信息 - 物理融合系统（ CPS ） 基金项目支持情况汇报

1. 信息-物理融合系统（CPS）基金项目支持情况汇报信息-物理融合系统（CPS）基金项目支持情况汇报 信息学部二处 肖人毅

2. 汇报提纲 • 总体情况 • 基金支持项目重要进展及案例 • 组织与管理情况 • 前期工作小节 • 未来工作设想

3. 一、总体情况

4. 信息-物理融合系统简介 • 信息-物理融合系统 • 物理世界与计算机世界的融合 • 融合计算、通信与控制的新型复杂嵌入式系统 • 计算与物理过程持续交互、融合 • 实现嵌入式计算、网络化通信与远程精确控制 • 符合国家重大战略需求 • 社会管理、交通控制 • 能源利用、环境监测 • 公共安全、公众健康等

5. 现阶段研究发展情况 • 研究发展方兴未艾 • 2006年，美国国家基金委员会首次提出，被列为美国未来八大关键信息技术的首位 • 欧盟投入约50亿欧元（2007-2013）进行研究 • 我国从2008年开始投入研究，2009年关注在工业领域发展，2010年863项目组织专题论坛 • 是多层面的系统科学 • 与物联网、传感网、嵌入式系统相互关联，但范围更宽泛 • 我处在重点支持物联网基础性研究的同时，针对CPS系统进行了前瞻性的支持

6. 感 联 安全 知 控 五大研究方向 获得物理世界数据，是信息世界处理和控制的基础 异构网络资源有线或无线的方式实现准确、高效、低能耗的通信，传递信息 维护信息与系统的稳定性、不受外部和内部的攻击 CPS系统 全面观察、准确理解、深刻推理，能处理海量感知数据，对数据进行整理、查询与计算 融合设计、融合控制通过决策反馈到物理世界的控制模型与系统

7. 基金支持情况

8. 总体支持的效果 • 带动了CPS研究发展的氛围 • 形成覆盖CPS各领域的研究队伍 • 取得了大量国际领先且具有实际应用价值的技术成果 • 推动了我国CPS基础研究的发展

9. 二、基金支持项目进展及项目案例

10. 基金支持项目的重要进展 • 创建了从感知设备物理层到社会网络模型等的多层次架构 • 研发了具有自主知识产权的通信协议系统 • 建立了有效的管理、查询和计算感知数据的机制 • 形成了全网络的反馈控制理论体系 • 健全了系统的安全性、鲁棒性及健壮性 • 参与了多项国际、国家标准的制定，获得了大量专利及软件著作权产品，奠定了坚实的研究基础

11. TIF34 0.375 FET3 0.639 0.867 0.651 SMT3 0.698 0.639 0.147 NTG1 RAD59 RPC40 重要进展一：感 • 通过传感、智能采集获得物理世界中的各种有效用数据 • 感知包括多种形式的数据，从蛋白质数据到人类社会关系数据等，需要协同感知、信息融合、易感易传等 • 多层次的感知方式： • 感知设备的硬件设计为基础 • 物理世界的位置信息为辅助 • 社会网络的模型理论为应用 • 体域网的数据与定位 无线传感器网络 蛋白质交互网络 社会关系网络

12. 感知器件的硬件设计 科学问题一：如何解决不同应用相同架构的不匹配 科学问题二：如何不损失编程性能前提下，提高效能

13. 互联网基础下的社会网络感知模型 研究了多节点之间协同感知 解决了单个节点的社会网络信息自主感知

14. 面向移动社会网络的感知计算理论 • 移动社会网络（Mobile Social Networks）是一种全新的与现实世界高度融合的真实社会网络 • 具有感知的实时连续性、数据的真实时空性和服务的即时即地性 • 该项目深入开展面向移动社会网络的感知计算基础理论与关键技术研究 • 感知计算－－如何感知获取物理世界中人们社会交互行为和规律，并用于不同的应用

15. 结构化定位算法 Sweeps Collaborative Multilateration Trilateration 结构化协作定位理论和算法研究 • WSN定位技术的新特点 • 从强基础设施支持到弱基础设施 • 从以设备为中心的定位到以网络为中心的定位 • 定位算法发展趋势 “以网络为中心的定位”代替传统的“以设备为中心的定位” 2008至今 2006 2004 1973

16. 体域网(BSN)的数据与定位 • BSN为“移动健康”提供监测与服务 • 远程病情监测 • 老年人跌倒预警 • 康复训练辅助 • BSN为“体育训练”提供辅助与提升 • 人体位置 • 器械位置 • 姿态 • 热量消耗 科学挑战： “同步要求强”、“系统代价大”、 “精度要求高” 主要解决：“感知内容失效”、“本地传输失灵”、“应用预测失准”

17. 重要进展二：联 • 感知数据由节点或终端获得后，如何及时、准确、高效、低能耗的传送到数据中心及处理中心，是“联”要解决的核心问题 • 关注多异构网组网、异质网元互联、组合网络通信、服务质量管理等几个方面 • 多种形式的通信方式 • 广泛领域上的带宽绑定 • 无线多跳网的路由方案 • 分布式网络的异构互联 • 移动容迟网的机会通信 • 干扰情况下的通信协议

