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項目名稱： 物聯網的基礎理論與實踐研究首席科學家： 劉海濤 中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所起止年限： 2011.1 至 2013.8依托部門： 江蘇省科技廳二、預期目標1. 總體目標本項目針對智能電網等物聯網的重大應用需求和特征，以構建感知互動、自治高效和安全可信的物聯網系統(tǒng)為目標，以物聯網的非確定、高混雜和強關聯特征為出發(fā)點，開展相關基礎理論研究，分析并揭示物理空間和信息空間的復雜耦合關聯機理，提出物聯網在自治機理、融合決策處理、可信軟件建模與方法和系統(tǒng)優(yōu)化等方面的基礎理論和關鍵技術，建立物聯網標識、安全、網 絡、服務等基礎架構，探索物聯網的演進路線，在物 聯網基礎科學問題研究上取得重要突破，建立物聯網基礎理論體系，相關研究成果達到國際先進水平，推動我國物聯網技術標準的制定工作，力爭主導物聯網國際標準， 為物聯網產業(yè)化和規(guī)?；瘧玫於▓詫嵉睦碚摶A，并帶動信息領域和相關交叉學科領域研究工作的開展，為我國在以物聯網為標志的信息領域新浪潮中占據有利和主動地位奠定重要基礎。2. 預期目標（1）建立物聯網信息空間和物理空間的關聯模型，提出物聯網關聯表征的基礎理論和方法；建立可擴展的物聯網標識體系；設計涵蓋安全協(xié)議、授權認證和密鑰管理的物聯網安全架構；建立面向演進的異構網絡互連、服務、管理和軟件體系架構，形成相對完備的物聯網架構體系；（2）建立物聯網的分布式自治模型；提出物聯網動態(tài)場景的高效覺察機制、自適應的終端標識分配和資源動態(tài)配置機制、支持容侵容錯的高效自愈合和自保護機制、自治子網間的協(xié)同管理機制，以及可增量部署的異構網絡融合機制，形成體系化的物聯網自治理論和方法；（3）提出物聯網信息處理架構和基于語義的服務模型及相關機制；提出混雜信息融合的方法，以及關系鏈的挖掘、建立、 維護和使用方法；形成面向服 務的主動決策與控制交互模型，提出針對多粒度異構物聯網語義信息與決策需求的逆向解析方法，實現高效的分層主動處理與融合；（4）形成與國際接軌的先進水平的物聯網可信軟件設計方法理論，提供一套邏輯系統(tǒng)刻畫方法，構建建模語言， 擴展與完善分析與驗證技術，同 時創(chuàng)建可信軟件分析驗證平臺，為物聯網系統(tǒng)的軟件設計與驗證提供可信保障；（5）針對物聯網的感知互動、虛實交融、異構復 雜等特性，研究物聯網系統(tǒng)資源、服務和決策的耦合機理，通過在感知、 傳輸、決策控制等各個層次上的自優(yōu)化及跨層優(yōu)化調度，設計一整套符合物聯網特性的系統(tǒng)優(yōu)化機制；（6）提出面向物聯網大規(guī)模應用的理論驗證方法和評估體系；搭建具有開放性、通用性的物聯網實驗測試平臺；建立智能電網行業(yè)內配用環(huán)節(jié)互動和與智能家居、電動汽車等行業(yè)間服務融合的物聯網應用驗證系統(tǒng)。3. 本項目的具體考核指標（1）建立物聯網關聯模型，提出物聯網關聯表征方法，提出一套可擴展的物聯網標識體系，建立物聯網的架構體系；（2）提出物聯網分布式分級的自治模型，提出一系列物聯網場景覺察、自配置與優(yōu)化、自愈合與自保護、子網協(xié)作管理以及異構網絡融合方法；（3）提出物聯網信息處理架構和基于語義的服務模型，提出混雜信息融合、服務關系鏈挖掘方法和主動決策機制；提出支持分層主動處理與融合的逆向解析方法；（4）提出一套物聯網可信軟件設計方法理論和分析與驗證方法，建立可信軟件分析驗證平臺；（5）研究物聯網系統(tǒng)資源、服務和決策的耦合機理，提出一系列的物聯網系統(tǒng)優(yōu)化理論、技術與方法，為物聯網的大規(guī)模應用提供技術支撐；（6）提出一套物聯網的理論驗證和評估方法，搭建物聯網實驗測試平臺和面向智能電網等重大需求的物聯網綜合應用驗證系統(tǒng)。本項目的知識產權成果的預期目標以完成高水平的研究論文、發(fā)明專利和標準提案為主，具體目標為： 發(fā)表高水平國內外期刊和重要國際會議論文 40~50 篇，其中對物聯網發(fā)展產生重大影響的論文 5 篇，申請和獲得國內外發(fā)明專利 15 項，完成專著 1 本；牽頭制定物聯網相關國家標準 2~4 項，參與制定國際標準 1 項；培養(yǎng)研究生 50 名。三、研究方案1. 學術思路本項目緊密結合物聯網的重大應用需求和系統(tǒng)特性，以構建感知互動、自治高效和安全可信的物聯網系統(tǒng)為目標，以物聯網的非確定、高混雜和強關聯特征為出發(fā)點，開展相關基礎理 論和方法的研究。具體地說，針對物聯網所存在的強關聯性、高度混 雜性和非確定性等特征，以三個科學問題為中心，從六個課題方向開展相關研究。首先，在 對物理空間和信息空間耦合關聯機理深入分析和表征的基礎上，開展統(tǒng)一的標識、安全、網 絡、服務等架構體系的研究。結 合耦合關聯性和架構體系，在系統(tǒng)管理、信息 處理和設計實現層面上，重點研究高混雜條件下物聯網的場景覺察機制，以及自配置、自愈合、自保護、自優(yōu)化的實現機制, 提出分布式的系 統(tǒng)自治管理機理和方法；研究并提出一套針對混雜信息融合、關系鏈挖掘、主 動 決策與互動，及可信數據與隱私保護的策略和方法；研究物聯網可信軟件設計的理論和方法，提出與之相適應的建模理論、推理方法和 驗證技術；在系統(tǒng)優(yōu)化層面，建立一套全新的跨域資源調度和分配機制，以保障物 聯網在非確定環(huán)境下的應用服務需求。