[ 導讀 ] 曹軍威博士，現任清華大學信息技術研究院研究員、院務委員會副主任，美國麻省理工學院訪問科學家。長期致力于基礎架構科學、技術與應用研究。從事應用集成、網格計算、海量數據分析、云計算、物聯網、智能電網等方面的基礎研究、成果轉化和產業合作，致力于從基礎架構的

　　曹軍威博士，現任清華大學信息技術研究院研究員、院務委員會副主任，美國麻省理工學院訪問科學家。長期致力于基礎架構科學、技術與應用研究。從事應用集成、網格計算、海量數據分析、云計算、物聯網、智能電網等方面的基礎研究、成果轉化和產業合作，致力于從基礎架構的獨特視角總結其中的一般規律，開發共性關鍵技術，并在教育、制造、電力、石化等行業獲得廣泛應用。

　　物聯網被認為是繼計算機、互聯網之后，世界信息產業的第三次浪潮，它集傳感、通信、網絡、計算、控制技術為一體，應用領域遍及國民經濟和社會服務的各個方面，如智能電網、智能交通、現代物流、數字醫療、節能環保、精準農業等，成為我國未來發展的戰略新興產業。

　　計算機實現了信息和資源的數字化，互聯網使得信息的傳遞和共享成為可能，那么物聯網發展的內在動因是什么呢？清華大學信息技術研究院研究員曹軍威和他的團隊一直致力于從基礎架構（Infrastructure）的獨特視角開展物聯網技術與應用研究，并指出物聯網興起的內在動因是21世紀新一輪基礎架構化對資源深度互聯的需求。

　　“數聯”到“物聯”的跨越

　　技術的最新挑戰往往最先出現在重大科學前沿問題的探索過程中，比如Web的發明源于歐洲核子研究中心CERN。在回國工作之前，曹軍威曾經在美國麻省理工學院空間研究中心工作過兩年多，開展愛因斯坦引力波探測和數據分析工作。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）,其對于知識經濟的重要性可以與傳統基礎架構對工業經濟的支撐作用相比擬。

　　當時美國建成了世界上精度最高的激光干涉引力波天文臺LIGO，希望能直接探測和驗證愛因斯坦廣義相對論所預言的引力波的存在。天文臺實時采集上萬個傳感器的數據，采樣頻率最高達每秒16000次，匯集成上PB（1000TB）量級的引力波數據，需要分布在美國和歐洲十幾個節點的高性能集群計算機，為幾百名LIGO科學合作組織成員進行引力波數據分析提供服務，這本身就是一個廣域范圍內集傳感、通信、存儲、計算等為一體的復雜系統，是未來信息基礎架構的典型代表。
 
    2006年，曹軍威回國后組織創建了清華大學LIGO工作組。在他的帶領下，工作組在引力波科學研究和LIGO實時數據分析方面的工作不斷取得進展，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科學合作組織成員，[FS:PAGE]引力波數據分析結果發表在Nature等國際期刊上。

　　在數字世界中，已經有一些類似現實世界中基礎架構的成功例子，比如通過簡短的E-mail地址就可以實現通信；通過簡單的域名就可以登錄相應的Web主頁。這些實現了數字世界中的信息共享。而今數字世界的互聯發展進一步提出了與物理系統實時交互的需求，傳統基礎架構要實現深度互聯也必須以信息技術為引擎，從“數聯”到“物聯”的發展便成為必然。

　　物聯網系統運行中涉及一組關鍵過程，包括物理狀態感知、信息表示、信息傳輸、分析決策和控制執行。物理狀態感知主要是傳感器網通過有線和無線的網絡傳感數據。操作執行主要由數字控制系統負責完成。物聯網中，傳感器和控制器的分布很廣且數據量巨大。過去10年，對物聯網的研究大部分都集中于感知層的無線網絡技術，但是，如何把各層網絡通信與應用軟件緊密地融合在一起，從而開發出高性能的物聯網應用，仍然是一個巨大的挑戰。曹軍威和他的研究團隊認為，物聯網發展的內在動因是新一輪的基礎架構化進程對數字和物理資源深度互聯的需求。

　　深化基礎架構研究

　　在物聯網技術興起的今天，曹軍威根據十多年的科研和實踐經驗，指出要想加速物聯網相關技術的基礎架構化進程，基礎理論與方法的研究迫在眉睫。基礎架構是如此重要，但迄今為止對于基礎架構的論述還主要停留在定性描述的層面或者局限于特定領域，還沒有對基礎架構通用共有的特性進行定量、科學和系統的深入研究。基礎架構學（Infrastructurology）是對不同基礎架構的通用共有規律進行深入研究的科學，目的是為當前以物聯網為代表的新一輪基礎架構化進程提供堅實的理論依據、切實的方法指導和具體的技術實現。

　　看似是不同行業產業的前沿問題，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。曹軍威認識到：一方面基礎架構的形成需要時間，需要不斷成熟的技術作為支撐，同時還受到經濟、政治、文化等非技術因素的影響，但從整體上看還是有一定的規律可以探索，一旦掌握了這些規律，便可以更好地指導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律可循的，最為直觀的是大多數成熟的基礎架構都采用分層樹狀結構，比如電網就分為輸電、供電、配電等幾個層次，互聯網上的Domain Name Service也是采用樹狀結構等。當然，基礎架構[FS:PAGE]學本身還是一門應用基礎科學。相較于系統論或復雜性理論研究都是以一般意義上的系統為研究對象，基礎架構雖然也是復雜系統，但還是具有許多自身的特點，需要結合和運用基礎理論，采用不同的研究方法進行深入探索。為了避免在開始階段基礎架構學的研究流于空泛，以特定領域、技術或應用作為切入點和著手點是必經之路。

