“未來工業互聯網基礎理論與關鍵技術”重大研究計劃2021年度項目指南

未來工業互聯網是新一代信息通信網絡技術與工業制造深度融合的全新工業生態、關鍵基礎設施和新型應用模式，通過人機物的安全可靠智聯，實現生產全要素、全產業鏈、全價值鏈的全面連接，推動制造業生產方式和企業形態根本性變革，形成全新的工業生產制造和服務體系，顯著提升制造業數字化、網絡化、智能化發展水平。

本重大研究計劃瞄準工業互聯網國家重大戰略需求，圍繞未來工業互聯網的重大核心科學問題，打通未來工業互聯網基礎研究、原始創新的“最先一公里”和科技成果轉化、產業市場化應用的“最后一公里”，為我國工業互聯網發展水平走在國際前列奠定理論和技術基礎。

一、科學目標

瞄準工業互聯網國家重大戰略需求，把握未來工業互聯網發展趨勢，創新工業互聯網全要素互聯的結構化組織機理、生產制造流程的柔性構造機制、產業鏈與價值鏈的網絡化調控原理等基礎理論與方法，突破一批核心關鍵技術，完成三個以上工業制造典型場景的集成示范驗證，形成若干重大基礎性原創成果，培養一批有國際影響力的人才和團隊，推動工業互聯網應用與服務的范式變革，為構建要素互聯結構化、生產制造流程化、工業網絡體系化的產業新生態奠定理論和技術基礎，引領未來工業互聯網的科學發展。

二、核心科學問題

本重大研究計劃針對未來工業互聯網生產要素互聯的時空關系演變及調控規律這一核心問題，圍繞以下三個科學問題展開研究：

(一)全要素互聯的結構化組織機理。

針對未來工業互聯網人機物全要素安全可靠互聯的系統復雜性難題，重點解決如何刻畫未來工業互聯網全要素互聯的聯接關系與結構關系，如何度量其復雜性并構建相互控制關系等問題。重點研究未來工業互聯網按需聯接的本征模型與調控機理、生產要素數據多維表征及結構化組織機理、全要素互聯的系統熵理論。

(二)生產制造流程的柔性構造理論與方法。

面向未來工業互聯網柔性化制造全流程的流暢性與穩定性要求，重點解決如何精準刻畫未來工業互聯網生產鏈制造全流程中的誤差傳播、有效識別生產流程的脆弱性、定量評估生產線重構的收斂性等問題。重點研究未來工業互聯網柔性化制造全流程的容差分析與傳播模型、全流程穩定性構建方法、全流程重構的理論與方法。

(三)產業鏈與價值鏈的網絡化調控原理。

針對未來工業互聯網生產制造的全產業鏈、全價值鏈耦合與復雜調控關系，重點解決如何從效率角度建立網絡化產業鏈模型、從效用角度建立網絡化價值鏈模型，如何實現跨產業鏈與價值鏈聯動的多目標調控優化等問題。重點研究未來工業互聯網生產制造的全產業鏈構建模型、全價值鏈構建模型、跨鏈耦合的網絡化調控原理。

三、2021年度重點資助研究方向

(一)培育項目。

圍繞上述科學問題，以總體科學目標為牽引，2021年度對于探索性強、選題新穎、前期研究基礎較好、產學研用相結合的申請項目，將以培育項目方式予以資助，建議研究內容圍繞以下方向：

1.基于系統熵的工業互聯網拓撲演化機理與相關數學方法

面向未來工業互聯網典型場景，探索工業互聯網的復雜拓撲結構，構建相應的復雜網絡幾何度量模型、信息傳輸模型和網絡演化模型;研究復雜網絡系統的本征譜系、系統熵理論、動力學演化機理，提出可應用于工業互聯網的分析、計算、優化、決策和調控等相關數學方法。

2.面向工業互聯網復雜要素的多源特征融合表征方法與組織推理

面向未來工業互聯網復雜要素精準表征需求，探索多源異構數據資源的統一表征與融合管理機制、多源異構生產要素的低維子空間共享表示方法，研究工業生產多源數據的相關/不相關特征的共學習機制，提出工業要素多源異構低質數據融合管理的理論與方法。

3.多工序復雜耦合定制化生產過程的誤差傳播機理與在線容差分析

針對傳統離線容差分析精度低、難以適應定制化生產等瓶頸問題，探索多工序精密裝配過程中的部件尺寸誤差、裝配誤差、受力變形等多誤差耦合作用與傳播機理，研究多級耦合誤差與產品質量及性能的量化關聯關系;針對產品質量多維度特征，研究多工序解耦的網絡邊緣側在線容差分析方法，提出滿足裝配精度要求的容差動態分配與補償方法。

4.工業互聯網高精度時延抖動控制理論與方法

面向未來工業互聯網中云化控制、工廠互聯等時間敏感應用場景，研究時間敏感網絡的跨層調度、跨域傳輸機制等核心技術，提出時間敏感網絡的端到端傳輸理論模型和相應的高精度時延抖動控制方法，實現微秒級的端到端時延抖動控制。