同時，開展物聯網系統(tǒng)的性能評估理論和測試方法的研究，研發(fā)實驗測試平臺和應用驗證系統(tǒng)，進 而探索物聯網跨行 業(yè)應用的模式。本項目堅持“ 理論密切聯系 實際” 的研究思路，以應用需求為牽引，深入研究物聯網的基礎理論和方法，力爭數年內在物聯網的基礎理論研究和標準制定方面達到國際水準，并在部分重要研究點上達到國際領先水平，為國民經濟社會和相關學科的發(fā)展提供強有力的基礎理論支持。2. 技術途徑在具體的研究工作中，本項目將緊密結合物聯網的特征，采用如下的技術途徑：（1）在物聯網關聯模型研究中，通過剝離不同物聯網應用場景作用因素的非本質性差異，對實體進行抽象，重點分析物聯網實體在不同作用域的關聯關系，選取合適的數學方法對關聯關系及其動態(tài)行為進行描述，建立物理空間和信息空間耦合的統(tǒng)一數據模型、 動態(tài)行為模型和反饋作用模型。在物聯網的體系架構研究中，對物聯網緊密相關的 M2M、RFID、USN、網格計算和云計算等系統(tǒng)的體系架構設計優(yōu)劣勢進行深入分析，結合最新國際國內體系架構相關標準，提煉物聯網體系架構核心要素，分析要素間的相關性，研究物聯網的架構體系；（2）在物聯網的自治機理和異構融合研究中，擬參考生態(tài)學和社會學中復雜網絡的自治策略，首先研究多粒度分級的物聯網分布式自治模型；其次，從物聯網異構融合與互聯互通的場景分析和應用需求出發(fā)，研究物聯網的場景感知機制，實現終端或子網屬性、狀態(tài)和功能角色的互發(fā)現 和語義互操作協(xié)議；在此基礎上，基于群體智能或遺傳 演進算法，研究復 雜動態(tài)場景下啟發(fā)式適應性的自配置與優(yōu)化方法，以及基于快速預警和冗余資源的自愈合與自保護機制，實現物聯子網內的自治目標；進一步， 應用生態(tài)群落模型或經濟調控模型，研究物聯子網間的協(xié)作管理機制，達到不同子網間的資源共享和合理調控。同時， 針對物聯網演進中存在的問題，利用多 ?；蛩淼罊C制， 設計可增量部署的異構網絡融合機制；（3）在物聯網的混雜信息融合和決策研究中，針對信息在采集和傳輸過程中需要同時進行智能處理和決策，借鑒主動網絡思想，根據物聯網終端規(guī)模和信息流規(guī)模，提出基于聯邦、多級、主動機制的物聯網信息 處理系統(tǒng)架構，建立信息融合、處理與決策控制的分層統(tǒng)一語義模型，以及 應用多層知識結構與基于語義的方法，建立面向領域的分析模型與基于語義的服務模型。綜合運用粗糙集理論、模糊數學、神經網絡等理論和技術，研究融合與挖掘的集成方案以及實時挖掘算法；數據建模和數據挖掘擬從時空數據入手，由上而下挖掘物物關系鏈；通過物聯網語義信息與決策需求的逆向解析與任務分解，研究適應主動感知的分層的協(xié)作處理與決策機制。通過在物聯網分層統(tǒng)一語義模型中擴展隱私保護語義屬性，對指定的私密信息進行隱藏方式或銷毀方式的信息遮掩，實現物聯網信息的隱私保護；（4）在物聯網的可信軟件設計方法研究中，擬針對物聯網可信軟件設計的關鍵問題，首先提出可信軟件 設計方法理論；在此理論的基礎之上結合傳統(tǒng)邏輯系統(tǒng)，創(chuàng)建新的邏輯刻畫系統(tǒng) 和建模語言；最后通過擴充現有的分析與驗證方法，實現物聯網可信軟件的分析與驗證技術。在邏輯系統(tǒng)的構造方面，可以通過對傳統(tǒng)的 ITL（區(qū)間時態(tài)邏輯）、DC（時段演算）等邏輯系 統(tǒng)的擴充，使其能充分地描述物聯網軟件系統(tǒng)。在建模語 言的描述方面， 對以往進 程代數系統(tǒng)進行改造，增加表現物聯網特性的構造符，特別在時間的刻畫機制、時間頻率的描述方面。在分析與驗證技術的研究方面，考慮到物聯網系統(tǒng)中的環(huán)境因素，增加時間和連續(xù)性的描述，對模型檢查和定理 證明技術進行擴充；（5）為了實現物聯網系統(tǒng)性能的整體優(yōu)化，首先，構建物聯網系統(tǒng)優(yōu)化理論模型，包括完整的資源主體和 競爭主體形式化描述，以及定義系統(tǒng)資源分配公平合理基本準則的公理系統(tǒng)；其次，針對物聯網的信息感知、數據傳輸、決策控制，基于競爭或分布式協(xié)作調度的思想，分別采用時空頻相關性分析、虛擬 MIMO、機會傳輸、 組合優(yōu)化等理論與技術，在物 聯網信息處理的各層次上實施優(yōu)化， 實現一整套面向實時可靠服務需求的系統(tǒng)優(yōu)化機制；最后，針對物聯網的復雜性，分析物聯網各層各類資源的耦合內容、形式以及相應的耦合強度，通過解耦變換、博弈、約束優(yōu)化等理論和技術，研究 設計物聯網系統(tǒng)跨層優(yōu)化機制和算法；（6）在物聯網的測試驗證與應用示范系統(tǒng)的研究中，首先，研究物聯網的系統(tǒng)性能指標和評估體系，以及 測試理論與方法；其次，借鑒已有傳感器網絡測試平臺和下一代網絡測試平臺的構建方法，充分考慮對大規(guī)模應用環(huán)境的支持以及對各種應用場景的通用化和可擴展性需求，利用網絡重編程、機器學習等技術，開發(fā)物聯網測試和評估工具，搭建通用性物聯網測試平臺。