信息与物理融合系统

信息与物理融合系统（精选10篇）

信息与物理融合系统 篇1

0 引言

近年来,在世界范围内的节能减排浪潮和信息技术快速发展的推动下,电力系统正在发生深刻的变革。智能电网的研发已成为电力工业界和学术界关注的焦点,并已在部分国家进入前期发展或工程示范阶段。推动智能电网发展的主要动力在于促进间歇式可再生能源、电动汽车等新型负荷和各种储能设备的并网与优化调度,以及用户侧更广泛和深入的参与。此外,与传统电力系统相比,智能电网还应该具有高效、可自愈、高可靠性和高安全性等主要特征[1]。要实现上述目标,就必须首先实现信息在电力系统内的双向流动和有效利用,并在此基础上提高对系统的感知和控制能力。将前沿信息技术引入电力系统对实现智能电网尤为关键[2,3]。

需要指出,要实现智能电网,仅仅简单地引入前沿信息技术是不够的。这是因为现有电力系统建模、分析与控制方法是针对传统电力系统所发展起来的,其中并没有充分考虑和系统计及电力信息系统的影响。由于智能电网中将嵌入大量的传感设备,并高度依赖通信网络实现信息汇总进而系统运行优化与控制,因此作为智能电网的重要组成部分,电力信息系统对于电力系统本身的运行行为会有显著影响。由于传统的电力系统建模、分析、优化与控制方法体系将电力一次系统和电力信息系统基本上相互割裂,这无法适应智能电网发展的要求。

信息物理融合系统(cyber physical system,CPS)的提出与发展为促进电力一次系统与电力信息系统的深度融合,并最终实现电网智能化的目标提供了新的思路和实现途径。CPS是将计算资源与物理系统深度融合所构成的新型系统[4,5,6,7,8]。与传统控制系统或嵌入式系统相比,CPS有下述主要特点[4,5,6,7,8]:①CPS中的物理实体均嵌入传感设备,以实现对大系统的信息采集和行为感知;②CPS通过通信网络将系统中所有物理实体和嵌入式信息设备相互连接,以实现信息在系统内的流动和共享;③CPS利用物理实体内嵌入的控制设备和大规模分布式计算技术控制所有系统组件,进而控制系统的整体行为;④在CPS中物理设备与信息设备相互协同和相互影响,共同决定整个系统的功能和行为特征;⑤CPS可以实现系统组件的动态重组和软件的在线更新。上述特征将使CPS具有明显强于现有工业系统的适应性、灵活性、安全性和可靠性。从长远来看,所有物理系统均可以联网成为CPS的一部分。由于CPS对于经济和技术发展具有重要意义,美国等主要发达国家都将其列为优先开展的研究领域。在中国,国家自然科学基金、科技部“973”计划和“863”计划均已将CPS列为重点资助领域。

从上文对CPS的介绍中可以看出,CPS与智能电网在概念上有相通之处,即都强调利用前沿信息技术以增强对大系统的感知和控制能力。基于这样的考虑,文献[8]提出可以建立电力CPS并作为未来智能电网的基本架构。本文在CPS概念和现有研究成果的基础上,力图进一步构建电力CPS的基本理论和方法研究框架。首先发展电力CPS的综合建模理论,然后在此基础上进一步探讨电力CPS的分析与控制问题。本文所发展的电力CPS的基础理论与方法有助于促进电力一次系统与电力信息系统的深度融合与协作,并从理论上支持智能电网的发展。

电力系统是CPS应用的重要领域之一,近年来一些学者针对CPS与电力系统的结合作了初步的研究工作。文献[9]中首先提出了电力CPS的概念。文献[2,9,10]对电力CPS的建模作了初步尝试。文献[11,12,13]则初步研究了电力CPS的安全性与可靠性问题。通过对现有相关文献的整理和总结可以发现:①尚不存在能够全面而准确地计及信息系统与电力系统交互过程的CPS建模理论与方法。②针对电力CPS的理论、模型、方法、算法和计算与实现工具等方面的研究仍处于刚刚起步甚至是空白状态。因此,电力CPS的研究有待进一步开拓和深入。特别地,考虑到智能电网的建设正在快速推进,提出能与下一代电力系统“智能化”特点相适应的电力一次系统与电力信息系统集成的新理论与新方法就显得尤为重要。

1 电力CPS的建模理论

1.1 智能电网环境下信息系统的影响

传统的电力系统分析和控制方法中并未明确计及电力信息系统的影响,一般假定所获得的系统信息是及时、准确和可靠的。在目前的电力系统中,控制对象主要是大型水火电机组、保护装置、无功补偿装置等;需要控制的设备数量不大,且大部分控制功能主要是基于本地信息实现的。因此,目前电力通信网络的数据传输负担较轻。另外,由于现有的电力通信网络是相对独立的专用网络,面对外部网络的接口数量少,因此其可靠性与安全性都有较好的保证。现有电力系统的这些特点决定了不考虑信息系统对于电力系统分析和控制的影响不会导致明显的误差。

由于智能电网中存在相量测量装置(PMU)、智能电表等大量传感装置,且传感装置的采样频率也会明显增大,因此智能电网需要传输和处理的信息量将远大于目前的电力系统。这决定了智能电网对计算系统和通信网络的依赖程度将明显增大。出于成本考虑,对于数量庞大的智能电表、智能家电等终端,一个可行办法是借助公用通信网络如有线电话网络和Internet实现通信。这将使通信延迟、通信系统可靠性、信息系统安全性等问题变成影响智能电网整体性能的重要因素。此外,由于信息传输和处理能力的不足,现在的电力系统调度机构对系统中的大量设备,如小容量分布式电源、保护装置等只能依靠其自身的控制器进行分散本地控制,这使得系统因为无法协调全部可用资源而导致整体运行效率较低。要实现智能电网对于自愈性、高可靠性、高安全性的要求,就必须对上述设备进行网络化集中控制;这又将进一步增强电力系统对于信息系统的依赖性。

从上述讨论可以看出,信息系统的性能对于智能电网有着至关重要的影响。因此,建立能够深度融合信息系统和电力系统的电力CPS,并研究与之相适应的建模、分析与控制方法对于实现智能电网具有重要作用。

1.2 电力系统与电力信息系统的统一建模方法

一般而言,可以将电力信息系统分为计算、通信、传感3个部分,分别用于完成信息的处理、传输与采集等功能。这3个部分共同决定电力信息系统的整体性能。这里将基于有穷自动机(finite automation)、随机过程、微分代数方程等理论首先为计算、通信与传感系统分别建立适当的数学模型,再将其与现有的电力系统数学模型联立起来以构成比较完整的电力CPS数学模型。

与电力系统类似,从整体上讲电力信息系统模型也可以分为稳态模型和动态模型2类,并分别用代数方程组和微分方程组描述。信息系统建模与电力系统建模的不同之处在于信息系统通常存在若干种离散工作状态,因此需要引入有穷自动机等数学工具处理离散工作状态之间的相互转换。联合采用微分代数方程组、有穷自动机和随机过程理论,就可以构成电力信息系统模型。由于信息系统模型和电力系统模型均以微分代数方程组为基础,因此可以方便地将两者联立,形成电力CPS的统一模型。

1.3 电力信息系统的稳态模型

与电力一次系统类似,电力信息系统也是一个网络化系统,因此其稳态模型可表示为网络流量模型。在电力信息系统中,传感设备和部分计算设备是信息流的起点,其作用是产生信息流并将其注入通信网络中。而另一部分计算设备的作用则是接收信息流并进行相应的分析处理,因而是信息流的终点。通信网络是传输信息的媒介,其中路由器等信息交换设备的主要作用是决定每一个到达交换设备的数据包(packet)下一步应该被交换到哪一个节点。换句话说,路由器的作用就是决定信息在网络中的流向。

基于上述考虑,这里构建电力信息系统的稳态模型。考虑一个有向带权多重图G=(V,E),其中V为图中节点的集合,其元素可以是计算单元、传感单元、信息交换单元或三者的组合;而E表示图中边(通信线路)的集合。对于任意一个信息交换单元v∈V,用Cv表示其信息交换能力(即单位时间内能够处理并送出的信息量)的上限,其单位一般为bit/s或Mbit/s;用Dv表示数据包在信息交换单元中的延时。对于任意一个通信线路l=(i,j)∈E,用Bl或Bi,j代表线路的带宽(band width),其单位一般也为bit/s或Mbit/s。需要指出,由于电力信息系统是用有向图表示的,因此Bi,j和Bj,i不一定相等。此外,采用Dl或Di,j表示数据包在线路中的延时。假定系统中共有N组信息源,以Si,j(k)表示第k组信息源注入系统的信息流量,其中i,j分别表示信息流的起点和目的地;注意这里不要求i,j直接相连。这样,电力信息系统的稳态模型可由下列代数方程和约束条件组成。

1)节点信息流量平衡方程

对于任意节点v∈V,其流入与流出的信息流量相等:

${\displaystyle \sum _{(i,v)\in E}S}{}_{i,v}+{\displaystyle \sum _{k=1}^{{\rm N}{}_v}S}{}_v(k)={\displaystyle \sum _{(v,j)\in E}S}{}_{v,j}+{\displaystyle \sum _{k=1}^{{\rm M}{}_v}{\rm O}}{}_v(k)$ (1)

式中:(i,v)∈E,(v,j)∈E分别表示节点i,j和节点v直接相连;Si,v和Sv,j分别为由节点i流入节点v和由节点v流入节点j的信息流量;Nv为位于节点v的信息源数量;Sv(k)为位于节点v的第k组信息源注入系统的信息流量;Mv为在节点v终止的信息流数量;Ov(k)为在节点v终止的第k组信息流的流量。

2)节点最大信息流量约束

对于任意节点v∈V,其流入的信息流量不能大于其信息交换能力的上限:

$0\le {\displaystyle \sum _{(i,v)\in E}S}{}_{i,v}+{\displaystyle \sum _{k=1}^{{\rm N}{}_v}S}{}_v(k)\le C{}_v$ (2)

3)线路最大信息流量约束

对于任意线路(i,j)∈E,其流量不应大于其带宽:

0≤Si,j≤Bi,j (3)

可以采用上述模型对信息系统作稳态分析,求取其稳态运行点。下文还将对此作进一步讨论。

1.4 电力信息系统的动态模型

上面介绍的稳态模型主要用于解决信息流在通信网络中的路径分配问题。在理想情况下,所有线路和路由器上的信息流量均应不大于其带宽和交换能力上限,此时信息系统处于稳定运行状态。然而,在实际运行中,由于信息源注入信息的速率过快,部分线路和路由器上注入的信息流量常常会超过其带宽或处理能力,其结果是可能造成信息传输的显著延迟和部分数据包的丢失。这就是所谓的通信网络阻塞(congestion)问题。阻塞发生后,信息系统会从稳态进入到一个动态过程,并在通信网络控制系统的作用下,过渡到新的稳态。然而,不当的控制措施可能导致通信网络的阻塞崩溃(congestive collapse)。在通信网络的实际运行中,网络阻塞是经常发生的,因此为信息系统建立准确的动态模型对于评估其性能是非常必要的。

通信网络的动态模型是信息系统动态模型的核心。根据国际标准组织(ISO)所制定的通信网络的开放系统互联(open system interconnection,OSI)模型[14],通信网络按照功能可以划分为7层。由于在电力系统分析和控制中所感兴趣的问题是通信网络造成的数据延迟和丢失现象,因此下面主要针对OSI模型中的网络层(network layer)和传输层(transport layer)建立其动态模型。

在网络层和传输层中,主要的建模对象是路由器、通信线路,以及用于防止网络阻塞的核心控制措施——阻塞控制(congestion control)协议。路由器和通信线路一般都自带内存缓冲(memory buffer),进入路由器和通信线路的数据包将首先存储于内存缓冲里,等待进一步处理和传输。在数学上,可以将内存缓冲用排队论中的队列(queue)表示,缓冲的大小称为队列的最大尺寸,而当前缓冲中存储的数据量被称为队列的尺寸。以最常见的TCP/IP网络为例,当网络中出现阻塞现象时,阻塞控制协议可以采取2种措施以缓解阻塞:一是降低数据源注入网络的数据量,这可以通过减小数据源所在节点上的阻塞窗口(congestion window)的尺寸来实现;二是在各路由器上主动删除一部分重要性较低的数据包,避免出现因为队列溢出而被动丢失数据的情况。当出现网络阻塞时,各节点的阻塞窗口尺寸和各队列的尺寸将发生动态变化,因此可以选择它们作为动态模型的状态变量;而系统的输出一般可以取为各数据流的传输延迟和数据丢失率。与一般控制系统类似,若以X(t)表示系统的状态变量,以Y(t)表示系统的输出,以u(t)表示控制信号,则通信网络的动态模型可以表示为:

$\dot{X}(t)=f(X,u)$ (4)

$\dot{Y}(t)=g(X,u)$ (5)

当系统处于不同状态时,阻塞控制协议的工作机理是不同的。这里仍以TCP/IP网络为例,一个队列可能在空、满和非空非满3种状态中不断转换,而3种状态对应的队列尺寸的微分方程组是不同的。类似地,对应不同的系统阻塞情况,TCP协议存在慢启动(slow start)、阻塞避免(congestion avoidance)、快速恢复(fast recovery)等工作状态;不同状态下阻塞窗口尺寸的微分方程也不同。因此,为了处理信息系统在各种离散工作状态间的转换,可以引入有穷自动机作为数学工具,与微分方程组共同构成通信网络的数学模型。有穷自动机是用来描述一个系统根据若干条件在不同状态间相互转换的离散数学工具。如图1所示,利用有穷自动机可以模拟系统的离散状态转换,而对应有穷自动机的每一个离散状态,系统的动态行为由相应的微分方程组进行模拟。这样的建模方法被称为通信网络的混合系统建模(hybrid system modelling)[15]。需要指出,不同通信网络所采取的网络协议不同,其阻塞控制机制也就不同。因此,在建立通信网络的动态模型时,必须仔细考虑阻塞控制协议本身的特点。

对于计算单元,可以基于排队论和随机过程进行建模。一个计算单元一般由处理器和内存缓冲组成。一个计算任务到达计算单元后,将首先在内存中排队等待。处理器则按照先到先处理的原则逐个处理内存中的任务。因此,可以选择排队论中的D/G/c/∞或M/G/c/∞队列作为计算单元的模型。队列名称中的第1个字母表示计算任务到达计算设备的频率(或间隔时间)的概率分布:其中D表示计算任务将按照确定的频率到达计算设备;M表示计算任务到达的频率服从Markov过程(Poisson过程或Binomial过程)。队列名称的第2个字母G表示计算设备处理一个计算任务的时间服从一个非Markov随机过程,如Gaussian过程。队列名称中的第3个字母c表示该计算单元可以并行处理最多c个任务。这里所谓的并行包括硬件并行和利用软件实现的虚拟并行。队列名称中的∞表示缓存中等待的任务数无上限。由于存储设备成本很低,目前计算设备的存储空间一般很大,因此可以近似认为计算设备中等待的任务数没有上限,即不会发生因为缓存不足而丢失任务的情况。对于电力信息系统而言,计算任务包括各种电力系统分析任务(如潮流计算、在线安全分析等)和控制策略计算任务(如电动汽车或分布式电源的最优控制策略等)。应针对不同计算任务的特点选择适合的到达频率和处理时间的概率分布。基于上述考虑和概率分布,可以求出计算单元的性能指标(如各种任务的平均处理时间)。在此基础上,可以进一步求出计算单元向网络注入数据的速率(如向网络中发送控制信号的速率)。

对于传感单元的建模,需要考虑的重点问题在于传感单元数据产生速率所服从的随机过程。可考虑采用的模型包括连续时域随机过程如Wiener过程,Markov过程如Poisson过程,以及厚尾过程如Pareto过程等。

综上所述,利用微分代数方程组、有穷自动机、随机过程、排队论等工具,可以建立电力信息系统的动态模型。将信息系统的动态模型与电力系统的动态模型联立即可得到电力CPS的动态模型。

