面向催化裂化装置的安全知识图谱的构建和应用研究

这是一篇关于知识图谱,催化裂化装置,信息物理系统,本体论,工业控制系统安全的论文, 主要内容为石油工业是我国国民经济的命脉,催化裂化作为石油生产的核心重要环节,保障其运行安全尤为重要。随着网络化和工业化的深度融合,石油工业运行效能大大提升。然而,信息化也将原有物理隔离的独立生产网络暴露在互联网环境中,传统的IT信息安全问题在工控系统逐渐凸显,催化裂化装置安全平稳运行面临新的威胁。作为典型的复杂信息物理系统,炼化装置的运行过程会产生大量多源异构数据,但多源异构数据难以整合为具有统一表达形式的知识,知识的利用率较低。为了高效整合多源数据并为安全分析提供知识支撑,本文基于知识图谱的构建技术,将多源异构的安全数据统一整合并构建成知识图谱,并基于此开展了安全分析等相关应用的研究。本文综合催化裂化装置的信息物理系统特点及可获取的知识源,采用自顶向下的知识图谱构建方法,按照本体构建、知识抽取和图谱实现这三个步骤实现安全知识图谱的构建:在本体构建方面,基于本体建模技术,将催化裂化装置的拓扑结构,工艺安全知识以及网络安全知识进行整合,设计了“物理-信息-事件”的层次化的本体模型;在知识抽取方面,分别为本体的不同层次设计了针对结构化和非结构化的多源安全数据的知识抽取方案;在图谱实现方面,结合Neo4j图数据库工具将抽取的知识进行基于本体模型的格式化存储,完成了催化裂化安全知识图谱的构建。本文利用所构建的知识图谱,针对催化裂化装置的反应再生环节,开展安全分析:1)利用设计结构矩阵对反应再生环节中的知识实体间的依赖关系进行挖掘,使知识图谱呈现单元化和层次化结构,同时可以推理出隐含的安全知识;2)综合图谱中的事件层和物理层知识以及步骤1)中挖掘的单元层次结构,生成符号有向图模型,并用其构建产生式故障推理系统;3)结合图谱中漏洞和攻击知识,参考催化裂化装置的网络拓扑构建属性攻击图,并利用漏洞脆弱性评分分析了攻击路径的可能性。通过设计实验,验证了本文所构建的知识图谱在隐含关系挖掘、故障级联过程推理、攻击路径推理等安全应用方面的有效性和实用性。

风电机组数字孪生系统建模及应用

这是一篇关于风力发电,数字孪生,建模,智能运维,信息物理系统的论文, 主要内容为在碳达峰、碳中和目标下,风力发电实现了快速发展,规模化并网风电未来将成为以新能源为主体的新型电力系统的主力电源。在装机规模快速增长的同时,开展风电领域的智能化、数字化状态监测和故障诊断研究,建立切实可用的机理、数据驱动模型,实时感知风电机组运行状态,及早发现潜在故障征兆,降低故障率,减少运维成本,对风电机组及电力系统的安全高效发电运行均具有重要的现实意义。基于上述目标,本文开展了如下研究:(1)基于信息-物理实时映射思想,构建实现了风电机组数字孪生系统。根据风电智能运维现实需要,设计了数字孪生系统整体功能架构;系统地构建了数字孪生系统整体技术架构,通过对数据信息流的有效组织,实现了机组和数字孪生平台之间的实时通信、精准映射及可视化呈现。(2)从风电机组关键部件机理建模出发,结合多模型数字线程交互技术,建立了整机数字孪生模型。通过与在役机组实际运行数据的动态性能对比,验证了整机孪生模型高保真度,实现了机组关键参数及动态载荷的实时仿真,同时阐述了其在机组状态监测、故障诊断中的应用价值。(3)面向机舱温度状态监测应用场景,构建了包含输入注意机制编码器及暂时注意机制解码器的变分贝叶斯LSTM温度预测模型。基于机组SCADA实测数据验证了模型在机舱温度预测方面的准确性,结合数字孪生系统机舱温度状态监测及故障预警界面,讨论了温度概率预测的实际价值与意义。(4)基于整机数字孪生模型及模型开发管理系统,研究了数字孪生平台在先进模型开发场景下的应用。针对机组变桨控制,建立了一种自适应反馈滑模控制策略,通过与传统PID变桨控制的多维度对比,验证了该模型在极端风况下更好的鲁棒性、快速性,以及降低机组设备机械载荷,平滑功率输出方面的优异性能。