在物聯網應用示范方面，基于可標準化的物聯網架構體系，通過建立涵蓋不同等級變電站（所）、 線路，以及所轄全部低壓用戶的智能電網行業(yè)內配用環(huán)節(jié)互動和與智能家居、電動汽車等行業(yè)間服務融合的物聯網應用驗證系統(tǒng)，對項目研究過程中提出的混雜物聯網基礎理論和方法進行原理性驗證。3. 創(chuàng)新點與特色本項目的創(chuàng)新點與特色體現在理論基礎與模型、關鍵機理研究、實驗與應用驗證 3 個層面，具體如下：（1）在理論基礎與模型方面? 提出以多作用域實體耦合為核心的物聯網關聯模型，通過模型的動態(tài)行為機制研究實現物理空間和信息空間融合的有效表征；建立面向演進的物聯網架構體系；（2）在關鍵機理研究方面? 運用社會網絡理論到物聯網的組織管理中，提出自適應的場景感知和資源配置的分布式管理機制，并具有自愈合和自保護的功能，在此基礎上提出層次式多粒度的物聯子網間的協(xié)同管理；? 基于分層統(tǒng)一語義模型，實現物聯網混雜信息的高效融合、復雜關系鏈的快速挖掘、主動服務和互動控制；? 采用精化理論指導物聯網可信軟件的設計；引進時、空和物等相關特性算子建立物聯網邏輯系統(tǒng)，基于進程代數與 UTP 理論建立系統(tǒng)行為模型，形成物聯網可信軟件分析與驗證體系；? 在形式化理論和公理化系統(tǒng)建模的基礎上，運用等價解耦變換，簡化復雜系統(tǒng)的優(yōu)化問題，然后基于博弈、約束優(yōu)化等理論和技術加以求解，提出一整套符合物聯網特性的系統(tǒng)優(yōu)化機制和算法。（3）在實驗與應用驗證方面? 提出了理論評估、實驗測試和應用驗證相結合的跨行業(yè)物聯網驗證體系。4. 可行性分析本項目的研究內容、學術思路和技術途徑具有良好的可推進性。項目團隊研發(fā)了機場防入侵、太湖監(jiān)測 和智能電網等多個應用系統(tǒng)，對物聯網的特性和需求具有深入了解。項目團隊從承擔的國家重大項目需求中凝練了本項目的科學問題和研究內容，并提出了切 實可行的研究思路和技術途徑。以物聯網的信息處理和融合研究為例，研究內容的 設置充分考慮了物聯網信息處理與應用的過程與特點，首先針對物理網絡固有的層次化及層間差異，研究分層統(tǒng)一的模型（包括系統(tǒng)模型、數據模型、分析模型和服務模型）， 進而研究具體的融合挖掘方法、關系鏈發(fā)現方法、情境推理方法。項目團隊強強聯合，優(yōu)勢互補，且已具有良好的合作基礎， 團隊由 11 所國內優(yōu)勢科研機構、高等院校和國家重點行業(yè)應用企業(yè)組成，團隊成員包括 2 名院士、20 余名研究員/教授等高級研究人員和其它中青年學 術骨干，具備國內領先的學術影響力，研究隊伍組織合理，梯隊健全。項目推薦的首席科學家劉海濤研究 員具有物聯網領域相關項目豐富的領導和組織經驗及深厚的技術積累，何積豐院士在精化理論方面的工作被歐洲理論計算機界譽為“軟件工程的里程碑” ，劉韻潔院士在互聯網流量工程和操作維護管理等方面的工作得到了全球業(yè)界的認同和采納，人才隊伍優(yōu)勢為項目的實施奠定良好的基礎。項目團隊在物聯網相關領域具有豐富的前期研究積累。本團隊近年來承擔了國家 973 課題如“ 可生存的海量信息系 統(tǒng)軟件設計 理論” 、“無線傳感網絡的基礎理論及關鍵技術研究” ，國家發(fā)改委項目如“基于 IPv6 無線傳感器網絡環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)”以及數十 項相關的國家自然科學基金、 863、國家科技支撐項目，取得了豐富的研究成果，獲得多項 國家和省部級獎勵。近年來有多篇高質量的論文發(fā)表，在 SIGCOMM、MOBICOM、MOBIHOC、INFOCOM、MOBISYS 與 ICNP 等國際頂級學術會議和 IEEE/ACM Trans. on Networking、IEEE Trans. on Mobile Computing、IEEE Trans. on Wireless Communications 等頂級國際期刊上發(fā)表數十篇相關論文，在部分研究方向具備國際先進水準。特別是， 項目團隊成員單位正牽頭制定傳感網/物聯網相關國內標準，在國 際相關 標準的制定上享有重要話語權，為本 項目相關研究成果的 標準化工作提供不可多得的條件。項目團隊具有優(yōu)良的研究條件，研發(fā)了多種無線傳感器網絡的示范系統(tǒng)、無線傳感器網絡的測試平臺和系列工具、射頻標簽測試平臺等直接的實驗或測試環(huán)境；擁有大量的通信和網絡的測試儀器和設備。項目組成員單位擁有國家高性能計算中心、傳感技術聯合國家重點實驗室、微系 統(tǒng) 技術國家級重點實驗室、信息安全國家重點實驗室、移 動通信國家重點實驗室、智能技術與系統(tǒng)國家重點實驗室、集成電路與系統(tǒng)國家重點實驗室、中科院無 線傳感網和通信重點實驗室和上海市高可信計算重點實驗室等多個實驗，擁有國網信通公司提供的國家電網建設示范資源，為項目的研究和驗證提供了良好的支持。綜上所述，本項目研究在技術途徑、申 請團隊、前期積累和科研條件方面均具有良好的可行性，為項目的 順利推進和取得重大突破提供了良好的基礎。