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面向绿色计算的车辆协同任务卸载方法

电子与信息学报 2024年第1期46卷 175-183页

作者：张红霞吕智豪席诗语刘佳敏郭加树张培颖中国石油大学(华东)青岛软件学院青岛266000 中国石油大学(华东)计算机科学与技术学院青岛266000

车辆边缘计算(VEC)为处理计算密集、延迟敏感型任务提供了新的范式,然而边缘服务器在整合可再生能源方面的能力较差。因此,为了提高边缘服务器的能效,该文设计了一种面向绿色计算的车辆协同任务卸载框架。在该框架中,车辆配备能源收集(... 详细信息

车辆边缘计算(VEC)为处理计算密集、延迟敏感型任务提供了新的范式,然而边缘服务器在整合可再生能源方面的能力较差。因此,为了提高边缘服务器的能效,该文设计了一种面向绿色计算的车辆协同任务卸载框架。在该框架中,车辆配备能源收集(EH)设备,通过彼此间共享绿色能源和计算资源协作执行任务。为有效促进车辆的参与积极性,该文通过动态定价激励车辆,并综合考虑了车辆的移动性、任务优先级等。为了使卸载决策适应动态环境的变化,该文提出了一种基于双延迟深度确定性策略梯度(TD3)的任务卸载方法,以在最大化所有车辆平均任务完成效用的同时减少边缘端电网电力的使用。最后,仿真结果验证了该方法的有效性,相比基于深度确定性策略梯度(DDPG)和基于贪心原则(GPE)的方法在性能上分别提升了7.34%和37.47%。

关键词：车辆边缘计算任务卸载能源收集车辆协同动态定价

钛酸钡介电调控提升纸基摩擦纳米发电机输出性能

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物理学报 2022年第7期71卷 306-315页

作者：梁帅博袁涛邱扬张震妙亚宁韩竞峰刘秀童姚春丽北京林业大学材料科学与技术学院北京100083

摩擦纳米发电机作为一种能够将机械能转换为电能的新型能源转换装置,自发明以来便引起了广泛关注,然而其环保性能由于原料来源多为合成高分子材料而受到制约.采用绿色环保的纤维素材料制备摩擦纳米发电机是解决上述问题的重要方式之一.... 详细信息

摩擦纳米发电机作为一种能够将机械能转换为电能的新型能源转换装置,自发明以来便引起了广泛关注,然而其环保性能由于原料来源多为合成高分子材料而受到制约.采用绿色环保的纤维素材料制备摩擦纳米发电机是解决上述问题的重要方式之一.本研究以竹纤维素和钛酸钡(BaTiO_(3))为原料,结合湿法造纸和掺杂改性制备了纤维素/钛酸钡复合纸,并将其作为正极摩擦层构建了纸基摩擦纳米发电机(cellulose/barium titanate-triboelectric nanogenerator,C/BT-TENG).结果表明,BaTiO_(3)的加入显著提升了复合纸的相对介电常数,C/BT-TENG的输出性能随着BaTiO_(3)掺杂量增加而提升,在4%掺杂量时,C/BT-TENG的开路电压和短路电流达到最大值118.5 V和13.51μA,相比纯纤维素纸作为正极摩擦层时,分别提升了51.3%和41.2%.通过模型法分析了介电调控提升C/BT-TENG输出性能的机理.此外,C/BT-TENG具有良好的输出性能和工作稳定性,在负载电阻为5 MΩ时,其获得最大输出功率密度0.36 W/m^(2),表现出良好的应用前景.

