曹軍威：物聯(lián)時期的新摸索 /編號:YT716zL

2014-11-15 17:27 來源：http://m.sustainablelifeonearth.com/ 閱讀：次

　　深入基礎架構研究

曹軍威：物聯(lián)時期的新摸索

　　盤算機實現(xiàn)了信息和資源的數(shù)字化，互聯(lián)網(wǎng)使得信息的傳遞和共享成為可能，那么物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的內(nèi)在動因是什么呢？清華大學信息技術研究院研究員曹軍威和他的團隊始終致力于從基本架構（Infrastructure）的奇特視角發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)技巧與利用研究，并指出物聯(lián)網(wǎng)崛起的內(nèi)在動因是21世紀新一輪基礎架構化對資源深度互聯(lián)的需要。

　　物聯(lián)網(wǎng)被認為是繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)之后，世界信息工業(yè)的第三次浪潮，它集傳感、通信、網(wǎng)絡、計算、控制技術為一體，應用范疇遍布公民經(jīng)濟和社會服務的各個方面，如智能電網(wǎng)、智能交通、現(xiàn)代物流、數(shù)字醫(yī)療、節(jié)能環(huán)保、精準農(nóng)業(yè)等，成為我國未來發(fā)展的策略新興產(chǎn)業(yè)。

　　電能是即時平衡的，過去電網(wǎng)靠“以不變應萬變”來達到動態(tài)平衡，于是大批冗余造成揮霍，當初充足施展物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)控作用，有可能靠與負荷互動來削“峰”填“谷”和減少熱備用，假如可即將引起從設計到運行的巨大變革。如果基于物聯(lián)網(wǎng)技術，使得測量和通信問題（指令下行僅數(shù)十毫秒）得到解決，通過控制達到霎時平衡，那么迄今靠“試探”來達到新均衡的各種穩(wěn)定辦法，如暫態(tài)穩(wěn)定、頻率穩(wěn)固、低頻/低壓減載控制等都應當從新斟酌。過去因為信息傳遞的艱苦，眾多研究者都力求選用丈量本地量作為反饋來達到最好的控制后果，如果廣泛采用物聯(lián)網(wǎng)技術，可以把電力系統(tǒng)中最佳可觀點的物理量送到最佳可控的控制器去，攻破“不可觀”和“不可控”的約束，就會給電力系統(tǒng)的控制帶來革命。信息采集和信息傳遞得到解決，可望排除監(jiān)測盲點，這樣，電力系同一些重要參數(shù)的隨機性、時變性、不可知性等可望戰(zhàn)勝，使過去只能“靠加大守舊性來換取可靠性”的一系列經(jīng)典困難有可能得到解決。

　　在物聯(lián)網(wǎng)技術興起的今天，曹軍威依據(jù)十多年的科研和實際教訓，指出要想加速物聯(lián)網(wǎng)相干技術的基礎架構化進程，基礎理論與方法的研究火燒眉毛。基礎架構是如斯重要，但迄今為止對于基礎架構的闡述還主要停留在定性描寫的層面或者局限于特定領域，還不對基礎架構通用共有的特征進行定量、科學和系統(tǒng)的深刻研究�；A架構學（Infrastructurology）是對不同基礎架構的通用共有規(guī)律進行深入研究的科學，目的是為當前以物聯(lián)網(wǎng)為代表的新一輪基礎架構化進程提供堅實的理論根據(jù)、切實的方法領導和具體的技術實現(xiàn)。

　　智能電網(wǎng)包含三個檔次：第一層次，實現(xiàn)對電網(wǎng)運行狀態(tài)、資產(chǎn)設備狀況和客戶用電信息的實時、全面和具體監(jiān)督，打消監(jiān)測盲點，進步電網(wǎng)可觀測性；第二層次，提供進步的信息技術手腕，實現(xiàn)對電力企業(yè)信息的傳輸和集成；第三層次，在信息集成的基礎長進行高等分析，實現(xiàn)提高牢靠性、下降本錢、提高收益和效力的目的。實際上這跟物聯(lián)網(wǎng)的基礎構造是不約而同的。物聯(lián)網(wǎng)技術應用于智能電網(wǎng)不是名詞游戲，也不是概念炒作，它是現(xiàn)代電力系統(tǒng)發(fā)展的內(nèi)在需乞降必定趨勢，是現(xiàn)代電力系統(tǒng)的發(fā)展新階段，將引發(fā)一系列新概念、新思路、新平臺、新遠景，為電力系統(tǒng)技術的提高帶來大的變更。

