及信息物理系统领域，尤其涉及一种用于对信息物理系统故障传播的控制方法。

背景技术

信息物理系统是多维异构的感知、通信和计算单元与物理设备的深度耦合的新型智能复杂系统，是实现大规模信息网络的可观测性和复杂动态控制的关键支撑技术。信息物理系统可靠性评价较为复杂，物理层面和信息层面交互和相互影响机理尚难以明确，对构建传统的诸如串并联模型、分布模型和马尔科夫链等无法描述系统运行过程，也就对系统可靠性评价无能为力，因此需要找到新的模型对信息物理系统的运行性可靠性进行评价。

然而，已有的基于Petri网的系统可靠性评价研究多是采用故障树的分析方法，将故障树依据一定的规律等效为Petri网络，与实际系统运行状况存在一定差距。同时，信息物理系统中，物理和信息子系统间的相互作用更加复杂，因此对于整个系统的可靠性分析则更需要考虑信息层面和物理层面间的相互作用和影响。采用Petri网对系统可靠性展开评价，具有模型简单易懂的优势，将系统故障树的各种逻辑连接关系简化为只由S_元和T_元组成的图形化网络，故障的传播关系明确。

但是此种方法，仅仅考虑了单一系统层面的故障传播，对于系统间相互作用对故障传播的影响并未明确，适用于相对简单的系统。

发明内容

本发明提供了一种用于对信息物理系统故障传播的控制方法，本发明定义系统功能为导向的信息物理系统可靠性函数，建立包括元件状态和状态转移的系统运行模型，采用基于改进的蒙特卡洛模拟的故障辨识，确定系统元件和转移的薄弱环节，实现系统运行，详见下文描述：

一种用于对信息物理系统故障传播的控制方法，所述方法包括以下步骤：

通过Petri网络、元件状态和状态转移构建信息物理系统运行过程模型；

基于改进的蒙特卡洛模拟，对所述信息物理系统运行过程模型进行故障辨识；

改变信息物理系统中S_元和T_元相关参数，观察某一元件或过程对信息物理系统可靠性影响，确定信息物理系统中元件和转移的薄弱环节；实现对故障传播的控制；

从元件和故障信息传递两方面保证信息物理系统可靠运行。

其中，所述信息物理系统运行过程模型具体为：

决定信息物理系统的输入和输出之间的运行模型；确定每一个S_元和T_元的概率分布；

产生每一个S_元和T_元的随机值，将这些值代入到运行模型中计算出信息物理系统的输出值；

将信息物理系统的输出数据拟合成经验分布，通常包括均值和方差。

进一步地，所述方法还包括：

在Petri网络和信息物理系统特征的基础上，提取结构化信息，根据节点可靠性和交互过程可靠性来计算信息物理系统的可靠性。

其中，所述方法还包括：

按照物理过程、通信过程和信息过程建立信息物理系统运行流程，基于Petri网建立信息物理系统故障传播过程。

其中，所述改变信息物理系统中S_元和T_元相关参数，观察某一元件或过程对信息物理系统可靠性影响，确定信息物理系统中元件和转移的薄弱环节具体为：

当信息物理系统运行Petri网模型不为空时，计算可靠性；否则采用基于改进的蒙特卡洛模拟模拟信息物理系统运行过程，需要重复多次；

选定需要分析的S_元或T_元，改变其可靠性参数，重复运行，确定该元件或过程对运行及故障传播的影响。

所述当信息物理系统运行Petri网模型不为空时，计算可靠性具体为：

a)若信息物理系统运行中存在选择结构，计算各最小选择结构的等价可靠性，然后跳到步骤b)；否则，直接跳到步骤b)；

b)若信息物理系统运行中存在顺序结构，计算各最小顺序结构的等价可靠性，然后跳到步骤c)；否则，直接跳到步骤c)；

c)若信息物理系统运行中存在循环结构，计算各最小循环结构的等价可靠性，然后跳到步骤d)；否则，直接跳到步骤d)；

d)若信息物理系统运行中存在并联结构，计算各最小与并联结构的等价可靠性，然后跳到步骤e)；否则，直接跳到步骤e)；

e)若信息物理系统运行中存在复合结构，计算此最小复合结构的等价可靠性。

进一步地，所述从元件和故障信息传递两方面保证信息物理系统可靠运行具体为：

采用元件后备保护、及时更换故障设备等措施降低元件故障概率，采用通信拓扑优化策略提高信息传递的效率和正确率。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、定义系统功能为导向的信息物理系统可靠性函数，明确了包含信息、通信和物理层面的复杂网络可靠性评价导向，建立信息物理系统可靠运行表征方法；

