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

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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： 2011.1 至 2013.8依托部門： 上海市科委 教育部二、預(yù)期目標3.1 總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-執(zhí)物聯(lián)網(wǎng)軟件體系結(jié)構(gòu)和自-協(xié)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)及設(shè)計方法。3) 研制適應(yīng)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(yīng)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(yīng)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。3.2 三年預(yù)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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4.1 學術(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。4.2 創(chuàng)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-執(zhí)軟件系統(tǒng)和自-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。4.3 課題設(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(yīng)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(yīng)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-執(zhí)軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計方法研究課題目標：建立規(guī)范化的感-執(zhí)軟件系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的描述語言、設(shè)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-執(zhí)軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計方法及參考實現(xiàn)、感-執(zhí)軟件體系結(jié)構(gòu)有效性評估模型、感- 執(zhí)軟件體系結(jié)構(gòu)應(yīng)用經(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-協(xié)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計方法研究課題目標：提出新型集自治和協(xié)同為一體的自-協(xié)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)體系，為在網(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-協(xié)網(wǎng) 絡(luò)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計及應(yīng)用經(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(yīng)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(yù)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(yīng)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-執(zhí)軟件系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)描述語言研究，感-執(zhí)軟件系統(tǒng)設(shè)計方法研究，感 -執(zhí)軟件體系結(jié)構(gòu)參考模型研究，感-執(zhí)軟件體系結(jié)構(gòu)有效性評估模型研究等；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1) 形成感-執(zhí)軟件體系結(jié)構(gòu)框架和設(shè)計方法；2) 形成自-協(xié)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)框架和設(shè)計方法；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(yù)期目標實例驗證研究；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；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2.1 擬解決的關(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(yīng)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(yīng)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(dǎo) 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(yīng)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?？茖W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(yīng)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(yù)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(yù)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(yīng)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(yīng)用的核心和關(guān)鍵。解決執(zhí)行的忠實性問題，需要從預(yù)期表達、指令執(zhí)行和傳輸 等環(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。2.2 主要研究內(nèi)容2.2.1 基礎(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、Dioid 代數(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(yīng)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(yīng)用和控制。 現(xiàn)有的軟件模型、理 論 及工具無法刻畫和應(yīng)對物理世界信息及其變化的不確定性，不可預(yù)測性和模糊性，是導(dǎo)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。2.2.2. 體系結(jié)構(gòu)及設(shè)計方法研究感-執(zhí)軟 件體系結(jié)構(gòu)研究：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-執(zhí)”軟件系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，建立規(guī)范化的感- 執(zhí)軟件系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的描述語言、設(shè)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-協(xié)網(wǎng) 絡(luò)體系結(jié)構(gòu)研究：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(dǎo)的，即可解析的網(wǎng)絡(luò) 體系結(jié)構(gòu)。2.2.3. 軟件支撐平臺和應(yīng)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、軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計、網(wǎng)絡(luò) 體系結(jié)構(gòu)設(shè)計的研究成果，開發(fā)設(shè)計支持物 聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計、高效仿真、性能評測的軟件工具，將各 類通用的軟件模型、 設(shè)計 工具、仿真算法、 認證軟模塊進行封裝和集成，同時與網(wǎng) 絡(luò)試驗床系統(tǒng)集成構(gòu)建成為一體化的物聯(lián)網(wǎng)軟件驗證支撐平臺，用于驗證相關(guān)研究成果。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用實例驗證: 為測試和驗證本項目提出的理論體系、設(shè)計方法和技術(shù)平臺的實用性，并從應(yīng)用角度為完善和優(yōu)化理論體系、設(shè)計方法和技術(shù)平臺提供反饋意見，本項目將以電 力物聯(lián)網(wǎng)為典型實例，開展應(yīng)用實例驗證。