【基金標書】2011CB302800-物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)理論和設(shè)計方法研究

項目名稱： 物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)理論和設(shè)計方法研究 首席科學家： 趙偉 同濟大學 起止年限： 托部門： 上海市科委 教育部 二、預期目標 體目標 本項目的目標是立足國民經(jīng)濟和社會發(fā)展對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的重大需求，針對影響物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的基礎(chǔ)理論研究瓶頸制約，面向物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)信息保真性和執(zhí)行忠實性兩大科學問題，構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)理論體系，發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)新型體系結(jié)構(gòu)，突破物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計和實施的關(guān)鍵技術(shù)，提供物聯(lián)網(wǎng)支撐技術(shù)平臺。 具體目標包括： 1) 揭示物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的內(nèi)在規(guī)律和本質(zhì)特征， 構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)解析理論和軟件物化方法。 2) 創(chuàng)立感 協(xié)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)及設(shè)計方法。 3) 研制適應于不同規(guī)模的、可信安全的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)支撐平臺，為物聯(lián)網(wǎng)應用的開發(fā)、設(shè)計和運行提供關(guān)鍵技術(shù)支撐；根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模和對感知、控制的不同要求，選擇有代表性的應用案例，驗證理論、方法、框架和支撐平臺的有效性。 4) 通過本項目研究，穩(wěn)定一支物聯(lián)網(wǎng)理論和技術(shù)研究隊伍，培養(yǎng)一批具有國際影響的中青年學術(shù)骨干和具有創(chuàng)新能力的高水平研究生，促進我國計算、通信、控制相結(jié)合領(lǐng)域及相關(guān)學科的發(fā)展。建立物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究基地，為物聯(lián)網(wǎng)的 研究和發(fā)展提供保障。 年預期目標 理論研究及技術(shù)創(chuàng)新成果 解決物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計和運行中的科學問題，為實現(xiàn)大型物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的建設(shè)及其應用提供理論基礎(chǔ)。 1) 揭示物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)與數(shù)字網(wǎng)絡(luò)的本質(zhì)區(qū)別和基本規(guī)律，建立基于網(wǎng)絡(luò)解析的物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)模型和理論框架，構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)解析理論。 2) 分析物理過程與數(shù)字過程之間的不同特征，構(gòu)建用于保證物聯(lián)網(wǎng)應用信息保真和忠實執(zhí)行的軟件物化理論和方法。 3) 探索基于軟件物化方法的物聯(lián)網(wǎng)軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)軟件參考體系結(jié)構(gòu)模型、體系結(jié)構(gòu)及設(shè)計方法。 4) 探索基于網(wǎng)絡(luò)解析理論的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計 方法，構(gòu)建滿足網(wǎng)絡(luò)自治和異構(gòu)融合模型、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)參考體系結(jié)構(gòu)及設(shè)計方法。 5) 探索物聯(lián)網(wǎng)共性支撐技術(shù)和方法，建立物聯(lián)網(wǎng)運行支撐平臺原型、電力物聯(lián)網(wǎng)應用驗證系統(tǒng)。 