基于AML的Web 3D HMI开发及原型系统实现

这是一篇关于数据交换格式,信息物理系统,人机交互页面,Web的论文, 主要内容为信息物理系统的开发涵盖了机械、电气、网络等多个领域,要求在各种问题域中通过协调对应领域内的不同开发工具来共同完成开发工作。混合领域之间的复杂信息交换与互动过程给系统的整体开发带来了巨大挑战,如何完成异构工程工具之间的便捷数据交换是未来工业物联网发展的重点内容。针对以上问题,本文以专用于跨领域数据传输的数据交换格式AML为研究对象,设计了基于AML的Web 3D HMI原型系统开发框架并完成系统的开发工作,通过对自定义工业场景的AML信息建模验证了原型系统的基本功能。论文主要工作如下:(1)从异构工程工具对统一结构的数据交换的标准化需求出发,分析了目前正在扩展迭代的AML数据建模语言。(2)对基于AML的Web 3D HMI原型系统进行需求与设计分析,提出了系统开发总体框架并将其分为工业现场层、PLC控制层、AML信息模型层以及Web 3D HMI监控层共四个层次。(3)针对工业现场层与PLC控制层使用Factory I/O以及Twin CAT3软件工具搭建了用于测试原型系统功能的虚拟自动化工业应用场景。使用AML对测试场景进行信息建模,完成了AML信息模型层设计。(4)采用前后端分离形式,以三维模型部署、二维页面设计、前后端信息交互、OPC UA信息传输以及AML解析五个模块完成Web 3D HMI原型系统的实现。(5)将测试场景的AML信息模型导入原型系统,完成对系统三维动画同步运动、状态监控以及数据传输等功能的测试与验证。

风电机组数字孪生系统建模及应用

这是一篇关于风力发电,数字孪生,建模,智能运维,信息物理系统的论文, 主要内容为在碳达峰、碳中和目标下,风力发电实现了快速发展,规模化并网风电未来将成为以新能源为主体的新型电力系统的主力电源。在装机规模快速增长的同时,开展风电领域的智能化、数字化状态监测和故障诊断研究,建立切实可用的机理、数据驱动模型,实时感知风电机组运行状态,及早发现潜在故障征兆,降低故障率,减少运维成本,对风电机组及电力系统的安全高效发电运行均具有重要的现实意义。基于上述目标,本文开展了如下研究:(1)基于信息-物理实时映射思想,构建实现了风电机组数字孪生系统。根据风电智能运维现实需要,设计了数字孪生系统整体功能架构;系统地构建了数字孪生系统整体技术架构,通过对数据信息流的有效组织,实现了机组和数字孪生平台之间的实时通信、精准映射及可视化呈现。(2)从风电机组关键部件机理建模出发,结合多模型数字线程交互技术,建立了整机数字孪生模型。通过与在役机组实际运行数据的动态性能对比,验证了整机孪生模型高保真度,实现了机组关键参数及动态载荷的实时仿真,同时阐述了其在机组状态监测、故障诊断中的应用价值。(3)面向机舱温度状态监测应用场景,构建了包含输入注意机制编码器及暂时注意机制解码器的变分贝叶斯LSTM温度预测模型。基于机组SCADA实测数据验证了模型在机舱温度预测方面的准确性,结合数字孪生系统机舱温度状态监测及故障预警界面,讨论了温度概率预测的实际价值与意义。(4)基于整机数字孪生模型及模型开发管理系统,研究了数字孪生平台在先进模型开发场景下的应用。针对机组变桨控制,建立了一种自适应反馈滑模控制策略,通过与传统PID变桨控制的多维度对比,验证了该模型在极端风况下更好的鲁棒性、快速性,以及降低机组设备机械载荷,平滑功率输出方面的优异性能。