2 电力CPS的分析方法

2.1 电力信息系统的稳态分析

前已述及,当通信网络各节点和线路上注入的信息流量小于其交换能力和传输能力上限,且系统未发生故障时,信息系统处于稳态。根据通信网络的线路负载情况,一个数据包可以选择多条不同的传输路径;因此一般情况下,信息系统可能存在多个稳态运行点。稳态分析的主要目的就是基于稳态模型寻求最优稳态运行点。信息系统的稳态分析可以通过求解通信网络的最优路由问题实现,是一个以式(1)～式(3)为约束的优化问题。最优路由问题的优化目标可以给定为平均传输路径最短、平均延时最短、数据丢失率最低等。通过求解最优路由问题,可以得到每条通信线路上的信息流量,并获得稳态情况下每组数据流在网络中的传输延迟。

最优路由问题在通信领域已得到了比较充分的研究,且研究重点在于发展有效的求解算法和如何对注入网络和流出网络的数据流量相关的不确定性进行适当处理等。常用的优化方法包括传统的图论方法,如Bellman-Ford算法和Dijkstra算法[16],以及数学规划方法,如线性规划和整数规划等[17]。这些方法可以直接应用于电力CPS的分析之中。

2.2 电力信息系统的动态分析

信息系统动态分析着重求解在通信网络因存在阻塞或发生故障而处于暂态时信息系统的关键性能指标,如传输延时和数据丢失率等变量的时变路径,以及判断系统是否会发生阻塞崩溃现象。信息系统动态分析一般通过信息系统仿真来实现。

信息系统仿真是通信领域的一个重点研究方向,常用方法包括数据包级仿真[15]和流仿真[15,18]2类。数据包级仿真通过仿真所有单个数据包在网络中的行为,进而获得整个网络的行为特征,如实际带宽、延迟时间、是否发生阻塞、数据丢失率等。通过模拟单个数据包的行为,数据包级仿真可以达到很高的精度。计算速度慢是数据包级仿真的主要缺点。可以首先利用数据包级仿真对系统进行离线分析,进而确定电力信息系统的运行状态。此外,数据包级仿真的结果可以用于估计信息系统模型的有关参数。

另外一种信息系统仿真方法则是基于2.4节介绍的动态模型,来直接求解系统状态变量(如队列尺寸、阻塞窗口尺寸、线路流量等)的时域解。这种方法被称为电力信息系统的流仿真。流仿真的计算速度比数据包级仿真快得多,可以用于对信息系统进行在线评估。

要进行信息系统的流仿真,就需要求取作为信息系统动态模型的微分代数方程组的时域解。在假定信息系统内不存在不确定性因素的前提下,一些经典的常微分方程求解方法,如Runge-Kutta法[18]已经被应用于流仿真之中。然而,如上文所述,在信息系统中,计算单元和传感单元的行为都是不确定的,需要用随机过程进行建模;此时系统的动态模型将由常微分方程变为随机微分方程。因此,就有必要深入研究针对随机微分方程的有效求解算法,如随机Euler法和随机Milstein法等。

2.3 电力CPS的可靠性分析

由于信息系统对电力系统运行具有显著影响,因此在电力CPS的可靠性分析中,除了发电机组和输电线路等电力系统元件之外,还必须计及信息系统元件故障对于电力系统可靠性的影响。因此,评估电力信息系统的可靠性是评估电力CPS可靠性的重要一环。

与电力系统可靠性分析类似,可以将电力信息系统的可靠性分析分为确定性和随机性两大类。在确定性、可靠性分析中,可以基于“N-1”原则,任意移除系统中的1台路由器、计算设备、传感设备或1条通信线路,然后评估移除该设备对信息系统的影响。评估方法则可利用上文介绍的信息系统稳态分析方法,判断通信网络中是否会出现阻塞,并进一步计算每一组信息流在网络中的延时和数据丢失率。在得到延时和数据丢失率后,则可针对电力CPS控制系统的特点,为发电机组、电动汽车、储能设备、负荷、输电设备等设定延时和数据丢失率的阈值。若控制信号从控制系统发出到达任意设备的延时,或者任意设备的状态信息到达控制系统的延时超过给定的延时阈值,即可认为系统对于该设备失去控制能力。类似地,若控制信号或者状态信息在传输过程中的丢失率超过给定的允许比例,也可以认为系统对该设备失去了控制能力。在确定失去控制的电力系统设备后,即可应用传统的电力系统可靠性评估方法分析信息系统故障对于电力系统可靠性的影响。与电力系统可靠性分析类似,电力CPS可靠性的最终评估指标也可以采用期望不满足电量(expected unserved energy)等。

另一方面,对于电力CPS的随机可靠性分析,首先可以基于历史数据获得信息系统设备的故障概率模型。引起信息系统设备故障的原因一般包括机械故障、人为操作失误、网络攻击3种。可以先分别建立这3种情况的概率模型,再汇总得到各设备的故障概率模型。之后,基于设备的故障模型,可以利用Monte Carlo仿真随机产生信息设备故障,然后采用与确定性、可靠性分析类似的办法计算期望不满足电量等指标。

2.4 电力CPS的安全性分析

电力信息系统发生故障会威胁电力系统的安全。因此,有必要发展有效的电力CPS安全性分析方法。由于信息系统故障的结果通常是控制中心失去对相关电力设备的控制能力,因此信息系统故障对于电力系统造成的影响一般应作为大扰动。所以,在电力CPS的安全性分析中,应该着重考虑信息系统故障对电力系统暂态稳定性的影响。

电力CPS安全性分析的一般步骤为:①首先建立电力信息系统的预想事故集;②针对每一个预想事故,利用上文介绍的电力信息系统动态模型评估通信网络中是否会发生阻塞,并计算之后一个较短时段内信息系统的性能指标(传输延时、数据丢失率)的时变路径;③基于传输延迟和数据丢失率等指标,判断可能失去控制的电力设备;④假定从系统中同时移除这些失去控制的设备,然后应用现有的暂态稳定分析方法,如时域仿真或扩展等面积准则(EEAC)法,评估电力系统是否能够暂态稳定。

2.5 电力CPS的综合仿真

构建电力CPS的主要目的之一就是在更大范围内全面采集和利用与电力系统相关的各种信息,并在此基础上实现系统综合仿真,以便于调度人员和其他市场参与者全面掌握电力系统运行状态并在此基础上作出决策。从总体上讲,电力CPS综合仿真主要包括信息、物理和经济3个层面。在信息层面上,仿真的目的就是利用电力信息系统分析方法评估信息系统运行状态以及其对电力系统的影响;在物理层面上,仿真的目的是评估电力系统自身运行状况,以判断系统是否能够安全稳定运行;在经济层面上,仿真的目的则是根据电力系统运行状态和一些关键市场信息的预测结果,预测市场运行状态 (如电价和机组调度结果)。除了上述3个主要方面外,在电力CPS的综合仿真中还可以进一步计及能耗和碳排放等因素,从而形成智能电网的“信息—物理—经济—能耗—排放”综合仿真。

由前面的讨论可以看出,智能电网与相关的电力市场、碳排放市场等共同构成了一个非常复杂的系统。对这样一个复杂系统的仿真涉及到海量信息的存储和分析,以及性质各异的多种计算任务。电力系统传统的集中式计算平台难以满足对这种复杂系统综合仿真的需要。因此,必须考虑引入云计算[19]等大规模分布式计算技术来解决计算和存储能力不足的问题。云计算通过整合广域环境下的异构计算资源以获得强大的计算和存储能力。另外,在云计算体系下,对于一些较为复杂的计算任务,如电力系统安全分析,可以将其按照区域分解为若干子问题,并利用各区域内的计算资源尽可能就地解决,以减轻海量信息传输给通信网络带来的负担。

3 电力CPS的混合控制方法

未来的智能电网必须依赖通信网络在调度机构和智能负荷、分布式电源、电动汽车等设备之间传递信息与控制信号。因此,未来的智能电网将是一个典型的网络化控制系统。而另一方面,考虑到通信网络在实际运行中存在由于故障或网络攻击而暂时失灵的可能,完全依赖网络化控制有可能会降低系统运行可靠性。因此,在智能电网环境下较为理想的控制方式应该是网络化控制与本地控制相结合的混合控制。

网络化控制系统(networked control system,NCS)是指传感器、控制器和执行器(actuator)分布在不同网络节点上,且必须通过通信网络交换信息的控制系统[20]。网络化控制系统是近年来控制领域的研究热点。控制领域的大量研究表明,通信网络阻塞造成的传输延迟和数据丢失对于控制系统的性能具有很大的影响,严重时可能造成控制系统失稳和崩溃[20,21,22]。解决传输延迟和数据丢失的常用方法主要有以下2种。

第1种方法是在控制系统模型中显式计及传输延时和数据丢失的影响,然后利用解析方法评估控制系统在一定的传输延迟和数据丢失率下是否能够稳定工作。

第2种处理传输延迟和数据丢失的方法被称为延迟和丢失补偿[21,22]。其核心思想是在任意一个时间点上,控制系统不仅要计算当前的控制信号,还要根据系统状态变量的模型预测值计算未来几个时间点的控制信号,并一起发送到执行器。一旦当前时间点的控制信号因为传输延迟或丢失而没有到达执行器,则执行器将根据之前收到的预测控制信号发出执行指令。如图2所示,含有延迟与丢失补偿环节的执行器有“同步”和“中断”2种工作状态。在正常情况下,执行器处于“同步”状态。一旦执行器没有收到当前时间点的控制信号,则转入“中断”状态,根据预测控制信号发布执行命令,直到其收到新的控制信号为止。将延时与丢失补偿法应用于电力系统的关键在于如何建立准确的系统信息(常规发电机组出力、负荷水平、风机出力、太阳能光伏系统出力、电动汽车电池电量水平等)预测模型,并发展高效的优化算法,以有效地产生高质量的预测控制信号。

控制方法和控制系统的性能受到电力信息系统性能的制约。一方面,计算系统的性能决定了某种控制算法的最高时间复杂度。若控制算法过于复杂,则计算系统可能无法及时完成控制指令计算。另一方面,通信网络的性能决定了某种控制方法可以利用的最大信息量。一般而言,利用的系统信息越多,越有可能得到更好的控制策略。然而,通信网络的性能决定了能够从传感装置流动到调度中心或变电站的信息量的上限。由于智能电网不可能从头建立,其必然是从现有电力系统逐步演变而来,这样从降低成本的角度出发,智能电网的通信,尤其是从地调到分布式电源和终端用户的通信,将很可能利用现有的通用通信网络(如Internet)来实现。这样,在实际系统运行中,电力信息系统的性能未必能够满足控制系统的要求。这就对控制方法和控制系统的灵活性提出了很高的要求。从这个角度考虑,电力CPS的控制应该可以在多种控制方法之间灵活切换。在信息系统性能允许的情况下,应该选择从整体上最优的控制方法,例如由调度中心进行全局最优控制。一旦信息系统的性能因故障或外部攻击有所降低,系统将基于前面提出的稳态和动态分析方法,来自动选择次优控制方法(如分层分区控制);信息系统当前所具备的性能应该能够保证该方法的稳定运行。在严重情况下,如通信网络大部分失灵或失去调度中心主服务器的情况下,各种设备将依据本地信息实施本地控制。利用上述多种控制方法相结合的混合控制策略,可以提高电力系统运行的安全与可靠性水平以及运营效率,并减弱信息系统失灵对电力系统的负面影响。

4 结语

到目前为止,电力系统与电力信息系统的研究基本上是相互割裂的。现有的电力系统分析与控制方法不能适当容纳电力信息系统的模型,这是阻碍电力信息系统与电力系统深度融合并最终实现智能电网的主要障碍之一。在此背景下,本文提出了电力CPS的基本理论和方法,较为系统地讨论了电力CPS的建模、分析和控制等问题,为电力CPS的研究建立了一种基本框架。

电力CPS研究的核心内涵是如何有效地实现信息系统与电力系统的相互融合与协作。本文首先基于微分代数方程组、有穷自动机、随机过程、排队论等数学工具,建立了电力CPS的稳态和动态模型。之后,系统讨论了信息系统稳态分析和动态分析问题。在此基础上,提出了电力CPS的可靠性分析与安全性分析的基本思路与方法。最后,论述了通信网络的传输延迟和数据丢失对于电力系统运行控制的影响,提出了延时与丢失补偿机制,以及基于多种控制方法相结合的控制策略。

信息与物理融合系统 篇2

作者：仇广群 文章来源：盐城市泽夫中学 点击数：2106 更新时间：2010-1-11 11:24:16

摘 要：随着现代教育技术的普及与应用，如何让现代教育技术的各种手段完美地融合到初中物理课堂中，是每个初中物理教师面临的一个重要课题。本文介绍如何应用现代教育技术来改变传统的教学模式，来优化物理学科的教学。

关键词：信息技术

物理教学

融合

随着现代信息技术的迅猛发展，以网络技术和多媒体技术、现代教育理论为核心的现代教育技术已成为提高课堂教学的重要手段。Internet网与校园网的开通为中小学教学提供了丰富的课程资源。使网络教学真正成为现实，同时也为中小学教育开辟了广阔的前景。由于它的迅捷性、多通道等特点，使以前物理教学中难以呈现的现象、过程等在信息技术工具上得以显示和验证，有利于培养学生各方面的能力，进而启迪思维，开拓思路。但同时也应看到，信息技术只是辅助教学工具，不是万能的，对于信息技术对物理教学的影响，应从以下几个方面来认识：

一、信息技术在物理教学中的优越性 1．利用多媒体课件，发挥演示实验作用

物理是一门以实验为基础的学科，实验教学和演示实验是中学物理教学的重要一环。丰富多彩、生动有趣的实验是物理实验教学的特点，利用实验课不仅可以让学生记住某些相关结论、实验步骤，而更为重要的是能够使学生透彻理解并且完全掌握产生实验结论的过程。在普通物理课堂的演示实验中，由于受到常规实验仪器本身的限制，实验效果常不如人意。而通过多媒体技术模拟实验的辅助, 模拟一些重要的，但在现实实验环境下难以完成的一些物理实验，则可弥补常规实验仪器的不足，提高物理实验的演示效果。

如笔者在做凸透镜成像规律实验时，先用常规仪器按传统实验方法进行演示，由于常规实验仪器的限制蜡烛在光屏上所形成的像随着物距的变化而变化的这一现象不是很明显，致使学生对凸透镜成像的特点不甚理解，并产生迷惑。此时我改为采用多媒体技术进行凸透镜成像规律模拟实验，演示物距从无穷远至小于焦距的整个实验过程中物距、像距和像的变化的情况，整个模拟实验过程流畅、直观、明了，从而使学生对该实验有了一个清晰完整的认识。由此可知通过信息技术与物理实验融合，可以突破常规实验仪器的局限性，所以我们应当充分发挥信息技术的特长，对那些难以观察到的、复杂、困难的实验进行模拟和提供帮助，成为常规实验的补充，并把两者结合起来，使实验教学上升到一个新的层次，从而有助于学生发现规律、获得知识，提高学生的科学文化素质和实验技能水平。

2．利用多媒体课件的动态模拟功能，还能帮助学生从相似的物理现象中找到本质的联系，使叙学能够由表及里。

在《电磁感应》一节中，探索产生感应电流的条件是本节的难点，笔者在处理这部分教学内容时，先让学生自己做实验，研究出导体或磁体朝什么方向运动时能产生电流。通过实验，学生找到了产生电流的方法，但大部分学生，对于为什么这样做会产生电流，缺乏对其本质的认识。于是学生实验后，教师进一步提出问题；“为什么无论是导体还是磁体在朝某些特定的方向运动时，导体中均有电流产生”？而解答这个问题所需要的磁场是看不见，摸不着的。同学头脑中很难建立起相应的物理图景。笔者在一个班用画图，打比方的方法，给学生讲这个原因，虽然自己的语言已经足够生动、形象，但从学生面部表情的反映可以看出，仍有相当一部分人还是似懂非懂，只得死记结论。究其原因，我认为还是教师未给学生提供充分的形象思维的条件，也就很难让学生进行抽象思维。而另一个班中，利用课件，演示了在磁场中加画磁感线后，无论是导体还是磁体运动时，磁感线被切割的现象，由于学生亲眼看到了这个现象，所以，无需教师多费口舌，学生就找到了两种运动的本质特征，即：导体在磁场中做了切割磁感线的运动，这正是产生感应电流的根本原因。这样使学生通过直观、形象的动态画面，认清了概念的本质，可见多媒体课件对学生深入理解物理概念起到了不可替代的作用。