論文、專利及軟件著作權(quán) 在物聯(lián)網(wǎng)研究方面有若干論文發(fā)表于國際重要學術(shù)刊物和會議，研究成果達到國際領(lǐng)先水平。擬在國內(nèi)外核心刊物與國際會議上發(fā)表論文 160 篇以上，其中國際重要刊物與會議發(fā)表 50 篇以上；發(fā)表學術(shù)著作 2 部。申請發(fā)明專利 5項以上，獲得軟件著作權(quán) 6 項以上。 人才培養(yǎng) 培養(yǎng)博士、博士后等 35 人以上，碩士 30 人以上 。 三、研究方 案 術(shù)思路和技術(shù)途徑 立足物聯(lián)網(wǎng)的重大需求，面向信息保真性和執(zhí)行忠實性兩大科學問題，圍繞軟件和網(wǎng)絡(luò)兩條主線，從基礎(chǔ)理論、設(shè)計方法、支撐技術(shù)三個層面開展研究，通過多領(lǐng)域交叉研究，實現(xiàn)主要研究目標。在技術(shù)方面，繼承和利用已有的模型、理論和方法基礎(chǔ)上，強調(diào)自主創(chuàng)新性研究，重點研究原創(chuàng)基礎(chǔ)理論方法。同時通過驗證反饋，對理論、方法及平臺進行改進。 新點及可行性 首先，項目提出和構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)解析理論能夠整合異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，構(gòu)造統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)模型，為分析和解決物聯(lián)網(wǎng)信息保真和執(zhí)行忠實問題提供創(chuàng)新的手段。其次，項目提 出并創(chuàng)建軟件物化理論，利用建模語言、編譯技術(shù)和執(zhí)行模型對物理系統(tǒng)的約束和數(shù)字系統(tǒng)的操作進行描述、比對和控制，使軟件能夠有效的感知控制物理系統(tǒng)。第三，項目將傳統(tǒng)的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計方法擴展為符合物聯(lián)網(wǎng)實際的感 協(xié)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計方法，滿足物聯(lián)網(wǎng)保真性和忠實性要求。 項目團隊在網(wǎng)絡(luò)解析理論、軟件物化理論、軟件和網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、電力物聯(lián)網(wǎng)方面，有多年實際項目經(jīng)驗和豐富積累，保障項目順利推進，項目可行。 題設(shè)置 針對物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)信息保真和執(zhí)行忠實兩大科學問題，圍繞軟件系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)兩條主線，從基礎(chǔ)理論 、設(shè)計方法、支撐技術(shù)三個層面開展研究工作，設(shè)立五個課題，合力為構(gòu)建可信、有效、協(xié)同和安全的新型物聯(lián)網(wǎng)提供全方位支撐。 課題 1、網(wǎng)絡(luò)解析理論研究 課題目標 ：構(gòu)建適合于分析集物理系統(tǒng)和數(shù)字系統(tǒng)為一體的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)解析理論，為分析優(yōu)化物聯(lián)網(wǎng)中的信息的感知與協(xié)同、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)自治與融合的能力和機制提供有效理論工具。 課題內(nèi)容 ： 機物通信模型、延遲統(tǒng)一計算方法、物聯(lián)網(wǎng)安全模型、解析理論電力物聯(lián)網(wǎng)應用 經(jīng)費比例 ： 22% 課題負責人 ：趙偉 承擔單位 ：同濟大學 學術(shù)骨干 ：陳俊龍、吳恩華、陳彪、武建佳、吳杰、宣東 課題 2、軟件物化理論研究 課題目標 ：建立適于表達和刻畫物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換機制的物化自動機和物化執(zhí)行模型，提供數(shù)物系統(tǒng)可靠映射和運行的保障。 課題內(nèi)容 ：物化表達模型、物化執(zhí)行模型、軟件物化理論應用研究 經(jīng)費比例 ： 12% 課題負責人 ：陳儀香 承擔單位 ：華東師范大學 學術(shù)骨干 ：郁文生、李明、楊爭峰、張敏 課題 3、感 課題目標 ：建立規(guī)范化的感 計方法、參考實現(xiàn)和評估模型，為從軟件層面解決物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中信息保真性和執(zhí)行忠實性問題提供有力保障。 課題內(nèi)容 ： 感 經(jīng)費比例 ： 23% 課題負責人 ：崔莉 承擔單位 ：中國科學院計算技術(shù)研究所 學術(shù)骨干 ：徐志偉、陳益強、李偉、徐勇軍、王睿、馬卓、楊超 課題 4、自 課題目標 ：提出新型集自治和協(xié)同為一體的自 在網(wǎng)絡(luò)層面保障物聯(lián)網(wǎng)信息保真和系統(tǒng)執(zhí)行忠實提供有力支撐。 