2、建立包括元件状态和状态转移的系统运行模型，包括五种基本运行结构，采用基于改进的蒙特卡洛模拟的可靠性计算方法，避免了同构故障树和马尔科夫链等方法的繁琐过程，运行分析直观、有效；

3、改变相应状态和转移可靠性参数，确定系统元件和转移的薄弱环节，可以实现对故障传播的控制；

4、从元件和故障信息传递两个方面保证系统可靠运行，包括采用元件后备保护、及时更换故障设备等措施降低元件故障概率，采用通信拓扑优化策略提高信息传递的效率和正确率。

附图说明

图1为基于Petri网的信息物理系统运行基本结构示意图；

其中，每个复杂的系统可以分解为简单的子过程，采用Petri网络建模进行组合。

图2为信息物理系统故障传播控制流程图；

其中，整个运行分为物理过程、通信过程和信息过程三个层面，且充分考虑了各个层面之间的相互影响，实现了信息与物理的深度融合。

图3为信息物理系统运行架构示意图；

该图包括系统运行模型、模型化简、随即过程模拟等。

图4为配电网信息物理系统运行结构示意图；

图5为配电网信息物理系统模拟运行结果示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

蒙特卡洛模拟又称为随机模拟，在系统可靠性分析时非常有效，适用于多变量且过程复杂的随机系统。

但是Petri网和蒙特卡洛模拟方法结合的系统可靠性分析方法尚未提出。当信息物理系统物理层面发生故障时，信息层面将会出现突然的信息涌现，数据量大大增加，可能会发生数据拥塞、数据延迟和数据抖动等问题，会造成通信和信息层面传输的故障，进一步加重网络故障风险，使得信息层面监控的作用无法正常发挥。与此同时，信息层面正常的作用可以使得故障网元/元件承载功能的顺利转移，从系统功能层面上来说，整个系统并未失效，因此信息层面从定性分析上来讲，可以提高信息物理系统的可靠性。因此，需要在系统评价时重点分析网络中信息层面、通信层面以及物理层面的特征及相互作用，定义完整的系统运行和风险传播模型。

实施例1

本发明实施例提供了一种用于对信息物理系统故障传播的控制方法，参见图1至图3，该方法包括以下步骤：

101：通过Petri网络、元件状态和状态转移构建信息物理系统运行过程模型；

102：基于改进的蒙特卡洛模拟，对信息物理系统运行过程模型进行故障辨识；

103：改变信息物理系统S_元和T_元相关参数，观察某一具体系统元件或过程对信息物理系统可靠性影响，确定信息物理系统中元件和转移的薄弱环节；实现对故障传播的控制；

104：从元件和故障信息传递两方面保证信息物理系统可靠运行。

即，包括：采用元件后备保护、及时更换故障设备等措施降低元件故障概率，采用通信拓扑优化策略提高信息传递的效率和正确率。

其中，步骤101中的信息物理系统运行过程模型具体为：

决定信息物理系统的输入和输出之间的运行模型；确定每一个S_元和T_元的概率分布；

产生每一个S_元和T_元的随机值，将这些值代入到运行模型中计算出信息物理系统的输出值；

将信息物理系统的输出数据拟合成经验分布，通常包括均值和方差。

进一步地，所述方法还包括：

在Petri网络和信息物理系统特征的基础上，提取结构化信息，根据节点可靠性和交互过程可靠性来计算信息物理系统的可靠性。

进一步地，所述方法还包括：

按照物理过程、通信过程和信息过程建立信息物理系统运行流程，基于Petri网建立信息物理系统故障传播过程。

综上所述，本发明实施例通过上述步骤101-步骤104定义系统功能为导向的信息物理系统可靠性函数，建立包括元件状态和状态转移的系统运行模型，采用基于改进的蒙特卡洛模拟的故障辨识，确定系统元件和转移的薄弱环节，实现系统运行。

实施例2

下面结合具体的计算公式、实例对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：

201：构建信息物理系统可靠运行表征函数；

本发明实施例在Petri网和信息物理系统特征的基础上，提取结构化信息，进而根据S_元、T_元的可靠性(即节点可靠性和交互过程可靠性)来计算信息层面的可靠性。

系统运行可靠性以信息物理系统服务对象可以正常运行为导向，分析过程考虑节点和交互过程可靠性，如公式(1)所示。

对于信息物理系统而言，系统运行可靠性模型必然包括众多子过程，本发明实施例研究认为信息物理系统子过程间可靠性相互随机且独立时，可分别应用简单可靠性模型组合求解。在现实的信息物理系统运行中，各系统子过程在流程上明显地存在结构依赖性。这些结构可以使用Petri网络理论进行建模，以实现运行过程中的同步、协作与顺序关系。在最佳实施方案中，针对配电网信息物理系统的功能，定义可靠供电为系统可靠性量度。

