武汉理工大学董政呈副教授和田猛副教授课题组│通过移动电源和无人机增强信息物理配电系统的韧性

文章来源：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0951832024006744

DOI: https://doi.org/10.1016/j.ress.2024.110603

Citation: Tian M, Zhu Z, Dong Z, et al. Resilience enhancement of cyber–physical distribution systems via mobile power sources and unmanned aerial vehicles[J]. Reliability Engineering & System Safety, 2025, 254: 110603.

董政呈和田猛副教授所带领的课题组主要从事智能系统和电力系统的感知、控制和优化等方面的研究。课题组隶属于智能控制与智能系统研究中心，依托武汉理工大学自动化学院，从事人工智能、自动控制与电气工程多学科交叉领域的研究和开发工作。中心负责人苏义鑫教授，二级教授，中国电源学会理事，湖北省自动化学会副理事长；团队现有专任教师16人，其中教授5人，副教授6人，在校硕士/博士研究生近100人，涵盖控制科学与工程、电气工程、电子信息与能源动力等多个学科和专业；近年来，课题组共发表学术论文200余篇，授权专利100余项，主持科研项目70余项，其中包括工信部重大科技项目3项，国家自然科学基金10余项，获得省部级以上科研奖励多项。

·研究背景·

现代配电网是高度依赖信息通信技术（ICT）的信息物理融合系统（CPDS），这种融合在提升效率的同时也带来了新的脆弱性。特别是，极端天气等灾害事件可同时摧毁电力线路（物理网络）和通信光缆（信息网络），导致大范围停电，其破坏效应远超传统单一网络故障。然而，现有多数韧性提升策略往往忽略了这种信息物理层面的协同破坏。在此背景下，移动电源（MPS）和无人机（UAV）作为恢复电力和通信的两种关键灵活资源，其应用日益广泛。但目前对MPS和UAV的规划与调度通常是独立进行的，未能充分利用两者在应对复合型灾害时的协同潜力。因此，研究如何协同优化MPS和UAV的配置与调度策略，以有效增强信息物理配电系统的综合韧性，是当前亟待解决的关键科学问题。

·图文导读·

该论文从多个维度对CPDS的韧性提升策略进行了深入探讨，系统性地分析了移动资源的应用，并提出了新的协同优化框架。文章首先对现有韧性提升策略进行了梳理，详细研究了它们在不同阶段（事前、事中、事后）以及针对不同网络（物理、信息）的应用。接着，文章对现有研究中MPS和UAV这两种关键灵活资源的独立应用模式进行了归纳，并在此基础上指出了其协同优化的必要性和潜在优势。第三部分深入分析了信息物理的相互依赖性，从通信对电网的支撑（如远程开关控制）和电网对通信的支撑（如设备供电）两个方面展开研究，揭示了复合型灾害下的级联故障风险。最后，文章探讨了协同优化MPS和UAV的方法，重点从模型构建（两阶段随机优化）、求解策略（分解框架与渐进式套期保值算法）及应用场景（事前预防性部署与事后应急调度）三个方面进行了深入讨论。

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从事后被动响应到事前主动规划的转变

传统方法多在灾后被动调度资源，响应迟缓。本文提出了一种事前主动规划的全新范式。我们构建了一个两阶段随机优化模型，在极端事件发生前，就综合考虑未来灾害场景的不确定性，对MPS和UAV进行协同预部署。这种“兵马未动，粮草先行”的策略，确保了应急资源被安置在最具战略价值的位置，为灾后第一时间启动恢复作业奠定了基础。#韧性规划 #主动防御 #随机优化

图1. 提出的两阶段韧性增强策略流程图

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从独立调度到信息物理协同作战

现有研究往往独立处理电力恢复（MPS任务）和通信恢复（UAV任务），忽略了两者间的强依赖关系。本文的核心突破在于实现了MPS和UAV的协同调度。我们设计的灾后应急模型，能够统一优化MPS的行进路线和UAV的飞行路径与悬停位置，目标不仅是恢复失电负荷，更是要同步点亮通信盲区，确保电网的“神经系统”与“血液系统”同步修复，真正实现信息物理层面的协同韧性。#信息物理系统 #协同优化 #无人机

图2. 考虑信息物理协同的MPS与UAV应急调度示意图

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从3D复杂难题到2D高效求解的降维打击

无人机在三维空间的部署与优化是一个典型的混合整数非线性难题，计算量巨大，难以快速求解。我们提出了一种创新的分解框架，巧妙地将UAV的飞行高度（垂直维度）与水平位置（二维平面）进行解耦。通过该方法，我们将一个复杂的3D问题有效转化为一个更易处理的2D混合整数二阶锥规划（MISOCP）问题，极大地提升了计算效率，使得分钟级别的快速决策成为可能。#算法创新 #降维思想 #计算效率