5. 課題設置本項目的課題設置將圍繞項目的總體目標，針對三個關鍵科學問題和六項重點研究內容，結合參與研究 單位的優(yōu)勢，將研究內容和任務進行分解。 總體上，所有的課題圍繞科學問題構成一個系統(tǒng)，涵蓋六項重點研究內容，部分研究內容將在多個課題中從不同的角度研究，突出創(chuàng)新與特色。各個課題之間相互關聯，在保持課題獨立性的同時，共同促進項目的進展。本項目具體分解為以下六個課題，即:? 課題 1：物聯網關聯表征與體系架構研究；? 課題 2：物聯網的異構融合和自治機理研究；? 課題 3：物聯網混雜信息融合與決策研究; ? 課題 4：物聯網可信軟件設計理論與方法研究;? 課題 5：物聯網系統(tǒng)優(yōu)化機理研究；? 課題 6：物聯網驗證與應用示范研究。課題設置、科學問題與總體目標的關系圖如圖 2 所示。圖 2 課題設置、科學問題與總體目標的關系圖課題 1 物聯網關聯表征與體系架構是本項目的總體課題，將為其他課題的開展奠定架構和理論模型基礎。課題 2 物聯網的異構融合和自治機理、課題 3 物聯網混雜信息融合與決策、 課題 4 物聯網可信軟件設計理論與方法在課題 1 的基礎上，分 別研究系統(tǒng)自治機理、信息處理和軟件設計 方法， 課題 5 物聯網系統(tǒng)優(yōu)化機理在課題 2、3、4 的基礎上研究整系統(tǒng)的優(yōu)化機理，課題 6 主要為上述課題研究成果提供測試和綜合應用驗證平臺。6 個課題間互為關聯、互為依托。本項目每個課題設置課題負責人 1 名，負責課題計劃、實施、 監(jiān)督和考核等工作，同時課題參與單位指定 1 名參與單位責任人，負責該單位的課題實施，并配合完成課題的計劃、實施、監(jiān)督和考核等工作。 課題負責 人和課題參與單位責任人組成課題工作小組，對項 目總體工作組負責。本項目 6 名課題負責人組成項目總體工作組，在總體單位和首席科學家的領導下， 負責對整個項目實 施情況進行監(jiān)督， 協(xié)調項 目各課題的研究工作，理 順課題研究內容的關聯關系，解決項目實施過程中的分工合作問題，確保項目有序展開，實現項目預期目標。課題 1：物聯網關聯表征與體系架構研究課題設置的思路：本課題的設置主要針對物聯網的強關聯性、非確定性、高混雜性等特征， 圍繞物聯網關聯模型、標識體系、安全架構與架構體系等開展研究，以建立物聯網的基礎理論和架構體系為目標，力爭在物聯網的關聯模型、系統(tǒng)架構等方面取得相關的理論成果。研究內容：（1）物聯網關聯模型與表征；（2）可擴展物聯網標識體系；（3）物聯網安全架構；（4）面向演進的物聯網架構體系研究目標：建立物理空間和信息空間的關聯模型與表征方法；提出可擴展的物聯網標識體系和方法；建立有效的物聯網安全架構；形成相對完備的物聯網網絡互連、服務、管理和軟件等架構體系，為物聯網的標準體系制定和分析設計奠定理論基礎。承擔單位：中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所、北京郵電大學、清華大學課題負責人：劉海濤主要學術骨干：劉韻潔、王營冠、黃 韜、李丹經費比例：18%課題 2：物聯網的異構融合和自治機理研究課題設置的思路：本課題主要研究物聯網的自治模型，以及場景察覺、資源配置和優(yōu)化、自愈合和自保護等機理，研究物 聯網的自治子網間的協(xié)作管理和具有可增量部署特征的物聯網的異構網絡融合機制，形成物聯網的自治理論和方法。研究內容：（1）物聯網的自治模型；（2）高混雜條件下物聯網的場景覺察機理；（3）非確定條件下物聯網的自配置與優(yōu)化機理；（4）復雜動態(tài)場景下物聯網的自愈合與自保護機理；（5）自治子網間協(xié)作管理機理；（6）可增量部署的物聯網異構網絡融合機制。研究目標：建立物聯網的自治模型，提出物聯網的場景覺察機制、標識分配和資源分配機制、自愈合與自保護機制、子網協(xié)作管理機制，以及可增量部署的異構網 絡融合機制等，形成體系化的物聯網自治理論和方法。承擔單位：中國科學院軟件研究所、清華大學、 華東師范大學課題負責人：孫利民主要學術骨干：朱明華、康爍、周新運、秦偉俊經費比例：18%課題 3：物聯網混雜信息融合與決策研究課題設置的思路：本課題圍繞物聯網信息融合與決策服務需求，以解決混雜條件下信息融合與決策、數據處理的隱私保 護等問題為目標， 研究物 聯網在信息采集、融合和決策控制等過程中信息的內在關聯，對多源異構信息進行多層次匯聚、處理、融合和決策。研究內容：（1）物聯網信息處理與服務模型；（2）物聯網混雜信息融合；（3）物聯網復雜關系鏈挖掘；（4）物聯網主動決策與互動控制；（5）物聯網數據處理的隱私保護。研究目標：揭示物聯網混雜信息融合、復雜關系鏈挖掘、主 動決策與互動控制的一般規(guī)律，提出具有可信驗證和隱 私保護能力的物聯網主動決策和互動控制方法，建立滿足物聯網語義信息融合與決策需求的逆向解析方法。承擔單位：南京郵電大學、復旦大學、無錫物聯網產業(yè)研究院課題負責人：楊震主要學術骨干：沈蘇彬、楊庚、吳蒙、張建秋經費比例：15%課題 4：物聯網可信軟件設計理論與方法研究課題設置的思路：本課題基于物聯網環(huán)境中的連續(xù)世界與離散計算的結合性、實時性、可預測性、動態(tài) 演化性等特征，建立物聯網可信軟件的設計 方法及相應的推理機制，研究形式化描述方法和推理理論，為物聯網可信軟件系統(tǒng)分析與建模的研究提供數學模型和驗證手段，支持物聯網系統(tǒng)的分析和驗證。