关键词：钛酸钡纤维素纸摩擦纳米发电机能源收集

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双供电模式下绿色基站GCD-BED建模与优化

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双供电模式下绿色基站GCD-BED建模与优化

作者：马东宁夏大学

学位级别：硕士

由第五代移动通信(5th generation mobile communication,5G)到第六代移动通信(6th generation mobile communication,6G)的革新中提出更高可靠性、更大规模、更低延时、更高频段的要求。这导致移动通信能耗成倍上升,对环境治理带来重... 详细信息

由第五代移动通信(5th generation mobile communication,5G)到第六代移动通信(6th generation mobile communication,6G)的革新中提出更高可靠性、更大规模、更低延时、更高频段的要求。这导致移动通信能耗成倍上升,对环境治理带来重大挑战。在5G/6G能耗构成中,基站(Base station,BS)能耗占比达到80%以上并逐年较快上升,能耗的提升增加了电信运营商的电费成本支出以及对电网(Power grid,PG)负载带来较大压力。相对于传统能源,可再生能源(Renewable energy,RE)使用清洁、成本低廉。能量收集(Energy harvesting,EH)技术和能量存储(Enengystoragy,ES)技术的创新以及人工智能(Artificial intelligence,AI)的变革,促使RE-PG双供电给基站提供能量成为新模式。然而,在这种供电模式中如何评估RE出力与合理利用“沉睡”的电池资源,提高RE消纳与电池利用率从而降低电费账单与PG依赖仍然值得探讨。本文就BS的RE-PG双供电场景,一方面提出一种基于智能电池充放电管理的混合能源供应架构。该架构首先考虑RE、能量共享、异构流量BS负载以及电池状态,从能量消耗角度评估双供电模式中可再生能源出力情况。在此基础上,建立异构流量BS的电池能量管理以及并网深度(Gridconnectiondepth,GCD)模型。在该模型中,BS之间通过电力信息线传递能量以及储能信息,通过能量共享实现BS能量再分配,最大化利用可再生能源和降低对电网的依赖。然后基于该模型提出一种BS储能电池充放电策略,通过该策略完成BS储能电池能量管理。最后为得到最优GCD值,搭建GCD优化平台,采用深度Q学习(Deep Q learning,DQL)算法来学习时变EH信息、BS负载信息和电池状态信息完成对BS电池的能量管理。另一方面,将BS储能看作分布式储能资源使其参与PG能量调度中,提高BS能量利用和平衡PG稳定性达到共赢。因此,将电池储能空间划分为备电区、调度区与低价储能区并且将电池备电阈值与功率负载和EH信息相关联。接着,提出电池能量调度方案与建立电池能量调度(Battery energy scheduling,BED)模型。然后,考虑到PG分时电价以及电池能量状态对BED的影响,提出BED策略及基于DQL的BED优化算法使可调度能量达到最大。最后,仿真表明在不预知因果信息和实时能量共享的情况下,所提BS能量管理算法相比于离线算法可以使GCD值最大降低25%。此外,在每天充放电次数不变的情况下,BS参与能量调度后可以有效降低BS在电价高峰时的电力购买量,增加在电价低谷时的备电量。这不仅降低电信运营商的电费支出,还减少对电网的依赖与碳排放。

关键词：基站能耗深度学习能源收集能量共享能量调度

基于固-液摩擦起电的自驱动传感设计与应用研究

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基于固-液摩擦起电的自驱动传感设计与应用研究

作者：董洋三峡大学

学位级别：硕士

传感器网络对于物联网和智慧城市的发展至关重要。一般的传感器,尤其是移动传感器必须需要额外的能源驱动。考虑到传感器较高的移动性,分布广泛和无线操作等特点,其储能器件的寿命是有限,因此延长它们的服役寿命仍然是一项挑战。另一方... 详细信息