图3. 变电站的网络物理分布系统的示意图

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从概念提出到算例验证

通过在IEEE标准测试系统上与多种传统策略（如仅考虑MPS、独立部署UAV等）进行对比，实验结果（如 表 1 和 图 9 所示）清晰地证明：本文提出的协同优化策略在降低负荷损失方面具有明显优势。例如，在123节点系统上，协同预部署能将负荷损失从339,340减少至242,030。这充分验证了“1+1>2”的协同效应，为实际应用提供了强有力的理论与数据支撑。#协同增效 #数据驱动 #性能验证

表1. 分配对MPS和无人机调度的影响

图4. 不同调度模型性能对比图

·研究结论·

本文系统性地梳理了近年来利用MPS和UAV提升CPDS韧性的研究进展，聚焦于资源协同、模型构建及其求解策略。通过深入分析，我们得出以下关键结论：

协同优化的必要性与优越性:

当前多数研究独立调度MPS和UAV，忽略了电网物理层与信息层在灾害下的强耦合关系。本研究通过对比实验明确证明：协同优化MPS和UAV的配置与调度策略，能够显著降低负荷损失，其效果远超独立调度或仅考虑单一资源的方法。这揭示了在应对复合型灾害时，将物理恢复与通信恢复视为一个整体进行统筹规划的必要性和巨大潜力。

资源调度策略的阶段性特征:

CPDS韧性提升策略具有显著的阶段性特征。本文提出的事前预部署与事后应急调度两阶段框架，是应对极端事件的有效模式。事前，基于不确定性的随机优化模型能够将资源布置在最具战略价值的地点；事后，基于实时信息的调度模型则负责实现资源的快速、精准响应。这一“规划与执行分离”的模式兼顾了准备的充分性和响应的灵活性。

模型构建与求解的挑战与对策:

考虑UAV三维空间部署的优化模型具有混合整数非线性的复杂性，直接求解十分困难。本研究提出的3D到2D降维分解框架，通过解耦UAV的飞行高度与水平位置，可将问题转化为更易处理的混合整数二阶锥规划。同时，对于多场景随机优化问题，采用PH算法进行分解，是实现大规模问题高效求解的可行路径。

·总结展望·

研究前景与挑战：

目前对CPDS韧性的多数策略独立考虑物理网络和信息网络的恢复，忽略了两者在灾害下的强耦合性和级联故障风险。此外，对于MPS和UAV等不同类型的灵活应急资源，其协同潜力与调度策略的分析尚不充分，这限制了韧性提升措施的整体效能。

模型和工具的发展:

未来的研究应重点开发更加综合、精细的协同优化模型。这需要将更多现实世界的约束统一纳入框架，例如修复团队的路径规划、交通路网的损毁状况、以及UAV的能量补给物流。特别需要建立标准化的协同调度测试平台，以便于不同策略间的性能比较，并为实际应用提供有力的决策支持。此外，还需探索更高效的求解算法，如人工智能和深度强化学习，以应对更大规模、更复杂场景下的计算挑战。

政策和实践导向:

政府、应急管理部门和电网运营商应充分认识到协同部署应急资源的战略价值。本研究证明，对MPS和UAV的联合投资与规划，相比于独立投资，能以更低的成本实现更高的韧性水平。这为灾前预防性部署和灾后应急响应提供了重要的决策支持。推动跨部门的协同应急预案和政策制定，将是提升城市关键基础设施整体韧性的关键。

· 本期责任编辑 ·

董政呈，武汉理工大学自动化学院副教授/硕士生导师，主要从事信息物理电力系统韧性和电力低碳规划/优化相关研究。共发表SCI/EI学术论文40余篇；授权专利10余项；主持国家自科基金、博士后特别资助、湖北省自科基金等科研项目10项；获得广西科技进步二等奖等奖励6项；入选2024中国知网高被引学者TOP5%；19年入选市英才计划；担任知网CNKI评审专家库专家；担任多个学术会议特别分会组织者/技术委员会成员/分会主席；担任多个SCI期刊客座编辑及多个期刊青年编委和青年助理编辑；担任工信部下属工业互联网产业联盟《工业互联网标识行业应用指南-电力装备》编委；担任TSG、TII、RESS等数十个期刊审稿人。

Clean Energy Science and Technology (CEST)是一份国际开放获取的同行评审期刊，出版频率为一年四期（季刊）。2023年7月在上海召开创刊编委会并正式创建，2023年9月创刊号上线。期刊由爱丁堡大学范先锋教授与北京化工大学杨卫民教授担任主编。本刊旨在以原创研究文章、综述文章以及评论等形式发表高质量的权威性和跨学科观点及成果，领域涵盖生物质能、太阳能、氢能、风电、清洁原子能，以及清洁能源的转换储存、材料装备及安全、系统优化、开发利用和清洁能源政策等多个板块。CEST的目标是创办清洁能源领域国际一流学术期刊，我们将始终贯彻高质量发展宗旨，坚守期刊发展目标。2024年12月27日，CEST正式确认被Scopus数据库收录。2025年我们诚邀全球专家学者积极投稿！

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