5.智能制造軟件與協議的安全檢測理論及評估方法

面向全要素互聯系統軟件與協議的安全檢測與評估需求，研究智能制造軟件與協議的安全性智能測試理論、協議安全性分析方法和軟件安全性評估方法，自主有效發現軟件與協議的安全性隱患。

6. 面向工業互聯網數據安全的高精度異常檢測理論與溯源方法

面向工業互聯網敏感數據的高安全需求，研究典型工業場景下數據特征空間的緊致表達與多源融合新理論新方法，探索異常稀疏數據的高階復雜關聯規律，構建低虛警、低漏檢、在線可進化的異常數據檢測架構，提出異常數據全生命周期溯源與網絡拓撲驅動的修復方法。

(二)重點支持項目。

圍繞核心科學問題，以總體科學目標為牽引，2021年對于前期研究成果積累較好、對總體目標在理論和關鍵技術上有較大貢獻、具備產學研用合作基礎的申請項目，將以重點支持項目方式予以資助，重點支持方向如下：

1.面向多場景端到端性能可控的新型工業互聯網體系架構

面向按需可重構智慧工廠中人機料法環等生產全要素互聯需求，針對接入環境復雜、端到端性能可控性差等瓶頸問題，研究面向人機物三元融合、全要素智能互聯的CT、IT與OT深度融合的新型工業互聯網體系架構，突破環境智能感知、生產全要素按需互聯、高可靠端到端數據傳輸、跨層協同與協議設計、端邊協同計算與邊緣輕量化等“感-傳-算”一體化關鍵技術，構建體系架構的數字孿生模型，面向高端裝備制造中的多場景，綜合應用工業機器人、移動AGV等開展有效性驗證，動態大規模網絡端到端延遲小于等于10毫秒，端到端數據傳輸可靠性滿足工業現場控制級要求。

2.工業互聯網邊緣側輕量化可信智能安全系統理論與方法

面向未來工業互聯網數據與應用服務的可信安全需求，探索邊緣側輕量級數據加密系統理論與方法，突破輕量級數據加密與防護、隱私保護的群智協同學習，構建高能效、高安全性的邊緣智能計算體系架構;面向未來工業互聯網網絡安全需求，探索生產線多目標協同輕量化安全調控機理以及基于區塊鏈的隱私保護技術，突破工業邊緣節點的異步可信協商、大規模異構終端身份認證與鑒權等關鍵技術，實現工業互聯網人機物全要素群智安全互聯的新型內生安全網絡體系架構。面向無人大規模智能制造環境的應用，開展存算感知相融合邊緣側可信安全系統及理論方法有效驗證，實現萬級同質邊緣節點容量規模下，單次加密操作能耗降低一個數量級。

3.面向制造模式變革的工業互聯網柔性構造與智能調控

面向多品種變批量特征下的個性化定制、共享制造等需求，針對未來工業互聯網柔性制造全流程協同調控難、系統重構偏差大、產品質量一致性差等瓶頸問題，研究柔性化定制生產過程中分布式資源調控機制、多變量誤差傳播與耦合機理，多尺度特征智能檢測與評估體系、小樣本數據質量預測與優化模型，構建基于生產制造全要素全流程優化的數字孿生協同集成智能調控原型系統，實現動態擾動下系統分布式資源調控、數據驅動的系統建模、質量預測與控制以及全流程重構的多目標優化，結合航空航天、裝備制造、紡織等典型行業開展有效性驗證，顯著提升生產要素優化配置、協同運行效率及產品制造質量。

4.智慧車間復雜傳播環境適變理論與重構機制

面向智慧車間電磁環境的復雜性與現場應用場景的多樣性需求，針對有限空間內無線信號傳播的隨機性與不可控性難題，研究智慧車間復雜傳播環境適變理論、信道精確建模與智能重構方法，建立環境智能感知、資源配置與優化調控模型，支撐智慧車間復雜電磁環境下的信道自構建、自優化、自維護，實現車間內部場景與外部需求變化的智能快速感知與適應，結合典型智慧車間場景，開展理論與方法的有效性驗證，顯著提升無線傳輸資源使用效率。

5.面向工業互聯網的輕量化軟件體系架構

面向工業互聯網資源高效協同和要素柔性重構需求，研究融合端邊云資源的輕量化軟件構建方法，突破跨網絡/跨協議/跨粒度的端側軟件集成、工業互聯業務語義建模、多模態本征模型度量、構件動態組合與數據關聯、工業應用低代碼編程等關鍵技術，構建層次化、輕量化軟件架構體系，為工業互聯網領域軟件工程理論與開源生態奠定基礎，結合協同制造、智能維護等典型場景，開展理論、方法與架構的有效性驗證，顯著提升工業互聯網軟件開發效率。

