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经济参考网读书频道
铺设一个去中心化的电网
电网一向缺乏自动监控的能力。20世纪20年代末30年代初,用电子元件制造的早期类比计算机可以模拟小型电力系统。当时,这些早期设备都是些庞然大物,体积能够占据一般人家整个客厅那么大。科学家用这些机器来计算一些偶发意外对于电网的影响。到了20世纪60年代,新的数字计算机的产生使得人们能够测试更加复杂的系统。越来越多的发电站和电网企业开始采用一种“监控管理和数据收集”系统,简称SCADA。这套系统在发电厂和输电线路上安装有传感器,能够将搜集到的数据传输到中央电脑,供工作人员管理和控制。 跟许多通信协议一样,使用这样一种标准带来了互联性,这在起初提高了效率。但是随着时间的推移,由于电网本身和它相应的科技越发复杂,SCADA已经无法提供整个电网的状态信息了,同时它也在逐步退化,换句话说,就是不再具有恢复力了。 根据全美物理学院菲利浦·舍韦的说法,这种技术已经过时,无法应对当今的需求。他说,SCADA“对于整张电网各个元件的感知和控制完全不够。虽然它能够帮助各家电力公司协调电力输送,但是整个沟通流程非常缓慢,主要还是依靠电力公司控制中心操作员之间打电话沟通,尤其是在出现状况的时候。” 有时候,就算是两个电网工作人员之间对话其实也没有办法真正解决问题,因为两人所处的电网有可能采用不兼容的系统。有人收集了2003年8月14日当天的通话记录,发现不同系统的管理者之间采用对等的实时信息,共同协调。以下是宾夕法尼亚–新泽西–马里兰电网的工作人员和中西部独立电网工作人员之间的通话记录: 宾夕法尼亚–新泽西–马里兰电网的工作人员:好像广东南路到斯达的345号线路中断了。我不太清楚,你能不能帮我看一下从萨明斯到斯达的线路现在还是不是畅通? 中西部独立电网的工作人员:好的,我看看我这边有没有什么有用的信息。我看到第一能源公司的朱庇特线路已经断了。 宾:是吗? 中:不过他们刚刚把那条线路修好了。 宾:什么时候修好的?可能是…… 中:我现在不知道…… 宾:现在我看到AEP(美国电力公司)系统显示从萨明斯到斯达的线路的数据是1 378…… 中:我看看。我现在试试看能不能够找到,如果有可能的话……我看到广东南路到斯达的345号线路已经恢复了,但是现在我们收到的数据是1 199,我不知道它是不是刚刚恢复的。 宾:很有可能。 在管理美国电网这套“20世纪人类杰出的工程奇迹”的时候,工作人员使用的则是固定电话,一种19世纪就已经诞生的古老科技。因此,他们对于现场情况的掌控是不完整的、模糊的,只能根据不及时的信息来做决定。 对具体问题小修小补没有办法让电网变得更加安全,因为每一天电网的规模都在扩大,变得更加复杂,电网将要面对的挑战是它的设计者根本无从设想的。电网甚至要面临一个更大的威胁。虽然这次停电是意外导致的,但是,如果往坏处想,谁能保证下次再出现的停电不是坏人恶意攻击的结果? 电力公司曾经请一些黑客进行压力测试,黑客们发现SCADA系统里存在许多安全隐患。在一次演习中,黑客们从远程侵入了由电网工作人员操作的控制台,偷偷记录下控制台向数个发电站发出的指令,并且记录下对方的反应。之后,黑客们把控制台在白天和晚上发出的指令对调。因为白天的用电需求要高得多,这样一来不出几分钟,整个电网就瘫痪了(还好这是一场演习)。在现实生活中,类似的攻击也曾经发生过。2011年11月8日,人们怀疑黑客入侵了伊利诺伊州春田市的市政供水系统,控制了一座水泵的控制台。黑客在短时间里向控制台发送大量的开关指令,在这个过程中,控制台很快就烧坏了。 就算不用担心恐怖分子从网络上的威胁,再发生一次2003年那样大停电的可能性也在增加。这是多重因素造成的,比如大规模远距离输电的需求不断增加,输电系统常年投资不足,突然间发生的大规模用电需求增加,以及因为经济原因电力公司必须经历重组。还有一个原因,就是20世纪50~70年代开始使用的变压器快要达到使用年限了,这些变压器的老化也很有可能导致大规模的停电。此外,气候变化导致极端天气出现的频率提高,还有数以百万计的美国人开始利用电网对自己的混合动力汽车充电。问题越来越显而易见:如果我们想要确保电网能够满足21世纪日益增加的用电需求,确保电网运行稳定、安全、正常,就必须对电网进行彻底改造。但是用什么方式呢? 解决问题的人是一位伊朗移民,马苏德·阿明,世人公认的智能电网之父。阿明现在50多岁,是一位严肃而令人尊敬的工程学教授,任教于明尼苏达大学。“9·11”恐怖袭击事件之后,华盛顿的官员担心会发生各种各样的恐怖袭击,委托总部在帕洛阿尔托的电力研究院进行一项针对重要基建和电网正常运营安全性的研究,由阿明领衔负责。