博士，现任清华大学信息技术研究院研究员、院务委员会副主任，美国麻省理工学院访问科学家。长期致力于基础架构科学、技术与应用研究。从事应用集成、网格计算、海量数据分析、云计算、物联网、智能电网等方面的基础研究、成果转化和产业合作，致力于从基础架构的独特视角总结其中的一般规律，开发共性关键技术，并在教育、制造、电力、石化等行业获得广泛应用。

 

物联网被认为是继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮，它集传感、通信、网络、计算、控制技术为一体，应用领域遍及国民经济和社会服务的各个方面，如智能电网、智能交通、现代物流、数字医疗、节能环保、精准农业等，成为我国未来发展的战略新兴产业。

 

计算机实现了信息和资源的数字化，互联网使得信息的传递和共享成为可能，那么物联网发展的内在动因是什么呢？清华大学信息技术研究院研究员曹军威和他的团队一直致力于从基础架构（Infrastructure）的独特视角开展物联网技术与应用研究，并指出物联网兴起的内在动因是21世纪新一轮基础架构化对资源深度互联的需求。

 

技术的最新挑战往往最先出现在重大科学前沿问题的探索过程中，比如Web的发明源于欧洲核子研究中心CERN。在回国工作之前，曹军威曾经在美国麻省理工学院空间研究中心工作过两年多，开展爱因斯坦引力波探测和数据分析工作。当时，美国提出新一轮的基础架构化将以信息技术为引擎，主要指基于分布计算机、信息和通信技术的基础架构，称为信息基础架构（Cyberinfrastructure）,其对于知识经济的重要性可以与传统基础架构对工业经济的支撑作用相比拟。

 

当时美国建成了世界上精度最高的激光干涉引力波天文台LIGO，希望能直接探测和验证爱因斯坦广义相对论所预言的引力波的存在。天文台实时采集上万个传感器的数据，采样频率最高达每秒16000次，汇集成上PB（1000TB）量级的引力波数据，需要分布在美国和欧洲十几个节点的高性能集群计算机，为几百名LIGO科学合作组织成员进行引力波数据分析提供服务，这本身就是一个广域范围内集传感、通信、存储、计算等为一体的复杂系统，是未来信息基础架构的典型代表。

 

2006年，曹军威回国后组织创建了清华大学LIGO工作组。在他的带领下，工作组在引力波科学研究和LIGO实时数据分析方面的工作不断取得进展，得到国际同行的认可。2009年9月，清华大学成为首个来自中国的LIGO科学合作组织成员，引力波数据分析结果发表在Nature等国际期刊上。

 

在数字世界中，已经有一些类似现实世界中基础架构的成功例子，比如通过简短的E-mail地址就可以实现通信；通过简单的域名就可以登录相应的Web主页。这些实现了数字世界中的信息共享。而今数字世界的互联发展进一步提出了与物理系统实时交互的需求，传统基础架构要实现深度互联也必须以信息技术为引擎，从“数联”到“物联”的发展便成为必然。

 

物联网系统运行中涉及一组关键过程，包括物理状态感知、信息表示、信息传输、分析决策和控制执行。物理状态感知主要是传感器网通过有线和无线的网络传感数据。操作执行主要由数字控制系统负责完成。物联网中，传感器和控制器的分布很广且数据量巨大。过去10年，对物联网的研究大部分都集中于感知层的无线网络技术，但是，如何把各层网络通信与应用软件紧密地融合在一起，从而开发出高性能的物联网应用，仍然是一个巨大的挑战。曹军威和他的研究团队认为，物联网发展的内在动因是新一轮的基础架构化进程对数字和物理资源深度互联的需求。

 

 

在物联网技术兴起的今天，曹军威根据十多年的科研和实践经验，指出要想加速物联网相关技术的基础架构化进程，基础理论与方法的研究迫在眉睫。基础架构是如此重要，但迄今为止对于基础架构的论述还主要停留在定性描述的层面或者局限于特定领域，还没有对基础架构通用共有的特性进行定量、科学和系统的深入研究。基础架构学（Infrastructurology）是对不同基础架构的通用共有规律进行深入研究的科学，目的是为当前以物联网为代表的新一轮基础架构化进程提供坚实的理论依据、切实的方法指导和具体的技术实现。

 

看似是不同行业产业的前沿问题，实际上从基础架构化的角度进行诠释时都是相通的。定量、科学、系统地研究基础架构主要从时间和空间两个维度上研究基础架构共通的演进规律。这是之前任何单一学科或研究领域所未曾涉及的。曹军威认识到：一方面基础架构的形成需要时间，需要不断成熟的技术作为支撑，同时还受到经济、政治、文化等非技术因素的影响，但从整体上看还是有一定的规律可以探索，一旦掌握了这些规律，便可以更好地指导和加速新的基础架构化进程；另一方面，基础架构的空间分布也是有规律可循的，最为直观的是大多数成熟的基础架构都采用分层树状结构，比如电网就分为输电、供电、配电等几个层次，互联网上的Domain Name Service也是采用树状结构等。当然，基础架构学本身还是一门应用基础科学。相较于系统论或复杂性理论研究都是以一般意义上的系统为研究对象，基础架构虽然也是复杂系统，但还是具有许多自身的特点，需要结合和运用基础理论，采用不同的研究方法进行深入探索。为了避免在开始阶段基础架构学的研究流于空泛，以特定领域、技术或应用作为切入点和着手点是必经之路。