6.面向智能制造價值鏈的生產自組織協同機理與管理方法

面向新產品生產自組織與價值鏈高效協同管理的需求，研究工業互聯網實現產品快速集成創新與高質量制造的服務新模式、基于業務流程/信息透明度/供應鏈合作關系/產業鏈戰略聯盟的價值鏈綜合集成新方法，發現產品價值鏈中利益相關方短期與長期價值的關聯關系，揭示工業互聯網生態系統價值鏈的協同優化機理，建立新產品業務流程的自動生成模型、面向價值鏈的生產自組織協同決策體系與運行管理機制，結合新產品智能制造場景，開展理論、方法與模型的有效性驗證，顯著提升新產品的研發效率和價值鏈利益相關方的效益。

四、項目遴選的基本原則

為確保實現總體目標，本重大研究計劃要求研究內容必須符合指南要求，把握工業互聯網發展趨勢，結合工業互聯網的實際問題，提煉基礎科學問題開展創新性研究。

(一)要求研究與未來工業互聯網相關的基礎科學問題，即：在申請書中需要明確解釋研究對象的具體應用場景及需求，需要明確研究問題對全要素互聯的結構化組織機理、生產制造流程的柔性構造理論與方法、產業鏈與價值鏈的網絡化調控原理等核心科學問題的貢獻。

(二)在闡述國際發展的最新態勢及該方向在重大研究計劃支持下已經取得的重要進展基礎上，要歸納提煉明確的科學問題。

(三)針對科學問題，研究隊伍要有明確的分工，發揮各自優勢，開展聯合攻關和協作研究，形成有機的研究鏈條，建議積極吸納工業互聯網用戶單位為項目參與單位。

(四)要明確對實現重大研究計劃總體目標和解決核心科學問題的貢獻。

(五)要明確具體應用場景，研究目標中應包含可量化、可考核的指標。

五、2021年度資助計劃

2021年度擬資助培育項目約10項，直接費用的資助強度約為80萬元/項，資助期限為3年，培育申請書中研究期限應填寫“2022年1月1日-2024年12月31日”;擬資助重點支持項目約5項，直接費用的平均資助強度約為260萬元/項，資助期限為3年，申請書中研究期限應填寫“2022年1月1日-2024年12月31日”。

六、申請要求及注意事項

(一)申請條件。

本重大研究計劃項目申請人應當具備以下條件：

1. 具有承擔基礎研究課題的經歷;

2. 具有高級專業技術職務(職稱)。

在站博士后研究人員、正在攻讀研究生學位以及無工作單位或者所在單位不是依托單位的人員不得作為申請人進行申請。

(二)限項申請規定。

執行《2021年度國家自然科學基金項目指南》“申請規定”中限項申請規定的相關要求。

(三)申請注意事項。

申請人和依托單位應當認真閱讀并執行本項目指南、《2021年度國家自然科學基金項目指南》和《關于2021年度國家自然科學基金項目申請與結題等有關事項的通告》中相關要求。

1. 本重大研究計劃項目實行無紙化申請。申請書提交日期為2021年9月6日-9月10日16時。

(1)申請人應當按照科學基金網絡信息系統中重大研究計劃項目的填報說明與撰寫提綱要求在線填寫和提交電子申請書及附件材料。

(2)本重大研究計劃旨在緊密圍繞核心科學問題，將對多學科相關研究進行戰略性的方向引導和優勢整合，成為一個項目集群。申請人應根據本重大研究計劃擬解決的具體科學問題和項目指南公布的擬資助研究方向，自行擬定項目名稱、科學目標、研究內容、技術路線和相應的研究經費等。

(3)申請書中的資助類別選擇“重大研究計劃”，亞類說明選擇“培育項目”和“重點支持項目”，附注說明選擇“未來工業互聯網基礎理論與關鍵技術”，根據申請的具體研究內容選擇相應的申請代碼。

培育項目和重點支持項目的合作研究單位不得超過2個。

(4)申請人在申請書“立項依據與研究內容”部分，應當首先說明申請符合本項目指南中的重點資助研究方向，以及對解決本重大研究計劃核心科學問題、實現本重大研究計劃科學目標的貢獻。

如果申請人已經承擔與本重大研究計劃相關的其他科技計劃項目，應當在申請書正文的“研究基礎與工作條件”部分論述申請項目與其他相關項目的區別與聯系。

2. 依托單位應當按照要求完成依托單位承諾、組織申請以及審核申請材料等工作。在2021年9月10日16時前通過信息系統逐項確認提交本單位電子申請書及附件材料，并于9月11日16時前在線提交本單位項目申請清單。

3. 其他注意事項。

(1)為實現重大研究計劃總體科學目標和多學科集成，獲得資助的項目負責人應當承諾遵守相關數據和資料管理與共享的規定，項目執行過程中應關注與本重大研究計劃其他項目之間的相互支撐關系。

(2)為加強項目的學術交流，促進項目群的形成和多學科交叉與集成，本重大研究計劃將每年舉辦1次資助項目的年度學術交流會，并將不定期地組織相關領域的學術研討會。獲資助項目負責人有義務參加本重大研究計劃指導專家組和管理工作組所組織的上述學術交流活動。

(四)咨詢方式。

國家自然科學基金委員會信息科學部二處

聯系電話：010-62327929, 62327149