202：基于信息物理系统可靠运行表征函数，结合元件状态和状态转移构建信息物理系统Petri网运行模型；

Petri网是由C.A Petri在1962年首次提出的一种数学模型。适合于描述异步的、并发的计算机系统模型。主要应用于研究信息层面以及其相互关系，在经典Petri网中会用令牌流动的方式来表现出系统动态变化。Petri网作为一种集成图形与数学表达的建模工具，既有严格的数学表达方式，也有直观的图形表达方式。

一个Petri网表示为一个四元组的形式：PN＝(S,T,F,M₀)，其中S表示库所的集合，为圆形节点；T为变迁的集合，为矩形节点；F表示库所与变迁之间的有向弧的集合；M₀表示在初始状态时，令牌在各个库所的分布情况。

PN满足以下条件：

(二元性)

dom(F)为F的定义域，cod(F)为F的值域；

M表示在发生过程中，肯托Token在各库所的分布情况。

根据信息物理系统运行特点，运行由各个基本活动通过复杂连接构成，在此规定其基本的运行方式，结构化活动构造出复杂的系统运行流程并给出其行为描述，如图1所示：

1、顺序发生(Sequence)：运行过程的各个活动按照约定的顺序，序列化执行，适用于流程化的运行过程，则顺序发生的运行可靠性R_S为：

其中，R_i为第i个活动的可靠性(i＝1,2…n)。

2、并行发生(Parallel)：运行过程的各个活动的发生顺序并行，同步执行，适用于时间并发的运行过程，则并行发生的运行可靠性R_P为：

其中，R_i为第i个活动的可靠性(i＝1,2…n)。

3、选择发生(Switch)：运行过程的各个活动按照一定规则触发，同一选择中的不同事件不能够同时发生，适用于多目的的运行过程，则选择发生的运行可靠性R_S为：

其中，R_i为第i个活动的可靠性(i＝1,2…n)，β_i为该活动发生的概率。

4、循环发生(Loop)：运行过程的各个活动按照顺序被反复执行，适用于具有规律性的重复执行过程，其中可以设置终端和进入条件，则循环发生的运行可靠性R_L为：

其中，R_eq为需要循环运行的等价可靠性，为该活动循环的次数。

5、复用发生(Multiplexing)：运行过程的各个活动会需要重复使用某些元件或者过程，适用于采集-处理-反馈等过程，如信息层面在采集信息和发出控制命令时的过程，由于通信时间非常短，因此可以认为采集和发出的过程复用通信。那么复用发生的运行可靠性R_m为：

其中，R_i为第i个复用活动的可靠性(i＝1,2…n),R_j为非复用活动的可靠性(j＝1,2…n-m)。

本发明实施例考察信息物理系统运行可靠性，按照物理过程、通信过程和信息过程建立信息物理系统运行流程，基于Petri网建模如图2所示。

其中，S₀表示信息物理系统处于正常运行状态；S₁₁到S_1n表示信息物理系统元件类型；S₂₁到S_2n表示该元件处于本地不可修复的状态；S₃₁到S_3n表示该元件的智能终端；S₄表示智能状态处于不可修复状态；S₅表示信息物理系统通信开始发生；S₆到S₁₀分别表示通信和信息层面各元件的状态，需要根据实际的信息物理系统进行配置。T₀表示信息物理系统正常运行状态发生改变；T₁₁到T_1n表示智能终端状态改变；T₂₁到T_2n表示智能终端通信状态改变；T₃到T_f分别表示通信和信息层面各元件的状态的改变。

203：基于改进的蒙特卡洛模拟的故障辨识，确定信息物理系统元件和转移的薄弱环节；

蒙特卡洛(Monte Carlo)方法，又称随机抽样或统计试验方法，属于计算数学的一个分支，它是在上世纪四十年代中期为了适应当时原子能事业的发展而发展起来的。传统的经验方法由于不能逼近真实的物理过程，很难得到满意的结果，而蒙特卡洛方法由于能够真实地模拟实际物理过程，故解决问题与实际非常符合，可以得到很圆满的结果。因此，本发明实施例采用蒙特卡洛方法与Petri网络描述的信息物理系统结合，包括以下过程。

