物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)理論和設(shè)計(jì)方法研究報(bào)告

1、-. z工程名稱(chēng)：物聯(lián)網(wǎng)根底理論和設(shè)計(jì)方法研究首席科學(xué)家：偉 同濟(jì)大學(xué)起止年限：2021.1至2021.8依托部門(mén)：市科委 教育部二、預(yù)期目標(biāo)3.1 總體目標(biāo)本工程的目標(biāo)是立足國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)開(kāi)展對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的重大需求，針對(duì)影響物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)展的根底理論研究瓶頸制約，面向物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)信息保真性和執(zhí)行忠實(shí)性?xún)纱罂茖W(xué)問(wèn)題，構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)的根底理論體系，開(kāi)展物聯(lián)網(wǎng)新型體系構(gòu)造，突破物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)和實(shí)施的關(guān)鍵技術(shù)，提供物聯(lián)網(wǎng)支撐技術(shù)平臺(tái)。具體目標(biāo)包括：提醒物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的在規(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。創(chuàng)立感-執(zhí)物聯(lián)網(wǎng)軟件體系構(gòu)造和自-協(xié)網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)造及設(shè)計(jì)方法。研制適應(yīng)于不同規(guī)模的、可信平安的物聯(lián)網(wǎng)技

2、術(shù)支撐平臺(tái)，為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供關(guān)鍵技術(shù)支撐；根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模和對(duì)感知、控制的不同要求，選擇有代表性的應(yīng)用案例，驗(yàn)證理論、方法、框架和支撐平臺(tái)的有效性。通過(guò)本工程研究，穩(wěn)定一支物聯(lián)網(wǎng)理論和技術(shù)研究隊(duì)伍，培養(yǎng)一批具有國(guó)際影響的中青年學(xué)術(shù)骨干和具有創(chuàng)新能力的高水平研究生，促進(jìn)我國(guó)計(jì)算、通信、控制相結(jié)合領(lǐng)域及相關(guān)學(xué)科的開(kāi)展。建立物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的根底研究基地，為物聯(lián)網(wǎng)的研究和開(kāi)展提供保障。3.2 三年預(yù)期目標(biāo)理論研究及技術(shù)創(chuàng)新成果解決物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行中的科學(xué)問(wèn)題，為實(shí)現(xiàn)大型物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的建立及其應(yīng)用提供理論根底。提醒物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)與數(shù)字網(wǎng)絡(luò)的本質(zhì)區(qū)別和根本規(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，

3、構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)解析理論。分析物理過(guò)程與數(shù)字過(guò)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(shí)執(zhí)行的軟件物化理論和方法。探索基于軟件物化方法的物聯(lián)網(wǎng)軟件體系構(gòu)造設(shè)計(jì)方法，構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)軟件參考體系構(gòu)造模型、體系構(gòu)造及設(shè)計(jì)方法。探索基于網(wǎng)絡(luò)解析理論的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)造設(shè)計(jì)方法，構(gòu)建滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò)自治和異構(gòu)融合模型、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)參考體系構(gòu)造及設(shè)計(jì)方法。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(yùn)行支撐平臺(tái)原型、電力物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用驗(yàn)證系統(tǒng)。論文、專(zhuān)利及軟件著作權(quán)在物聯(lián)網(wǎng)研究方面有假設(shè)干論文發(fā)表于國(guó)際重要學(xué)術(shù)刊物和會(huì)議，研究成果到達(dá)國(guó)際領(lǐng)先水平。擬在國(guó)外核心刊物與國(guó)際會(huì)議上發(fā)表論文160 篇以上，其中國(guó)際重要刊物與會(huì)

4、議發(fā)表50篇以上；發(fā)表學(xué)術(shù)著作2部。申請(qǐng)創(chuàng)造專(zhuān)利5項(xiàng)以上，獲得軟件著作權(quán)6項(xiàng)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(xué)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(shí)性?xún)纱罂茖W(xué)問(wèn)題，圍繞軟件和網(wǎng)絡(luò)兩條主線(xiàn)，從根底理論、設(shè)計(jì)方法、支撐技術(shù)三個(gè)層面開(kāi)展研究，通過(guò)多領(lǐng)域穿插研究，實(shí)現(xiàn)主要研究目標(biāo)。在技術(shù)方面，繼承和利用已有的模型、理論和方法根底上，強(qiáng)調(diào)自主創(chuàng)新性研究，重點(diǎn)研究原創(chuàng)根底理論方法。同時(shí)通過(guò)驗(yàn)證反應(yīng)，對(duì)理論、方法及平臺(tái)進(jìn)展改良。4.2 創(chuàng)新點(diǎn)及可行性首先，工程提出和構(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)