3．利用课件帮助分析电路，从根本上改变了人与书对话的形式。

在电学问题中，有一类电路由于有烧毁电源、电表、用电器等危害，因此在实际操作中不允许出现。以前学生只有通过看书，正因如此，很多学生就缺乏感性认识，难以体会到其危害的严重性，也就更谈不上让其动脑筋，设法解除危害了。若利用多媒体课件，就可以把这类实验中应杜绝的现象通过屏幕展示给学生，使他们能亲眼看到这些危害，也就容易促使学生主动寻找解决问题的办法。在《电功率》、一节中，我提出一个问题：“有一只„2.5V，3W‟的小灯泡和一个电压为4V的电源，若要使小灯泡正常发光，应怎么办？”解答这个问题需利用串联电阻可以分压的知识。为了帮助学生理解串联电阻可分任的特点如果用边画图，边讲解的方法，采用问答方式，让学生知道；当实际电压超过额定电压时，灯会被烧坏。如何解决这一问题？再引导学生考虑串联分压，试图让学生体会到串联分压的应用，效果不会很理想。但如果利用电脑先演示灯直接连在该电源上，由于电压过大，灯泡被烧坏的情景，引起了学生极大的注意和兴趣。接着再利用课件所具有的动态特点，演示在原电路中串联一个电阻，分去了一部分电压，灯可以正常发光的动态画面。这样就会给学生留下了深刻的印象。同时帮助学生理解了“串联分压”的特点。而且利用课件件还能使其更真切地体会到物理知识和实际问题的密切联系，有助于增强学生自觉运用知识解决实际问题的意识。

二、信息技术与物理教学融合中的问题

信息技术与物理教学融合，促进了物理教学改革，在学生素质教育方面有着不可忽视的作用。但同时，由于这种融合仍处于探索阶段，在实施的过程中出现的一些问题，应引起我们的重视。一是信息技术手段喧宾夺主，影响了教学效果。综观眼下各种各样的研究课、评优课，多媒体是必备的教学用具，教学课件的应用使得整节课生动有趣，师生积极参与。但在有些课后对学生的调查却反映，给学生留下深刻印象的是花花绿绿的动感画面，往往是动画播放完毕，学生的注意力不能及时转移到课堂教学中来，影响了教学的进行。还有的老师为了体现课堂教学的“大容量”，例题一题接一题，本该让学生逐步思考、推导、反思的过程被鼠标的快速点击带过，挫伤了学生主动思考的积极性。二是过分依赖模拟实验，忽视传统实验。由于传统实验要有相关的仪器设备，相应的技术手段与技巧，做实验费时且容易失败，这些都导致了一些老师认为传统实验很麻烦，不如教学课件简单明显，成功率高，喜欢用模拟实验代替传统实验，用鼠标敲击的虚拟过程代替本该亲自动手完成的实验，这恰恰是违背素质教育精神的。传统实验在开发学生探究乐趣，培养学生动手能力和团队精神，锻炼学生坚韧不拔的毅力，鼓励学生不怕遭受挫折，从失败中吸取教训总结规律、体验生活等方面，有着模拟实验无法取代的教育功能。

三、把握信息技术的应用，进一步深化教学改革 1．回归信息技术的本位

盲目使用信息技术，会出现教师与学生过分依赖计算机，将物理展示过程变成机械式在现，教学设计缺乏灵活性，教学实施见物不见人，见技术不见精神。随着信息技术与学科教学融合的进一步深化，教师对于信息技术在教学中的应用应有清醒的认识：信息技术只是一种教学工具，要服务于教学，应设法找出信息技术在那些地方能增强学习效果，能使学生完成那些用其他方法做不到的事，或教一些重要的生活技能。这样教师才能够从容地把信息技术用到自己的教学去，合理地选择和组合各种媒体，把它们融入到整个教学过程中，使它们就像以前的粉笔与黑板一样成为教学过程中天然的、不可缺少的一部分。

2．把握信息技术在物理教学应用中的原则

信息技术在教学中应用时必须遵循一定的原则，才能得到良好的效果。(1)目的性原则：信息技术应用的目的指导和支配着教育教学活动，有了明确的目的，才能避免任意性和盲目性，使教育教学活动沿着正确的道路前进。(2)整体性原则：在教育教学中，教师、教育信息、现代教育技术、学习者是一个相互联系、相互依赖、相互制约的整体，必须处理好各要素之间的关系，使教育教学系统的整体功能得到充分的发挥。(3)主体性原则：在教学中，教师和学生都是主体，是双主体。只有发挥两个方面的积极性，双方都积极参与活动，才能取得良好的效果。(4)视听与思考结合的原则：在信息技术应用于物理教学时，视听与思考紧密相连，不可分割。在教学中不能使学生的认识仅仅停留在感性阶段，必须上升到理论阶段，由形象思维向抽象思维转化。(5)及时、准确的反馈原则：学生对教师的教学做出反应是反馈，教师对学生的反馈做出评价也是反馈。不论是学生的反馈还是教师的反馈，都要及时、准确，才能起到调控教学过程的作用。

3．教师应有先进的教学理念 对计算机辅助教学的研究发现，尽管计算机在教学中有很大的应用潜力，但它决不是万能的，它只是一个工具，一种技术，计算机能否在教学中发挥作用，作用发挥的程度怎样，取决于教师怎样使用它，而其中的关键环节在于教师如何设计自己的教学，从而以适当的方式把计算机用到教学中适当的环节。而教师的教学设计思想来源于教师的教学理念，教师只有通过不断的学习总结，发现自己的不足，摒弃自身已有的落后理念，有意识地尝试和实践科学的、先进的理念，才能避免形式上的融合，避免低效甚至无效的融合。(1)教学不仅仅是呈现新知识，而且要探发学生已有的知识经验，让学生运用现有的经验理解新知识，帮助学生在新旧经验之间建立联系，从而把新知识同化到经验体系中去，成为自己的经验。(2)学习意味着灵活运用已有的知识来解决问题，特别是实际生活中具有一定复杂性的真实具体问题，而不只是编造出来的书本题目。学生需要学习各种科学原理，但又不能停留在抽象的概括水平上，而要与具体的现实问题联系起来，看到它在具体情况下的变式，并综合运用各方面的知识经验来解决实际问题。教师要针对教学内容，寻找和创设问题情景，引导学生的探索。(3)教学要增强学生之间的讨论、交流，使学生看到同伴解决问题的方法，对各种现象的理解，在相互讨论中增进对知识的理解和对学习过程的自我监控。(4)教学还意味着使学生学会学习，使学生明确自己想学什么，不断地反思自己学习的如何，效果怎样，是否有更好的学习方法等，增强对学习过程的监控，学习和灵活运用学习策略。总之，现代教育技术应用于初中物理教学，对传统教育理念和课堂教学模式的冲击是非常之大的，但它并不排斥传统的理论、实验教学模式，实际运用中应把它们两者辩证统一起来，最终实现现代教育技术与初中物理学科课程教学的科学融合。通过融合激发学生对物理学科学习的兴趣，课堂内外参与意识会增强，对知识的理解掌握程度会加深，尤其是实验教学，学生的实验理解能力、动手能力。创新能力均会取得长足的进步。同时，现代教育技术与初中物理学科课堂教学的融合也能鞭策物理教师进一步构建新的教学模式，完善课堂教学，使教学过程更具有科学性，帮助教师在课堂上更合理地掌握和利用时间，吸引学生的注意力，使学生在课堂上接受和掌握更多的知识，发展更多的能力。

参考文献：

1．黄河明主编：《现代教育技术》

四川教育出版社1999年 2．初中物理新课程标准解读

信息与物理融合系统 篇3

关键词 初中物理；实验教学；信息技术

中图分类号：G633.7 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2016）05-0158-02

1 前言

随着信息技术的发展，以其自身特点逐渐成为现代教学的重要手段，特别是在实验教学中起到至关重要的作用，大大提高了实验教学的效率[1]。因此，教师要重视信息技术在实验教学中的应用，推进信息技术和物理实验教学相整合，为实验教学注入新的元素，激发学生学习的热情和兴趣，促进学生动手能力的提升，提高物理实验教学的质量水平。

2 初中物理实验与信息技术融合分析

在初中物理实验教学中，教师要用信息技术更新物理教学模式，改进课堂教学手段，不断优化教学内容和教学过程，全面提高物理实验教学效率。

利用信息技术方便学生实验观察 传统实验教学可视度较差，有些实验现象转瞬即逝，学生稍不留神就无法看到；有些实验现象不是特别明显，坐在后排的学生也无法观察，这就在很大程度上降低了实验教学的效率[2]。教师可以充分利用信息技术，灵活运用投影，将实验过程放大，让学生直观清晰地观察整个实验过程，吸引学生的注意力，提高学生的学习兴趣，提高实验教学的效率。

如在教学“光的折射”时，很多教师一般都会按照教材中的实验方法做“光的折射”实验，即：通过装满水的玻璃瓶让学生观察光经过玻璃瓶后所发生的路径变化，但是由于教室中的学生具有不同的观察视角，受到可见度的影响，很多学生没法清楚观察，极大影响了教学效果。针对这一现象，教师可以借助投影仪放大实验现象，这样坐在教室每一个角落的学生都能清楚看到整个折射过程，从而激发学习欲望，提高课堂教学质量。

此外，还有一些实验受到场地限制，无法用实物投影加以展示。教师可以灵活运用外置摄像头，将对空间具有依赖性的实验过程搬到学生面前，增强学生的学习效果。

物理实验中包含很多微观反应，难以用肉眼观察清楚，此时可以运用现代信息技术，采用特写处理的方式，将实验过程清晰直观地呈现出来。比如在“汽化与液化”实验中，教师可以用高清摄像技术将整个过程录制下来，然后在大屏幕上播放，通过慢放、回放、重复播放等方式，让学生清晰观察整个实验过程，更好地理解液体的蒸发与气体的液化。

利用信息技术有效开展探究教学 物理是一门以实验为基础的学科，通过信息技术可以为学生提供广阔的实验探究平台[3]。教师要为学生提供动手实践的机会，而非只“看”，只有让学生亲自动手参与实验过程，才能真正培养发现问题、分析问题、解决问题的能力。因此，在实际教学中，初中物理实验教学要改变传统的死记硬背教学模式，不能单纯依靠重复、呆板的训练来加深学生印象，而是要注重培养学生的科学探究精神，促使学生主动观察、分析、动手和实践，养成细心观察、积极动手的良好习惯。

教师可以教会学生使用几何画板、虚拟物理实验室等计算机功能，让学生自主探究无法在教室中演示的实验，用多媒体技术模拟实验过程，加深学生对实验的印象。对于刚刚迈入初中阶段的学生来说，他们对于物理定义、实验的概念并不是特别清楚，需要从身边事物入手，掌握新的概念、定义与规律。在进行实验指导时，教师要借助现代信息技术，在学生脑海中构建“提出问题、设计实验、观察实验、分析问题、得出结论”的实验模式，其中最为重要的是提问环节。信息化社会为学生认知世界提供了丰富的途径，教师要充分利用生活中的有趣现象或多媒体制造相应的教学情境，激发学生的实验兴趣，引导学生提出各种问题，帮助学生熟练掌握正确的实验模式。

在设计实验环节，为了让学生深有感触，应要求学生自主动手，从网络中查找相关资料，自主参与实验设计过程。同时要鼓励学生相互交流，发现问题后要及时改进，深刻了解物理概念与物理规律。在完成观察与讨论的基础上，正确记录实验数据和实验结果，指导学生运用Word和Excel等办公软件，将结果上传至班级网站，实现资源的共享。如果实验出现不同的结果，就要及时分析问题所在，此时可以采用小组交流的方式，遇到不会或不懂的问题可以通过电脑查询，还可以咨询教师。最后，学生将自己的实验结论以PPT的方式呈现出来，与全班学生一起共享。可以看出，在物理实验教学过程中借助信息技术营造探究氛围，为学生提供广阔探究空间，实现思维空间的拓展，促进学生全面发展。

合理利用智能软件模拟物理实验 信息技术具有强大的交互性和超链接功能，在教育教学中能发挥巨大作用。尤其是某些实验智能软件，是依据物理规律设计而成，不仅仅是简单的模拟，还可以强化学生的感性认知，深化学生对物理规律的理解，全面提高学生的实验效率。如在教学“电路”这一部分时，电路的识别与设计既是重点，也是难点，不是一两天就可以全部掌握的，需要学生经过大量的电路连接才能学好。但是让学生整天待在实验室中是不现实的，此时可以借助智能软件解决问题。

比如有一款仿真物理实验室的软件，其中包含大量的电路实例，也可以自己设计和绘制，在需要时随时调用即可，还可以通过一键完成实物图与电路图之间的转换。通过这样的软件，学生即使在家里也可以做相关实验，不管是实验器材还是规格，都可以自主调整，并自主检验所设计的电路能否顺利运行。最后还可以保存设计，拿到课堂上与教师和其他学生一起交流。如教师要求学生模拟设计医院病房中的呼叫电路，学生可以利用课余时间自主设计，并通过软件验证是否可行，在课堂上展示自己的作品，与其他学生交流讨论、取长补短，提高学生的创新意识和创造能力。

此外，这款软件还包含光学、热学、力学等不同的模块，基本涵盖整个初中物理课程，为学生自主设计物理实验提供了很好的平台，不但能充分调动学生的实验兴趣，而且能充分激发学生的创造力和内在潜能。

3 结语

信息技术在初中物理实验教学中的应用，能够方便学生实验观察，更加清楚地观察实验现象，加深理解；还能设计探究教学模式，促进学生主动参与实验过程。另外，信息技术中的一些模拟软件可以对一些传统实验做进一步的补充，从而增强实验教学效果。因此，在实际初中物理实验教学过程中，教师要开拓思路，在每一堂课的实践过程中进行比较、记录，不断探索，增强信息技术与初中物理实验融合的效果。

参考文献

[1]王冉.多媒体技术在中学物理实验教学中的应用[J].天津市教科院学报，2006（3）：56-57.

[2]易克颖.多媒体技术与中学物理实验教学[J].当代教育论坛，2006（12）：102-103.