传感器网络对于物联网和智慧城市的发展至关重要。一般的传感器,尤其是移动传感器必须需要额外的能源驱动。考虑到传感器较高的移动性,分布广泛和无线操作等特点,其储能器件的寿命是有限,因此延长它们的服役寿命仍然是一项挑战。另一方面,碳中和作为我国正在积极践行绿色可持续发展的一大国策,尤其需要在能源方面开展一系列科研研究以求从科技创新的角度寻求解决问题的根源性方法,实现对清洁能源的利用最大化正是其中最具效率的一种选择。王中林院士于2006年首次提出了自供能传感器和自供能系统的概念,借助摩擦纳米发电机技术可以在不使用外部电源的情况下,收集环境中的能源为微纳传感器件或者微纳系统持续供电。固-液摩擦纳米发电机的工作原理是结合摩擦起电和静电感应起电,其产生的电能输出通常是交流电,并且具有高电流,低电压的特点。但是输出受环境影响较大,输出不稳定,输出功率小且不连续。因此,能够产生稳定且输出较大的固-液摩擦纳米发电机引起了广大学者的关注。本文着重关注固-液摩擦所产生的摩擦电,借助摩擦纳米发电机技术将其产生的静电收集并使用,进而开发和设计出自供能的传感器,具体涉及有三个工作:(1)基于固-液摩擦起电和静电感应起电的原理,设计了一种基于气泡运动的固-液摩擦电传感器用于检测塑料管内的堵塞和泄漏故障。该工作可为液体管道运行状态检测提供一种新的策略和方法。(2)受水平仪的启发设计了一种新型的高分辨率气泡运动的摩擦电传感器用来检测微弱加速度运动。该传感器的电信号可以实时检测运动信息且灵敏度较高,在检测弱震动方面具有广阔的应用前景。(3)利用流体的流变学特性以及文丘里管的结构设计,结合摩擦起电效应和击穿放电效应,设计了一种气-液两相流固-液摩擦发电机。这项工作不仅刷新了固-液摩擦纳米发电机的输出电荷和单位体积电荷密度的记录,而且创新性的提出了一种新的气-液两相流式发电机机理。该工作可以为从水中高效收集可再生清洁能源以及高速气-液两相流速度传感检测提供一种策略。

关键词：固-液摩擦起电摩擦纳米发电机能源收集自供能传感器

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热电技术在道路工程中应用现状及展望

市政技术 2022年第5期40卷 1-8,44页

作者：金娇李锐彭梧桐陈晖文刘丰腾潘杰长沙理工大学交通运输工程学院湖南长沙410114 长沙理工大学国际学院湖南长沙410114

交通运输行业由于能源消耗巨大,因此利用可再生能源以减少化石能源的使用对于整个行业的可持续发展有着重要作用。沥青路面覆盖了广袤的区域,沥青吸收大量的太阳辐射储存了大量的能量,当其存在温度梯度时,就可以通过热电效应将沥青路面... 详细信息

交通运输行业由于能源消耗巨大,因此利用可再生能源以减少化石能源的使用对于整个行业的可持续发展有着重要作用。沥青路面覆盖了广袤的区域,沥青吸收大量的太阳辐射储存了大量的能量,当其存在温度梯度时,就可以通过热电效应将沥青路面中储存的热能转化为电能。热电技术在道路领域的应用一方面可以降低路表面的温度,以减少高温对路面的损害;另一方面可以收集到一定的清洁电能,用于路面及道路沿途设施供电。系统介绍了热电效应原理、沥青路面的温度场和热电技术用于沥青路面的现状,讨论了提高热电转化效率和输出功率的方法,并对今后需继续解决的技术问题进行了归纳总结。利用热电效应从沥青路面上收集能量具有一定的可行性,但在提升路面的热电转化效率和输出功率方面仍需进一步加强研究。

关键词：沥青路面能源收集热电转换塞贝克效应温度场

具有QoS保证的RF能量采集认知无线网络高能效资源分配技术

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重庆大学学报（自然科学版） 2019年第9期42卷 27-33页

作者：田杰程永生肖何侯冬解楠中国工程物理研究院电子工程研究所四川绵阳621900 西华师范大学计算机学院四川南充637009 电子科技大学自动化工程学院四川成都611731

考虑了一种基于射频能量采集的认知无线网络系统。其中,次用户发射机(ST,secondary transmitter)首先从主用户(PU,primary user)发射的射频信号中收集能量,然后利用所收集能量与次用户通信。此外,ST保留有可能来自之前传输块的剩余能量... 详细信息