 

为了推动基础架构学发展，进而在物联网技术及其应用方面有所贡献，曹军威迅速组建并发展起一支由20余人组成的高水平科研团队。近年来，该团队获得国家科技部“973”计划、“863”计划、教育部质量工程和国家自然科学基金等10余项国家级科研项目的资助。曹军威发表文章110余篇，为国内外同行引用2200余次，申请专利6项，并入选2008年教育部新世纪优秀人才支持计划。

 

除了在理论层面开展基础架构学研究外，曹军威和他的团队一直认为智能电网是物联网的第一应用。在广域范围内实现从感知到控制全过程的紧密耦合和深度互联，智能电网在物联网应用中的代表性是其他应用所无法替代的。选择电力物联网应用系统可以最大程度地验证和说明物联网技术的发展，这也是曹军威和他的团队目前的工作重点。

 

智能电网把现代先进的传感—通信—网络—计算—控制技术应用于电力系统以达到最大限度地提高设备效率，提高安全可靠性，节能减排，提高用户的供电质量，提高可再生能源的利用效率。目前，我国的GDP总量不到全世界的5%，却耗费全世界30％以上的钢铁、47％的水泥，而且增长趋势不减。照这样下去，中国能源是不可能实现可持续发展的。智能电网的提出正是国家能源战略和安全的需要。

 

智能电网包括三个层次：第一层次，实现对电网运行状态、资产设备状态和客户用电信息的实时、全面和详细监视，消除监测盲点，提高电网可观测性；第二层次，提供先进的信息技术手段，实现对电力企业信息的传输和集成；第三层次，在信息集成的基础上进行高级分析，实现提高可靠性、降低成本、提高收益和效率的目标。实际上这跟物联网的基本结构是不谋而合的。物联网技术应用于智能电网不是名词游戏，也不是概念炒作，它是现代电力系统发展的内在需求和必然趋势，是现代电力系统的发展新阶段，将引发一系列新概念、新思路、新平台、新前景，为电力系统技术的进步带来大的变革。

 

电能是即时平衡的，过去电网靠“以不变应万变”来达到动态平衡，于是大量冗余造成浪费，现在充分发挥物联网的监控作用，有可能靠与负荷互动来削“峰”填“谷”和减少热备用，如果可行将引起从设计到运行的巨大变革。如果基于物联网技术，使得测量和通讯问题（指令下行仅数十毫秒）得到解决，通过控制达到瞬间平衡，那么迄今靠“试探”来达到新平衡的各种稳定措施，如暂态稳定、频率稳定、低频/低压减载控制等都应该重新考虑。过去由于信息传递的困难，众多研究者都力求选用测量本地量作为反馈来达到最好的控制效果，如果广泛采用物联网技术，可以把电力系统中最佳可观点的物理量送到最佳可控的控制器去，打破“不可观”和“不可控”的约束，就会给电力系统的控制带来革命。信息采集和信息传递得到解决，可望消除监测盲点，这样，电力系统一些重要参数的随机性、时变性、不可知性等可望克服，使过去只能“靠加大保守性来换取可靠性”的一系列经典难题有可能得到解决。

 

面对电力物联网所带来的巨大发展空间，曹军威和他的团队开始大胆的思考和扎实的探索，并作为子课题负责人，获得国家“973”计划“物联网基础理论和设计方法研究”项目的资助，负责实现电力物联网仿真验证平台，为物联网理论和方法研究提供支撑环境。他们发现，实现电力物联网的主要挑战在于广域电网是一个复杂大系统，硬件设备、广域网络和负荷用户等多方面的因素带来了很大的随机性和不确定性，传统解决问题的方法已经不能从实质上解决广域电网监控的“精”和“准”的问题，需要依赖物联网新技术保证信息传递的保真和忠实，软件编程的忠实和可信等。具体而言，需要研究在线、实时、海量数据的采集、传输与存储，变参数、变约束、多时间尺度下的数据分析与决策和变故障情况，以及变执行机构的分层系统控制技术等。曹军威和他的团队坚信，把现代信息技术广泛引入到电力系统确实可以解决以前认为无法解决的问题，产生空前巨大的经济、社会效益。

 

电力系统是传统基础架构的典型代表，新一轮基础架构化进程提出了智能电网的要求，而要实现电力系统发电和用电的互动，实现广域电网感知到控制全过程的紧密耦合和深度互联，引入物联网技术势在必行。物联网是从“数联”向“物联”延伸的产物，其产业发展离不开具体行业应用的依托和支持，实现电力物联网是其中重要的发展方向。曹军威和他的团队会沿着这个方向坚定地走下去，探索和尝试将物联网和智能电网有机结合，力争在基础研究、成果转化和产业合作等方面作出新的贡献。

 

《科学时报》 (2011-3-8 A8 人物)