5、網(wǎng)信息保真和執(zhí)行忠實(shí)問(wèn)題提供創(chuàng)新的手段。其次，工程提出并創(chuàng)立軟件物化理論，利用建模語(yǔ)言、編譯技術(shù)和執(zhí)行模型對(duì)物理系統(tǒng)的約束和數(shù)字系統(tǒng)的操作進(jìn)展描述、比對(duì)和控制，使軟件能夠有效的感知控制物理系統(tǒng)。第三，工程將傳統(tǒng)的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法擴(kuò)展為符合物聯(lián)網(wǎng)實(shí)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(jì)方法，滿(mǎn)足物聯(lián)網(wǎng)保真性和忠實(shí)性要求。工程團(tuán)隊(duì)在網(wǎng)絡(luò)解析理論、軟件物化理論、軟件和網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)造、電力物聯(lián)網(wǎng)方面，有多年實(shí)際工程經(jīng)歷和豐富積累，保障工程順利推進(jìn)，工程可行。4.3 課題設(shè)置針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)信息保真和執(zhí)行忠實(shí)兩大科學(xué)問(wèn)題，圍繞軟件系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)兩條主線(xiàn)，從根底理論、設(shè)計(jì)方法、支撐技術(shù)三個(gè)層面開(kāi)展研究工作，

6、設(shè)立五個(gè)課題，合力為構(gòu)建可信、有效、協(xié)同和平安的新型物聯(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(biāo)：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(jī)制提供有效理論工具。課題容：機(jī)物通信模型、延遲統(tǒng)一計(jì)算方法、物聯(lián)網(wǎng)平安模型、解析理論電力物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用經(jīng)費(fèi)比例：22%課題負(fù)責(zé)人：偉承當(dāng)單位：同濟(jì)大學(xué)學(xué)術(shù)骨干：俊龍、吳恩華、彪、武建佳、吳杰、宣東課題2、軟件物化理論研究課題目標(biāo)：建立適于表達(dá)和刻畫(huà)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換機(jī)制的物化自動(dòng)機(jī)和物化執(zhí)行模型，提供數(shù)物系統(tǒng)可靠映射和運(yùn)行的保障。課題容：物化表達(dá)模型、物化

7、執(zhí)行模型、軟件物化理論應(yīng)用研究經(jīng)費(fèi)比例：12%課題負(fù)責(zé)人：儀香承當(dāng)單位：華東師大學(xué)學(xué)術(shù)骨干：郁文生、明、爭(zhēng)峰、敏課題3、感-執(zhí)軟件體系構(gòu)造設(shè)計(jì)方法研究課題目標(biāo)：建立規(guī)化的感-執(zhí)軟件系統(tǒng)體系構(gòu)造的描述語(yǔ)言、設(shè)計(jì)方法、參考實(shí)現(xiàn)和評(píng)估模型，為從軟件層面解決物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)息保真性和執(zhí)行忠實(shí)性問(wèn)題提供有力保障。課題容：感-執(zhí)軟件體系構(gòu)造設(shè)計(jì)方法及參考實(shí)現(xiàn)、感-執(zhí)軟件體系構(gòu)造有效性評(píng)估模型、感-執(zhí)軟件體系構(gòu)造應(yīng)用經(jīng)費(fèi)比例：23%課題負(fù)責(zé)人：莉承當(dāng)單位：中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所學(xué)術(shù)骨干：*志偉、益強(qiáng)、偉、*勇軍、王睿、馬卓、超課題4、自-協(xié)網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)造設(shè)計(jì)方法研究課題目標(biāo)：提出新型集自治和協(xié)同為一體的自-協(xié)物聯(lián)

8、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(shí)提供有力支撐。課題容：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)體系構(gòu)造設(shè)計(jì)及應(yīng)用經(jīng)費(fèi)比例：22%課題負(fù)責(zé)人：周孟初承當(dāng)單位：同濟(jì)大學(xué)學(xué)術(shù)骨干：閎中、王力生、立明、方鈺、*中偉課題5、物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行支撐平臺(tái)和實(shí)證研究課題目標(biāo)：構(gòu)建立計(jì)一體化的物聯(lián)網(wǎng)軟件支撐平臺(tái)，并基于此平臺(tái)構(gòu)建實(shí)例驗(yàn)證系統(tǒng)，為完善物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)理論和體系構(gòu)造設(shè)計(jì)方法提供反應(yīng)。課題容：物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行支撐平臺(tái)、電力物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)與驗(yàn)證經(jīng)費(fèi)比例：21%課題負(fù)責(zé)人：英鐸承當(dāng)單位：清華大學(xué)學(xué)術(shù)骨干：軍威、陸超、黎、程朋、小榮四、年度方案研究容預(yù)期目標(biāo)第一年開(kāi)展物聯(lián)