基于Petri网的自动制造系统自适应死锁控制研究

这是一篇关于信息物理系统,Petri网,自动制造系统,死锁检测,自适应死锁控制的论文, 主要内容为信息物理系统(Cyber Physical System,CPS)是建立在对物理环境感知的基础上,深度融合了计算、通信和控制的网络化智能集成系统。近年来,由于CPS及其相关技术的快速发展,推动了各个工业领域以及信息领域关键技术的升级,其中就包括了自动制造系统(Automated Manufacturing Systems,AMSs)、物流管理系统和智能交通系统等。作为国家推进先进制造产业的重要产物,AMSs能够显著地降低制造成本、提高生产效率以及改善产品质量。一旦因为资源分配不合理或某些资源发生故障,就会导致系统死锁或阻塞状态的出现,极大影响了系统的生产效率。为了解决死锁问题,研究学者们已经做了大量的研究,但是大部分方法都是假定系统中资源不会发生故障,而实际中资源故障是不可控的。本文考虑资源故障,解决带有故障资源AMSs中的死锁问题。由于Petri网具有丰富的结构特征和严格的数学描述,可以很好地描述系统的并发及资源的共享情况,所以采用Petri网对AMSs进行建模及分析。为了避免因网规模增大而导致列举指数级别的可达状态和信标,本文采用代数的方法,通过迭代求解整数线性规划,实现死锁检测并设计死锁控制器,提出一种自适应死锁控制策略,实现系统稳健无死锁控制,同时改善系统性能。本文的工作主要有:1.在一类典型的简单资源系统中解决带有故障资源的死锁问题。针对含有资源的简单顺序过程系统S3PRs(Systems of Simple Sequential Processes With Resources),设计并添加资源故障恢复子网,通过求解整数线性规划检测系统存在的死锁状态,分析该死锁状态,找到一类特殊的回路,设计死锁控制器。进一步考虑资源故障的问题,分析死锁状态与故障资源的关系,设计并添加一种自适应控制器,使得系统能够动态地在正常工作模式和稳健工作模式下转换,保证系统稳健无死锁运行。最后,通过例子验证方法的正确性。2.进一步扩展方法的普适性,提出一种改进的自适应死锁控制策略解决具有资源共享功能AMSs中的死锁问题。针对一类具有共享资源的顺序过程系统S4Rs(The Systems of Sequential Systems With Shared Resources),设计并添加恢复子网,利用整数线性规划的方法检测死锁状态,通过分析关键变迁、关键资源及关键库所三者之间的关系,设计对应的死锁控制器。进一步考虑资源故障的问题,设计并加入了自适应控制器,保证了系统在不降低性能的情况下维持计划生产,即使不可靠资源发生故障,系统仍然可以正常工作。最后,通过例子验证了所提控制策略的正确性。3.对本文所提两种自适应死锁控制策略进行仿真验证。通过针对一个典型的AMS实例进行分析,建立与其相对应的Petri网模型,将本论文所提的两种自适应死锁控制策略分别应用在该Petri网模型中,通过对比实验,得出本文所提出方法的优势和不足。

基于AML的Web 3D HMI开发及原型系统实现

这是一篇关于数据交换格式,信息物理系统,人机交互页面,Web的论文, 主要内容为信息物理系统的开发涵盖了机械、电气、网络等多个领域,要求在各种问题域中通过协调对应领域内的不同开发工具来共同完成开发工作。混合领域之间的复杂信息交换与互动过程给系统的整体开发带来了巨大挑战,如何完成异构工程工具之间的便捷数据交换是未来工业物联网发展的重点内容。针对以上问题,本文以专用于跨领域数据传输的数据交换格式AML为研究对象,设计了基于AML的Web 3D HMI原型系统开发框架并完成系统的开发工作,通过对自定义工业场景的AML信息建模验证了原型系统的基本功能。论文主要工作如下:(1)从异构工程工具对统一结构的数据交换的标准化需求出发,分析了目前正在扩展迭代的AML数据建模语言。(2)对基于AML的Web 3D HMI原型系统进行需求与设计分析,提出了系统开发总体框架并将其分为工业现场层、PLC控制层、AML信息模型层以及Web 3D HMI监控层共四个层次。(3)针对工业现场层与PLC控制层使用Factory I/O以及Twin CAT3软件工具搭建了用于测试原型系统功能的虚拟自动化工业应用场景。使用AML对测试场景进行信息建模,完成了AML信息模型层设计。(4)采用前后端分离形式,以三维模型部署、二维页面设计、前后端信息交互、OPC UA信息传输以及AML解析五个模块完成Web 3D HMI原型系统的实现。(5)将测试场景的AML信息模型导入原型系统,完成对系统三维动画同步运动、状态监控以及数据传输等功能的测试与验证。