研究內容：（1）物聯網可信軟件設計方法；（2）物聯網可信軟件推理理論；（3）物聯網可信軟件建模方法；（4）物聯網可信軟件分析與驗證技術。研究目標：形成與國際接軌的先進水平的物聯網可信軟件設計方法理論、提供一套邏輯系統(tǒng)刻畫方法、構建建模 語言、 擴展與完善分析與 驗證技術，同 時建立可信軟件分析驗證平臺，為物聯網系 統(tǒng)的軟件設計與驗證提供可信保障。承擔單位：華東師范大學、中國科學院軟件研究所課題負責人：何積豐主要學術骨干：朱惠彪、曾振柄、郭建、皇甫偉經費比例：15%課題 5：物聯網系統(tǒng)優(yōu)化機理研究課題設置的思路：本課題的設置主要是在物聯網自治管理、信息融合處理和軟件設計的研究基礎上， 進一步從感知、傳輸、信息處理和決策控制等多個 層次出發(fā)，研究物聯網在非確定及混雜異構環(huán)境下的系統(tǒng)優(yōu)化機理，通過運用解耦、博弈、 約束優(yōu)化等理論和技術，實現系統(tǒng)的物理、通信及計算等資源的 優(yōu)化利用，以達到系 統(tǒng)性能的整體提升。研究內容：（1（ 面向可靠感知的物聯網多級優(yōu)化機制；（2（ 物聯網無線頻譜的優(yōu)化調度與分配機制；（3（ 非確定環(huán)境下的物聯網可靠數據傳輸機制；（4（ 面向信息決策的物聯網資源協(xié)同優(yōu)化機制；（5（ 物聯網系統(tǒng)跨層優(yōu)化機制。研究目標：面向實時可靠等系統(tǒng)優(yōu)化目標，針對非確定的物理、通信及計算環(huán)境， 設計一整套符合物聯網特性的系統(tǒng)優(yōu)化機制，通過在感知、傳輸、決策控制等各個 層次上的自優(yōu)化及跨層優(yōu)化調度，實現系統(tǒng)整體性能的優(yōu)化目標。承擔單位：中國科學技術大學、東南大學課題負責人：黃劉生主要學術骨干：張宏海、謝海勇、王 橋、邢凱經費比例：15%課題 6：物聯網驗證與應用示范研究課題設置的思路：本課題主要針對物聯網跨領域跨行業(yè)應用特征及相關成果測試與驗證需求，研究物聯網系統(tǒng)的驗證理論和方法，通過構建智能電網行業(yè)內配用環(huán)節(jié)互動和與智能家居、電動汽車等行 業(yè)間服務融合的物聯網應用驗證系統(tǒng)，驗證物聯網體系架構、自治機理、信息融合與決策、可信軟件設計和系統(tǒng)優(yōu)化等基礎理論和方法。研究內容：（1（ 物聯網系統(tǒng)的驗證理論和評估方法；（2（ 物聯網實驗測試平臺；（3（ 面向互動和融合的應用驗證系統(tǒng)。研究目標：提出面向物聯網大規(guī)模應用的理論驗證方法和評估體系；搭建具有開放性、通用性的物聯網實驗測試平臺；建立智能電網行業(yè)內配用環(huán)節(jié)互動和與智能家居、電動汽車等行業(yè)間服務融合的物聯網應用驗證系統(tǒng)，為其它課題的相關研究成果的驗證與測試提供支撐。承擔單位：無錫物聯網產業(yè)研究院、國網信息通信有限公司、北京郵電大學課題負責人：劉建明主要學術骨干：李書芳、李祥珍、沈杰、陳晰經費比例：19%四、年度計劃研究內容 預期目標第一年研究物聯網特征與共性需求；關聯模型、可擴展標識體系和網絡互連體系架構；研究高混雜條件下的場景覺察機制；研究物聯網信息處理系統(tǒng)架構和數據融合方法；研究物聯網軟件設計方法學；研究面向可靠感知的物聯網多級優(yōu)化機制和無線頻譜的優(yōu)化調度與分配機制；研究物聯網系統(tǒng)驗證理論和評估方法；? 完成物聯網特征與共性需求調研；? 提出關聯模型、可擴展標識體系和網絡互連體系架構；? 提出場景覺察機制和方法；? 提出物聯網信息處理系統(tǒng)架構和數據融合方法；? 提出面向可靠感知的物聯網多級優(yōu)化機制和無線頻譜的優(yōu)化調度與分配機制；? 物聯網系統(tǒng)驗證理論和評估方法；? 論文 10~15 篇；? 專利 4~6 項；研究內容 預 期目標第二年研究物聯網表征方法及體系、安全和服務體系架構；研究非確定條件下物聯網的自配置與優(yōu)化機理，以及動態(tài)場景下容錯和自愈合機理；研究基于語義分析和理解的物聯網服務模型及決策機制、數據融合方法和關系鏈挖掘方法；研究物聯網可信軟件推理理論與建模方法；研究物聯網可靠數據傳輸機制和資源協(xié)同優(yōu)化機制；研究物聯網實驗測試平臺及方法；? 提出物聯網表征方法及體系、安全和服務體系架構；? 提出非確定條件下物聯網的自配置與優(yōu)化方法，以及動態(tài)場景下容錯和自愈合方法；? 提出基于語義分析和理解的物聯網服務模型及決策機制、數據融合方法和關系鏈挖掘方法；? 提出物聯網可信軟件推理理論與建模方法；? 提出物聯網可靠數據傳輸機制和資源協(xié)同優(yōu)化機制；? 提出物聯網實驗測試平臺及方法；? 論文 15~20 篇；? 專利 5~8 項；? 國家標準 1~2 項；研究內容 預 期目標第三年研究物聯網系統(tǒng)管理和軟件體系架構，以及物聯網架構體系的演進；研究自治子網間協(xié)作管理，以及異構網絡融合機制；研究關系鏈挖掘方法和主動決策與控制交互模型、分層主動處理與融合；研究可信軟件分析與驗證技術方法；研究物聯網系統(tǒng)跨層優(yōu)化機制；研究面向互動和融合的應用驗證系統(tǒng)；? 