　　看似是不同行業(yè)產(chǎn)業(yè)的前沿問題,清華營銷培訓，實際上從基礎架構化的角度進行詮釋時都是相通的。定量、科學、系統(tǒng)地研究基礎架構主要從時間和空間兩個維度上研究基礎架構共通的演進規(guī)律。這是之前任何單一學科或研究領域所未曾涉及的。曹軍威意識到：一方面基礎架構的構成需要時間，需要不斷成熟的技術作為支撐，同時還受到經(jīng)濟、政治、文明等非技術因素的影響，但從整體上看還是有必定的規(guī)律可以探索，一旦控制了這些規(guī)律，便可以更好地指點和加速新的基礎架構化進程；另一方面，基礎架構的空間分布也是有規(guī)律可循的，最為直觀的是大多數(shù)成熟的基礎架構都采取分層樹狀結構，比如電網(wǎng)就分為輸電、供電、配電等幾個層次，互聯(lián)網(wǎng)上的Domain Name Service也是采用樹狀結構等。當然，基礎架構學本身仍是一門應用基礎科學。相較于系統(tǒng)論或復雜性理論研究都是以普通意思上的系統(tǒng)為研究對象，基礎架構固然也是復雜系統(tǒng)，但還是存在很多本身的特色，需要結合和應用基礎理論，采用不同的研究方法進行深入探索。為了防止在開始階段基礎架構學的研究流于空洞，以特定領域、技術或應用作為切入點和著手點是必經(jīng)之路。

　　面對電力物聯(lián)網(wǎng)所帶來的偉大發(fā)展空間，曹軍威和他的團隊開端勇敢的思考和扎實的探索，并作為子課題負責人，取得國度“973”打算“物聯(lián)網(wǎng)基礎理論和設計辦法研究”項目標贊助，負責實現(xiàn)電力物聯(lián)網(wǎng)仿真驗證平臺，為物聯(lián)網(wǎng)理論和方式研究供給支持環(huán)境。他們發(fā)明，實現(xiàn)電力物聯(lián)網(wǎng)的重要挑釁在于廣域電網(wǎng)是一個龐雜大系統(tǒng)，硬件裝備、廣域網(wǎng)絡和負荷用戶等多方面的因素帶來了很大的隨機性和不斷定性，傳統(tǒng)解決問題的方法已經(jīng)不能從本質上解決廣域電網(wǎng)監(jiān)控的“精”和“準”的問題，須要依附物聯(lián)網(wǎng)新技術保障信息傳遞的保真和忠實，軟件編程的忠誠和可托等。詳細而言，需要研究在線、實時、海量數(shù)據(jù)的采集、傳輸與存儲，變參數(shù)、變束縛、多時光標準下的數(shù)據(jù)分析與決議和變故障情形，以及變履行機構的分層系統(tǒng)節(jié)制技術等。曹軍威和他的團隊深信，把古代信息技術普遍引入到電力系統(tǒng)確切可以解決以前認為無法解決的問題，發(fā)生空前宏大的經(jīng)濟、社會效益。

　　電力系統(tǒng)是傳統(tǒng)基礎架構的典型代表，新一輪基礎架構化進程提出了智能電網(wǎng)的請求，而要實現(xiàn)電力系統(tǒng)發(fā)電和用電的互動，實現(xiàn)廣域電網(wǎng)感知到控制全過程的緊密耦合和深度互聯(lián)，引入物聯(lián)網(wǎng)技術勢在必行。物聯(lián)網(wǎng)是從“數(shù)聯(lián)”向“物聯(lián)”延長的產(chǎn)物，其產(chǎn)業(yè)發(fā)展離不開詳細行業(yè)應用的依靠和支持，實現(xiàn)電力物聯(lián)網(wǎng)是其中主要的發(fā)展方向。曹軍威和他的團隊會沿著這個方向動搖地走下去，探索和嘗試將物聯(lián)網(wǎng)和智能電網(wǎng)有機聯(lián)合，力爭在基礎研究、成果轉化和產(chǎn)業(yè)合作等方面作出新的貢獻。

　　智能電網(wǎng)把現(xiàn)代先進的傳感—通信—網(wǎng)絡—計算—控制技術應用于電力系統(tǒng)以到達最大限度地提高設備效率，提高保險可靠性，節(jié)能減排，提高用戶的供電質量，提高可再生能源的應用效率。目前，我國的GDP總量不到全世界的5%，卻消耗全世界30％以上的鋼鐵、47％的水泥，而且增加趨勢不減。照這樣下去，中國能源是不可能實現(xiàn)可連續(xù)發(fā)展的。智能電網(wǎng)的提出恰是國家能源戰(zhàn)略和平安的需要。

　　曹軍威博士，現(xiàn)任清華大學信息技術研究院研究員、院務委員會副主任，美國麻省理工學院拜訪科學家。長期致力于基礎架構科學、技術與應用研究。從事應用集成、網(wǎng)格計算、海量數(shù)據(jù)分析、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、智能電網(wǎng)等方面的基礎研究、結果轉化和產(chǎn)業(yè)合作，致力于從基礎架構的獨特視角總結其中的個別法則，開發(fā)共性癥結技術，并在教育、制作、電力、石化等行業(yè)獲得廣泛應用。