信息与物理融合系统 篇4

提升建筑环境中资源调度的合理性与稳定性是做好水资源最优分配的基础工作, 目前可应用于资源调度的方法与手段有很多, 诚如跨区域水电站群优化调度初步研究[1], 区域洪水资源的供水补偿作用及优化配置研究[2], 多目标随机规划分配模型[3]等。考虑智能决策在资源分配中可起到最优化这一目的, 采用基于信息物理融合系统CPS[4,5]的模型来解决由复杂系统所形成的异构性难点。CPS在环境感知的基础上, 融合了深度计算、通信和控制能力, 通过计算进程和物理进程实时交互来增加或扩展新的功能。本文将CPS与多智能体融合起来, 利用语义服务与粒子群算法的提取与处理功能将信息重新整合, 得到智能体可识别的优化策略, 实现水资源的合理调度。

目前基于语义服务配合多智能体的CPS模型系统已正在研究中, 文献[6]提出了基于CPS异构环境的分布式实时任务系统, 并引出两种容错算法;文献[7]研究了将差分进化与多智能体相结合的算法, 提出利用局部寻优来提高精度的方法;文献[8]介绍了在工业环境中如何将多智能体与“分解—综合”思想相结合, 为过程控制系统提供解决方案;文献[9]探讨了在井下引入CPS系统的设计方案, 以井下环境作为监控对象, 建立矿井作业环境的CPS模型。综上所述本文提出将语义服务和多智能体融合于CPS系统的思想, 充分发挥这三方面间的优势, 将水资源分配网WAS (Water Allocation Systems) 进行优化性能分析。

1 建筑环境CPS的水资源分配模型描述

在水资源分配结构中, 我们基于语义转换服务和多智能体的交互作用来构建模型, 并将模型应用于建筑环境CPS系统之下, 其目的在于为公众提供一个智能优化的水资源分配方案。根据构建的WAS结构模型可知, 不同层次结构处理不同的信息, 将信息处理结果汇总到智能体之中, 建筑环境CPS系统予智能体感知环境、执行感知、同其他智能体通信、动作展示以及服务于目标的能力。WAS的结构展示如图1所示。

由图1可知, 物理采集节点由大量传感器构成, 负责对水资源环境进行数据采集。在智能处理过程中首先将传感器采集的环境数据进行语义转换, 提取出可利用的目标信息, 再使用粒子群算法对转换结果进行最优化处理, 多智能体根据处理结果来控制物理设施实体实现水资源的分配, 完成建筑环境智能化的需求。

2 水资源分配模型的构件组成

2.1 语义转换服务

在WAS模型结构中, 利用语义服务处理传感器采集的数据, 进而提取可利用的目标信息来服务智能算法。因UML建模语言具有丰富的图形种类并可从不同角度支持系统设计, 所以在语义服务中利用UML来进行设计分析[10]。图2显示的是故障检测中语义服务过程的信息分层。

故障诊断语义服务处理过程的伪代码如下:

WAS中如未发现故障问题, 即语义转换得到的结果为正常条件。我们将基于算法来采取决策, 通过CPS节点 (即多智能体) 定量对各个水体分支进行水量的合理调度。图3所示为WAS分配流程图。

2.2 改进的粒子群算法

WAS结构将改进的粒子群算法融入智能处理过程, 利用语义服务的结果为改进的粒子群算法提供实时信息支持, 将目标最优解提供给多智能体, 进而实现水资源的合理调度。粒子群算法PSO (Particle Swarm Optimization) 作为全局搜索策略, 采用速度-位移模型, 易于实现[11], 因此模型可基于PSO算法实施方案决策, 将语义服务后的提取信息当作局部粒子, 根据粒子对建筑环境的适应程度进行小范围区域移动, PSO算法的基本方程如下:

PSO算法在进化初期收敛速度快, 运算简单, 易于实现, 但在进化后期收敛速度变慢, 同时收敛精度不高, 在此可通过改变基本粒子群进化方程这一策略来实现对PSO算法简化与优化[12]。考虑每维的更新相互独立, 公式可简化到一维进行, 下标d可省略, 令将式 (1) 、式 (2) 中变量上标移到变量后括号中, 可变换得:

将式 (3) 和式 (4) 迭代可以得到式 (5) :

式 (5) 是不含速度项的经典二阶微分方程 (假设粒子的位置移动为连续过程) 。此方法可以没有粒子速度的概念, 进而可避免设定参数所产生的误差。

由上可得不含速度项的粒子群简化方程为:

式 (6) 右边第1项为“历史”部分, 表示过去对现在的影响, 来调节影响程度;第2项为“认知”部分, 对其自身调整;第3项为“社会”部分, 表示与邻近粒子的比较。采用式 (6) 可变为一阶微分方程:

由式 (5) 与式 (7) 比较可知, 改进的PSO方程在去掉速度参数的情况下, 自身公式也进行了降阶处理。简化了对语义服务数据操作的分析与控制过程。图4为改进的PSO简略流程图。

2.3 多智能体系统的实现

在建筑环境CPS下的WAS模型中, 粒子群算法的最优结果将被智能体所利用来进行基础设施的控制, 从而实现调度方案的优化。智能体本身具有自主控制和决策的功能, 可压缩多种属性于其自身之中, 并能够捕获其自治性和异构性间的作用[13], 而多智能体是由多个具有自主性的智能体构成的, 在复杂系统设计中将复杂问题分解成为多个子问题, 各个子问题通过智能体间的协作来完成任务[14]。UML的图形化语言在进行多智能体系统设计方面具有很大的优势, 它可以验证各个模块之间的交互、通信和依赖、继承等关系[15], 并直观地进行各种关系间的表示。

本文使用UML的用例图来描述WAS中的多智能体架构。用例图可捕捉外部大量参与者的相互作用, 服务于既定目标 (这里特指水资源的分配) 的完成。图5显示了在WAS中的参与者与用例。

在用例图中具有CPS节点的智能体作为角色参与者存在, 利用改进的PSO算法来实现对实体设备的管理, 算法即可以利用那些完整性经过检验的合理数据 (经过证实的) , 也可以采用历史数据来进行计算的调整。与此同时, 局部智能体同其他智能体间通过CPS来进行实时的信息分享, 为系统提供了资源的全局性视角。图6描绘了在CPS系统下WAS的数据状态转换, 即数据由传感器网络经语义服务后送入多智能体这一过程的状态变化。

3 水资源分配的模型设计

图7描述了CPS系统下的WAS模型整体结构, 传感器网络采集环境信息 (水量、水压、水体质量等) , 上层的语义服务对环境信息进行转换与提取, 并输送给粒子群决策算法, 改进的PSO算法可将提取的语义信息进行目标最优解搜寻, 方便多智能体进行稳定快捷调度操作。

在模型结构中语义服务作为中间机构为改进的PSO算法提供支持, 过滤了外界的无用信息, 简化了上层的处理对象, 提高决策准确性。改进的PSO算法进行数据计算, 通过实时的数据变化来得到建筑环境中供水需求的最优化数据, 以此为水资源分配提供可行性策略。多智能体对算法结果进行操作, 直接控制管网设施来进行调度, 将智能控制方案直接实施到既定目标实现之中, 与此同时自身也可作为CPS建筑模型下的节点, 通过CPS系统进行多领域间的需求调度。

4 水资源分配模型的性能分析

在CPS系统下的WAS模型中, 语义服务与智能体可根据其自身特性, 灵活融合到一起, 而改进的PSO算法在智能体与语义服务间搭建了一个处理机构, 可以对系统优化起到良好的调度作用。PSO算法与蚁群算法同为搜索算法, 其搜索方式却有所不同, 蚁群算法作为一种智能算法主要是模仿蚂蚁觅食机理, 通过人工蚂蚁间的信息交互完成最优搜索。PSO算法则源自模拟鸟群的捕食行为, 通过个体间的协作与竞争来寻找最优解, 在每次迭代过程中根据全体粒子和自身粒子的搜索经验向着最优解的方向发展。如图8所示将改进后的PSO算法与蚁群算法进行调度方面的性能比较。

语义服务作为信息处理的中间构件为智能算法提供有效的信息支持, 智能体利用算法的结果来实施方案调度。从图8中可以看出, 作为随机搜索算法的蚁群算法, 其搜索结果不够稳定, 不能保证进化结果为目标最优解。而改进的PSO算法通过迭代次数的增加对于水资源的调度利用率逐渐升高并趋于稳定, 从而得到WAS模型中的算法最优解, 保证了建筑环境CPS系统下资源调度的稳定性, 使得系统模型可以直接进行决策调度, 加速了调度作用的速率, 并且提升调度过程的准确性。

5 结语

信息与物理融合系统 篇5

摘要：文章阐述历次工业革命时期英国、美国、亚洲四小龙与中国制造中心演变与金融所扮演的角色，归纳分析制造中心演变与金融角色具有的三大关键特征，并预判信息物理融合下技术与制造中心变革趋势。最后提出技术应用三大阶段、行业服务产业升级与风险构成、区域布局国际国内业务发展等三个层面提出商业银行金融服务策略。

关键词：制造中心转移；金融服务策略；信息物理融合；商业银行

一、 引言

本文首先阐述历次工业革命时期制造中心演变与金融所扮演的角色，并归纳分析主要特征，其次预判信息物理融合下技术与制造中心变革，最后从技术应用、行业服务、区域布局三个层面提出商业银行金融服务策略。

二、 历次工业革命时期制造中心演变与金融角色

1. 工业1.0时期制造中心英国工业特征与金融角色。就对经济影响，工业1.0技术优势较后期三次工业革命更为突出，直接引领制造进入工业时代，该时期世界制造中心英国与金融交互的基本路径表现为：技术优势推动工业发展，国家资本与军事力量增强驱动形成贸易优势地位并完成财富积累，商业银行全面兴起并进一步推动技术与工业发展（详见表1）。金融资本与工业快速发展，直接结果表现为制造业与贸易资本快速增加，在国家经济中地位也快速提高。该时期，信贷投向极度丰富，贸易公司扮演了部分国际金融业务职能，主要信贷产品为长期贷款与中短期贷款，贷款操作便利性与资本可获得性在英国体现尤为明显。

2. 工业2.0时期制造中心美国工业特征与金融角色。在继承欧洲人力、科技人员、商业企业管理制度等基础上，凭借自由而开阔的市场需求，创新得以快速推广与应用，大型海陆运输设备的应用，加速了工业与金融全球布局，工业科技与生产方式螺旋式创新与应用始终为美国工业发展的主要推动力，周期性经济危机也促使政府干预市场化程度加深（详见表2）。美国技术进步与知识密集型产业推动了金融结构变化，高风险投资兴起；创新从非银金融机构开始，资本市场繁荣增加了资金配置效率。科技投入除大型企业融资或自有资金外，风险投资资本市场被视为新兴公司融资的主体。证券、金融公司、基金等各类非银机构（未含保险、养老金）占比稳步提高，1970年升至33.6%。风险容忍度层次化分布的金融结构优化形成的多层次资金配置效率，是美国持续创新的关键动力之一。

3. 工业3.0时期制造中心亚洲四小龙与中国工业特征与金融角色。与前两次工业革命不同，第三次工业革命信息技术与大型交通运输快速发展，制造中心与工业革命技术发源地出现分离，制造中心发展与金融交互的路径表现为：劳动力、土地等生产要素价值洼地以及政策引力，结合FDI资本注入，实现劳动密集型产业承接，资本快速积累，随生产技术提升与制造技术等完善，进一步强化制造中心地位并形成劳动密集型制造向周边扩散，金融服务在导入发达国家金融经营管理经验的基础上逐渐完善（见表3）。

三、 制造中心演变与金融角色关键特征

梳理全球制造中心与工业革命发源地演变历程（表1～表3），其突出特征可总结如下：

1. 工业革命发源地与制造中心逐渐分离。与工业1.0时期的工业革命发源地和制造中心出现于英国、工业2.0时期主要为美国不同，工业3.0时期工业革命发源地与制造中心分离特征显著。

2. 国家层面利润中心与制造中心分化程度逐步加强。与英国、美国制造中心呈现的技术与制造均紧密结合不同，工业3.0时代，亚洲四小龙的制造、尤其是中国制造中心与下一次世界工厂转移呈现明显的制造低利润化。技术壁垒形成技术溢出转移效应与制造转移不同步，造成利润创造与形成工业价值链微笑曲线的偏离程度加强，直接形成利润中心与制造中心分化。

3. 工业革命发源地与制造中心最终均形成全球金融中心。于英国、美国、日本等相继成为世界制造业中心的同步，伦敦、纽约、东京等成为了国际金融中心；地缘原因，德国工业可以借力伦敦金融中心功能，推动本国金融与工业发展。美国多元化金融市场资本供给保证了新型产业发展资金需求，并为后续资产重组、并购等经营风险化解或经营发展提供动力，进而也为金融机构的持续发展提供良好的市场环境。无一例外，制造中心转移后，一国金融机构经营的专业性是其持续竞争力的关键所在。

四、 信息物理融合下制造中心与金融角色预判

前三次工业革命不同，信息与金融相结合在整合制造流程与企业协同生产方面发挥着资源高效配置与智能决策等作用（表4），信息与制造融合的工业4.0将很大程度上促成制造中心与利润中心回归。工业4.0将劳动密集性产业一定程度向资本密集型产业转变，而制造与技术积累，自动化生产体系推动拥有技术优势的国家"再工业化"。可以判断工业4.0世界制造中心将在全球范围呈现低端制造分散化，高端制造集中化。此外，受技术创新所需人才培养、工业技术积累等基础要素在短期内不易形成，劳动密集型产业或低技术性产业承接国最终升级为创新中心的概率降低，同时，制造中心分散化也将进一步弱化各制造中心的市场话语权，价值链微笑曲线张度会进一步收缩。

五、 商业银行金融应对策略

与商业银行通过实施产权改革、享受我国经济快速增长红利不同，目前迎来智慧经营期，在信息物理融合下，商业银行转型策略需从技术应用、行业服务、区域布局三大层面展开：

1. 技术应用策略。信息物理融合下制造业的数字化首先表现金融服务数字化，商业银行金融服务数字化需完成三大阶段：即关注布局数据基础、构造全网络化金融服务、形成大商业金融数字交易平台。

第一阶段关注布局数据基础，表现为商业银行主动式采集商业信息或与外部信息合作支持。目前，商业银行已纷纷自建平台，如平安橙e网打造中小企业云信息系统；工行、建行、民生等搭建电商平台；布局数据阶段需要解决两个问题：一是有价值的数据是什么；二是如何形成数据供应商的粘性。外部信息合作则在高质量数据获取方面具有显著优势，工程机械内植入远程监控管理系统，通过采集工程机械的数据，感知设备运行状况，对大型设备高质量运行数据等的采集很大程度上感知企业运营状况，相对企业财报的时效性，运营数据实时性、真实性、业务关联网络性等更便于做出服务决策、便于监测企业风险。

第一阶段关注布局数据基础，表现为商业银行主动式采集商业信息或与外部信息合作支持。目前，商业银行已纷纷自建平台，如平安橙e网打造中小企业云信息系统；工行、建行、民生等搭建电商平台；布局数据阶段需要解决两个问题：一是有价值的数据是什么；二是如何形成数据供应商的粘性。外部信息合作则在高质量数据获取方面具有显著优势，工程机械内植入远程监控管理系统，通过采集工程机械的数据，感知设备运行状况，对大型设备高质量运行数据等的采集很大程度上感知企业运营状况，相对企业财报的时效性，运营数据实时性、真实性、业务关联网络性等更便于做出服务决策、便于监测企业风险。

第二阶段构造全网络化金融服务，基于采集数据，挖掘数据的资产。目前，工行、建行等线下业务如保理等线上化，形成的在线供应链，工行、民生等基于银行资产的网络信贷，以及平安结合口碑网数据推出的口碑贷，均表现出全网络金融服务的方向。

第三阶段形成大商业金融数字交易平台，数据决策模型将是技术应用的核心。不同与传统财务报表与行业主观判断指标以及单一企业历史违约数据等决策模型，在企业网络视角下的客户数据预处理模型（如筛选关键数据指标等）、客户自动评价模型、客户自动关联授信模型、产品定价模型、客户运营监测模型等。其次，应该强调的是，商业银行传统渠道线下服务依旧具有较大的存在必要性，其职能发生转移，即释放传统内部业务申请、审批等报告撰写等工作，重点关注客户关系维护与产品对接。

2. 行业服务策略。信息物理融合下制造转移首先需要关注原有制造基地的产业转型升级，一方面，工业4.0推动直接关联的新型行业如工业自动化下的工业机器人、机械数字智能产业、物联网等相关网络与数据采集设备等；同时，间接推动的农业机械、运输、环保、家电等智能化产业升级。另一方面，客户结构角度，新型知识密集型产业触及普遍偏少，创新驱动下的经济增长战略，爆发期已经开始，服务谁、谁服务、怎么服务等问题值得研究。招商银行“千鹰展翼”计划，推动商业银行、私募股权投资基金、券商三位一体共同服务合作服务模式；浦发银行“科技小巨人”构建多方合作联盟。总体看来，强调总行专业技术研究支持、总行机构配置前导等服务，形成投、保、贷等联合，基于企业发展生命周期的不同阶段不同机构服务、衔接、退出的联盟式合作将成为主流。