风电机组数字孪生系统建模及应用

这是一篇关于风力发电,数字孪生,建模,智能运维,信息物理系统的论文, 主要内容为在碳达峰、碳中和目标下,风力发电实现了快速发展,规模化并网风电未来将成为以新能源为主体的新型电力系统的主力电源。在装机规模快速增长的同时,开展风电领域的智能化、数字化状态监测和故障诊断研究,建立切实可用的机理、数据驱动模型,实时感知风电机组运行状态,及早发现潜在故障征兆,降低故障率,减少运维成本,对风电机组及电力系统的安全高效发电运行均具有重要的现实意义。基于上述目标,本文开展了如下研究:(1)基于信息-物理实时映射思想,构建实现了风电机组数字孪生系统。根据风电智能运维现实需要,设计了数字孪生系统整体功能架构;系统地构建了数字孪生系统整体技术架构,通过对数据信息流的有效组织,实现了机组和数字孪生平台之间的实时通信、精准映射及可视化呈现。(2)从风电机组关键部件机理建模出发,结合多模型数字线程交互技术,建立了整机数字孪生模型。通过与在役机组实际运行数据的动态性能对比,验证了整机孪生模型高保真度,实现了机组关键参数及动态载荷的实时仿真,同时阐述了其在机组状态监测、故障诊断中的应用价值。(3)面向机舱温度状态监测应用场景,构建了包含输入注意机制编码器及暂时注意机制解码器的变分贝叶斯LSTM温度预测模型。基于机组SCADA实测数据验证了模型在机舱温度预测方面的准确性,结合数字孪生系统机舱温度状态监测及故障预警界面,讨论了温度概率预测的实际价值与意义。(4)基于整机数字孪生模型及模型开发管理系统,研究了数字孪生平台在先进模型开发场景下的应用。针对机组变桨控制,建立了一种自适应反馈滑模控制策略,通过与传统PID变桨控制的多维度对比,验证了该模型在极端风况下更好的鲁棒性、快速性,以及降低机组设备机械载荷,平滑功率输出方面的优异性能。

基于时空的信息物理系统服务推荐研究

这是一篇关于信息物理系统,长短期记忆,域感知因式分解机,服务推荐,时空信息的论文, 主要内容为随着信息物理系统的不断发展,服务数量日益增长,有许多服务都提供了相同的功能,如何在这些服务中为用户选择出合适的服务成为了当前热点研究的问题之一。本文基于用户与服务的时空信息提出了基于域感知因式分解机(FFM)的推荐模型(LBFFM)以及基于长短期记忆网络(LSTM)的混合推荐模型(LSTM-HPLT)以满足信息物理系统中用户调用服务的不同场景。首先,本文针对用户调用服务时产生的冷启动问题,构建了基于域感知因式分解机的服务推荐模型。冷启动问题面临的主要困难是该如何向无历史行为的新用户推荐服务,或如何将新服务推荐给用户。本文基于已有的数据进行独热编码,利用用户与服务的地理位置信息构建了基于距离权重的相似度,并筛选出相似的用户以及服务,将用户、服务、相似用户以及相似服务作为特征域构建特征矩阵,最后经由域感知因式分解机学习不同域与特征之间的关系,以提高对服务QoS值的预测精度。其次,本文针对用户调用服务产生的数据稀疏性问题,利用用户与服务的时空信息构建了基于长短期记忆网络的混合推荐模型。LSTM-HPLT使用相邻时间段的QoS均值填补空缺数据,以缓解数据稀疏,并且基于用户与服务的地理位置以及相似度筛选出最相似的若干个用户或服务,对与目标用户(服务)以及相似用户(服务)有关的QoS数据集合进行LSTM训练,并进行QoS值的预测,从而提升了服务推荐的准确性。最后,基于真实的信息物理系统的数据集进行大量实验,验证了 LBFFM以及LSTM-HPLT在实际数据中相较于其它方法有更好的效果,预测的结果在标准平均误差(NMAE)以及均方根误差(RMSE)指标下有更好的表现,能够有效地缓解服务推荐中冷启动以及数据稀疏的问题,并以此提高对用户的服务推荐的准确度。同时,基于LBFFM与LSTM-HPLT模型构建了信息物理系统服务推荐应用,以管理用户与服务的信息并根据这些信息有效提供不同应用场景下的服务推荐。