考虑了一种基于射频能量采集的认知无线网络系统。其中,次用户发射机(ST,secondary transmitter)首先从主用户(PU,primary user)发射的射频信号中收集能量,然后利用所收集能量与次用户通信。此外,ST保留有可能来自之前传输块的剩余能量作为初始能量。目标是通过传输时间和发射功率联合优化,达到次用户网络能量效率最大化。为保证次用户网络服务质量(QoS,quality of service),在能量效率最大化过程中对ST施加最小吞吐量需求约束。由于能量效率最大化是非线性分数规划问题,提出了一种基于Dinkelbach方法的快速迭代算法来实现资源的最优分配。仿真结果表明,该算法收敛速度快,可以在保证QoS约束的同时显著提高系统的能量效率。

关键词：能源效率认知无线电能源收集非线性分数规划 QoS

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基于分布式压缩感知的能量收集WSNs

传感器与微系统 2014年第7期33卷 45-48页

作者：汪鲁才赵延昇林海军刘国锋湖南师范大学工程与设计学院电子系湖南长沙410012

针对无线传感器网络(WSNs)通信功耗和带宽要求高,引起节点寿命短的缺陷,利用WSNs节点感知数据的空间相关性和联合稀疏模型,结合分布式压缩感知(DCS)算法,提出了从能源收集的角度来分析对WSNs数据的压缩重构。通过理论和实验仿真表明:基... 详细信息

针对无线传感器网络(WSNs)通信功耗和带宽要求高,引起节点寿命短的缺陷,利用WSNs节点感知数据的空间相关性和联合稀疏模型,结合分布式压缩感知(DCS)算法,提出了从能源收集的角度来分析对WSNs数据的压缩重构。通过理论和实验仿真表明:基于DCS的WSNs,在能源平衡方面具有很大的优势,在保证重构信号精确度的前提下大大提高了能源的有效利用率。

关键词：无线传感器网络联合稀疏模型分布式压缩感知能源收集

微纳复合多级结构的可控制造方法及摩擦发电性能研究

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微纳复合多级结构的可控制造方法及摩擦发电性能研究

作者：王成西安理工大学

学位级别：硕士

物联网技术的飞速发展促进了电子设备朝着多功能、微型化、分布广的方向发展,而传统的电池供能方式存在许多不可避免的问题,比如充放电效率低,使用寿命短,废旧电池污染环境等,因此找到一种新的供能方案显得极为重要。基于摩擦起电和静... 详细信息

物联网技术的飞速发展促进了电子设备朝着多功能、微型化、分布广的方向发展,而传统的电池供能方式存在许多不可避免的问题,比如充放电效率低,使用寿命短,废旧电池污染环境等,因此找到一种新的供能方案显得极为重要。基于摩擦起电和静电感应的摩擦纳米发电机（Triboelectric Nanogenerator,TENG）可以将环境中的机械能转化为电能,高效稳定地为电子设备供能,同时为解决不断加重的能源危机和环境问题提供了新的思路和方法。本文提出构建基于微-微复合多级和微-纳复合多级结构摩擦面的TENG,实现了摩擦表面超疏水性,增加了有效摩擦面积,研究工作具有重要的理论意义和工程应用价值。论文利用光刻与模塑复形的多级结构可控制造工艺,以次级结构孔模具为基底进行匀胶、光刻,制备得到复合孔的多级结构模具,再通过模塑复形方法,翻膜得到对应的多级结构薄膜,利用此方法制备了不同尺寸和中心距的微-微复合多级和微-纳复合多级结构。根据超疏水理论,表征了不同微观结构表面的亲疏水特性,分析表面结构对疏水性能的影响,确立了多级结构的构建对于固体表面超疏水特性的必要条件,验证了C4F8（八氟环丁烷）纳米薄膜沉积表面改性方法对疏水性能的提升。论文以单电极理论模型为参考对器件进行封装,得到了用于固-液摩擦发电的TENG,分析了水摩擦发电过程中的电荷流向,搭建固-液摩擦发电测试平台,表征了不同微纳结构摩擦面TENG的电信号输出特性,表征结果发现超疏水的多级结构摩擦表面发电机器件不仅信号输出幅值更高,充放电速度也明显更快。论文以垂直接触-分离理论模型为参考制备得到了用于固-固摩擦发电的器件,分析了激振过程中的电荷具体流向,搭建固-固摩擦发电测试平台,表征了微-微复合多级结构以及对应的单级结构摩擦面TENG的电输出特性,发现多级结构摩擦面器件具有更高的电信号输出,同时研究了激振力大小和激振频率对多级结构摩擦面TENG信号输出特性的影响规律。通过系统研究,本文获得了微-微复合多级和微-纳复合多级结构摩擦表面,可以很好的实现超疏水特性,广泛应用于固-液摩擦发电和固-固摩擦发电,得到高性能摩擦纳米发电机,在能源收集和电子设备自供电方面具有广阔的应用前景。