其次，需关注风险构成。一方面，注意创新驱动的投资狂热风险，历次工业革命发展均表现出基于现有工业体系的渐进式创新的稳定性与持续性更优，技术风险相对更低。另一方面，关注因技术创新形成新的产能过剩风险等，如机器人技术逐步成熟放大原有企业厂房空间的产能，将进一步扩大相关行业整体产能。此外，产业生命周期缩短，风险控制向风险感知能力倾斜，竞争的关键将体现为商业银行精准行业战略布局与战术操作的“智力支持”。

3. 区域布局策略。金融区域布局直接体现为国际制造区域转移金融应对策略与国内制造区域转移金融应对策略。

国际制造区域转移方面，长期以来，我国作为制造中心的外向型经济特征形成商业银行对传统进出口贸易的国际信用证（进口、出口、远期）、T/T、内保外贷等国际结算、融资等金融服务较为成熟。随全球技术变革、我国人力资源、土地等生产要素红利释放等影响，制造中心的再次转移如上一章节所述已在行进之中，政府主导为主、企业流动为辅成为制造转移的主导因素。央行先后和新西兰、加拿大等十几个国家签订货币互换协议，人名币国际化、“一带一路”建设、自贸区协定等加速进出口贸易等同时，产能输出、企业“走出去”明显加速，加之资本项下账户逐步放开，摆脱香港金融中转站（各家商业银行的在港机构）成为必然。针对企业“走出去”目的地如东盟、澳洲等，借鉴英国、美国、日本等经验，通过子公司创新型发展专业化、综合化投融资服务将成为布局重点。

国内制造区域转移方面，对业务服务内容，可实施大区化灵活性政策指导，一方面对东部北上广深等技术创新驱动经济发展区域，见行业服务策略部分。另一方面对中西部承接制造转移，发挥当地人力、土地、财税等生产要素优势区域，做好转移制造企业基建周转信贷、设备进出口等金融服务，并以大型企业为切入点，关注上下游及周边配套企业，专注服务企业群。最后对西部资源开发支持制造持续发展现状，专业研究金属、能源等大宗商品供求趋势与价格走势，柔性配置资金、管控行业系统性风险。

此外，积极发挥技术应用的异地服务能力。技术服务中对数据布局、网络化服务以及商业金融数字交易平台直接体现为异地服务，面对工业4.0推动的制造技术创新与企业网络化，加强基于网络技术的业务异地化服务，解决当前属地化管理造成业务区域的人为割裂，形成企业属地与数据采集等风险管理异地服务，形成账户管理、尽职调查、综合产品服务配给、贷后风险监控等高效服务。此外，在业务拓展层面，异地资源整合提供高效综合化服务可操作性更强，除前文提及的传统融资租赁业务中设备使用检测等异地服务价值外，通过商业银行集团化运行与资源共享，便于商业银行信贷、信托等部门基于融资租赁的设备运行数据，做出延伸型信贷、信托、基金等综合服务。

参考文献：

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基金项目：中国博士后科学基金（项目号：2015M571185，2014M550912）。

作者简介：冯宇坤（1983-），男，汉族，陕西省榆林市人，财政部财政科学研究所博士生，研究方向财政理论与政策；李晓宏（1984-），男，汉族，陕西省榆林市，西安交通大学管理学博士，中国农业银行与清华大学经管学院联合培养博士后，研究方向为供应链金融、工业经济；杨建辉（1961-），男，汉族，四川省西充县人，西安交通大学工程博士，中国机械工业建设集团有限公司书记、高级工程师，研究方向为机械制造与工业变革。

信息与物理融合系统 篇6

随着智能电网建设和研究的推进,通信与信息技术在电力系统中应用范围将不断扩大。电力输送和分配的智能电网系统已经成为电力、信息综合服务体系的多层次平台[1]。电力系统从传统的电力设备网络发展成为融合信息网络和电力物理网络的复杂信息物理融合网络体系[2,3,4]。多元设备和异构网络的多重不确定性和复杂性给电力系统的稳定性与可靠性带来双重挑战[5,6,7]。

信息物理融合电力系统中,信息层与物理层相互融合依靠,信息层需要物理层电网节点的能量供应。同时,物理层的运行需要信息层实现3C(控制,通信,计算)功能[8],电网节点接收信息层节点的监控指令和调度信息。信息层由边及节点组成。信息层的边是传输3C功能所涉及的状态、指令与数据的信息通道;信息层节点为完成对应物理层节点3C功能对应的信息层设备与算法的抽象集合,实现对数据的分析处理传输与物理节点的监控。信息层的可靠性可能导致物理层运行的风险,信息物理系统中的状态量及信息传输处理等环节可以抽象为“数据节点”“信息支路”[9]。文献[10]分析了信息层拓扑故障与支路故障对物理层电力系统电压控制的影响。同时,两层网络间复杂的对应依靠关系使物理融合电力系统对连锁故障更加脆弱[11]。单层节点的意外故障或攻击失效将导致新的失效在两层之间交替传播引发连锁故障。2003年美国、加拿大大停电以及2015年乌克兰停电事件的主要成因可归纳为信息系统节点失效引起控制中心对电网整体运行失去监控能力,电网处于不可测、不可控的状态,同时,不同节点间失去通信联系,继而引发连锁故障[12,13]。

复杂网络系统的相关理论对电力系统连锁故障建模提供了新的视角[14,15,16],对于信息物理融合电力系统多层网络间的连锁故障,复杂网络理论同样有适用性[17]。其中,渗流理论是由Broadbent和Hammersley提出用来描述流体在随机介质中的运动。连续渗流理论可分析随机网络节点失效网络的连通性问题[18],文献[19]研究了基于渗流理论的双层SF(scale-free network)通信网络的鲁棒性。文献[20]提出基于拓扑分析的渗流理论,建立一对一相互对应依靠的信息物理融合系统连锁故障拓扑分析模型。文献[21,22]应用复杂网络理论对双层信息物理融合系统连锁故障分析,指出网络间的相互融合依靠关系会加剧连锁故障效应,使融合系统更加脆弱,其中连锁故障呈现具有阶跃特性的一阶渗流过渡相变;而在独立网络中,连锁故障呈现更加线性过度的二阶渗流过渡相变[23]。两层网络间的相似性及相互对应依靠策略也对融合系统的脆弱性有影响,随着两层网络相似性的增加,网络脆弱性降低[24]。通过分析比较不同依靠对应策略下的信息物理融合系统的连锁故障,信息层与物理层的度数—介数对应策略相较于其他度数与介数的对应策略具有更低的脆弱度[25]。文献[26]在文献[20]的基础上,拓展一对一相互对应依靠双层网络到多重对应双层网络,将基于拓扑分析的渗流理论应用在信息物理融合电力系统的动态连锁故障的建模中,同时设定可以自治运行的孤岛节点数阈值。先前的研究模型中没有考虑信息层通信特性和物理层电网运行潮流特性,模型不够精确,难以准确地反映连锁故障的动态发展过程[27]。同时,基于复杂网络理论的信息物理融合电力系统连锁故障脆弱度评估指标都为网络拓扑特性参数,例如失效节点比例、网络连通效率等,没有建立考虑故障对信息层通信传输和物理层电网运行影响的脆弱度指标。

本文在基于拓扑分析的信息物理融合系统连锁故障分析中考虑物理层电网潮流分析和输电线路容量检测,建立动态模拟信息物理融合电力系统连锁故障的多阶段渗流理论模型。同时,从网络拓扑完整性和运行特性两方面建立了连锁故障脆弱度评估指标。对于信息层网络,综合节点失效比例和系统通信延时;物理层网络,综合节点失效比例和电网切负荷率。分别在度数—介数对应依靠策略及拓扑中心度对应依靠策略下建立信息物理融合电力系统模型,继而分析对比了在不同攻击策略下信息物理融合电力系统的连锁故障动态发展过程及脆弱度。

1 信息物理融合电力系统

信息物理融合系统由信息层和物理层组成。其中信息层和物理层分别由具有复杂连接关系的网络组成,带有复杂网络的一般特征,因此复杂网络理论对于信息物理融合电力系统的建模有重要借鉴意义。应用复杂网络理论,物理层与信息层的模型可以抽象为拓扑图,各层的网络拓扑关系可以用邻近矩阵A=(aij)N×N表示,如果节点i和节点j间有边连接,则元素aij为1,反之元素为0。

1.1 物理层模型

物理层模型可以抽象为复杂网络权重图,N为节点(变电站和发电厂),E为边(输电线路),W为边的权重矩阵。权重矩阵的元素为对应两节点间边的电气距离,电气距离的定义为对应边的阻抗倒数wij=xij-1。为了提高电网数据传输效率以及不同区域的协调监控,信息物理融合电力系统采用分布式区域控制中心的结构。按照复杂网络Bisection分区原则将物理层电网分为不同区域,不同区域网络的阶数相近且子网络间的连接边数最少。具体的分区原则为对网络拉普拉斯矩阵求解特征值以及特征向量,次小特征值对应的特征向量的正负符号表示的不同的节点分区[28]。区域间的边为电力联络线,每个区域设有区域控制节点。控制节点位置的选择符合网络最短传输路径总和最短的原则。控制节点对应的信息层节点为物理层电网分布式区域控制中心。每个分布式区域控制中心与系统控制中心相连。本文使用的物理层模型为IEEE 118节点电网,分为三个子网络,结构见附录A图A1。电力网络区域边缘节点间的输电线路为区域联络线,节点17,49,100分别为信息物理融合电力系统分布式区域控制中心对应的物理节点。

1.2 信息层模型

信息层网络的节点为与物理层电网节点相对应的数据传输与处理中心节点,是完成对应物理层电网节点3C功能对应的信息层设备与算法的抽象集合。边为数据传输介质,传输3C功能所涉及的状态、指令与数据。大量的数据显示信息以太网符合无标度网络特征,节点的度分布符合幂律分布特性。本文中,信息层无标度网络通过Barabsi-Albert模型建立,网络阶数Nc=Np+1[29],分别为对应物理层电网节点的信息层节点以及系统控制中心节点。考虑到电力系统控制中心的特点,信息层分布式区域控制中心与系统控制中心节点带有自备电源,在故障分析中即使失去物理节点能量供应,依然可以正常工作。

1.3 信息物理节点对应策略

信息物理融合电力系统中,信息层与物理层间的相互作用可以概括为两类单方向依靠关系:能量依靠关系与3C功能依靠关系。信息物理电力系统信息层与物理层的相互作用见附录A图A2。能量依靠关系意味着信息层节点运行所需的能量由与其建立能量依靠关系的物理层节点提供;3C功能依靠关系意味着物理层节点的监控及调度的数据通信处理由与其建立3C功能依靠关系的信息层节点实现。

目前电力系统通信网络为电力通信专用网络,电力通信专用网络多为星形网络与网状结构网络,结构分为核心层、骨干层和接入层。电网主要变电站及调度节点接入通信专用网络核心层与骨干层,其余电网节点满足与地理位置相近的通信网节点连接。在信息物理融合电力系统背景下,需要传输和处理的信息量将远大于现有水平,借助一部分公共以太网络是一个可行的解决方案,这使得信息物理融合电力系统中信息层没有明显的核心层、骨干层、接入层的结构,因此有必要在信息物理融合电力系统背景下比较及选取最优的信息层物理层节点对应依靠策略。

文献[20]表明网络间相互关联的节点在各自网络中局部连接关系的差别很大程度影响融合网络对连锁故障的脆弱度。因此,有必要考虑信息层与物理层网络间的依靠关联关系对连锁故障脆弱度的影响。文献[25]得出相比于随机对应和其他介数、度数的对应关系,度数—介数对应依靠关系建立的信息物理融合系统对于连锁故障有较低的脆弱度。网络的拓扑中心度从拓扑关系的角度综合反映了节点对于网络整体拓扑的重要性以及对网络边失效的脆弱度[30]。为了寻求信息物理融合电力系统物理层与信息层的最优依靠对应关系。本文对度数—介数以及拓扑中心度对应依靠策略进行了分析与对比。

1)度数—介数对应依靠策略

信息层节点和物理层节点分别按照节点度数和介数依次排列。对应依靠策略通过连接排列次序对应的信息层节点和物理层节点建立能量依靠关系与3C功能依靠关系。

2)拓扑中心度对应依靠策略

复杂网络节点的拓扑中心度是L+矩阵对角元素的倒数。L+是网络拉普拉斯矩阵(L)的彭罗斯穆尔伪逆矩阵(Moore-Penrose inverse matrix)。网络的拉普拉斯矩阵由L=D-A计算。D为网络节点度数组成的对角矩阵,A为网络的邻近矩阵。对于物理层,为了从拓扑和电力参数综合反映网络的中心度,将公式中的A换为物理层网络的加权邻近矩阵。

式中:abs()表示计算绝对值;diag()表示对角矩阵;Wp为物理层的加权矩阵。

Wp中的元素为节点间边的电气距离,是对应线路阻抗的倒数,wij=xij-1,i和j为线路两端的节点。如果两节点间无直接连接的边,则加权矩阵对应元素为0。

拓扑中心度对应依靠策略为将信息层节点和物理层节点按照拓扑中心度排列,对应依靠策略通过连接排列次序对应的信息层节点和物理层节点建立能量依靠关系与3C功能依靠关系。

2 考虑物理电网潮流及信息层延时的渗流理论连锁故障模型

2.1 改进渗流理论

渗流理论是描述流体在随机介质中的运动。可以分为离散渗流和连续渗流,离散渗流又可分为点渗流和边渗流。渗流理论是以概率为基础的对图的结构连通性进行研究[31]。渗流过程可以类比于网络中除去点或边的连锁故障发展过程,渗流相变类比于连锁故障引发网络完全失效。因此,对多层次信息物理融合网络的连锁故障建模具有适用性。在分析信息物理融合电力系统的连锁故障中,信息层、物理层的节点同时满足以下两个条件时,可正常运行,属于其所在层的工作连通子集。

1)对于信息层节点,至少与一个区域控制中心连接;对于物理层节点,属于本层最大工作连通子集或可以正常运行的孤岛,即孤岛可以满足内部全部或部分负荷需求。

2)对于信息层节点,至少有一条能量依靠关系与之连接;对于物理层节点,至少有一条3C功能依靠关系与之连接。

信息物理融合系统的连锁故障由网络中的一定比例节点意外故障或受到攻击失效引起。失效节点的范围在信息层和物理层之间反复传递扩大,产生连锁故障。在信息物理融合电力系统连锁故障建模中,将故障发展的动态过程描述为不同的阶段,在每个阶段,不满足以上两个节点工作条件的节点将会从正常运行网络中剔除。当不再产生新的失效节点或全网络节点均失效时,则连锁故障动态过程停止。本文提出的考虑物理层电网潮流分析以及信息层延时的改进渗流理论的总体流程如图1所示。

1)阶段一:信息层初始节点失效

信息层节点由于部分节点意外故障或受到攻击引起失效,失效节点的故障沿着本层的边及两层之间的依靠关系传播,引起连锁故障。将初始失效节点剔除后的信息层网络节点集合可以表示为:

式中:C为信息层节点全集;μ1为初始失效节点集合;Cu(μ1)表示求取μ1在全集C中的补集。

考虑到节点正常工作的两个条件,在剔除原始失效节点后的信息层网络中,属于工作连通子集的节点集合可以表示为:

式中:F(C~1)表示在子网络C~1中求取符合条件的工作连通子集节点的运算。

2)阶段二:物理层失效分析

由于阶段一中部分信息节点的失效,从而部分物理层电网节点由于失去信息层节点3C功能依靠关系导致失效。将此部分失效物理层电网节点剔除后的物理层电网节点集合可以表示为:

式中:P为物理层电网节点全集;μ2为失去3C功能依靠关系的物理层节点;Cu(μ2)表示求取μ2在全集P中的补集。

节点集合P2中属于物理层工作连通子集的节点类似公式(3)可表示为:

如图1绿色框图所示,对物理层电网进行拓扑分析后,再对物理层工作子集节点组成的电网进行交流潮流分析。潮流计算后,对物理层电网边容量进行检测,过载的边将会引起保护动作被切除。此后,还需对物理层工作连通子集进行更新与计算。

如果潮流收敛失败,意味着物理层电网工作子集节点网络中的发电机无法满足初始负荷需求,需要进行切负荷优化运算,切负荷优化运算的目标函数及约束条件如公式(6)—(7)所示。

式中:Ci为节点i的切负荷量;Pi(V,δ)和Qi(V,δ)分别表示节点i的实际注入的有功功率与无功功率;PGimin,PGimax,QGimin,QGimax分别为发电机节点注入有功功率与无功功率的下限和上限;PDi和QDi分别是节点i的有功负荷和无功负荷;Tk为输电线路k的潮流;Tkmax为其最大容量;Vimax和Vimin分别是节点i的电压上下限。

由于切负荷优化运算约束条件中有输电线路容量约束,计算后将不会导致输电线路容量过载,因此切负荷优化运算后可直接可进入阶段三。

3)阶段三:信息层失效分析

由于信息层与物理层的相互作用,失效的物理层节点将会引起新的信息层节点失效。失去能量依靠关系而新失效的信息层节点需要从工作连通子集中除去,类似于公式(4-5),此阶段信息层工作连通网络节点集合可表示为:

式中:μ3为阶段二中失去能量支持关系的信息层节点;Cu(μ3)表示求取μ3在全集C中的补集;C3为工作连通网络。

信息物理融合电力系统的连锁故障的动态发展可以概括为阶段一的初始节点故障引发故障在阶段二和阶段三之间不断迭代的过程。阶段三结束后进入阶段二开始新一轮迭代。从第二轮迭代开始,公式(4)与公式(8)中的P和C1表示上轮迭代结束时,物理层和信息层的工作连通网络节点集合。依据文献[22],Barabsi-Albert模型的无标度网络及具体电力网络中节点失效后,满足节2.1中工作条件的节点筛选没有具体统一的封闭表达式形式,所以对于信息层节点,求取工作连通网络节点集合由判断节点与区域控制节点是否连通实现;对于物理层节点,求取工作连通网络节点集合由tarjan算法以及判断出现的解列孤岛是否有发电机及负荷节点实现。

当一轮迭代后与前一轮迭代的结果比较,不再产生新的失效节点或整个系统瘫痪全网络节点均失效,则信息物理融合电力系统连锁故障动态发展过程结束,进入脆弱度指标计算。

2.2 连锁故障脆弱度评估指标

本文的连锁故障脆弱度评估指标由拓扑完整性和信息层与物理层运行特性两个方面系数综合构成。网络拓扑完整性系数为连锁故障结束后,信息层与物理层连锁故障失效节点占总节点的比例;信息层与物理层运行特性系数分别为系统延时增量与切负荷比例。

信息层承担着数据交换处理的任务,完整性和时效性是基本的运行要求。连锁故障后网络失效节点的比例体现连锁故障对数据完整性的影响;时效性通过网络数据传递与处理的延时反映。由于信息节点的失效,信息层网络可能出现阻塞,数据在信息网络中通信传输将出现延时增加和数据丢失。本文对数据通信延时按如下简化计算。数据在信息网络中传输符合最短路径原则,每通过一个数据节点,延时增加一个时间单位(τ)。延时时间单位反映了数据在信息层数据源节点到目标节点传递与处理中,每通过一个信息节点及到达下一信息节点的通信路径中传递引起的延时。

信息层节点到控制中心的通信延时反映信息网络数据传递的实时性指标。物理层电网的电力运行特性系数用切负荷比例表示,反映了电网对电力用户需求的满足程度。因此,本文的信息物理融合电力系统连锁故障脆弱度评估系数如公式(10)所示。

式中:Ncyber和Nphysical分别是信息层和物理层的节点总数;i为连锁故障发展迭代次数;order(C2i+1)和order(P2i)分别为连锁故障结束时,信息层和物理层工作连通网络的阶数;T为连锁故障结束后的总负荷切除量;j为物理层电网节点全集;∑Lload表示物理层电网故障前总负荷;Tdelay为连锁故障引起的信息层总延时增量;e和f分别表示故障后和故障前的信息层节点间最短传输路径集合;t_delay表示每条传输路径的延时。

信息层完全失效时,网络中已不存在节点间的最短传输路径,整个信息层系统延时增量为无穷大。

3 算例分析

应用本文提出的连锁故障模型对基于复杂网络理论建立的信息物理融合电力系统模型连锁故障仿真分析。信息物理融合电力系统的物理层为IEEE118节点标准模型,信息层是依据Barabsi-Albert模型建立的119节点无标度网络。两层之间的依靠关系为冗余依靠关系,即每个物理层电网节点与两个信息层节点建立3C功能依靠关系,两个信息层节点分别为主备3C功能依靠节点;每个信息层节点与两个物理层电网节点建立能量依靠关系,两个物理层电网节点分别为主备能量依靠节点。

不同依靠关系策略会影响系统连锁故障脆弱度,对比物理层与信息层间不同对应依靠策略对信息物理融合电力系统连锁故障脆弱度的影响,分别对度数—介数对应依靠策略及拓扑中心度对应依靠策略进行连锁故障分析。在每种对应依靠策略下,分别仿真10组信息层节点逐次随机攻击引起的连锁故障,统计平均脆弱度指标,如图2、图3所示。为了方便图表显示,当信息层系统完全失效时,信息层延时增量为无穷大,将做出文字说明,不再量化表示。

每种信息层—物理层对应依靠策略下,信息物理融合电力系统连锁故障呈现了一阶渗流过渡转变,随着攻击节点数目增加,脆弱度逐渐上升。信息层拓扑结构受到破坏,一部分节点间丧失数据传输路径;一部节点间数据最短传输路径改变,传输路径绕至其他可用节点,系统延时比故障前增大。系统延时增加体现了攻击对于尚未失效节点的数据传输性能的影响。攻击节点数目有一个阈值,在这一阈值附近,脆弱度指标跃变,连锁故障范围扩大至全部节点;超过这一阈值,信息层和物理层所有节点失效,系统延时增量为无穷大。对度数-介数对应依靠策略及拓扑中心度对应依靠策略下系统阈值如表1所示。

综合图2、图3及表1,拓扑中心度对应依靠策略对连锁故障体现了较低的脆弱度,由于拓扑中心度综合反映了网络拓扑及物理层电网特性。这种对应依靠策略下,信息层及物理层处于拓扑及运行特性关键位置的点之间相互建立依靠关系,对随机节点攻击体现了较低的脆弱度。

为了对比信息物理融合电力系统采用分布式区域控制中心与集中式控制中心结构对系统连锁故障脆弱度的影响,在拓扑中心度对应依靠策略中物理层电网不分区,物理层采用集中式控制中心节点的结构下,进行节点随机攻击模拟,脆弱度指标如图4所示。

对比图3与图4,采用分布式控制中心结构不能明显抑制连锁故障发生范围,但可以在故障传播过程中减小信息层延时,提高信息层实时性指标。

节点攻击策略对系统脆弱度也有影响,对比不同节点攻击策略下信息物理融合电力系统连锁故障的发展。选取在随机攻击中脆弱度低的拓扑中心度对应依靠策略信息物理融合电力系统模型,分析信息层节点在度数排列攻击、介数排列攻击、拓扑中心度排列攻击下的系统连锁故障。如图5—图7所示。

相比于随机攻击,信息物理融合电网在蓄意目标攻击下体现了高脆弱度。度数排列攻击与介数排列攻击结果相近,拓扑中心度排列攻击的节点阈值更低且曲线陡度更大,系统完全失效更快。由于信息层处在关键拓扑位置的节点遭到攻击,系统性能受到破坏,系统延时增量较随机攻击有明显增加。在此攻击下,高拓扑中心度对应的物理层节点处在物理层拓扑和电力参数重要的位置,这些节点失去3C功能依靠关系而失效,对物理层的拓扑结构和电网运行造成更大影响,加速了信息物理融合系统连锁故障传播和系统瘫痪。

4 结语

本文在基于拓扑的信息物理融合系统连锁故障分析中考虑信息层电网的潮流分析和输电线路容量检测,采用多阶段分析的改进渗流理论,建立动态信息物理融合电力系统的连锁故障模型。同时,从网络拓扑完整性和网络运行特性两方面建立连锁故障脆弱度评估指标。算例表明信息物理融合电力系统拓扑中心度对应依靠策略对随机节点攻击体现了较低的脆弱度。同时,采用物理层电网分区的分布式控制中心,可以明显降低故障中信息层延时增量,能提高系统连锁故障中信息层的运行时效性。在拓扑中心度对应依靠关系下,对比了信息物理融合电力系统在不同攻击策略下连锁故障的脆弱度。拓扑中心度排列攻击的节点阈值更低系统完全失效更快。同时,由于信息层处在关键拓扑位置的节点遭到攻击,系统性能受到破坏,系统延时增量较随机攻击有明显增加。

本文提出的模型能更好地模拟实际连锁故障的发生与动态发展过程,系统脆弱度指标结合拓扑与物理运行特性,更加综合全面。下一阶段将针对信息层的主要功能与模块建立更精细化的模型以及研究信息物理融合电力系统连锁故障的预防控制措施。

附录见本刊网络版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

摘要：基于改进渗流理论,提出了考虑物理层电网潮流分析与信息层延时的信息物理融合电力系统连锁故障模型。将连锁故障的动态发展描述为故障在信息层、物理层交替传播扩大的多阶段过程,在分析故障在物理层传播的阶段中考虑物理层电网潮流,在脆弱度指标中综合拓扑完整度、信息层延时增量及物理层实际运行指标。对信息层、物理层不同对应依靠策略及节点攻击策略的连锁故障建模仿真表明拓扑中心度对应依靠策略呈现较低的脆弱度;物理层分区设立分布式控制中心与集中式控制中心的结构相比,能提高连锁故障发展中信息层的运行实时性。同时,节点蓄意攻击相比于随机攻击能造成发展更迅速,影响范围更广的连锁故障。

信息与物理融合系统 篇7

电力系统的安全和稳定运行关乎百姓生活、社会稳定和经济发展。随着电网建设的不断发展,少数元件失效而导致电网发生连锁性故障的概率逐步升高,近年来世界各地发生的大停电事故屡见不鲜[1,2,3,4]。电网元件的失效是概率事件,其原因包括很多种,比如自然灾害(冰灾、火灾、台风等极端天气条件)、运行人员误操作、元件故障(老化、拒动、误动)等,这些因素的特点是具有较强的随机性和不可预见性。另一种威胁现代电网安全的因素最近几年逐渐显现:即人为对电网的蓄意破坏行为,包括对电网一次系统以及二次系统的破坏[5,6]。

针对电网一次系统的蓄意攻击将可能导致电网元件被破坏从而引发电网的故障和瘫痪。在中国,时有电缆被偷盗而导致电网发生故障的事件发生,也有纯粹针对电网的破坏事件,比如在2010年12月29日就有一男子试图破坏湖北省龙泉换流站[5],庆幸的是这一举动被及时发现并被制止,否则将引起严重的后果。当战争发生时,作为一个国家最重要的基础设施之一,电网也很可能面临石墨炸弹攻击等的威胁。

针对电网二次系统的网络攻击事件正在不断引起人们的关注。当地时间2015年12月23日,乌克兰至少有三个区域的电力系统遭到黑客恶意代码的攻击,结果导致当日大约15点开始的持续了数小时的停电事故[6];当地时间2016年3月25日,黑客通过分布式拒绝服务(distributed denial of service,DDoS)的攻击方式,入侵了美国位于纽约的鲍曼水电站的计算机控制系统[7];一家位于韩国的核电站运营商在2015年也曾遭受黑客的网络攻击[8]。与针对电网一次系统的物理攻击相比,网络攻击具有成本低、隐蔽性高、涉及范围大等特点,一旦成功其导致的后果相当严重。

现代电网正逐步演化成一个将通信网络和电力系统融为一体的电力信息物理融合系统(cyber physical power system,CPS)。当该系统面对蓄意的人为因素的攻击时,如何有效、深入地评估整个系统的脆弱性具有重要的现实意义。文献[9,10,11,12,13,14,15,16]运用双层规划模型,分析电网在完全信息动态博弈情形下遭受物理攻击的情景,得出攻防双方各自的最优策略。文献[17]和文献[18]将双层规划模型扩展至三层规划模型。文献[19]和文献[20]研究一类电网遭受网络攻击的情形:攻击者向电力系统注入错误的量测数据,影响电网的状态估计结果,从而导致电网进行错误的调度和控制,引起电网的损失。文献[21]从实例分析、定义和分类以及典型场景对电力CPS遭受网络攻击时进行了讨论。文献[22]基于一种专门针对电力数据采集与监控(SCADA)系统的网络攻击形式,对其原理、所造成的影响及相应的防范措施进行了讨论。文献[23]通过对乌克兰停电事件的回顾与分析,对信息能源系统遭受恶意信息网络攻击下的薄弱环节评估问题进行了讨论,指出开展考虑信息能量相互作用机理的信息能源系统综合安全评估的重要性。文献[24]对一种针对电力系统的信息、物理协同攻击的情景进行了分析,并将其建模成一个双层混合整数规划问题,提出采用一种严格的两阶段求解方法以识别因攻击所造成的最大损失。文献[25]针对分层控制CPS系统,提出了CPS建模和信息网络故障评估的方法。其中,信息网络采用有向图进行描述,并提出一种基于模型的方法研究信息网络故障对电力物理系统的影响。此外,有学者专门针对电力控制系统的通信网络开展相关风险评估研究工作[26,27],包括提出了对电力控制系统中通信网络的安全性、安全程度进行安全评估的方法以及用于信息安全风险评估的资产分析方法。在目前大多数文献研究中,针对电网的蓄意攻击,有些是针对物理系统,有些是针对信息系统。虽然有学者对电力系统信息-物理耦合机理与故障分析进行了相关研究,但此方面的研究则刚刚起步,很多方面需要进一步探讨。

本文针对电力CPS,基于博弈论的相关知识,提出一种电力物理网络和电力信息网络同时受到攻击的电网攻防动态博弈模型。其中,电网攻击者运用物理攻击并配合网络攻击,可以通过较低的成本造成较大的电网损失;而电网防御者则通过采用最优的防御资源分配策略对电网元件进行防御。通过对一个简单算例系统的研究和分析,得出了一些初步的有意义的结论。

1 电力CPS脆弱性评估框架

1.1 兰德公司风险评估模型

兰德公司于2004年提出了针对恐怖袭击的风险评估模型:

式中:T为一个目标被袭击的概率;V为如果一个目标遭受袭击,其最终被摧毁的概率;C为如果一个目标遭受袭击并最终被摧毁,其带来的损失的大小,代表后果;RT为目标最终损失的期望值,代表风险。

式(1)所示的风险评估模型由于引入了威胁性和脆弱性两个概率值,使得评估结果更贴近实际。此外,该模型包括了“威胁性”、“脆弱性”和“后果”三个成分,这也为本文建立电网攻防脆弱性评估框架提供了依据。

1.2 电力CPS脆弱性评估框架

基于模型(1)和博弈论的相关理论,并基于一定的假设条件,论文针对电力CPS遭受攻击的具体场景,对式(1)中的“后果”C、“脆弱性”V及“威胁性”T进行量化,以建立电力CPS脆弱性评估框架。

电网中因元件失效所引发的事故后果包括:失负荷量、停电范围、停电时长、经济损失等。这里,本文以电力CPS遭受攻击后的负荷切除量(或失负荷量)来衡量系统损失的大小,并将其作为式(1)中的C。考虑到电网攻击者的目的是造成电网最大的有功负荷损失量,而电网防御者的目的则刚好相反,两者之间构成零和博弈。文中假设电网线路i遭受攻击并被摧毁后导致的电网有功负荷损失量记为Ci。

