【基金標書】2011CB302800-物聯網基礎理論和設計方法研究

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項目名稱： 物聯網基礎理論和設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、預期目標3.1 總體目標本項目的目標是立足國民經濟和社會發(fā)展對物聯網技術的重大需求，針對影響物聯網發(fā)展的基礎理論研究瓶頸制約，面向物聯網系統信息保真性和執(zhí)行忠實性兩大科學問題，構建物聯網的基礎理論體系，發(fā)展物聯網新型體系結構，突破物聯網設計和實施的關鍵技術，提供物聯網支撐技術平臺。具體目標包括：1) 揭示物聯網系統的內在規(guī)律和本質特征，構建物聯網絡解析理論和軟件物化方法。2) 創(chuàng)立感-執(zhí)物聯網軟件體系結構和自-協網絡體系結構及設計方法。3) 研制適應于不同規(guī)模的、可信安全的物聯網技術支撐平臺，為物聯網應用的開發(fā)、設計和運行提供關鍵技術支撐；根據系統規(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)定一支物聯網理論和技術研究隊伍，培養(yǎng)一批具有國際影響的中青年學術骨干和具有創(chuàng)新能力的高水平研究生，促進我國計算、通信、控制相結合領域及相關學科的發(fā)展。建立物聯網領域的基礎研究基地，為物聯網的研究和發(fā)展提供保障。3.2 三年預期目標理論研究及技術創(chuàng)新成果解決物聯網設計和運行中的科學問題，為實現大型物聯網系統的建設及其應用提供理論基礎。1) 揭示物聯網絡與數字網絡的本質區(qū)別和基本規(guī)律，建立基于網絡解析的物聯網絡模型和理論框架，構建物聯網絡解析理論。2) 分析物理過程與數字過程之間的不同特征，構建用于保證物聯網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網軟件體系結構設計方法，構建物聯網軟件參考體系結構模型、體系結構及設計方法。4) 探索基于網絡解析理論的物聯網網絡體系結構設計方法，構建滿足網絡自治和異構融合模型、物聯網網絡參考體系結構及設計方法。5) 探索物聯網共性支撐技術和方法，建立物聯網運行支撐平臺原型、電力物聯網應用驗證系統。論文、專利及軟件著作權在物聯網研究方面有若干論文發(fā)表于國際重要學術刊物和會議，研究成果達到國際領先水平。擬在國內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)表學術著作 2 部。申 請發(fā)明專利 5 項以上，獲 得軟件著作權 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 學術思路和技術途徑立足物聯網的重大需求，面向信息保真性和執(zhí)行忠實性兩大科學問題，圍繞軟件和網絡兩條主線，從基 礎理論、 設計方法、支撐技術三個層面開展研究，通過多領域交叉研究，實現主要研究目標。在技 術方面， 繼承和利用已有的模型、理論和方法基礎上，強調自主 創(chuàng)新性研究，重點研究原創(chuàng)基礎理論方法。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，項目提出和構建網絡解析理論能夠整合異構網絡系統，構造統一網絡模型，為 分析和解決物聯網信息保真和執(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 術和執(zhí)行模型對物理系統的約束和數字系統的操作進行描述、比對和控制，使 軟 件能夠有效的感知控制物理系統。第三，項 目將傳統的數字系統設計方法擴展為 符合物聯網實際的感-執(zhí)軟件系統和自-協 網絡系統的設計方法，滿足物聯網保真性和忠實性要求。項目團隊在網絡解析理論、軟件物化理論、 軟件和網絡體系結構、 電力物聯網方面，有多年實際項目經驗 和豐富積累，保障 項目 順利推進， 項目可行。4.3 課題設置針對物聯網系統信息保真和執(zhí)行忠實兩大科學問題，圍繞軟件系統和網絡系統兩條主線，從基礎理論 、設計方法、支撐技 術三個 層面開展研究工作，設立五個課題，合力為構建可信、有效、 協同和安全的新型物 聯網提供全方位支撐。