吳梓豪，張立臣

（廣東工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，廣州 510006）

0 引言

隨著市場化改革的推進(jìn)、氣候變化的加劇，環(huán)境監(jiān)管日益嚴(yán)格，可再生能源等分布式發(fā)電資源數(shù)量不斷增加，智能電網(wǎng)的概念應(yīng)運(yùn)而生。其目標(biāo)是利用現(xiàn)代測量、通信、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化等先進(jìn)技術(shù)，允許可再生能源順利接入電網(wǎng)，提高電力系統(tǒng)的能源轉(zhuǎn)換和傳輸效率，確保電網(wǎng)運(yùn)行更可靠、更靈活、更經(jīng)濟(jì)，為用戶提供更高的供電質(zhì)量和更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。

CPS 這個(gè)術(shù)語是2006 年由美國國家科學(xué)基金會(huì)提出，它描述了一系列復(fù)雜的、多學(xué)科的、具有物理感知能力的下一代工程系統(tǒng)，將嵌入式計(jì)算技術(shù)集成到物理世界中，如圖1所示。美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所組建了一個(gè)專家小組，該小組將CPS 定義為由物理和計(jì)算元素共同設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)形成的智能系統(tǒng)，而歐洲版本則強(qiáng)調(diào)了與云或網(wǎng)絡(luò)空間和人為因素的互動(dòng)。在中國，CPS 是指集傳感、處理、智能、控制為一體的大規(guī)模、嵌入式、混合復(fù)雜系統(tǒng)。

圖1 CPS框架

CPS 是計(jì)算過程和物理過程的集成，高度協(xié)調(diào)計(jì)算、通訊以及控制三者之間的關(guān)系，是一種新型智能系統(tǒng)。嵌入式設(shè)備負(fù)責(zé)監(jiān)測和控制物理過程，而物理過程的結(jié)果則影響計(jì)算進(jìn)程，通過反饋循環(huán)實(shí)現(xiàn)計(jì)算與物理世界的深度融合與實(shí)時(shí)交互。

1 電網(wǎng)信息物理系統(tǒng)

1.1 CPS層次結(jié)構(gòu)

CPS 是運(yùn)行在不同的時(shí)間和空間范圍的多閉環(huán)系統(tǒng)，而且感知、決策和控制執(zhí)行子系統(tǒng)大多不在同一位置。邏輯上緊密耦合的基本功能單元依托于擁有強(qiáng)大計(jì)算資源和數(shù)據(jù)庫的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施（如Internet、數(shù)據(jù)庫、知識(shí)庫服務(wù)器和其他類型數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)等），構(gòu)成了CPS 完整的體系結(jié)構(gòu)，使我們能夠?qū)崿F(xiàn)本地或者遠(yuǎn)程監(jiān)測和影響物理環(huán)境。

根據(jù)文獻(xiàn)［5］可將CPS 系統(tǒng)分為5 層：連接層、轉(zhuǎn)換層、網(wǎng)絡(luò)層、認(rèn)知層和配置層。連接層主要負(fù)責(zé)連接機(jī)器及其組件，利用不同的設(shè)備或傳感器來獲取各種可靠的數(shù)據(jù)，并通過特定的協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸；轉(zhuǎn)換層負(fù)責(zé)將收集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為有價(jià)值的信息，這一層賦予機(jī)器自我意識(shí)屬性；網(wǎng)絡(luò)層扮演著中心信息樞紐的角色，信息從每臺(tái)連接的機(jī)器被推送到這里，在收集了大量信息后，必須使用特定的分析來提取額外的信息，隨后再上傳到認(rèn)知層；在認(rèn)知層中，從網(wǎng)絡(luò)層獲取到的信息以一種適當(dāng)?shù)谋硎痉椒ū惶峁┙o用戶以作出決策；配置層負(fù)責(zé)執(zhí)行監(jiān)督控制，使機(jī)器自配置和自適應(yīng)，它作為彈性控制系統(tǒng)，將認(rèn)知層上的決策對(duì)應(yīng)的控制應(yīng)用到機(jī)器上。

在學(xué)術(shù)界有不少研究CPS 體系結(jié)構(gòu)的文章。文獻(xiàn)［6］基于控制循環(huán)結(jié)構(gòu)并分析現(xiàn)實(shí)世界與信息世界的交互方式，提出了一種CPS 的原型體系結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)［7］通過研究信息物理系統(tǒng)的安全目標(biāo)與安全需求，提出了一種分層的信息物理系統(tǒng)安全體系結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)［8］分析了事件的時(shí)間和空間特性，定義了一種新的CPS 體系結(jié)構(gòu)，并為CPS開發(fā)了一個(gè)分層的時(shí)空事件模型。