9、網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)解析理論研究，包括機(jī)物通信模型，延遲統(tǒng)一計(jì)算方法，物聯(lián)網(wǎng)平安模型等研究容；開(kāi)展物聯(lián)網(wǎng)軟件系統(tǒng)的體系構(gòu)造設(shè)計(jì)方法研究，包括物化表達(dá)模型的研究和物化執(zhí)行模型的研究等容；開(kāi)展軟件系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的體系構(gòu)造設(shè)計(jì)方法前期研究；建立物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)解析模型和框架。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(shí)的軟件物化方法。發(fā)表論文20 篇以上，其中國(guó)際重要刊物與會(huì)議發(fā)表6篇以上。第二年進(jìn)展軟件系統(tǒng)體系構(gòu)造設(shè)計(jì)方法研究，包括感-執(zhí)軟件系統(tǒng)體系構(gòu)造描述語(yǔ)言研究，感-執(zhí)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法研究，感-執(zhí)軟件體系構(gòu)造參考模型研究，感-執(zhí)軟件體系構(gòu)造有效性評(píng)估模型研究等；進(jìn)展網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)體系構(gòu)造設(shè)計(jì)方法研究，探索信息感知，節(jié)點(diǎn)交互

10、，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(jì)；開(kāi)展物聯(lián)網(wǎng)共性軟件支撐工具和平臺(tái)和實(shí)例驗(yàn)證研究；根據(jù)軟件系統(tǒng)體構(gòu)造設(shè)計(jì)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)體系構(gòu)造設(shè)計(jì)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；形成感-執(zhí)軟件體系構(gòu)造框架和設(shè)計(jì)方法；形成自-協(xié)網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)造框架和設(shè)計(jì)方法；提出信息感知和交互協(xié)議；提出異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)自治和融合協(xié)議；發(fā)表論文30 篇以上，其中國(guó)際重要刊物與會(huì)議發(fā)表9篇以上。第三年全面開(kāi)展物聯(lián)網(wǎng)共性軟件支撐工具和平臺(tái)和實(shí)例驗(yàn)證研究，構(gòu)建支持平臺(tái)和工具，進(jìn)展實(shí)例驗(yàn)證試點(diǎn)工作；根據(jù)實(shí)例驗(yàn)證反應(yīng)，完善軟件系統(tǒng)體構(gòu)造設(shè)計(jì)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)體系構(gòu)造設(shè)計(jì)，優(yōu)化和完善網(wǎng)絡(luò)解析理論和軟件物化理論；建立物聯(lián)

11、網(wǎng)運(yùn)行支撐平臺(tái)原型；建立電力物聯(lián)網(wǎng)實(shí)例驗(yàn)證系統(tǒng)；申請(qǐng)創(chuàng)造專(zhuān)利8項(xiàng)以上，申請(qǐng)軟件著作權(quán)5項(xiàng)以上；發(fā)表論文110 篇以上，其中國(guó)際重要刊物與會(huì)議發(fā)表38篇以上；發(fā)表學(xué)術(shù)著作2部;累計(jì)培養(yǎng)博士、博士后等35人以上，碩士30人以上 一、研究容2.1 擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題科學(xué)問(wèn)題一：物聯(lián)網(wǎng)信息的保真性問(wèn)題物聯(lián)網(wǎng)信息的保真性問(wèn)題是指如何應(yīng)對(duì)物理世界的感知需求，實(shí)現(xiàn)和保證物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)全面、準(zhǔn)確、真實(shí)地刻畫(huà)和反映物理世界，滿(mǎn)足決策控制輸入要求的問(wèn)題。 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的有效實(shí)施和應(yīng)用必須解決物聯(lián)網(wǎng)信息保真性問(wèn)題。所謂保真性，是指如何針對(duì)不可完備認(rèn)知特性，通過(guò)理論推導(dǎo)和技術(shù)實(shí)現(xiàn)使得所獲取的物理信息在質(zhì)量上能夠滿(mǎn)足應(yīng)用決