課題 1、網絡解析理論研究課題目標：構建適合于分析集物理系統和數字系統為一體的物聯網系統的網絡解析理論，為分析優(yōu)化物聯網中的信息的感知與協同、異構網絡自治與融合的能力和機制提供有效理論工具。課題內容：機物通信模型、延遲統一計算方法、物 聯網安全模型、解析理 論電力物聯網應用經費比例：22%課題負責人：趙偉承擔單位：同濟大學學術骨干：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網系統狀態(tài)及其轉換機制的物化自動機和物化執(zhí)行模型，提供數物系統可靠映射和運行的保障。課題內容：物化表達模型、物化執(zhí)行模型、 軟件物化理論應用研究經費比例：12%課題負責人：陳儀香承擔單位：華東師范大學學術骨干：郁文生、李明、楊爭峰、張敏課題 3、感-執(zhí)軟件體系結構設計方法研究課題目標：建立規(guī)范化的感-執(zhí)軟件系統體系結構的描述語言、設計方法、參考實現和評估模型，為從軟件層面解決物聯網系統中信息保真性和執(zhí)行忠實性問題提供有力保障。課題內容：感-執(zhí)軟件體系結構設計方法及參考實現、感-執(zhí)軟件體系結構有效性評估模型、感- 執(zhí)軟件體系結構應用經費比例：23%課題負責人：崔莉承擔單位：中國科學院計算技術研究所學術骨干：徐志偉、陳益強、李 偉、徐勇軍、王睿、馬卓、楊超課題 4、自-協網絡體系結構設計方法研究課題目標：提出新型集自治和協同為一體的自-協物聯網網絡體系，為在網絡層面保障物聯網信息保真和系統執(zhí)行忠實提供有力支撐。課題內容：信息感知與交互模型和協議、物聯網系統自治與異構互聯模型和協議、自-協網 絡體系結構設計及應用經費比例：22%課題負責人：周孟初承擔單位：同濟大學學術骨干：陳閎中、王力生、曹立明、方鈺、徐中偉課題 5、物聯網運行支撐平臺和實證研究課題目標：構建設計一體化的物聯網軟件支撐平臺，并基于此平臺構建實例驗證系統，為完善物聯網設計理論和體系結構設計方法提供反饋。課題內容：物聯網運行支撐平臺、電力物聯網應用設計與驗證經費比例：21%課題負責人：韓英鐸承擔單位：清華大學學術骨干：曹軍威、陸超、趙黎、程朋、謝小榮四、年度計劃研究內容 預期目標第一年開展物聯網網絡解析理論研究，包括機物通信模型，延遲統一計算方法，物聯網安全模型等研究內容；開展物聯網軟件系統的體系結構設計方法研究，包括物化表達模型的研究和物化執(zhí)行模型的研究等內容；開展軟件系統和網絡系統的體系結構設計方法前期研究；1) 建立物聯網網絡解析模型和框架。2) 構建用于保證物聯網應用信息保真和執(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體系結構設計方法研究，包括感-執(zhí)軟件系統體系結構描述語言研究，感-執(zhí)軟件系統設計方法研究，感 -執(zhí)軟件體系結構參考模型研究，感-執(zhí)軟件體系結構有效性評估模型研究等；進行網絡系統體系結構設計方法研究，探索信息感知，節(jié)點交互，物聯網系統自治，異構物聯網絡融合的相關模型和協議設計；開展物聯網共性軟件支撐工具和平臺和1) 形成感-執(zhí)軟件體系結構框架和設計方法；2) 形成自-協網絡體系結構框架和設計方法；3) 提出信息感知和交互協議；4) 提出異構網絡自治和融合協議；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。研究內容 預期目標實例驗證研究；根據軟件系統體結構設計和網絡系統體系結構設計成果，優(yōu)化和完善物聯網網絡解析理論和物聯網軟件物化理論；第三年全面開展物聯網共性軟件支撐工具和平臺和實例驗證研究，構建支持平臺和工具，進行實例驗證試點工作；根據實例驗證反饋，完善軟件系統體結構設計和網絡系統體系結構設計，優(yōu)化和完善網絡解析理論和軟件物化理論；1) 建立物聯網運行支撐平臺原型；2) 建立電力物聯網實例驗證系統；3) 申請發(fā)明專利 8 項以上，申請軟件著作權 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、研究內容2.1 擬解決的關鍵科學問題科學問題一：物聯網信息的保真性問題物聯網信息的保真性問題是指如何應對物理世界的感知需求，實現和保證物聯網系統全面、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。 