課題內(nèi)容 ： 信息感知與交互模型和協(xié)議、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)自治與異構(gòu)互聯(lián)模型和協(xié)議、自 經(jīng)費比例 ： 22% 課題負責 人 ：周孟初 承擔單位 ：同濟大學 學術(shù)骨干 ：陳閎中、王力生、曹立明、方鈺、徐中偉 課題 5、物聯(lián)網(wǎng)運行支撐平臺和實證研究 課題目標 ：構(gòu)建設(shè)計一體化的物聯(lián)網(wǎng)軟件支撐平臺，并基于此平臺構(gòu)建實例驗證系統(tǒng)，為完善物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計理論和體系結(jié)構(gòu)設(shè)計方法提供反饋。 課題內(nèi)容： 物聯(lián)網(wǎng)運行支撐平臺、電力物聯(lián)網(wǎng)應用設(shè)計與驗證 經(jīng)費比例 ： 21% 課題負責人 ：韓英鐸 承擔單位 ：清華大學 學術(shù)骨干 ：曹軍威、陸超 、趙黎 、程朋、謝小榮 四、年度計劃 研究內(nèi)容 預期目標 第 一 年 開展物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)解析理論研究，包括機物通信模型，延遲統(tǒng)一計算方法，物聯(lián)網(wǎng)安全模型等研究內(nèi)容； 開展物聯(lián)網(wǎng)軟件系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計方法研究，包括物化表達模型的研究和物化執(zhí)行模型的研究等內(nèi)容； 開展軟件系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計方法前期研究； 1) 建立物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)解析模型和框架。 2) 構(gòu)建用于保證物聯(lián)網(wǎng)應用信息保真和執(zhí)行忠實的軟件物化方法。 3) 發(fā)表論文 20 篇以上，其中國際重要刊物與會議發(fā)表 6 篇以上。 第 二 年 進行軟件系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計方法研究，包括感 感 進行網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計方法研究，探索信息感知，節(jié)點交互，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)自治，異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)融合的相關(guān)模型和協(xié)議設(shè)計； 開展物聯(lián)網(wǎng)共性軟件支撐工具和平臺和實例驗證研究； 根據(jù)軟件系統(tǒng)體結(jié)構(gòu)設(shè)計和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計成果，優(yōu)化和完善物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)解析理論和物聯(lián)網(wǎng)軟件物化理論； 1) 形成感 2) 形成自 3) 提出信息感知和交互協(xié)議； 4) 提出異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)自治和融合協(xié)議； 5) 發(fā)表論文 30 篇以上，其中國際 重要刊物與會議發(fā)表 9 篇以上。 研究內(nèi)容 預期目標 第 三 年 全面開展物聯(lián)網(wǎng)共性軟件支撐工具和平臺和實例驗證研究，構(gòu)建支持平臺和工具，進行實例驗證試點工作； 根據(jù)實例驗證反饋，完善軟件系統(tǒng)體結(jié)構(gòu)設(shè)計和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計，優(yōu)化和完善網(wǎng)絡(luò)解析理論和軟件物化理論； 1) 建立物聯(lián)網(wǎng)運行支撐平臺原型； 2) 建立電力物聯(lián)網(wǎng)實例驗證系統(tǒng)； 3) 申請發(fā)明專利 8 項以上，申請軟件著作權(quán) 5 項以上； 4) 發(fā)表論文 110 篇以上，其中國際重要刊物與會議發(fā)表 38篇以上； 5) 發(fā)表學術(shù)著作 2 部 ; 6) 累計培養(yǎng)博士、博士后等 35人以上，碩士 30 人以上 一、研究內(nèi) 容 解決的關(guān)鍵科學問題 科學問題一：物聯(lián)網(wǎng)信息的保真性問題 物聯(lián)網(wǎng)信息的保真性問題是指如何應對物理世界的感知需求，實現(xiàn)和保證物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)全面、準確、真實地刻畫和反映物理世界，滿足決策控制輸入要求的問題。 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的有效實施和應用必須解決物聯(lián)網(wǎng)信息保真性問題。