　　技術的最新挑戰(zhàn)往往最先呈現(xiàn)在重大科學前沿問題的探索過程中，好比Web的發(fā)現(xiàn)源于歐洲核子研究中央CERN。在回國工作之前，曹軍威曾經(jīng)在美國麻省理工學院空間研究核心工作過兩年多，開展愛因斯坦引力波探測和數(shù)據(jù)分析工作。當時，美國提出新一輪的基礎架構化將以信息技術為引擎，主要指基于分布計算機、信息和通信技術的基礎架構，稱為信息基礎架構（Cyberinfrastructure），其對常識經(jīng)濟的重要性可以與傳統(tǒng)基礎架構對產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟的支撐作用相比較。

　　除了在實踐層面開展基礎架構學研究外，曹軍威和他的團隊一直以為智能電網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)的第一應用。在廣域范疇內(nèi)實現(xiàn)從感知到把持全進程的嚴密耦合和深度互聯(lián)，智能電網(wǎng)在物聯(lián)網(wǎng)應用中的代表性是其余運用所無奈替換的。抉擇電力物聯(lián)網(wǎng)應用體系能夠最大水平地驗證和闡明物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，這也是曹軍威和他的團隊目前的工作重點。

　　為了推進基礎架構學發(fā)展，進而在物聯(lián)網(wǎng)技術及其應用方面有所奉獻，曹軍威敏捷組建并發(fā)展起一支由20余人組成的高程度科研團隊。近年來，該團隊失掉國家科技部“973”規(guī)劃、“863”籌劃、教育部品質工程和國家天然科學基金等10余項國家級科研名目的資助。曹軍威發(fā)表文章110余篇，為海內(nèi)外同行援用2200余次，申請專利6項，并入選2008年教導部新世紀優(yōu)良人才支撐方案。

　　“數(shù)聯(lián)”到“物聯(lián)”的逾越

起源：科學時報 2011 *** 03 *** 08

　　當時美國建成了世界上精度最高的激光干預引力波天文臺LIGO，盼望能直接探測和驗證愛因斯坦狹義絕對論所預言的引力波的存在。地理臺實時采集上萬個傳感器的數(shù)據(jù)，采樣頻率最高達每秒16000次，會集成上PB（1000TB）量級的引力波數(shù)據(jù)，需要散布在美國和歐洲十幾個節(jié)點的高機能集群計算機，為多少百名LIGO科學協(xié)作組織成員進行引力波數(shù)據(jù)分析提供服務，這自身就是一個廣域規(guī)模內(nèi)集傳感、通訊、存儲、計算等為一體的復雜系統(tǒng)，是將來信息基礎架構的典范代表。

（孫長安）

　　物聯(lián)網(wǎng)與智能電網(wǎng)

　　物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)運行中波及一組要害過程，包括物理狀態(tài)感知、信息表現(xiàn)、信息傳輸、分析決策和掌握執(zhí)行。物理狀態(tài)感知主要是傳感器網(wǎng)通過有線和無線的網(wǎng)絡傳感數(shù)據(jù)。操作執(zhí)行主要由數(shù)字控制系統(tǒng)負責實現(xiàn)。物聯(lián)網(wǎng)中，傳感器和控制器的分布很廣且數(shù)據(jù)量巨大。從前10年，對物聯(lián)網(wǎng)的研究大局部都集中于感知層的無線網(wǎng)絡技術，然而，如何把各層網(wǎng)絡通信與應用軟件緊密地融會在一起，從而開發(fā)出高性能的物聯(lián)網(wǎng)應用，依然是一個巨大的挑戰(zhàn)。曹軍威和他的研究團隊認為，物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的內(nèi)在動因是新一輪的基礎架構化過程對數(shù)字和物理資源深度互聯(lián)的需求。

　　2006年，曹軍威回國后組織創(chuàng)立了清華大學LIGO工作組。在他的率領下，工作組在引力波迷信研討跟LIGO實時數(shù)據(jù)分析方面的工作一直獲得進展，得到國際同行的認可。2009年9月，清華大學成為首個來自中國的LIGO科學配合組織成員，引力波數(shù)據(jù)剖析成果發(fā)表在Nature等國際期刊上。

　　在數(shù)字世界中，已經(jīng)有一些相似事實世界中基礎架構的勝利例子，比方通過簡短的E *** mail地址就可以實現(xiàn)通信；通過簡略的域名就可以登錄相應的Web主頁。這些實現(xiàn)了數(shù)字世界中的信息共享。而今數(shù)字世界的互聯(lián)發(fā)展進一步提出了與物理系統(tǒng)實時交互的需求，傳統(tǒng)基礎架構要實現(xiàn)深度互聯(lián)也必需以信息技術為引擎，從“數(shù)聯(lián)”到“物聯(lián)”的發(fā)展便成為必然。

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