关键词：摩擦纳米发电机复合多级结构超疏水特性能源收集电子设备自供电

基于深度强化学习具有能量收集和协作的超密集网资源分配

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基于深度强化学习具有能量收集和协作的超密集网资源分配

作者：李亚吉林大学

学位级别：硕士

超密集网络（UDN,ultra-dense network）作为解决物联网中移动流量需求爆炸增长问题的关键技术之一,在通过大量部署小型基站（SBS,Small Base Station）来满足网络容量的同时,也带来了大量的能量消耗。因此,在有效满足用户服务质量的基... 详细信息

超密集网络（UDN,ultra-dense network）作为解决物联网中移动流量需求爆炸增长问题的关键技术之一,在通过大量部署小型基站（SBS,Small Base Station）来满足网络容量的同时,也带来了大量的能量消耗。因此,在有效满足用户服务质量的基础上,UDN还需降低小基站的能量开销、提高系统的能量效率。近些年,已有许多国内外学者提出了不同蜂窝网络下能量收集小基站的资源分配方案。小基站可以通过能量收集（EH,Energy Harvesting）技术从自然环境中获取太阳能、风能等可再生能源来降低传统电网的能量消耗。但是在UDN场景中小基站数量众多,用户与基站间的信道状态较为复杂,从绿色通信的角度上如何采取有效资源分配方案是一个值得研究的问题。此外,强化学习（RL,Reinforcement Learning）作为近些年兴起的一种新的优化理论,在探索环境、机器学习和智能决策等方面具有传统优化方法不具备的优势。将强化学习方法引入到UDN的资源分配中具有探索和研究价值。本文的研究内容为UDN在具有能量收集和协作下,如何提高系统总吞吐量的问题。主要工作可以分成两部分:1.研究和解决了利用能量收集和协作技术来提高UDN系统吞吐量的问题。在这个问题中,小基站的能量主要来源为自身收集到的可再生能源和其它小基站分享的可再生能源。考虑到小基站可再生能量收集到达过程和通信信道等信息先验未知,我们采用了深度强化学习（DRL,Deep Reinforcement Learning）算法-DQN（深度Q学习）和DDPG（深度确定性策略梯度）,根据所有小基站和被服务所有用户的环境状态等信息集中动态地控制每一个小基站的功率分配。研究表明,基于DQN的功率分配方案需要将动作空间（基站功率分配）量化,划分成固定的动作来选取,这会导致小基站的功率选取不是最优的。而基于DDPG的方案可以在连续动作空间上选取一个合适动作,避免由于量化误差导致系统吞吐量不是最优的问题。仿真结果表明,这两种功率分配算法可以很好地收敛,而基于DDPG功率分配策略下的系统吞吐量可以最大化。2.针对UDN中小基站数量过大带来的DRL算法状态和动作维度的指数增长,我们结合实际的网络架构提出了一种多智能体深度强化学习的算法MADDPG（多智能体深度确定性策略梯度）来解决这个问题。基于MADDPG算法的方案采用集中训练、分散执行的方式将每个小基站看作独立具有决策能力的智能体进行最优策略训练。相比于DDPG算法,这种算法在训练过程中有效降低了神经网络输入信息维度的大小。每个小基站仅在自身可观察的环境里就能做出最优的功率分配,这不仅解决了前面提及的问题,还一定程度上提高了UDN系统的抗干扰能力。最后,在仿真实验结果中可以看出,与传统的功率分配策略相比,我们所提出几种功率分配方案的优越性。

关键词：吞吐量能源收集超密集网络深度强化学习 DQN DDPG MADDPG