所謂保真性，是指如何針對不可完備認知特性，通過理論推導和技術(shù)實現(xiàn)使得所獲取的物理信息在質(zhì)量上能夠滿足應用決策和控制的要求。為了達到物聯(lián)網(wǎng)信息的保真性，需要從信息表達、信息獲取和信息傳輸三個環(huán)節(jié)進行研究，即需要構(gòu)建合理的物聯(lián)網(wǎng)信息表示模型、精確 感知方法和可靠傳輸機制。 科學問題二：物聯(lián)網(wǎng)執(zhí)行的忠實性問題 物聯(lián)網(wǎng)執(zhí)行的忠實性問題是指如何應對物理實體的控制需求，實現(xiàn)和滿足系統(tǒng)的執(zhí)行過程與結(jié)果符合設(shè)計預期，達到可信控制的問題。 豐田剎車門事件之所以發(fā)生，很重要的一個原因就是存在執(zhí)行忠實性問題，盡管用戶作了踩剎車的動作，但汽車控制系統(tǒng)并未按照用戶的預期執(zhí)行，汽車沒有采取制動。因此，如何保證物聯(lián)網(wǎng)執(zhí)行的忠實性，是物聯(lián)網(wǎng)及其演進系統(tǒng)需要解決的科學問題。換言之，信息的保真性是物聯(lián)網(wǎng)實施和應用的基礎(chǔ)和前提，而執(zhí)行的忠實性是物聯(lián)網(wǎng)實施和應用的核心和關(guān)鍵。解決執(zhí)行的 忠實性問題，需要從預期表達、指令執(zhí)行和傳輸?shù)拳h(huán)節(jié)進行研究，即需要構(gòu)建完整刻畫系統(tǒng)執(zhí)行的計算模型、確保軟、硬協(xié)同和一致的執(zhí)行技術(shù)以及實時、可靠的網(wǎng)絡(luò)傳輸。 要研究內(nèi)容 礎(chǔ)理論研究 網(wǎng)絡(luò)解析理論研究 本項目將融合網(wǎng)絡(luò)微積分、 數(shù)、實時網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度理論與排隊論，提出面向物聯(lián)網(wǎng)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的 網(wǎng)絡(luò)解析理論 ，提供統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)數(shù)學模型及其計算和分析方法，有效地分析在數(shù)字系統(tǒng)和物理系統(tǒng)混合情況下網(wǎng)絡(luò)的性能，進而針對物聯(lián)網(wǎng)的物理攻擊特性和能量約束特性，構(gòu)建相應的模型和分析方法，為實現(xiàn)可靠、安全、高 效的物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)提供理論基礎(chǔ)。 軟件物化理論研究 物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展將越來越多的涉及到大量與物理世界直接相關(guān)的信息，以及依賴于這些信息的應用和控制?，F(xiàn)有的軟件模型、理論及工具無法刻畫和應對物理世界信息及其變化的不確定性，不可預測性和模糊性，是導致物聯(lián)網(wǎng)信息的失真和執(zhí)行的不忠實性問題的重要原因。如何建立在軟件開發(fā)中對時間和空間變化及約束有效的抽象的描述方法，以及在系統(tǒng)運行中將抽象的描述忠實地映射到物理世界的運行機制，已經(jīng)成為物聯(lián)網(wǎng)軟件開發(fā)不可缺少的理論基礎(chǔ)。為此，本項目從軟件物化的角度，分別構(gòu)建物化軟件的表達模型和執(zhí)行模 型，從而建立適于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的軟件計算模型。 體系結(jié)構(gòu)及設(shè)計方法研究 感 針對物聯(lián)網(wǎng)軟件 “感知 +處理 +存儲 +傳輸 +決策 +執(zhí)行 ” 為一體的新的定位，基于軟件物化理論，研究新型的“感 件系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，建立規(guī)范化的感 計方法、參考實現(xiàn)和評估模型，為解決物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中信息保真性和執(zhí)行忠實性問題提供上層技術(shù)支撐。 自 物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的研究提出了新的需求和挑戰(zhàn)，這些調(diào)整要求網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)能夠保證信息和指令傳輸是及時的、 準確的、可靠的，這就需要新型的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)必須是狀態(tài)可知、可運行和可推導的，即可解析的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。 軟件支撐平臺和應用實例驗證 軟件支撐平臺研究 :本項目將基于軟件物化、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議解析、