18. 广泛领域上的带宽绑定应用 解决了无线通讯接入与带宽不足问题 实现了融合多种可用、有限、不稳定的网络

19. 科学挑战 高查准率 低查询时延 低查询成本 无线多跳网的路由方案 全状态数据驱动路由机制缺乏可行性 弱状态数据驱动路由机制缺乏可行性 数据驱动路由的有效作用区域受限 回流和多径叠加严重干扰数据驱动路由 科学问题 数据驱动路由的网络覆盖方法 数据驱动路由的动态自适应性方法 报文回流和多径叠加的高效对策 仿真和实验验证 新型数据驱动路由的基本设计方法

20. 分布式网络的异构互联 解决的科学问题二：网内不高效问题，没有利用网关的整合特性，实现异构互联 解决的科学问题一：流量不匹配问题，网关间的负载和实际流量不匹配 解决的科学问题三：网关不灵敏问题，对网络的重要变化反应不灵敏

21. 移动容迟网络的机会通信 • 城市交通热点的移动模型分析 • 车辆相遇时间间隔的分布规律分析

22. 新型的基于干扰的通信模型 传统通信模式 首次提出并实现多源单目标的无线通信协议 带附属信道的通信模式

23. 重要进展三：知 • 能对分布式异构的物理世界数据实时查询，对实时数据进行存储分析处理、实现海量数据的查询与计算 • 不同层面的认识物理世界方法 • 面向移动社会网络的感知计算理论 • 海量数据的查询处理 • 不确定数据的管理 • 大型图数据库系统关键技术研究

24. 面向移动社会网络的感知计算理论 政府重视 国外：美国为首的各国政府十分重视； 国内：2009年，温总理视察无锡时提出“感知中国”的战略构想 提出面向移动社会网络的多尺度交叉感知服务理论模型 建立支持异源社交服务组合的信任和隐私保护机制 突破不依赖基础设施的短程无线感知通信关键技术 业界关注 以Apple、Google、Facebook为代表的IT巨头纷纷这一本领域投入巨资进行收购、争夺人才和研发 面向移动社会网络的 多尺度交叉感知计算 理论与关键技术研究 具有重要的学术研究 价值和实际应用价值 学术聚焦 国外许多知名大学和研究所均针对移动社会网络的相关技术开展了专项研究，国内研究处于起步阶段 广泛前景 移动社会网络在公共安全、远程医疗、灾难救援、智能交通、智慧城市、新型商业方面有巨大而广泛的应用前景

25. 云计算环境下海量数据查询优化与智能处理 • 研究目标： 通过对云计算环境中海量数据分析与处理的关键技术研究，建立针对海量数据分析处理的分布式混合云计算平台。 • 主要研究内容： • 大规模分布式数据分析与处理的模型研究 • 海量数据分析与处理的系统框架设计 • 面向海量多媒体数据的处理与检索方案 • 海量数据分析与处理的实验平台搭建与项目实践应用

26. 研究的创新点

27. 研究内容三：不确定数据世系分析 研究内容一：不确定半结构化数据管理 研究内容二：不确定流数据管理 不确定数据的管理 • 数据的不确定性无处不在 2. Web应用 1. RFID应用 如何表达不确定性：采用统一的可能世界建模 如何使用不确定：采用有限的概率值域优化 如何分析不确定：采用共享的概率图模型溯源 3. LBS应用 4. 传感器网络应用 查询引擎 用户 网关 互联网 传感器节点

28. 大型图数据库系统关键技术研究 • 图数据存储与索引 • 基于压缩的图数据组织与索引 • 与计算融合的图数据编码方法 • 图数据查询与挖掘 • 多对一子图同构检测算法 • 超图查询问题及算法 • 图结构XML数据的子图查询算法 • 代表模式挖掘算法 创新点 多图冗余压缩， 多一同构检测； 编码计算融合， 查询高效处理；  -  近似计算 -跳跃模式集 解决了大型图数据库系统中的三大科学问题： 1. 语义模型复杂，导致计算难度 2. 同构检测NP难，限制查询挖掘 3. 计算结果繁多，阻碍认知应用 • 非确定图数据查询与挖掘 • top-k极大团查询处理算法 • top-k子图匹配算法 • 基于概率/期望语义频繁子图挖掘算法

29. 重要进展四：控 • 感知数据获取并计算后，通过决策反馈到物理世界的控制模型与系统 • 控制体现在融合设计与融合控制两方面 • 计算机系统、网络系统的控制反馈 • 网络体系结构与机理 • 后IP时代的网络体系架构研究 • 非定位无线传感器网络导航的理论基础与关键技术研究

30. 网络体系结构与机理 扩展性 媒体文件、云计算模式与重尾访问模式 动态性 物联网与无线通信：大量无线异构终端 安全可控性 服务请求动态性与网络/信息安全 需求与趋势 问题 摒弃端到端通信及服务模式，提供共享 无需端到端常连接，终端具备存储处理能力 实现服务资源和物理网络相互感知 互联网最初设计是基于可信用户、有限的应用场景，导致原体系结构难以适应目前需求的变化，迫切需要全新的(Clean Slate)未来网络体系结构。