1.2 GCPS概述

GCPS 是一種典型的信息物理融合系統(tǒng)，其包含的多種發(fā)電設(shè)施、輸配電網(wǎng)絡(luò)、用電設(shè)施以及儲(chǔ)備設(shè)施的綜合硬件電網(wǎng)系統(tǒng)作為開展核心，將最成熟的傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)、通信技術(shù)、自動(dòng)化和智能管控技術(shù)綜合形成電網(wǎng)系統(tǒng)，其可以更好地實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控和完全自動(dòng)化，進(jìn)而讓電力系統(tǒng)的運(yùn)作更為穩(wěn)定。

1.3 GCPS三層模型

基于CPS 理論，將GCPS 分為物理感知層、信息監(jiān)測層和決策控制層，GCPS 的體系架構(gòu)如圖2所示。

圖2 GCPS架構(gòu)

1.3.1 物理感知層

信息采集、傳遞是信息系統(tǒng)的重要工作，通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)可以滿足系統(tǒng)高度分散點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集，采用分布式采集控制模式，按照區(qū)域和功能配置終端裝置。將獲取的參數(shù)信息與運(yùn)行數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)處理后向數(shù)據(jù)中心匯總。此外，決策中心下達(dá)的控制指令與該層的執(zhí)行器對(duì)應(yīng)。信息安全也被認(rèn)為是CPS 信息系統(tǒng)結(jié)構(gòu)需要被嚴(yán)密考慮的方面。智能電網(wǎng)等信息物理系統(tǒng)在遭受信息系統(tǒng)故障時(shí)，應(yīng)具有緊急更新和快速重構(gòu)功能，其物理系統(tǒng)也需具備相當(dāng)?shù)牡钟畔⑾到y(tǒng)災(zāi)難的能力。

1.3.2 信息監(jiān)測層

該層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的收集、可視化、分析，以及可能使用不同通信協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵獠磕康牡?。通過對(duì)物理感知層上送的數(shù)據(jù)的融合，并給予大規(guī)模分布式計(jì)算，將得到的知識(shí)提供給決策控制層，同時(shí)提供各GCPS 參與者之間的信息共享和協(xié)調(diào)機(jī)制。信息監(jiān)測層更從數(shù)據(jù)分析中了解到電網(wǎng)的實(shí)時(shí)情況，便于進(jìn)行事故預(yù)測與狀態(tài)評(píng)估，能夠更好地為決策控制層提供支撐。

1.3.3 決策控制層

該層提供電網(wǎng)系統(tǒng)的管理、執(zhí)行和控制功能的模塊?；趶男畔⒈O(jiān)測層獲取的數(shù)據(jù)和當(dāng)前控制規(guī)則與系統(tǒng)模型，自動(dòng)制定出適合的調(diào)控策略，并發(fā)送指令給物理感知層對(duì)電網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行控制，這個(gè)步驟亦可包括外部的輸入，如人為控制或天氣狀況。規(guī)則庫與系統(tǒng)模型會(huì)在知識(shí)挖掘中進(jìn)行更新優(yōu)化，從而更好地實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)控自動(dòng)化的目的。

2 基于AADL的GCPS建模

2.1 AADL介紹

AADL 是于2004 年由專家委員會(huì)開發(fā)，由軟件工程研究所（software engineering institute,SEI）的Peter Feiler 擔(dān)任技術(shù)負(fù)責(zé)人，并由汽車工程師學(xué)會(huì)（society of automotive engineers,SAE）贊助。AADL支持軟件架構(gòu)師和開發(fā)人員對(duì)實(shí)時(shí)和嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行可預(yù)測的基于模型的工程設(shè)計(jì)。預(yù)期的應(yīng)用領(lǐng)域包括汽車系統(tǒng)、航空電子和航天應(yīng)用、醫(yī)療設(shè)備和工業(yè)設(shè)備。SAE AADL 標(biāo)準(zhǔn)由一種具有精確語義的語言組成，允許用戶定義軟件和硬件組件及其交互。

AADL是一種專門面向嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)開發(fā)的體系結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)語言。AADL的主要構(gòu)件分為軟件構(gòu)件、硬件構(gòu)件和組合構(gòu)件三大類。其中軟件構(gòu)件包括程序、線程、子程序、數(shù)據(jù)等構(gòu)件；硬件構(gòu)建包括外部設(shè)備、處理器、存儲(chǔ)器、總線等構(gòu)件；組合構(gòu)件一般指系統(tǒng)構(gòu)件，如圖3所示。

圖3 AADL構(gòu)件組成

OSATE 2 是一個(gè)基于Eclipse 的建模框架，用于使用AADL。在這種環(huán)境中，軟件架構(gòu)師可以設(shè)計(jì)和分析模型，然后生成部分實(shí)現(xiàn)代碼。OSATE 支持AADL 的文本和圖形表示。文本編輯器具有自動(dòng)縮進(jìn)、自動(dòng)完成和語法高亮顯示功能。圖形編輯器允許設(shè)計(jì)師修改模型，并同步圖形和文本表示。