提出物聯網系統(tǒng)管理和軟件體系架構，以及物聯網架構體系的演進策略；? 提出自治子網間協(xié)作管理，以及異構網絡融合機制及方法；? 提出關系鏈挖掘方法和主動決策與控制交互模型、分層主動處理與融合方法；? 提出可信軟件分析與驗證技術方法；提出物聯網系統(tǒng)跨層優(yōu)化機制及方法；? 提出面向互動和融合的應用驗證系統(tǒng)方法及構建；? 論文 15~20 篇；? 專利 5~8 項；? 專著 1 本；? 國家標準 1~2 項；一、研究內容1. 擬解決的關鍵科學問題由于物理空間和信息空間的強關聯性、非確定性和高度混雜性等，在物聯網分析設計、運維優(yōu)化等各個 層面還存在著諸多的挑戰(zhàn)和困難，現有的理論和方法難以應對上述挑戰(zhàn)，大量的基 礎科學問題亟待解決，迫切需要全面深入的分析物理空間和信息空間的耦合機理，探明物聯網的自治機理，深入挖掘感知互動的機制和方法及安全可信的保障機制，尋找系統(tǒng)內在的優(yōu)化機制，認識未來發(fā)展需求趨勢和演進規(guī)律等，為物聯 網在社會生活各個領域的前面應用奠定理論基礎。因此，本項目將圍繞物聯網重要特性和重大需求，以構建感知互動、自治高效和安全可信的物聯網系統(tǒng)為目標，以物聯網的非確定性、高混雜性和強關聯性為出發(fā)點，重點解決三方面的關鍵科學問題：一、物理空間和信息空間的復雜耦合關聯；二、高混雜感知互 動系統(tǒng)的自治機理；三、虛實交融的物化安全可信保障。擬解決的關鍵科學問題如圖 1 所示。圖 1：擬解決的關鍵科學問題科學問題1：物理空間和信息空間的復雜耦合關聯物理空間和信息空間存在的內在復雜耦合關聯是物聯網的本質特征之一，貫穿在物聯網的系統(tǒng)設計、 組織管理、感知交互、決策控制等全 過程。物聯網所涉及的物理空間和信息空間的耦合關聯極為復雜。首先，連續(xù)的具有時空屬性的物理空間、與離散的無時空維度的信息空間具有極大的差異性，信息空間和物理空間屬性耦合關聯的分析和描述極為困難；其次，物聯網系統(tǒng)存在著普遍的高度混雜性和非確定性，如目標環(huán)境、 傳感器屬性、終端類型、網絡形態(tài)、信息 處理方式、應用服務需求等，各因素 緊密耦合且關 聯復雜，對物聯網共性建模、統(tǒng)一描述和系統(tǒng)設計等帶來極大的挑戰(zhàn)。另外，物 聯網要實現物理空間和信息空間的感知互動，涉及環(huán)境、感知、網絡、 處理、服務等各個環(huán)節(jié)和作用域的協(xié)同處理和反饋，而其內在耦合關聯的表征是上述協(xié)作機制的基礎。由于目前缺乏對物理空間和信息空間耦合關聯問題的深入研究，現有的信息感知和決策方法等通常面向單一的應用場景和應用目標，與物聯網跨行業(yè)、規(guī)模化的應用需求形成鮮明矛盾。通過對物理空間和信息空間耦合關聯問題的深入分析，并挖掘和表征其中耦合對象、耦合形式、耦合程度、耦合作用等問題，是實現物理空間和信息空間全面融合的基礎科學問題之一?？茖W問題 2：高混雜感知互動系統(tǒng)的自治機理物聯網通過物理空間和信息空間的感知互動，高效靈活地為用戶提供智慧服務?；谌斯⑴c或現有系 統(tǒng)管理運行方式難以應對物聯網復雜的應用挑戰(zhàn)及動態(tài)多樣的影響因素，在客 觀上要求物聯網以自治的方式運行，在減少或避免人工參與的條件下自動地實現物聯網的組織管理、資源配置和故障處理等功能。物聯網感知互動的運行模式、高度混雜的系統(tǒng)組成、非確定的運行場景對物聯網的自治提出了巨大的挑戰(zhàn)。面向物理空間和信息空間感知互動的運行模式對物聯網自治的實時性、可靠性等要求極為嚴格。物聯網系統(tǒng)存在高度的混雜性特征，諸如終端類型多樣、數量巨大，感知屬性、特征、控制與處理方法等差異巨大，則使得物聯網自治的運行場景和待處理因素極為復雜多樣。物聯網系統(tǒng)組成多樣、結構復雜，不僅包括海量的網絡元素，還包括 現有互聯網、蜂窩網和電信網等公共網絡，以及各應用領域的專用網絡，其通信協(xié)議各不相同，形成復 雜的網絡形態(tài)，對物聯網終端和子網的組織協(xié)同提出很大挑戰(zhàn)。物聯網的應用需求和運行場景存在高度的非確定性，如物聯網的應用目標、服務質量和資源需求隨時間和物理環(huán)境的動態(tài)變化，移動過程中終端及子網之間存在不確定的復雜關聯，物聯網自身運行過程中也存在終端和資源的動態(tài)變化甚至故障，上述特性要求物聯網自治中必需考慮資源的動態(tài)變化和多種類型的異常狀況。 物聯網自治管理是其運行的基礎，為物聯網信息的感知、交互、 處理和決策提供重要支撐，因而高混雜 感知互動物聯網的自治機理是亟待解決的基礎科學問題。科學問題 3：虛實交融的物化安全可信保障物聯網的安全可信不僅涉及到信息空間中信息傳輸、處理和數據自身的安全可信，更為重要的是物理空 間中大量物理實體決策操作的安全可信以及物理實體所攜帶數據的安全可信，并對系統(tǒng)行為可預測性和可靠性提出了更高的要求。物理空間和信息空間的耦合關聯使得物聯網面臨更為多樣復雜的安全可信威脅，物 聯網混雜性和非確定性也對其安全可信帶來巨大的挑戰(zhàn)。物聯網終端能力差異巨大，脆弱終端存在著 計算能力與安全可信算法資源消耗之間的矛盾。