31. 智慧服务层 服务标识（SID） 智慧服务模块 SID与CID的映射 连接标识（CID） 智慧连接模块 CID与AID的映射 智慧网络层 接入网部分 接入标识（AID） AID与RID的映射 核心网部分 交换路由标识（RID） 后IP时代的网络体系架构研究 项目的创新点主要集中在以下三个方面： 1、在网络体系架构方面，创造性提出了一种面向服务的未来智慧互联网体系架构。 2、创造性提出网络智慧化机理。 3、将计算、存储以及转发等技术手段相结合，建立服务的智慧认知机理与模型 解决网络的安全性、可扩展性和可控可管性问题 创造性的将核心网划分为分组转发平面和电路交换平面 对数据/服务单独命 名，实现面向资源 的设计 标识服务获取的状态， 可以根据服务需求智 慧选择一个或者多个 通信对端以获取服务。 接入标识 映射 交换路由标识

32. 非定位无线传感器网络导航的理论基础与关键技术研究非定位无线传感器网络导航的理论基础与关键技术研究 • 位置信息无关的导航路图生成方法 • 基于局部视图的人流拥塞控制方法 • 导航对象移动振荡松弛技术 针对无线传感网的低网络密度、高移动性和连通性不足 以导航路线图、局部拥塞控制、移动振荡松弛技术应对 • 基于链路相关性估计的洪泛策略 • 能量优化的自适应多跳轮值监听策略 • 含洞的移动节点数据汇聚优化策略

33. 重要进展五：安全 • 系统构建并正常运行后，安全成为关键问题 • 防范信息—物理融合系统中的攻击，不能直接采用传统攻击模型 • 安全监测与防范保护 • 无线传感器网络密钥管理 • 无线Ad Hoc网络拓扑攻击探测与定位 • 可信计算协议设计 • 物联网隐私保护

34. 无线传感器网络密钥管理 • 研究具有较高的攻击容忍性、密钥连通性和可扩展性的轻量级密钥管理协议的设计与分析方法 • 构建传感器网络密钥管理协议 • 突破当前认证协议对于信任域的限制，探索异构网络设计 • 解决隐私保护与其它安全特性相冲突的问题 密钥管理协议是构建安全传感器网络的核心基础 传统的密钥管理办法不适应无线传感网的需求 轻量、安全的密钥管理机制是挑战

35. 无线Ad Hoc网络拓扑攻击探测与定位 • 拓扑攻击：在无线Ad hoc网络中，敌手通过改变网络的拓扑发起攻击或者为后续的其它攻击方式奠定基础。 • 如虫洞攻击、黑洞攻击、节点假冒、路由篡改、Sybil攻击等。 • 设计高效的被动式拓扑收集技术，研究不同攻击导致拓扑差异，探测和定位各种可导致拓扑变化的攻击。 攻击探测通用化、采用被动式拓扑发现-包标记、 快速实时攻击探测、可探测自适应敌手 带外高速虫洞信道 n1 和 n2 具有邻居特征 拓扑攻击样例：虫洞攻击

36. 可信计算协议设计 • 可信公平非抵赖协议 • 目标：双方不可抵赖消息的发送和接收 • 基于TPM安全体系架构 • 通过TPM保护软件的完整性，以防篡改 • 约束通信双方行为 • 无需可信第三方认证 • 形式化证明协议的安全

37. 协议模型 克服现有无需固定可信第三方公平非抵赖协议的概率公平缺点 完全保证其协议的公平性，为移动网络各种应用软件提供可信性保障

38. IOT 物联网隐私保护 同态数据 将隐私数据同态处理后进行传输 感知患者隐私数据 • 五方面解决物联网隐私保护： • 密钥管理和认证技术 • 抗节点(物理)俘获攻击的新方法 • 隐私同态和信息隐藏 • 实现隐私数据的融合及安全共享 • 物联网应用示范来验证 返回同态查询结果 隐私数据 还原得到真实查询结果

39. 三、组织与管理情况

40. 组织与管理情况 • 通过支持重点项目，结合相关面上项目，实现系统化、全面化的基金管理 • 组织研究团队的相互交流，促进整体研究水平的提高 • 加强联络，随时掌握研究动态，把握CPS研究的发展方向

41. 四、前期工作小结

42. 前期工作小结 • 有针对性的支持了CPS系统五个主要的研究方向 • 基础性的研究取得了一定的成果 • 通过基础研究，提出了CPS系统中新的科学问题 • 结合物联网、传感网的研究，CPS研究更加宽泛

43. 五、未来工作设想

44. 未来工作设想 • 将继续支持有潜力的CPS研究，全面均衡协调促进五大方向的研究 • CPS系统模型建立的可验证性研究，以及对应的真实实验系统或原型系统 • 通过对实验结果的观察和反复测试获取有意义的结果与改进 • 适应CPS系统特点的软件编程方法研究及实际应用

45. 谢谢请指正