CRISP 2.0 Type 1: Collaborative Research: Distributed Edge Computing to Improve Resilience of Interdependent Systems

CRISP 2.0 类型 1:协作研究:分布式边缘计算以提高相互依赖系统的弹性

基本信息

  • 批准号:
    1832683
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 19.35万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2019
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2019-01-01 至 2022-12-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

This Critical Resilient Interdependent Infrastructure Systems and Processes (CRISP) research advances the body of knowledge on interdependent infrastructure resilience of systems through utilizing distributed assets to minimize cascading failures under extreme events. It is hypothesized that the domino effect of service disruptions is rooted in the vulnerability of the backbone-versus-edge relationship among the systems. For example, a backbone component in one system, such as natural gas-fueled power plants, is only at the end of the supply chain of natural gas (termed as the edge). Consequently, a backbone failure in one system (such as natural gas pipeline outage) can create the domino effect of failures through the entire interdependent systems. One way to alleviate this backbone-vs-edge tension is to bring assets to the edge (referred to as distributed resources), hence releasing the reliance of one infrastructure system on the others. This research will establish a new framework to effectively coordinate among the distributed resources, without requiring centralized coordination. Such a framework will be tested under various hazards including urban droughts, hurricanes and earthquakes. In addition, economic benefits of the added resilience will be quantified to help policy makers with more efficient solutions for improving resilience without sacrificing economic growth. The research will be widely disseminated to scientific communities and public via publishing in scientific outlets as well as leveraging press releases and media tools. Moreover, this research-integrated program and commitment to enhanced diversity promises to inspire underrepresented groups in STEM, and train the next generation of interdisciplinary scholars.To effectively control distributed resources across multiple interdependent systems, a novel distributed optimization algorithm will be established. Most of the existing distributed optimization algorithms cannot deal with complicated (and possibly non-convex) network constraints. To bridge this knowledge gap, there is an algorithm which leverages successive convex approximation, coupled with suitably designed message passing protocols, to allow an optimization problem to be solved in a distributed manner at a large number of computational nodes (i.e., the distributed resources), connected by a network with arbitrary topology and time-varying links. This is particularly useful in modeling outages in physical or communication networks, such as electricity network interruptions. To quantify the benefits of the distributed assets under extreme events, a multi-dimensional resilience quantification framework will be developed to simultaneously characterize multiple performance metrics of systems as opposed to measuring a single performance metric which is the prevalent approach today.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
这项关键弹性相互依赖基础设施系统和流程(CRISP)研究通过利用分布式资产来最大限度地减少极端事件下的级联故障,从而推进了系统的相互依赖基础设施弹性的知识体系。据推测,多米诺骨牌效应的服务中断是植根于脆弱性的骨干与边缘之间的系统关系。 例如,一个系统中的骨干组件,如天然气燃料发电厂,仅位于天然气供应链的末端(称为边缘)。因此,一个系统中的主干故障(例如天然气管道中断)可以通过整个相互依赖的系统产生故障的多米诺骨牌效应。缓解这种主干与边缘紧张关系的一种方法是将资产带到边缘(称为分布式资源),从而释放一个基础设施系统对其他基础设施系统的依赖。本研究将建立一个新的框架,有效地协调之间的分布式资源,而不需要集中协调。这一框架将在城市干旱、飓风和地震等各种灾害中得到检验。此外,将量化增强韧性的经济效益,以帮助政策制定者在不牺牲经济增长的情况下更有效地提高韧性。该研究将通过在科学媒体上发表以及利用新闻稿和媒体工具向科学界和公众广泛传播。此外,这一研究整合计划和对增强多样性的承诺有望激励STEM中代表性不足的群体,培养下一代跨学科学者。为了有效控制多个相互依赖的系统之间的分布式资源,将建立一种新的分布式优化算法。现有的大多数分布式优化算法不能处理复杂的(可能是非凸的)网络约束。为了弥合这种知识差距,存在一种算法,其利用连续凸近似,结合适当设计的消息传递协议,以允许在大量计算节点(即,分布式资源),通过具有任意拓扑和时变链路的网络连接。这在对物理或通信网络中的中断(例如电网中断)进行建模时特别有用。为了量化分布式资产在极端事件下的收益,一个多将开发一个多维弹性量化框架,以同时表征系统的多个性能指标,而不是测量一个单一的性能指标,这是当今流行的方法。这个奖项反映了美国国家科学基金会的法定使命,并被认为是值得通过利用基金会的知识价值和更广泛的影响审查进行评估来支持的的搜索.

项目成果

期刊论文数量(4)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Regulatory jurisdiction and policy coordination: A bi-level modeling approach for performance-based environmental policy
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Risk-averse and strategic prosumers: A distributionally robust chance-constrained MPEC approach
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  • DOI:
    10.1007/s12667-022-00561-0
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Ramyar, Sepehr;Tanaka, Makoto;Chen, Yihsu
  • 通讯作者:
    Chen, Yihsu
Death spiral, transmission charges, and prosumers in the electricity market
  • DOI:
    10.1016/j.apenergy.2022.120488
  • 发表时间:
    2023-02
  • 期刊:
  • 影响因子:
    11.2
  • 作者:
    Yihsu Chen;Makoto Tanaka;Ryuta Takashima
  • 通讯作者:
    Yihsu Chen;Makoto Tanaka;Ryuta Takashima
Energy Expenditure Incidence in the Presence of Prosumers: Can a Fixed Charge Lead Us to the Promised Land?
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  • DOI:
    10.1109/tpwrs.2021.3104770
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
  • 影响因子:
    6.6
  • 作者:
    Chen, Yihsu;Tanaka, Makoto;Takashima, Ryuta
  • 通讯作者:
    Takashima, Ryuta
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