考虑到实际情况中电网攻防双方所具有的资源通常都是有限的,而且攻防双方会根据自己的策略将各自的资源分配到电网的元件上去,一个元件上攻防资源的分配将会影响该元件的脆弱性,即遭受攻击后失效的概率。电网攻击者在一个元件上投入的资源越多,会提高该元件被攻击后失效的概率;相反电网防御者在一个元件上投入的资源越多,会降低该元件被攻击后失效的概率。如何量化电网攻防双方的资源分配对式(1)中V的影响,需要根据不同的情形具体分析,但有一点可以明确:即无论是攻击者还是防御者,他们在单一元件上资源的投入当达到某一程度后,其边际效益将会递减。为简化及计算方便起见,本文对V的量化主要从电网防御者的角度进行考虑。假定电网防御者具有一定总量的防御资源,这些资源包括人力、物力、财力等,电网防御者将防御资源分配到电网各线路上,降低线路遭受袭击后被摧毁的概率,并将其作为式(1)中的V。考虑电网中有N条线路需要防御,设向量d=(d1,d2,…,dN),表示电网防御者的资源分配策略,则有:

式中:D为防御资源的总量;di为需要防御的线路i上分配到的防御资源。

线路i上分配的防御资源di越多,线路i遭受袭击后被摧毁的概率越低,考虑到边际效益递减性,同时为简明起见,本文假设该线路失效概率与所分配到防御资源有如下关系:

式中:Vi为线路i遭受袭击后被摧毁的概率。

以上分别讨论了如何量化“后果”C和“脆弱性”V。对于“威胁性”T,本文将线路被攻击的概率作为式(1)中的T。关于T的取值我们将从该线路所分配的防御资源角度进行分析。假设电网有l条线路,将线路i被攻击的概率记为Ti,Ti将随着防御资源分配情况的不同而变化。利用本文给出的一种最优资源分配策略(详见3.2节)可以得到每条线路对应的VC值,并记其中最大的为VCmax:

如果对应于VCmax值的线路有m条,即

式中:B为由该m条线路编号构成的集合。

则本文定义:

2 电力CPS的动态攻防博弈模型

在研究电力系统的动态攻防博弈问题时,通常将问题建成一个多层规划模型。本文中所考虑的电力CPS攻防场景为:第一步是防御者事先制定防御资源的分配策略;第二步是攻击者在知晓防御者的策略之后,制定攻击资源的分配策略;第三步是防御者针对电网的受损情况,通过潮流分配的方法使电网损失降到最低。其中,本文假设攻击者在对线路进行物理攻击的同时,会选择一个变电站(节点)进行网络攻击。此时,防御者会对电网遭受物理和网络攻击所造成的损失采取相应的补救措施。鉴于此,本文针对电力CPS受人为蓄意攻击情况下的动态攻防博弈问题,提出并建立了如下简化的三层数学规划模型:

满足

满足

满足

式中:向量d为电网防御者的资源分配策略,是上层规划模型的决策变量;向量att为电网攻击者的攻击策略,是中层规划模型的决策变量,包括物理攻击的线路以及网络攻击的节点;向量fl为电网防御者对电网发生故障后采取的措施,是下层规划模型的决策变量,包括线路的开断操作、潮流的重新分配和负荷的切除等;函数g是一个关于d,att和fl的函数,函数g的值是电网最终损失的期望值;函数hu、函数hm和函数hl分别表示上层规划模型、中层规划模型和下层规划模型的约束条件。电力CPS动态博弈三层模型攻防场景的具体攻防步骤如下。

步骤1:防御者制定防御资源分配策略,将一定总量的防御资源分配到电网各线路上去,从而影响线路受攻击后被摧毁的概率,如式(2)和式(3)所示。这一步对应于三层规划模型的上层规划模型,如式(7)和式(8)所示。

步骤2:攻击者选取1条线路进行物理攻击,攻击成功的概率如式(3)所示。同时,攻击者选取1个节点进行网络攻击,被攻击的节点切负荷拒动,此举将干扰防御者在步骤3中的动作,使得仍有可能存在线路潮流越限。这一步对应于三层规划模型的中层规划模型,如式(9)和式(10)所示。

步骤3:如果步骤2中被攻击的线路失效,防御者计算电网潮流,如果有线路潮流越限,则对潮流越限最严重的线路实施开断操作;如果电网因为线路断开被分为多个区域,则对于没有平衡节点的区域,选取发电机容量最大的节点作为该区域新的平衡节点;在此基础上,通过切负荷使其他线路的潮流不越限。切负荷的方式是节点负荷的有功和无功等比例切除,切负荷的原则是使电网的有功负荷损失量最小。其中,实现方法采用粒子群优化算法(particle swarm optimization,PSO)[28]。由于有节点在步骤2中被攻击导致切负荷拒动,防御者需要再次计算电网潮流,如果仍存在线路潮流越限,则重复上述步骤3中的断线和切负荷的动作。这一步对应于三层规划模型的下层规划模型,如式(11)和式(12)所示。

在上层规划模型中电网防御者通过制定最优的防御资源分配策略,使电网损失的期望值尽可能小;在中层规划模型中,电网攻击者在已制定好的防御资源分配策略的基础上,制定攻击策略,使电网损失的期望值尽可能大;在下层规划模型中,电网防御者在电网攻击者采取攻击行为后,通过断开线路、重新分配潮流、切除负荷等方式使电网在不发生连锁故障的前提下,电网损失的期望值尽可能小。从式(7)—式(12)可以看出,相邻两层规划模型的决策变量之间的关系是:下一层规划的决策变量会随着上一层规划的决策变量而变,故可以说上一层规划的决策变量决定了下一层规划的决策变量;另一方面,下一层规划的决策变量如何随上一层规划的决策变量而变,会反馈到上一层规划模型中,从而影响上一层规划的决策变量的确定。

对于上述所提出的动态攻防博弈模型纳什均衡解存在性问题,笔者认为:攻击者采取的攻击策略是有限的,而因为防御者针对一种攻击情形存在最优的调控策略,所以每种攻击策略下攻击者的收益是可以得到的。由于攻击者和防御者构成零和博弈,所以防御者的目的是通过防御资源的分配使攻击者可能得到的最大收益降到最低,根据本文中给出的资源分配方法,最终的资源分配策略也是确定的。因此,动态博弈在双方理性人的假设下,存在唯一的博弈情形。

3 求解策略

对于所提出的如式(7)—(12)所示的三层数学规划模型,本文提出基于遍历方法的求解策略,具体步骤如下。

3.1 求解步骤

任选一条线路和一个节点作为攻击对象,构成一种攻击方案。考虑所有攻击方案,计算出每种攻击方案下电网的预期损失,然后根据每个攻击方案造成的预期损失,分配防御资源到系统的线路上。求解步骤的流程图如图1所示。

图1中给出的方法适合于小规模的算例系统,对于稍大规模的电网,可考虑采用基于计算智能方法,如遗传算法、粒子群算法等求解策略。

3.2 最优防御资源分配策略

在3.1节所述的求解步骤中,防御者制定防御资源的分配策略是第一个步骤,也就是第2节所述的三层规划模型的上层规划模型。根据三层规划模型的特点,可以先求出每一条线路失效最终导致的电网有功负荷损失,然后制定出最优防御资源分配策略。防御资源分配的目标,是使得电网可能遭受到的最大的预期损失值降到最低。基于文献[29]中的防御资源分配策略的思想,本文给出如下具体的分配策略。

步骤1:根据精度要求,将防御资源总量D均分成K份。

步骤2:计算所有线路在当前防御资源分配(初始防御资源为0)下的VC。

步骤3:取VC最大的线路p,将一份防御资源D/K分配到线路p上:

步骤4:如果防御资源未分配完,返回步骤2;如果防御资源已分配完,输出结果。

4 算例研究

4.1 算例系统介绍

本文研究的算例系统基于IEEE的5机14节点系统,如图2所示。

假定该算例系统配备了较为完善的信息通信网络,并且图中每个变电站的SCADA系统负责控制每条线路的开断,以及每个节点负荷的切除。每条线路的有功潮流的最大值设为正常运行情形下的1.3倍,有功潮流超过最大值的20%则视为越限。电网防御者持有的防御资源总量D为6,资源分配精度K=10 000。

首先,电网防御者将防御资源分配到各条线路上,降低线路遭受攻击后失效的概率;之后,电网攻击者选取1条线路进行物理攻击(例如图2中从节点13到节点14的线路),同时电网攻击者选取1个变电站进行网络攻击(例如图2中的节点14),被攻击的节点在接下来电网防御者的防御行为中将会发生切负荷拒动;最后,电网防御者通过使线路开路,以及节点切负荷的方式,避免连锁故障的发生。在动态博弈中,电网攻击者的目的是使电网有功负荷的损失最大,而电网防御者的目的是使电网有功负荷的损失最小,两者之间构成一个零和博弈。

4.2 攻防博弈结果分析

根据3.1节中所述的求解步骤,首先不考虑防御资源分配策略制定;该算例系统中20条线路分别遭到人为攻击导致失效后,接下来电网攻防双方相应的动作以及最终导致的电网有功负荷的损失量如表1所示。

基于表1得到的结果,应用第3节中所述的最优防御资源分配策略,则可得到防御者的防御资源分配量,以及电网攻击者选取每条线路进行物理攻击所导致的电网有功负荷损失的期望值,即公式(1)中的VC,如表2所示。

4.3 线路脆弱性评估

表2中,导致有功负荷损失期望值最大的7条线路有遭受攻击的可能。根据表2,在所研究的算例系统以及攻防情景的假设下,可能遭受攻击的线路、线路上分配的防御资源、线路遭受攻击的概率和线路遭受攻击导致电网有功负荷损失的期望值如表3所示。其中,按分配的防御资源由多到少从上往下排列,第5列的风险值即式(1)中的RT。

如果一条线路上分配的防御资源的量越多,说明该线路对于电网防御者来说越重要且越需要防御,该线路的脆弱性就越高。由表3可知,在防御资源总量为6的情形下,脆弱性由高到低排名前7的线路分别为:线路1-5、线路2-4、线路4-5、线路7-9、线路1-2、线路5-6、线路4-7。其他13条线路既不需要防御,也不会遭受攻击。此外,在防御资源总量为6的情形下,算例系统中共有7条线路受到攻击的威胁,且这7条线路每条遭受攻击的概率均为14.29%(即式(1)中的T)、遭受攻击后导致电网有功负荷损失的期望值都一样,这是防御资源分配导致的结果。如果防御资源总量发生变化,则表3中各列的数据均会发生变化。比如当防御资源总量为3时,结果如表4所示。

从表4中可以看出,当防御资源总量为3时,只有线路1-5、线路2-4和线路4-5受到攻击威胁,说明线路脆弱性评估的结果受线路所分配的防御资源总量影响。

5 结语

信息技术与中职物理教学融合初探 篇8

为了准确、高效地实现新课程标准下的教学目标, 广大教师在将信息技术运用于中职物理教学方面, 一直进行着不懈的努力和探索, 取得了许多成功的经验。信息技术与物理教学的有机结合, 促进了中职物理教学模式的转变, 改变了传统的课程结构和教学方法, 有效地提升了中职物理教学的实效。

将信息技术应用于中职物理教学, 有着鲜明的特点和优势:丰富的教学与学习资源, 为教师的教学、学生的学习带来了极大的方便;功能强大的网络为学生提供了互动式的学习环境, 使教师与学生之间经常性的交流、互动成为可能;丰富多彩的多媒体信息使课堂教学更加形象、生动, 大大提高了学生的学习兴趣。可以预见, 在中职物理教学过程中, 适时、恰当地应用信息技术, 必将给教学带来意想不到的效果。

中职物理课程的关注重点不仅包括基础知识的讲授, 还包括对学生学习兴趣、正确的学习目标以及科学探索精神的培养。在新课程目标的要求下, 中职物理课程需要转变传统观念, 强调探究性的学习, 倡导多元的学习策略。为了让学生主动探索获取知识的方法, 提升学生的创新意识, 教师要鼓励学生发现生活中的物理问题, 运用先进的科技手段, 寻求问题的解决方法。

信息技术应用于中职物理教学的方法手段有很多, 如何用、什么情况下用是教师必须考虑的事情。中职物理教学具有它的特点和规律, 那种不遵从规律, 过度或滥用信息技术的做法应当避免。经实践总结, 以下几个方面可以作为信息技术与中职物理教学融合的重点。

创新新课程学习的引入

一节新课的导入阶段, 如若平铺直叙, 不容易引起学生的兴趣, 使学生缺乏参与的热情。通过利用计算机多媒体演示, 创造相应的学习情境, 将包含学习内容的影视或图片展示给学生, 比较容易激发学生探究物理知识的欲望。多媒体教学的突出特点就是具有交互性, 可以增强学生的参与意识, 提高学习的主动性。在物理教学中有时需要学生回顾生活事例, 在头脑中复现生活情景, 而有的学生不能及时地复现, 或许在生活中根本就没有注意观察。如果适时地播放一段教学资料片段, 如在讲解“相对运动”时, 播放坐在静止车厢中的人观察窗外运动火车的情景, 学生感觉相对运动就在我们身边, 给学生一个感性认识, 提高物理教学的效果。又如, 在讲“小孔成像”时, 可以展现晴天树林中在地面呈现的圆形光斑资料片, 把学生带入生活情境中, 学生就会瞪大眼睛, 这种效果是学生看书或者靠大脑去浮想无法比拟的。只有多媒体技术才能做得到, 它明显优于一般教师的简单、枯燥的讲授。

辅助解决抽象的物理问题

在物理学的知识中, 有许多是比较抽象的, 学生仅靠原有的知识与经验, 很难想象出这些知识的内涵, 因此就不太容易接受这样的教学内容。基于计算机的多媒体技术的高速发展, 使得教学信息的传递、加工、处理方式得到了进一步的改进。利用信息技术, 对讲解抽象的物理学问题, 帮助学生产生感性认识, 可以很好地提高课堂教学效果。如模拟浸在液体中的物体受到的浮力, 解释日食、月食的形成原因, 动画模拟导体中电流的形成, 图解电磁波的传递等, 可以把物理问题化抽象为形象。

展示微观及不易观察到的物理现象

如分子的热运动等微观问题很难直接用实验讲解。利用多媒体模拟分子动态, 可以使学生容易接受和感知。在讲解物体的弹性形变时, 经常会引用生活中的实际例子, 如皮球等物体落地又弹起的现象, 其中物体弹性形变的过程稍纵即逝, 根本观察不到。利用多媒体“时间放大”的功能, 延长弹性形变过程的时间, 使学生十分清楚地看到弹性形变现象, 从而使学生对知识的理解更加深刻。

演示课堂无法实现的实验

物理学科探讨的是物质运动的基本规律, 我们的教学应着重培养学生亲自动手实验的技巧和能力。但是, 受时空条件和物理实验条件的局限, 课堂教学往往并不能满足学生实际操作的需要。物理是一门实验学科, 但许多物理实验是不能在课堂上进行的, 如大气压强跟海拔关系的实验, 电路短路烧坏电源、电压过大烧坏用电器等破坏性实验。与它们对应的知识, 只凭讲授或静态图片展示, 不太容易达到良好的教学效果的。这时, 一段生动的教学视频就会起到相当重要的作用。

重复再现关键实验

中职物理教学有大量的实验教学, 由于课时的限制, 演示实验过程不容易再重复。由于各种原因可能有些重要实验学生印象不深刻, 在复习课时不可能把平时教学时的演示实验都重做一遍。因此, 利用多媒体技术的“再现”优势就可以达到复习的目的, 既节省时间又提高效果。例如, 在进行“物态变化”内容的复习教学时, 可以先让学生回忆物态变化的各种现象, 然后再利用多媒体课件来演示物态变化的规律实验, 达到复习巩固实验的目的, 从而提高课堂教学效果。再如“流体压强与流速的关系”同样适用。