传感器受攻击的切换信息物理系统自适应控制问题研究

这是一篇关于切换系统,信息物理系统,平均驻留时间,传感器攻击的论文, 主要内容为随着信息化和工业化的深度融合,传统的切换系统已经不能满足现代生产装备信息化和网络化的需求,切换信息物理系统是一个集物理过程、网络通信和自动控制于一体的多维复杂系统。通过将计算和通信集成到物理过程中,实现了计算、通信与物理过程的高度融合,使系统具备实时感知和动态控制的能力。但是由于通信过程的开放性,系统容易受到网络攻击的影响,导致系统性能下降,甚至破坏稳定性。因此,如何进行控制设计来保证切换信息物理系统受到网络攻击后仍能稳定的完成设定任务显得极为重要。为了解决上述问题,本文研究了传感器受到不同类型攻击下切换信息物理系统的稳定性问题。针对攻击信号的不同形式,进行相应的数学建模,设计自适应控制器、自适应律和切换信号,来保证切换信息物理系统的稳定性。本文的主要工作如下:(1)研究了带有未知常值状态无关的攻击信号下切换信息物理系统的稳定性,在攻击信号与状态无关的情况下,设计了一个状态观测器来预估系统状态的变化,并设计对应的自适应控制器和自适应律来抵消未知攻击信号给系统带来的影响。采用平均驻留时间的方法设计合适的切换信号。利用多Lyapunov函数方法证明了切换信息物理系统的稳定性。(2)研究了带有未知常值状态相关的攻击信号下切换信息物理系统的稳定性,首先给出了相关定义,针对未知常值状态相关的攻击信号,设计自适应控制器和自适应律来改善传感器被攻击后系统的不稳定性。其次,采用平均驻留时间的方法设计合适的切换信号。最后,利用多Lyapunov函数方法证明了切换信息物理系统的稳定性。(3)进一步研究了带有未知时变状态相关项的攻击信号下研究切换信息物理系统的稳定性。针对攻击信号既是时变的又是状态相关的情况,设计一个自适应控制器和参数投影自适应律来保证自适应参数的有界性,设计具有平均驻留时间约束的切换信号。利用多Lyapunov函数方法来证明切换信息物理系统的稳定性。(4)通过飞行器的例子进行仿真测试,并给出仿真结果和分析,仿真结果表明所设计的控制器和自适应律能够保证传感器受攻击后系统依旧是稳定的,验证了前面理论的正确性。

基于Petri网的自动制造系统自适应死锁控制研究

这是一篇关于信息物理系统,Petri网,自动制造系统,死锁检测,自适应死锁控制的论文, 主要内容为信息物理系统(Cyber Physical System,CPS)是建立在对物理环境感知的基础上,深度融合了计算、通信和控制的网络化智能集成系统。近年来,由于CPS及其相关技术的快速发展,推动了各个工业领域以及信息领域关键技术的升级,其中就包括了自动制造系统(Automated Manufacturing Systems,AMSs)、物流管理系统和智能交通系统等。作为国家推进先进制造产业的重要产物,AMSs能够显著地降低制造成本、提高生产效率以及改善产品质量。一旦因为资源分配不合理或某些资源发生故障,就会导致系统死锁或阻塞状态的出现,极大影响了系统的生产效率。为了解决死锁问题,研究学者们已经做了大量的研究,但是大部分方法都是假定系统中资源不会发生故障,而实际中资源故障是不可控的。本文考虑资源故障,解决带有故障资源AMSs中的死锁问题。由于Petri网具有丰富的结构特征和严格的数学描述,可以很好地描述系统的并发及资源的共享情况,所以采用Petri网对AMSs进行建模及分析。为了避免因网规模增大而导致列举指数级别的可达状态和信标,本文采用代数的方法,通过迭代求解整数线性规划,实现死锁检测并设计死锁控制器,提出一种自适应死锁控制策略,实现系统稳健无死锁控制,同时改善系统性能。本文的工作主要有:1.在一类典型的简单资源系统中解决带有故障资源的死锁问题。针对含有资源的简单顺序过程系统S3PRs(Systems of Simple Sequential Processes With Resources),设计并添加资源故障恢复子网,通过求解整数线性规划检测系统存在的死锁状态,分析该死锁状态,找到一类特殊的回路,设计死锁控制器。进一步考虑资源故障的问题,分析死锁状态与故障资源的关系,设计并添加一种自适应控制器,使得系统能够动态地在正常工作模式和稳健工作模式下转换,保证系统稳健无死锁运行。最后,通过例子验证方法的正确性。2.进一步扩展方法的普适性,提出一种改进的自适应死锁控制策略解决具有资源共享功能AMSs中的死锁问题。针对一类具有共享资源的顺序过程系统S4Rs(The Systems of Sequential Systems With Shared Resources),设计并添加恢复子网,利用整数线性规划的方法检测死锁状态,通过分析关键变迁、关键资源及关键库所三者之间的关系,设计对应的死锁控制器。进一步考虑资源故障的问题,设计并加入了自适应控制器,保证了系统在不降低性能的情况下维持计划生产,即使不可靠资源发生故障,系统仍然可以正常工作。最后,通过例子验证了所提控制策略的正确性。3.对本文所提两种自适应死锁控制策略进行仿真验证。通过针对一个典型的AMS实例进行分析,建立与其相对应的Petri网模型,将本论文所提的两种自适应死锁控制策略分别应用在该Petri网模型中,通过对比实验,得出本文所提出方法的优势和不足。