物聯網系統的有效實施和應用必須解決物聯網信息保真性問題。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 和技術實現使得所獲取的物理信息在質量上能夠滿足應用決策和控制的要求。為了達到物聯網信息的保真性，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，即需要構建合理的物聯網信息表示模型、精確感知方法和可靠傳輸機制?？茖W問題二：物聯網執(zhí)行的忠實性問題物聯網執(zhí)行的忠實性問題是指如何應對物理實體的控制需求，實現和滿足系統的執(zhí)行過程與結果符合設計預期，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，如何保證物聯網執(zhí)行的忠實性，是物聯網及其演進系統需要解決的科學問題。換言之，信息的保真性是物聯網實 施和應用的基礎和前提，而執(zhí)行的忠實性是物聯網實施和應用的核心和關鍵。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 等環(huán)節(jié)進行研究，即需要構建完整刻畫系統執(zhí)行的計算模型、確保軟、硬協同和一致的執(zhí)行技術以及實時、可靠的網 絡傳輸。2.2 主要研究內容2.2.1 基礎理論研究網絡解析理論研究本項目將融合網絡微積分、Dioid 代數、 實時網絡資源調度理論與排隊論，提出面向物聯網異構網絡的網絡解析理論，提供統一的網絡數學模型及其計算和分析方法，有效地分析在數字系統和物理系統混合情況下網絡的性能，進而針對物聯網的物理攻擊特性和能量約束特性，構建相應的模型和分析方法，為實現可靠、安全、高效的物聯網絡提供理論基礎。軟件物化理論研究物聯網發(fā)展將越來越多的涉及到大量與物理世界直接相關的信息，以及依賴于這些信息的應用和控制。 現有的軟件模型、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，是導致物聯網信息的失真和執(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 成為物聯網軟件開發(fā)不可缺少的理論基礎。為此，本項目從軟件物化的角度，分 別構建物化軟件的表達模型和執(zhí)行模型，從而建立適于物聯網系統的軟件計算模型。2.2.2. 體系結構及設計方法研究感-執(zhí)軟 件體系結構研究：針對物聯網軟件“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)”軟件系統體系結構，建立規(guī)范化的感- 執(zhí)軟件系統體系結構的描述語言、設計方法、參考 實現和評估模型，為解決物聯網系統 中信息保真性和執(zhí)行忠實性問題提供上層技術支撐。自-協網 絡體系結構研究：物聯網的出現對網絡系統體系結構的研究提出了新的需求和挑戰(zhàn)，這些調整要求網絡體系結構能夠保證信息和指令傳輸是及時的、準確的、可靠的，這就需要新型的網絡體系結構必須是狀態(tài)可知、可運行和可推導的，即可解析的網絡 體系結構。2.2.3. 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 絡協議 解析、軟件體系結構設計、網絡 體系結構設計的研究成果，開發(fā)設計支持物 聯網系統設計、高效仿真、性能評測的軟件工具，將各 類通用的軟件模型、 設計 工具、仿真算法、 認證軟模塊進行封裝和集成，同時與網 絡試驗床系統集成構建成為一體化的物聯網軟件驗證支撐平臺，用于驗證相關研究成果。物聯網應用實例驗證: 為測試和驗證本項目提出的理論體系、設計方法和技術平臺的實用性，并從應用角度為完善和優(yōu)化理論體系、設計方法和技術平臺提供反饋意見，本項目將以電 力物聯網為典型實例，開展應用實例驗證。