2.2 GCPS建模

本節(jié)使用OSATE 工具對(duì)1.3 所述的GCPS 體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，圖4為該系統(tǒng)圖形化模型。該GCPS 系統(tǒng)包含三個(gè)子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)都包含兩個(gè)部分：具有運(yùn)算功能的應(yīng)用平臺(tái)和具有操作功能的執(zhí)行平臺(tái)，它們分別由若干軟件構(gòu)件和硬件構(gòu)建組成。部分代碼如下：

圖4 GCPS的AADL實(shí)現(xiàn)

system implementation grid.impl

subcomponents

sensor:device sensor.impl;

controller:device controller.impl;

preprocess:process data_preprocess.impl;

primary_device:abstract primary_device.impl;

connections

c0:port input_data-＞

controller.input_data;

c1:port controller.output_event-＞

primary_device.input_event;

c10:port primary_device.output_data-＞

sensor.input_data;

c11:port sensor.output_data-＞

preprocess.input_data;

c12:port preprocess.output_data-＞

output_data;

flows

ctl2sen:end to end flow

controller.ctl_source-＞primary_device.pri_flowpath

-＞sensor.sen_sink;

annex EMV2｛**

use types ErrorLibrary,errorDef;

error propagations

input_data: in propagation｛et_incorrectdata,et_nosignal｝;

end propagations;

properties

emv2::OccurrenceDistribution =＞［ProbabilityValue=＞3.5e-7;

Distribution=＞Poisson;

］applies to input_data.et_incorrectdata;

emv2::OccurrenceDistribution =＞［ProbabilityValue=＞1.5e-6;

Distribution=＞Poisson;

］applies to input_data.et_nosignal;

**｝;

end grid.impl;

2.3 子系統(tǒng)流分析驗(yàn)證

在系統(tǒng)工程和需求工程中，非功能特性是一種需求，它規(guī)定了可用于判斷系統(tǒng)運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)，而不是具體行為。對(duì)于電力網(wǎng)來說，在面對(duì)突發(fā)情況時(shí)若系統(tǒng)能做到及時(shí)控制、調(diào)度，將可以大幅降低損失。由于設(shè)備間的通信存在延遲、設(shè)備內(nèi)部計(jì)算模塊也有一定的耗時(shí)，因此需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行流延遲分析。AADL支持附件擴(kuò)展，能夠很好地描述系統(tǒng)的非功能特性，并能使設(shè)計(jì)者在系統(tǒng)建模階段利用可調(diào)度分析、流分析測試等功能來改進(jìn)系統(tǒng)。

圖5 展示了decision_control 進(jìn)程構(gòu)件內(nèi)部的子進(jìn)程，我們通過預(yù)設(shè)設(shè)備與組件的流延遲，并通過端對(duì)端的流延遲分析可以比較系統(tǒng)流的實(shí)際延遲與系統(tǒng)定義的延遲，從而判斷是否滿足需求。

圖5 端對(duì)端流延遲分析

子系統(tǒng)的端對(duì)端流延遲聲明為：

flows

fs1:end to end flow

data_input.output_data_flow -＞ c1 -＞ decision_control_process.f1

-＞c2-＞controller.input_data_flow

｛Latency=＞800ms..1000ms;｝;

端對(duì)端流延遲分析結(jié)果見圖6，該子系統(tǒng)最小實(shí)際延遲為550 ms，小于預(yù)設(shè)最小延遲800 ms；最大實(shí)際延遲為750 ms，小于預(yù)設(shè)最大延遲1000 ms，因此滿足要求。

圖6 流延遲分析結(jié)果

AADL語言可用于計(jì)算信號(hào)流數(shù)據(jù)的端到端延遲和時(shí)間以及它們的抖動(dòng)。AADL還可以將應(yīng)用軟件映射到不同的硬件平臺(tái)上，并指定不同平臺(tái)上的執(zhí)行時(shí)間范圍、截止日期以及指定數(shù)據(jù)流的預(yù)期延遲。因此，AADL模型可以構(gòu)成分析框架的基礎(chǔ)，通過該框架，我們可以調(diào)查運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)對(duì)端到端延遲及其抖動(dòng)的影響，并將這些結(jié)果與控制算法所做的假設(shè)進(jìn)行比較。

3 結(jié)語

CPS 是一個(gè)龐大復(fù)雜的學(xué)科，涉及傳感技術(shù)、嵌入式技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多種技術(shù)，CPS 將在未來工程系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)中發(fā)揮重要作用。本文首先介紹了CPS 系統(tǒng)的相關(guān)概念、定義以及CPS 系統(tǒng)的相應(yīng)特點(diǎn)，并結(jié)合傳統(tǒng)電網(wǎng)的特點(diǎn)，提出了GCPS 三層架構(gòu)模型；最后，使用AADL 語言對(duì)系統(tǒng)中涉及到的各種構(gòu)件進(jìn)行建模，并對(duì)決策控制子系統(tǒng)的子進(jìn)程進(jìn)行了端對(duì)端的流延遲分析，驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性。