I决定信息物理系统的输入和输出之间的运行模型(数学模型)，本发明实施例采用Petri网络建立系统运行模型，即PN＝(S,T,F,M)；

II确定每一个S_元和T_元的概率分布。对于缺乏输入变量的失效数据，可以采用较为简单的两参数模型，包括均值和方差；

III产生每一个S_元和T_元的随机值，将这些值代入到运行模型中计算出系统的输出值；

IV重复步骤III若干次，通常需要多次迭代，且次数越多越接近实际系统的运行情况；

V将系统的输出数据拟合成经验分布，通常包括均值和方差。

在模拟过程中，需要输入每一个S_元和T_元的概率分布，本发明实施例采用简单的两参数模型(均值μ和方差σ)建模。若某元件或过程的寿命最大值为U，最小值为L，则依照μ＝(U+L)/2和σ＝(U-L)/6计算两参数，建立基于泊松分布的失效概率分布模型。其中U和L可依据历史统计数据获得。

204：可靠性分析。

根据上述分析，采用信息物理系统运行的等价可靠性方法计算，过程如下：

I初始化信息物理系统运行Petri网模型。

II当信息物理系统运行Petri网模型不为空时，按如下步骤等价性化简计算可靠性；否则跳到步骤(IV)。

a)若信息物理系统运行中存在选择结构，计算各最小选择结构的等价可靠性，然后跳到步骤b)；否则，直接跳到步骤b)。

b)若信息物理系统运行中存在顺序结构，计算各最小顺序结构的等价可靠性，然后跳到步骤c)；否则，直接跳到步骤c)；

c)若信息物理系统运行中存在循环结构，计算各最小循环结构的等价可靠性，然后跳到步骤d)；否则，直接跳到步骤d)；

d)若信息物理系统运行中存在并联结构，计算各最小与并联结构的等价可靠性，然后跳到步骤e)；否则，直接跳到步骤e)；

e)若信息物理系统运行中存在复合结构，计算此最小复合结构的等价可靠性，然后跳到步骤(III)；否则，直接跳到步骤(III)；

III如果等价模型不为空，跳到步骤II；否则，跳到步骤IV。

其中，上述选择结构、顺序结构、循环结构、并联结构、以及复合结构均为Petri网模型中的公知技术术语，本发明实施例对此不做赘述。

IV采用基于改进的蒙特卡洛模拟模拟信息物理系统运行过程，需要重复多次；

V选定需要分析的S_元或T_元，改变其可靠性参数，重复步骤I到步骤IV，确定该元件或过程对运行及故障传播的影响；

VI输出模型的运行及风险控制方法。

从上面的计算过程可以看出，通过对复杂信息物理系统的运行结构进行由内向外的等价性化简，再综合进行计算的方式，使得传统的基于状态的评估方法在适用范围上得到了增强，系统运行可靠性的计算流程如图3所示。

综上所述，本发明实施例通过上述步骤201-步骤204定义系统功能为导向的信息物理系统可靠性函数，建立包括元件状态和状态转移的系统运行模型，采用基于改进的蒙特卡洛模拟的故障辨识，确定系统元件和转移的薄弱环节，实现系统运行。

实施例3

下面结合具体的实例、图1-图4，以及表1-表4，对实施例1和2中的方案进行可行性验证，详见下文描述：

I、建立配电网信息物理系统的输入和输出之间的运行模型(数学模型)；

如图4所示。其中S₀表示配电网信息物理系统处于正常运行状态，则各S_元和T_代表的系统元素如表1、表2所示。

表1配电网信息物理系统运行模型S_元含义

表2配电网信息物理系统运行模型T_元含义

II、确定每一个S_元和T_元的概率分布；

此时需要采用已有的物理和信息过程可靠性研究成果。对于缺乏输入变量的失效数据，可以采用较为简单的两参数模型，包括均值和方法，由于数据较多，本发明实施例列举了常见的元件的可靠性指标，如表3所示：

表3系统元件可靠性举例

III、产生每一个S_元和T_元的随机值；

将这些值代入到运行模型中计算出系统的输出值；

IV、重复步骤III若干次，通常需要非常多的次数，且次数越多越接近实际系统的运行情况，如图5所示。

由此可见，当n≥1000时，系统可靠性基本不发生变化，本发明实施例采用此时的可靠性数据，即R_CPS＝0.96711。

V、改变系统运行状况，观察在配电网信息物理系统中，信息和通信对于系统可靠性的影响；

假设如下情况：

1、考虑信息物理系统全部功能，网络结构如图4所示；

2、仅考虑配电网故障本地处理机制，不考虑通过系统调控的故障恢复，即系统仅包括物理过程；

3、考虑信息物理系统全部功能，同是考虑S₆元通信网络采用双冗余备用通道，网络拓扑可靠性增加；

4、考虑信息物理系统全部功能，同是考虑S₆元通信网络采用载波通信方式，网络可靠性降低。

对四种情况同样进行1000次过程随机模拟，得到表4

表4系统运行可靠性评价结果

VI、由表4可知，通过信息物理系统作用，可以增强配电网的运行可靠性，实现信息和通信过程的价值。

由情况1、3、4对比可知，通信网络在整个信息物理系统运行中扮演这重要角色，可以通过加强通信网络的功能，可以抑制配电网故障的传播，从而保证信息物理系统的可靠运行运行。