在帕洛阿尔托,阿明和他的同事们在各个不同领域都获得了突破性进展,从非线性动力系统到人工智能,从博弈论到网络理论,他们发展出一系列关键概念,为建设未来能够自我监控、自我协调、自我修复的电网打下了坚实的基础。 阿明和他的同事们找出了三项未来电网的关键原则,这些原则现在已经广为人知。第一项原则是电网要能够实时监控,第一时间做出反应。经济学家安德鲁?霍尔丹曾经提出,要为全球经济网络的实施状况搜集第一手的数据。电网也应该是这样,不论是在核心还是在系统的边缘,它的各个层级应当安装无数细小的传感器。第二项原则是预判。现在的SCADA系统在评估碎片化的信息时,中间有30秒的延迟,这就像是开车只看后视镜。用阿明的话说,一个更好的监控和预判系统能够拥有一种“自我感知”的能力(当然这是半开玩笑的说法)。他认为,更先进的控制台就应该像一个国际象棋大师一样,在发生各种一连串事件之前就已经通过模型预判出接下来的用电情况。第三项原则是分离,或者叫去耦合。一旦系统出现问题的征兆,整个系统会将自己分割成若干个不相连的组成部分,就像一个个孤岛。每一个组成部分都有可能完全崩溃,但是却能够避免2003年大停电那样的系统性崩溃。 今天,随着这些原则得到落实,可以说美国电网正在经历一场革命。很多厂商发现,其中的商机甚至远远大于互联网革命。于是,小到电灯开关,大到电网整体解决方案提供商,整个产业应运而生,大大小小各个层级的机构都参与到这场产业革命中来,希望把各种点子变成能够商业化的产品。根据网络设备提供商思科公司进行的一项分析,这场产业革命所建立的技术平台将是美国国内互联网规模的100~1 000倍,平台中节点和传感器的数量超过万亿个,将它们相互连接起来至少需要上百万个次级软件系统。 所有的节点和传感器就相当于让整张电网拥有了“本体感受”。虽然不像阿明所说的,这个系统会有自己的感觉,但“本体感受”指的是系统自己的感官,或者对自己在大的空间里位置的认识。读者们不妨玩一个小实验:闭上眼睛,将双手举过头顶。在保证左手手指不动的前提下,用右手中指点自己的鼻子。之后眼睛继续闭着,再用右手中指点左手大拇指。 对于许多人来说,可能要多试几次,但是总能掌握这个小把戏。我们是怎么做到的?虽然我们主要通过视觉来认知我们身体在空间中的位置,但我们同时拥有一套对身体所在空间的感知能力。比如,在某一个时候,不用眼睛看就能知道我们的手和脚在什么位置。一种特殊的神经末梢,即本体感受器或者肌梭,遍布于我们整个身体,并且不断将位置信息用接力的方式传回大脑。接下来,大脑将回传的位置信息与视觉和其他感官的信息综合整理,得到一个综合的结果,即我们对于自己身体在空间和周遭事物中所处的位置。所以就算我们没有看到自己的手脚和躯干,我们也能够感知到它们的位置。 阿明为电网设计的传感器还是无法与人体的神经末梢相比,还有很长的路要走。而且,将所有回传信号融合起来还需要另外一个先决条件,即在系统内部压缩和传播数据的新型信息协议。 SCADA系统和电网出现的问题告诉我们,一个大规模系统的适应性取决于其内部核心的信息协议是怎样设计的。信息协议是系统的通用语言,它规定了系统各个部分之间的信息按照怎样的方式沟通。如果使用的信息协议缺乏弹性,或者跟某一些软件硬件绑定过死,整套信息协议很容易过时。因为绑定的软硬件的更新速度很快,没过多久就会被新技术取代。SCADA系统面对的就是这个问题,它采用的中央控制系统还是大型计算机时代的产物。 另一方面,互联网协议,即TCP/IP协议(一种网络通信协议),则带给我们一些好的启示。这一协议基于数据包,设计简洁精巧,层次分明。上一章我们对此已经稍有提及。为了简化起见,你不妨把这一协议想象成一个沙漏,下层是连接到互联网的种类繁复、不断增多的各种硬件,从iPod到机器人到未来未知的发明创造。沙漏上层是对应的软件,同样也是种类繁复不断增多,从手机应用到微博到未来的各种新软件,它们也会连接到互联网上。而在两者中间是沙漏的腰,这就是一个简单且不会轻易修改的信息协议,它的作用是保证网络上各种数据包的顺畅沟通。不论是写一款新程序,还是设计一款内置互联网的新硬件,只要应用了TCP/IP协议,就能够在互联网上自由沟通。 在这种方式里,TCP/IP协议就像是字母表,运用这些基本的元素能够表达各种千奇百怪的点子,并将这些点子综合利用,而这些元素本身是不变的。这些协议的设计者在设计TCP/IP的时候,估计也没有办法想象到未来会出现iPad(一款苹果公司出品的平板电脑)或者Facebook(一个社交网络服务网站),但是他们如此之天才,他们设计的协议根本就不用考虑未来新发明的特殊要求,只要这些新发明能够应用这种协议,并且通过这种协议实现相互之间便捷的沟通即可。(再打个比方,SCADA系统则是把字母表中字母之间的组合固定了下来,信息和想法之间的沟通因此受到了很大限制。)
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