物聯網不僅具有頻繁的移動性，通信連接具有高度動態(tài)性，而終端或子網也可能在某些時間與物聯網其他部分斷開連接，增加了訪問控制、授權、 認證的難度。物聯網是超大規(guī)模的網絡，組成形態(tài)復雜， 終端和子網的異構性使得跨域跨子網的可信安全具有極大的技術難度。物聯網中大量邏輯或物理實體基于網絡相互連接，物理實體可能被偷竊屏蔽或轉移， 帶來了新的安全威脅，容易造成個人 隱私、商業(yè)機密和國家設施信息的泄露。可信軟件是物聯網系統(tǒng)行為可預測性和可靠性的保障，而現有軟件模型和方法無法表達物聯網虛實交融的特征，連續(xù)世界與離散計算結合性、實時性和多維性，均 難以用現有的可信方法描述。物聯網將直接影響物理世界，安全可信是物聯網必需具備的基本要求。以物化特征表現的物聯網安全可信保障問題是研究中嶄新課題，也是物聯網發(fā)展必須解決的基礎性科學問題。2. 主要研究內容圍繞上述的三個關鍵科學問題，本項目將從以下六個主要方面對物聯網的基礎理論和方法開展研究。（一） 物聯網關聯表征與體系架構針對物聯網的感知互動以及非確定性和混雜性特征，從物聯網的關聯表征和體系架構基本問題出發(fā)，在關聯模型與表征、 標識 體系、安全架構和體系框架等方面展開研究，具體包括以下研究內容：（1（ 物聯網關聯模型與表征：基于物聯網實體抽象和實體間作用關系數學描述，建立物理和信息空間多元異構實體間的關聯模型；面向物聯網非確定性環(huán)境，研究多重關聯的動態(tài)特征和描述方法；研究實際物理關聯和抽象信息關聯的匹配機制，建立物聯網表征方法及體系；（2（ 可擴展物聯網標識體系：研究適合大規(guī)模物聯網的名字空間結構與解析體系；研究標識編碼方法，探討合理的標識生命周期管理機制；研究安全、高效和可擴展的統(tǒng)一物體標識體系；（3（ 物聯網安全架構：分析物聯網的安全需求與安全框架, 研究物聯網安全架構以及資源高效的安全協(xié)議；研究物聯網跨網的分層的認證策略和協(xié)議；研究物聯網分級的密鑰分配、密鑰協(xié)商等密鑰管理方案；（4（ 面向演進的物聯網架構體系：研究異構網絡互連體系架構、服務體系架構、系統(tǒng)管理體系架構、可信軟件體系架構，建立面向演進的物聯網架構體系。（二） 物聯網的異構融合和自治機理面向物聯網應用場景的動態(tài)多樣性以及網絡和終端互聯方式存在的高度異構性特點，研究物聯網的自治模型和場景察覺機理，在此基礎上研究物聯網的自配置、自優(yōu)化、自愈合、自保 護機理， 進而考察不同自治子網間的協(xié)同管理，以及可增量部署的異構融合機制。具體的研究內容包括：（1（ 物聯網的自治模型：基于物聯網管理鏈需求，研究管理單元的自組織機制；研究管理鏈中物聯網管理信息的交互方式；研究物聯網系統(tǒng)的自治管理模型；（2（ 高混雜條件下物聯網的場景察覺機理：研究高混雜的物聯網終端屬性、狀態(tài)和功能角色的規(guī)范化描述；研究動態(tài)場景下物聯網終端間的屬性、狀態(tài)和功能角色的相互發(fā)現機制，實現終端間的互察覺；研究基于多源多粒度的互察覺信息的物聯網場景分析方法；（3（ 非確定條件下物聯網的自配置與優(yōu)化機理：面向物聯網超大規(guī)模的非確定性部署，研究物聯網標識的自動分配機制；研究在跨子網移動的場景下物聯網自組織管理；結合感知互動的應用特性，研究物聯網的分布式的拓撲自組織和資源自配置方法；面向物聯網應用需求特征和動態(tài)運行場景，研究物聯網的資源協(xié)同調整策略和優(yōu)化機制；（4（ 復雜動態(tài)場景下物聯網的自愈合與自保護機理：研究面向感知交互的物聯網多類型的故障產生模式和故障分析方法；研究復雜動態(tài)場景下的物聯網的系統(tǒng)運行狀態(tài)監(jiān)視方法和故障發(fā)現機制；針對物聯網感知交互需求和故障發(fā)生模式，研究物聯網的容侵容錯機理；在故障出現的條件下，研究物聯網基于協(xié)作的快速自愈合機制；（5（ 自治子網間協(xié)作管理機理：研究物聯網自治子網間的標識映射、統(tǒng)一資源訪問和協(xié)作管理模型與架構；研究子網間的管理信息交互機制；研究多個自治物聯子網間的資源調度與協(xié)作管理方法； （6（ 可增量部署的物聯網異構網絡融合機制：研究異構物聯網網絡融合的可增量部署機理；研究可擴展的異構網絡標識的演進方法；研究異構網絡發(fā)現、協(xié)議互通和動態(tài)切換機制。（三） 物聯網混雜信息融合與決策面向物聯網多源異構、多顆粒度、多 應用域的信息特征，研究物聯網的信息處理與服務模型，進而研究物 聯網的混雜信息融合，復雜關系鏈挖掘，主 動決策與互動控制，以及可信數據與 隱私保護的模型或方法。具體的研究內容如下：（1（ 物聯網信息處理與服務模型：研究多級、主動、開放的物聯網信息處理模型；面向物物互動的信息建模方法；面向實時挖掘與決策的多源異構、多粒度、多維度數據的建模理論與方法；面向多應用領域的分析模型；基于語義的服務表示、發(fā)布和應用模型；以及基于服務模型的語義理解與分析機制；（2（ 物聯網混雜信息融合：研究混雜條件下多源異構數據的分析與提煉；研究面向融合與決策服務的數據挖掘方法；研究非確定性條件下的分布式情境感知、融合與推理機制；研究面向特定物聯網應用的場景分析方法，以及知識庫構造和自學習方法；（3（ 物聯網復雜關系鏈挖掘：研究物聯網關系鏈的建模和表示方法；研究實時交互場景下關系鏈的挖掘和發(fā)現方法；研究基于關系鏈的推理規(guī)則和決策模型；（4（ 物聯網主動決策與互動控制：研究面向服務的語義信息與決策需求的逆向解析與任務分解機制；研究多粒度的物聯網主動決策與協(xié)作機制；研究高效的分層主動處理與融合方法；（5（ 物聯網數據處理的隱私保護：研究多源異構數據的數據隱藏方法；研究物聯網關系鏈挖掘過程中的隱私保護方法；研究具有不同隱私保護安全級別的數據處理機制和協(xié)作計算算法。