由此可见，本发明实施例既实现了系统运行可靠性的分析，同时可以分析出各个元件和过程对于系统故障传播的影响，采用相应措施可以抑制故障传播，从而保证系统有效运行。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于对信息物理系统故障传播的控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

通过Petri网络、元件状态和状态转移构建信息物理系统运行过程模型；

基于改进的蒙特卡洛模拟，对所述信息物理系统运行过程模型进行故障辨识；

改变信息物理系统中S_元和T_元相关参数，观察某一元件或过程对信息物理系统可靠性影响，确定信息物理系统中元件和转移的薄弱环节；实现对故障传播的控制；

从元件和故障信息传递两方面保证信息物理系统可靠运行；

其中，S_元包括：S₀表示配电网正常运行；S₁₁表示母线故障；S₁₂表示断路器故障；S₁₃表示变压器故障；S₁₄表示线路故障；S₂₁表示母线本地修复；S₂₂表示断路器本地修复；S₂₃表示变压器本地修复；S₂₄表示线路本地修复；S₃₁表示母线智能终端；S₃₂表示断路器智能终端；S₃₃表示变压器智能终端；S₃₄表示线路智能终端；S₄₁表示数据故障；S₅₁表示拥塞；S₅₂表示抖动；S₅₃表示延时；S₅₄表示通信终端；S₆表示通信网络；S₇表示交换机；S₈表示前置机；S₉表示服务器；S₁₀表示业务决策；

其中，T_元包括：T₀表示设备状态改变；T₁₁表示母线故障修复选择；T₁₂表示断路器故障修复选择；T₁₃表示变压器故障修复选择；T₁₄表示线路故障修复选择；T₂₁表示通信故障发生；T₂₂表示数据传输准备；T₃表示数据恢复；T₄表示数据传输；T₅表示数据纵向加密；T₆表示数据处理；T₇表示数据总线传输；T_f表示保护动作执行；

其中，观察某一元件或过程对信息物理系统可靠性影响，确定信息物理系统中元件和转移的薄弱环节具体为：

1)当信息物理系统运行Petri网模型不为空时，计算可靠性；否则采用基于改进的蒙特卡洛模拟信息物理系统运行过程，需要重复多次；

2)选定需要分析的S_元或T_元，改变其可靠性参数，重复运行，确定该元件或过程对运行及故障传播的影响；

其中，步骤1)中的信息物理系统运行Petri网模型不为空时，计算可靠性具体为：

a)若信息物理系统运行中存在选择结构，计算各最小选择结构的等价可靠性，然后跳到步骤b)；否则，直接跳到步骤b)；

b)若信息物理系统运行中存在顺序结构，计算各最小顺序结构的等价可靠性，然后跳到步骤c)；否则，直接跳到步骤c)；

c)若信息物理系统运行中存在循环结构，计算各最小循环结构的等价可靠性，然后跳到步骤d)；否则，直接跳到步骤d)；

d)若信息物理系统运行中存在并联结构，计算各最小与并联结构的等价可靠性，然后跳到步骤e)；否则，直接跳到步骤e)；

e)若信息物理系统运行中存在复合结构，计算此最小复合结构的等价可靠性。

2.根据权利要求1所述的一种用于对信息物理系统故障传播的控制方法，其特征在于，所述信息物理系统运行过程模型具体为：

决定信息物理系统的输入和输出之间的运行模型；确定每一个S_元和T_元的概率分布；

产生每一个S_元和T_元的随机值，将这些值代入到运行模型中计算出信息物理系统的输出值；

将信息物理系统的输出数据拟合成经验分布，包括均值和方差。

3.根据权利要求1所述的一种用于对信息物理系统故障传播的控制方法，其特征在于，所述方法还包括：

按照物理过程、通信过程和信息过程建立信息物理系统运行流程，基于Petri网建立信息物理系统故障传播过程。

4.根据权利要求1所述的一种用于对信息物理系统故障传播的控制方法，其特征在于，所述从元件和故障信息传递两方面保证信息物理系统可靠运行具体为：

采用元件后备保护、及时更换故障设备措施降低元件故障概率，采用通信拓扑优化策略提高信息传递的效率和正确率。

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