利用扩展资料进行科学精神的培养

中职物理教学中, 渗透着物理学史和科学家刻苦钻研的精神, 这对培养学生的科学素养有着重要的作用。教师可以向学生提供相应的学习网站地址, 并提出思考问题。让学生自主阅读, 并通过网络交流学习体会。

综上, 现代信息技术具有信息密度大、多媒体技术性强、仿真度高、学习效果反馈及时等特点。将信息科技手段与中职物理教学融合、渗透在教学环节中, 为教学活动提供多样化的资源, 实现了教学资源的互相补充, 完善了中职物理教学的模式和具体方法。

然而, 我们同时也应该意识到, 信息技术的使用要有度。物理学科是一门以实验为主的基础学科, 它的概念的建立和规律的获取大都是以实验为基础。这就决定了中职物理教学主要应该以实际操作的实验为基础, 通过生动的物理活动呈现, 使学生观察到真实的现象, 从而归纳、总结出自然规律。多媒体课件所演示的实验毕竟是虚拟的经验, 难以替代真实的实验, 更不能替代学生的动手过程和思考过程。过度使用多媒体手段模拟物理实验或课堂教学将会违背中职物理教学的规律, 可能还会影响学生的思维能力和想象能力, 不利于学生科学素养的培养。

总之, 随着信息技术和中职物理教学的不断融合, 将会给学生、教师、学校带来一种新的教学和学习模式。关于它的发展前景, 教育界的有识之士仍在进行着理论与实践的探索。相信在广大教育工作者的共同努力下, 定会形成一种理论, 从而指导我们的教学实践, 全面提高学生的综合素质和能力, 实现培养出更多、更优秀人才的目标。

摘要：信息技术与中职物理教学的有机结合为课堂带来了新的活力, 直观的实验、丰富的信息、顺畅的互动不仅为教师的教学带来便利, 更激发了学生学习物理的兴趣, 培养了学生的物理素养。本文从六个方面阐述了信息技术与中职物理教学融合的侧重点, 希望引发一线教师的教学思考, 共同探讨信息技术应用与中职物理教学的结合点。

信息与物理融合系统 篇9

一、信息技术与高中物理教学融合的内在价值

1. 信息技术与高中物理教学融合符合物理学科特点, 能有效展现物理思维活动的过程

物理学是一门以实验为基础的自然学科, 教材中许多物理概念和规律是非常抽象难懂的, 有不少物理实验, 在现有的学校实验室里很难完成。如果合理利用现代信息技术模拟课堂上不能做的物理实验, 可以将抽象为化直观、形象, 让学生在模拟实验中把握物理概念和规律的形成。比如, 在讲解粒子散射实验时, 如果教师仅停留在教材实验的讲解上, 那么学生就很难想象, 更不能理解其中的奥秘。若利用多媒体技术模拟教材中的实验, 将原子物理部分链式反应内容通过课件来模拟展示, 学生对原子模型的理解会更容易些。再如, 在讲解布朗运动实验时, 用投影仪将布朗运动投影到大屏幕上, 让学生观察分析放大后的现象, 这样教学效果会更佳。其实, 电场、磁场、分子运动、原子核衰变、链式反应等知识点都可以运用信息技术, 将抽象难懂的概念和规律, 形象直观地展示出来, 让学生更容易理解。

2. 扩大信息来源渠道, 提高课堂教学效率

通过信息技术与物理教学的融合, 将网络上很多与课堂教学有关的资料补充给学生, 开阔学生的眼界, 丰富学生的知识面。在教学中, 可以通过网络搜索最新的备课资料, 寻找难度适合学生的, 突出教学目标的物理习题。同时, 教师还可以通过教育论坛与同行探讨物理教学中遇到的问题, 交流教学方法和经验, 扩大教学信息的来源渠道, 提升教学质量。

3. 激发学生的学习兴趣, 提高学生的学习效率

物理学是一门逻辑性比较强而又比较抽象深奥的学科, 对很多学生来说比较难学, 学生的学习兴趣不高、学习热情不足。因此, 不少学生对物理望而生畏。如果能创设出相应的物理情景, 把抽象的物理概念和规律变得形象生动, 将图画、音频、视频技术等运用于课堂教学中, 那么就会激发学生的学习兴趣, 增强学生的学习热情, 提高课堂教学质量。比如, 在讲摩擦力时, 学生容易将“滑动摩擦力的方向与物体相对运动方向相反”, 误认为“滑动摩擦力的方向总是与物体运动方向相反”, 教师可以通过多媒体课件展示几种不同情况下, 物体相对滑动的动画或视频, 并在动画或视频中显示滑动摩擦力的方向、两物体相对滑动的方向和各物体相对地面运动方向, 把抽象的摩擦力方向问题形象具体化, 可加深学生对“相对运动”概念的理解。

二、信息技术与高中物理教学融合应注意的问题

1. 切勿将信息技术的使用代替教师的指导

现代信息技术和多媒体的广泛使用, 在提高课堂教学效率的同时, 也造成使用泛滥, 使某些课堂教学演变成视频播放课, 忽视教师的作用, 更谈不上师生之间的交流, 这样的教学很难达到预期的教学效果。教师是教学过程的设计者、调控者, 是学生学习的引导者、指导者, 现代信息技术的运用决不能替代教师的作用。

2. 切勿本末倒置, 产生教学负效应

多媒体技术能提供文字、图片、动画、视频以及音频等给学生展示丰富的画面, 吸引学生的眼球, 激发学生的学习热情。但所有的教学手段都是为教学目标和教学内容服务的。多媒体课件的展示应该从培养学生逻辑思维、让学生掌握物理方法等角度出发, 突出教学内容和目标。因此, 在使用现代信息技术时, 应该根据教学的具体内容, 突出学生的主体地位, 较好地为课堂教学服务。

3. 切勿用多媒体模拟, 完全代替真实的实验

物理学科是以实验为基础的, 许多物理学规律都是在实验的基础上总结得到的。所以实验教学在物理教学中具有举足轻重的作用。在学校条件许可的情况下课堂演示实验和学生分组实验, 应让师生亲自实践。多媒体模拟实验, 只是那些在现实教学中无法完成的实验。

总之, 多媒体技术将图、声、色等融为一体, 将物理学中的抽象知识具体、形象、生动化, 以便学生理解相关知识, 从而有效调动学生自主学习的积极性, 提高课堂教学效率。在物理教学中, 教师要转变观念, 充分认识信息技术在高中物理教学中的重要作用, 不断提高计算机运用能力和课件制作水平, 在教学中将信息技术与物理学科特点和学生实际结合起来, 有效提高高中物理教学质量。

参考文献

[1]刘龙.浅议物理课程与信息技术的有效整合[J].中国教育技术装备, 2012 (19) :43-44.

信息与物理融合系统 篇10

一、 会计信息系统及相关课程教学重点和教学要求的界定问题

电算化会计信息系统取代手工会计信息系统前, 会计信息系统及其相关课程中, 《基础会计学》、《会计信息系统》、《中级财务会计》、《会计综合实验》、《高级财务会计》等课程的教学重点、教学要求较为清晰。《基础会计学》教学重点是会计的核算方法, 如会计科目和账户、复式记账、账户的分类、会计凭证、会计账簿、会计报表、账务处理程序、财产清查。教学要求是了解会计学的基本原理、 掌握会计核算的基本程序和方法、 能够熟练运用所学的知识进行企业财务处理。《中级财务会计》教学重点围绕会计要素来展开, 包括:货币资金的核算、应收及预付款项的核算、存货的核算、对外投资、无形资产、固定资产、流动负债、长期负债、所有者权益、收入、费用和利润、会计报表的核算。 教学要求在于了解产品成本核算一般程序, 熟练掌握要素费用、 综合费用的核算以及生产费用在完工产品和月末在产品之间的分配方法, 掌握品种法会计业务处理的基本原理和基本方法, 材料费用、辅助生产费用、 制造费用等各种费用项目的归集与分配。 《会计信息系统》教学内容要点包括:会计电算化基本理论, 会计电算化系统的实施、管理及安全, 数据库, 信息技术概论。 金蝶、用友软件的操作。教学要求:掌握会计电算化的基础知识以及会计核算软件各功能模块基本工作原理, 学会编写部分具备基本功能的会计核算功能模块, 掌握财务软件的处理原理和应用方法。 具有熟练运用、 维护通用会计软件的操作技能。 《高级财务会计》结合我国会计的实际情况, 对财务会计学未涉及或深入论述的一些特殊会计业务进行研究, 弥补一般财务会计学的不足, 从而与一般财务会计学共同形成财务会计学的完整体系。 教学要求是使学生全面掌握特殊经济业务、 特殊会计事项和特殊行业的会计理论与处理方法, 培养学生处理特殊会计业务的能力。 教学内容包括:外币业务、非货币性资产交换、租赁、债务重组、或有事项、会计政策、会计估计变更和差错更正、资产负债表日后事项、企业合并和合并财务报表。 《会计综合实验》主要是要求学生将所学会计理论知识运用于实践中, 通过手工模拟, 让学生学会手工会计的账务处理程序及方法;掌握填审会计凭证、 登记会计账簿及编制会计报表的业务技能。 电算化会计信息系统取代手工会计信息系统后, 由于会计核算工具、信息载体、记账规则及内部控制方式发生了变化, 以上系列课程教学重点教学要求的界定显然存在内容陈旧、重叠、无效等问题。

二、 电算化会计信息系统与手工会计信息系统的融合

为解决电算化会计信息系统取代手工会计信息系统后, 会计信息系统及相关课程教学重点、 教学要求中存在的内容陈旧、重叠无效等问题, 有必要重新设定会计系列课程, 界定各课程的教学重点、教学要求。结合教学实际, 《基础会计学》、《中级财务会计》、《高级财务会计 》课程的教学重点和教学要求维持不变。 《会计信息系统》分设为《会计信息系统基础》和《会计信息系统运用》 两门课程。 在课程定位上, 《会计信息系统基础》 主要解决会计信息系统入门知识和技能, 以获取初级会计电算化证书达到会计从业资格会计技能要求为目标。 讲授从业考试大纲明确规定的会计电算化概述、会计电算化的工作环境、 会计电算化基本要求、 计算机基本操作及会计核算软件的基本操作五大内容。《会计信息系统运用》 则强调会计信息系统拓展知识和技能, 以宽口径方式适应社会对会计人才的要求。 注重学生综合能力与素质的培养, 将基础理论与实验相结合, 理论联系实际。通过技能训练, 提高学生对理论知识的理解能力, 学会常用会计软件的操作与维护, 提高专业技能水平及软件处理能力。 在内容分配上, 《会计信息系统运用》拟以金蝶系列财务软件和用友财务软件为例, 分别编辑适应小型企业的金蝶KIS软件、用友通软件, 适应大中型企业的金蝶K/3 软件、用友U860 软件四个教学案例, 从建账、账套初始化、日常账务处理、报表处理、工资处理、固定资产处理到期末处理及进销存处理八大模块的实验内容和步骤。 根据学生水平及专业课程要求, 实验中有关的项目可以根据授课对象及课时数灵活选择使用。

取消《会计综合实验》课程, 将手工会计模拟并入《会计信息系统运用》课程。设置一套特定会计数据, 同时应用于手工会计系统和电算化会计系统, 实现电算化会计信息系统运用与手工会计信息系统运用的融合。 学生使用手工和计算机两种不同的技术手段对相同的会计数据进行处理, 得到一致的会计信息。 这样做可以使学生明了会计核算软件与手工会计核算的联系与区别, 减轻其他课程的压力, 提高课时的利用率。

会计信息系统是利用信息技术对会计单位经济活动过程中产生的数据进行采集、记录、储存和处理, 完成对会计信息的分析, 向使用者输出所需会计信息, 帮助信息使用者管理、预测和决策, 提高企业管理水平与经济效益。 教学中, 除了使用传统的讲授法、演示法和练习法以外, 需要更多地使用任务驱动法、 自主学习法和体验式教学方法。例如, 在进行软件初始化过程中, 要求学生拟定会计单位的基本信息, 包括:会计单位名称、软件应用模式、账套参数及基础资料等。在会计处理中, 虚拟会计单位的各类业务, 包括:外币类业务、存货类业务、往来类业务、 多项目核算业务; 固定资产业务、自动转账业务等。任务驱动教学法让学生在完成“任务”的过程中, 提高分析问题、解决问题的能力。在会计软件操作技能训练中, 允许学生根据自己的职业规划, 自主选择不同系列 (金蝶、用友) 不同版本 (kis/k3/t3/u8) 的会计软件完成建账、账套初始化、日常账务处理、报表处理、工资处理、固定资产处理、 期末处理及进销存处理基本模块和辅助模块的实验内容和实验步骤, 得出及时、准确、有效的会计信息。要求学生在学习过程中代入角色, 体验会计主管、出纳、制单员、审核员、记账员及预算员、 资金管理员的工作内容。 无论是一个学生在一个账套内依次完成不同角色的转换, 还是几个学生组成团队分担一个账套中的不同角色, 都必须遵守相应的游戏规则, 完成技能训练。

经过以上改革, 会计信息系统课程在课程体系中理论及技能初中高层次得以清晰、内容相对更规范。特别是通过整合, 把手工会计综合实验的教学内容加入会计信息系统, 学生使用手工和计算机两种不同的技术手段对相同的会计数据进行处理时, 可以深刻体会到两者之间的联系和区别。 比如证账表处理中, 手工填制凭证与计算机制单的区别在于: 手工填制凭证只需在第一条分录书写摘要, 计算机制单必须给每条分录输入摘要, 计算机制单可以通过辅助录入窗口丰富凭证反映的核算内容;手工环境下, 所有经济业务发生后都需要手工填制凭证, 计算机环境下除制单员录入凭证外, 计算机功能模块会自动生成凭证, 如固定资产折旧及其增减变动、 期末损益结转、存货的收发存等;手工环境下, 会计工作存在证证核对、 证账核对、 账账核对、 账表核对以及表表核对, 计算机环境下只要凭证录入无误 (保证原始凭证与记账凭证相符) 、 表格公式设置正确, 会计处理中的记账、报表生成瞬间即可完成, 且无需证账表核对。

三、 电算化会计信息系统与手工会计信息系统融合需注意的问题

电算化会计信息系统运用与手工会计信息系统运用融合的关键在于特定会计数据的设计, 要保证学生使用手工和计算机两种不同的技术手段对相同的会计数据进行处理, 得到一致的会计信息, 设计会计数据时必须注意以下问题:

一是初始数据必须尽可能详细。比如固定资产资料中必须列明资产的原始价值、累计折旧、预计残值、用途、入账日期及使用年限等, 便于电算化处理时自动计提折旧; 往来业务必须列明业务发生的时间、 业务编号、摘要、往来单位、发生额及余额, 便于电算化处理时的往来核销; 期初在产品成本必须列明各成本项目的详细资料, 便于电算化处理时生成生产成本明细账;存货必须列明数量、单价、计量单位、计价方法等, 便于进行存货数量金额核算;除具备单位基本信息外, 还需要设定部门档案、职员档案, 便于工资核算。

二是要合理确定会计期及分段业务内容。目前, 各高校使用的会计软件均为教学版, 只能处理不超过三个月的业务。要明确分段业务的处理流程, 例如损益结转前必须完成损益类业务凭证的审核与记账等。

三是设计的会计资料要便于使用相同的会计处理组织程序, 例如记账凭证 (专用记账凭证或通用记账凭证) 会计处理组织程序既适应手工环境也适应电算化。 手工环境适应的汇总记账凭证会计处理组织程序和科目汇总表会计处理组织程序, 电算化环境已经不再使用。

参考文献

[1] .张捷.基础会计[M].北京:中国人民大学出版社, 2012.

[2] .张维宾.中级财务会计学[M].上海:立信会计出版社, 2012.