（四） 物聯網可信軟件設計理論與方法針對物聯網高混雜性、非確定性和復雜關聯性等特點，開展物聯網可信軟件設計理論與方法研究，探索與之相適應的推理方法、建模理論以及分析與驗證技術。具體的研究內容包括：（1（ 可信軟件設計方法：基于經典精化理論，研究物聯網系統(tǒng)的精化理論與方法，研究適用物聯網的精化規(guī)則， 為可信軟件從需求到實現的過程提供理論支撐；（2（ 可信軟件推理理論：針對物聯網特性，突破傳統(tǒng)邏輯描述系統(tǒng)的局限性，創(chuàng)建適用于物聯網的新型邏輯系統(tǒng)，研究可信軟件的邏輯推理理論；（3（ 可信軟件建模方法：建立系統(tǒng)級模型語言，在現有進程代數系統(tǒng)中增加時、空、物特性算子，建立物聯網感知互動的抽象行為模型；基于 UTP（程序統(tǒng)一理論）理論，研究該建模語言相應的操作語義、指稱語義以及代數語義；（4（ 可信軟件分析與驗證技術：基于上述推理邏輯、建模語言的研究成果，對現有的模型檢測技術和定理證明技術進行擴充，給出相應的驗證技術方法，對計算系統(tǒng)和物理系統(tǒng)進行混合分析驗證，以適應新環(huán)境下的分析驗證需求。（五） 物聯網系統(tǒng)優(yōu)化機理面向實時可靠以及其它服務質量需求的物聯網應用，從感知、傳輸和信息處理與決策控制等多個層次出發(fā)，研究物聯網資源、服務和決策的耦合機理，采用競爭或協(xié)作機制來合理分配與協(xié)同調度各種物理、通信與計算資源，通過資源的優(yōu)化利用，實現物聯網系統(tǒng) 性能的整體優(yōu)化。具體研究內容包括：（1（ 面向可靠感知的物聯網多級優(yōu)化機制:面向可靠的目標定位、事件監(jiān)測與信息感知服務，研究物聯網終端資源消費的自優(yōu)化策略；針對物聯網的非確定特性，研究基于多終端協(xié)同調度的目標定位、事件監(jiān)測和信息感知算法；以異構子網間的耦合為基礎，研究面向可靠感知的無縫切換與跨網調度機制；（2（ 物聯網無線頻譜的優(yōu)化調度與分配機制：針對物聯網有限頻譜資源與多終端混雜接入，研究物聯網頻譜應用的時空頻相關性及信道狀態(tài)與歷史信息的關聯性，建立具有預測能力的頻譜使用模型，實現有序競爭訪問和高效共享的動態(tài)頻譜分配和調度機制；研究頻譜移動性分析的新方法，建立頻譜切換的時間關系模型，確立最佳容量和系統(tǒng)效率間的定量關系；（3（ 非確定環(huán)境下的物聯網可靠數據傳輸機制：針對服務的動態(tài)變化和多模異質特性以及對通信資源的競爭訪問，研究物聯網終端的高效無線接入協(xié)議；研究物聯網中可靠的多終端協(xié)同中繼傳輸機制;針對網絡拓撲及信道質量的快速動態(tài)變化，研究非確定環(huán)境下的物聯網端到端實時可靠數據傳輸的在線優(yōu)化調度機制；（4） 面向決策控制的物聯網資源協(xié)同優(yōu)化機制: 針對物聯網海量信息處理，研究物聯網存儲資源的分布式調度和協(xié)同優(yōu)化機制；針對物聯網信息的動態(tài)性和復雜性，面向智能決策控制，研究低成本的在線計算資源優(yōu)化調度機制；針對物聯網服務的多樣性，研究系統(tǒng)開銷與決策性能之間的折衷優(yōu)化策略；（5（ 物聯網系統(tǒng)跨層優(yōu)化機制: 針對物聯網的復雜性，研究物聯網感知、傳輸、信息處理與決策的層間耦合機理、解耦變換及相應的系統(tǒng)跨層優(yōu)化機制；針對物聯網環(huán)境的動態(tài)性，研究軟件服務組合的優(yōu)化機制；面向多行業(yè)、多用戶及多應用需求，針對感知傳輸的上行流及決策控制的下行流，研究系統(tǒng)分布式資源的一致性維護機制和整體優(yōu)化策略。（六） 物聯網驗證與應用示范針對物聯網跨領域跨行業(yè)應用特征及相關成果測試與驗證需求，研究物聯網系統(tǒng)的驗證理論和方法，研 發(fā)測試工具和平臺，并通過應用示范系統(tǒng)進一步驗證理論成果，具體研究內容包括：（1（ 物聯網系統(tǒng)的驗證理論和評估方法：研究物聯網系統(tǒng)的測試模型和驗證理論；研究隨機和偽隨機理論在物聯網綜合測試生成方法中的應用，解決物聯網高混雜性和非確定性帶來的可測性難題；研究物聯網系統(tǒng)的評估模型和體系；（2（ 物聯網實驗測試平臺：開發(fā)物聯網測試和評估工具，搭建物聯網測試平臺，測試其他課題提出的基本理論和技術；（3（ 面向互動和融合的應用驗證系統(tǒng)：研究面向行業(yè)應用的物聯網通用平臺構建技術，研制智能電網行業(yè)內配用環(huán)節(jié)互動和與智能家居、電動汽車等行業(yè)間服務融合的物聯網應用驗證系統(tǒng)，驗證本項目中其它課題提出的基本理論、技術和方法，探索物聯網跨行業(yè)的應用模式和關鍵技術。