12、策和控制的要求。為了到達(dá)物聯(lián)網(wǎng)信息的保真性，需要從信息表達(dá)、信息獲取和信息傳輸三個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)展研究，即需要構(gòu)建合理的物聯(lián)網(wǎng)信息表示模型、準(zhǔn)確感知方法和可靠傳輸機(jī)制?？茖W(xué)問(wèn)題二：物聯(lián)網(wǎng)執(zhí)行的忠實(shí)性問(wèn)題物聯(lián)網(wǎng)執(zhí)行的忠實(shí)性問(wèn)題是指如何應(yīng)對(duì)物理實(shí)體的控制需求，實(shí)現(xiàn)和滿(mǎn)足系統(tǒng)的執(zhí)行過(guò)程與結(jié)果符合設(shè)計(jì)預(yù)期，到達(dá)可信控制的問(wèn)題。豐田剎車(chē)門(mén)事件之所以發(fā)生，很重要的一個(gè)原因就是存在執(zhí)行忠實(shí)性問(wèn)題，盡管用戶(hù)作了踩剎車(chē)的動(dòng)作，但汽車(chē)控制系統(tǒng)并未按照用戶(hù)的預(yù)期執(zhí)行，汽車(chē)沒(méi)有采取制動(dòng)。因此，如何保證物聯(lián)網(wǎng)執(zhí)行的忠實(shí)性，是物聯(lián)網(wǎng)及其演進(jìn)系統(tǒng)需要解決的科學(xué)問(wèn)題。換言之，信息的保真性是物聯(lián)網(wǎng)實(shí)施和應(yīng)用的根底和前提，而執(zhí)行的忠實(shí)性

13、是物聯(lián)網(wǎng)實(shí)施和應(yīng)用的核心和關(guān)鍵。解決執(zhí)行的忠實(shí)性問(wèn)題，需要從預(yù)期表達(dá)、指令執(zhí)行和傳輸?shù)拳h(huán)節(jié)進(jìn)展研究，即需要構(gòu)建完整刻畫(huà)系統(tǒng)執(zhí)行的計(jì)算模型、確保軟、硬協(xié)同和一致的執(zhí)行技術(shù)以及實(shí)時(shí)、可靠的網(wǎng)絡(luò)傳輸。2.2 主要研究容2.2.1 根底理論研究網(wǎng)絡(luò)解析理論研究本工程將融合網(wǎng)絡(luò)微積分、Dioid代數(shù)、實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度理論與排隊(duì)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(xué)模型及其計(jì)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(jìn)而針對(duì)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(shí)現(xiàn)可靠、平安、高效的物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)提供理論根底。軟件物化理論研究物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)展將越

14、來(lái)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(lài)于這些信息的應(yīng)用和控制?，F(xiàn)有的軟件模型、理論及工具無(wú)法刻畫(huà)和應(yīng)對(duì)物理世界信息及其變化的不確定性，不可預(yù)測(cè)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(shí)性問(wèn)題的重要原因。如何建立在軟件開(kāi)發(fā)中對(duì)時(shí)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(yùn)行中將抽象的描述忠實(shí)地映射到物理世界的運(yùn)行機(jī)制，已經(jīng)成為物聯(lián)網(wǎng)軟件開(kāi)發(fā)不可缺少的理論根底。為此，本工程從軟件物化的角度，分別構(gòu)建物化軟件的表達(dá)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(jì)算模型。2.2.2. 體系構(gòu)造及設(shè)計(jì)方法研究感-執(zhí)軟件體系構(gòu)造研究：針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)軟件“感知+處理+存儲(chǔ)+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)體系構(gòu)造，建立規(guī)化的感-執(zhí)軟件系統(tǒng)體系構(gòu)造的描述語(yǔ)言、設(shè)計(jì)方法、參考實(shí)現(xiàn)和評(píng)估模型，為解決物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)息保真性和執(zhí)行忠實(shí)性問(wèn)題提供上層技術(shù)支撐。自-協(xié)網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)造研究：物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)體系構(gòu)造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)體系構(gòu)造能夠保證信息和指令傳輸是及時(shí)的、準(zhǔn)確的、可靠的，這就需要新型的網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)造必須是狀態(tài)可知、可運(yùn)行和可推導(dǎo)的，即可解析的網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)造。2.2.3. 軟件支撐平臺(tái)和應(yīng)用實(shí)例驗(yàn)證軟件支撐平臺(tái)研究:本工程將基于軟件物化、網(wǎng)