　　為了推動基礎架構學發展，進而在物聯網技術及其應用方面有所貢獻，曹軍威迅速組建并發展起一支由20余人組成的高水平科研團隊。近年來，該團隊獲得國家科技部“973”計劃、“863”計劃、教育部質量工程和國家自然科學基金等10余項國家級科研項目的資助。曹軍威發表文章110余篇，為國內外同行引用2200余次，申請專利6項，并入選2008年教育部新世紀優秀人才支持計劃。

    物聯網與智能電網

　　除了在理論層面開展基礎架構學研究外，曹軍威和他的團隊一直認為智能電網是物聯網的第一應用。在廣域范圍內實現從感知到控制全過程的緊密耦合和深度互聯，智能電網在物聯網應用中的代表性是其他應用所無法替代的。選擇電力物聯網應用系統可以最大程度地驗證和說明物聯網技術的發展，這也是曹軍威和他的團隊目前的工作重點。

　　智能電網把現代先進的傳感—通信—網絡—計算—控制技術應用于電力系統以達到最大限度地提高設備效率，提高安全可靠性，節能減排，提高用戶的供電質量，提高可再生能源的利用效率。目前，我國的GDP總量不到全世界的5%，卻耗費全世界30％以上的鋼鐵、47％的水泥，而且增長趨勢不減。照這樣下去，中國能源是不可能實現可持續發展的。智能電網的提出正是國家能源戰略和安全的需要。

　　智能電網包括三個層次：第一層次，實現對電網運行狀態、資產設備狀態和客戶用電信息的實時、全面和詳細監視，消除監測盲點，提高電網可觀測性；第二層次，提供先進的信息技術手段，實現對電力企業信息的傳輸和集成；第三層次，在信息集成的基礎上進行高級分析，實現提高可靠性、降低成本、提高收益和效率的目標。實際上這跟物聯網的基本結構是不謀而合的。物聯網技術應用于智能電網不是名詞游戲，也不是概念炒作，它是現代電力系統發展的內在需求和必然趨勢，是現代電力系統的發展新階段，將引發一系列新概念、新思路、新平臺、新前景，為電力系統技術的進步帶來大的變革。

　　電能是即時平衡的，過去電網靠“以不變應萬變”來達到動態平衡，于是大量冗余造成浪費，現在充分發揮物聯網的監控作用，有可能靠與負荷互動來削“峰”填“谷”和減少熱備用，如果可行將引起從設計到運行的巨大變革。如果基于物聯網技術，使得測量和通訊問題（指令下行僅數十毫秒）得到解決，通過控制達到瞬間平衡，那么迄今靠“試探”來達到新平衡的各種穩定措施，如暫態穩定、頻率穩定、低頻/低壓減載控制等都應該重新考慮。過去由于信息傳遞的困難，眾多研究者都力求選用測量本地量作為反饋來達到最好的控制效果，如果廣泛采用物聯網技術，可以把電力系統中最佳可觀點的物理量送到最佳可控的控制器去，打破“不可觀”和“不可控”的約束，就會給電力系統的控制帶來革命。信息采集和信息傳遞得到解決，可望消除監測盲點，這樣，電力系統一些重要參數的隨機性、時變性、不可知性等可望克服，使過去只能“靠加大保守性來換取可靠性”的一系列經典難題有可能得到解決。
　面對電力物聯網所帶來的巨大發展空間，曹軍威和他的團隊開始大膽的思考和扎實的探索，并作為子課題負責人，獲得國家“973”計劃“物聯網基礎理論和設計方法研究”項目的資助，負責實現電力物聯網仿真驗證平臺，為物聯網理論和方法研究提供支撐環境。他們發現，實現電力物聯網的主要挑戰在于廣域電網是一個復雜大系統，硬件設備、廣域網絡和負荷用戶等多方面的因素帶來了很大的隨機性和不確定性，傳統解決問題的方法已經不能從實質上解決廣域電網監控的“精”和“準”的問題，需要依賴物聯網新技術保證信息傳遞的保真和忠實，軟件編程的忠實和可信等。具體而言，需要研究在線、實時、海量數據的采集、傳輸與存儲，變參數、變約束、多時間尺度下的數據分析與決策和變故障情況，以及變執行機構的分層系統控制技術等。曹軍威和他的團隊堅信，把現代信息技術廣泛引入到電力系統確實可以解決以前認為無法解決的問題，產生空前巨大的經濟、社會效益。

 　　電力系統是傳統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的要求，而要實現電力系統發電和用電的互動，實現廣域電網感知到控制全過程的緊密耦合和深度互聯，引入物聯網技術勢在必行。物聯網是從“數聯”向“物聯”延伸的產物，其產業發展離不開具體行業應用的依托和支持，實現電力物聯網是其中重要的發展方向。曹軍威和他的團隊會沿著這個方向堅定地走下去，探索和嘗試將物聯網和智能電網有機結合，力爭在基礎研究、成果轉化和產業合作等方面作出新的貢獻。

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