[论文解读] A National Research Agenda for Intelligent Infrastructure

Elizabeth D. Mynatt, Jennifer Clark+9 more|arXiv (Cornell University)|May 4, 2017

Software System Performance and Reliability被引用 6

一句话总结

本文提出一项国家研究议程，旨在将美国老化基础设施转型为智能、网络物理系统，以提升安全性、韧性、效率及经济增长。通过整合先进计算、传感和数据分析技术，该议程呼吁对基础设施进行前瞻性重构——而不仅仅是修复——以支持21世纪经济与全球领导地位。

ABSTRACT

Our infrastructure touches the day-to-day life of each of our fellow citizens, and its capabilities, integrity and sustainability are crucial to the overall competitiveness and prosperity of our country. Unfortunately, the current state of U.S. infrastructure is not good: the American Society of Civil Engineers' latest report on America's infrastructure ranked it at a D+ -- in need of $3.9 trillion in new investments. This dire situation constrains the growth of our economy, threatens our quality of life, and puts our global leadership at risk. The ASCE report called out three actions that need to be taken to address our infrastructure problem: 1) investment and planning in the system; 2) bold leadership by elected officials at the local and federal state; and 3) planning sustainability and resiliency in our infrastructure. While our immediate infrastructure needs are critical, it would be shortsighted to simply replicate more of what we have today. By doing so, we miss the opportunity to create Intelligent Infrastructure that will provide the foundation for increased safety and resilience, improved efficiencies and civic services, and broader economic opportunities and job growth. Indeed, our challenge is to proactively engage the declining, incumbent national infrastructure system and not merely repair it, but to enhance it; to create an internationally competitive cyber-physical system that provides an immediate opportunity for better services for citizens and that acts as a platform for a 21st century, high-tech economy and beyond.

研究动机与目标

• 应对美国基础设施目前由美国土木工程师学会评为 D+ 的严峻状况，需投入 3.9 万亿美元资金。
• 超越渐进式维修，重新构想基础设施作为智能、自适应系统，整合计算与物理网络。
• 通过网络物理基础设施的战略性研究与创新，促进可持续性、韧性及长期经济竞争力。
• 通过促进跨学科研究与国家协调，使美国在智能基础设施领域成为全球领导者。
• 通过下一代基础设施系统，为改善公共服务、促进就业增长与技术进步奠定基础。

提出的方法

• 通过计算、土木工程与公共政策专家的合作，制定国家研究议程。
• 识别利用网络物理系统现代化基础设施所面临的关键技术与社会挑战。
• 通过集成传感、数据分析与实时控制，实现自适应、响应式基础设施网络。
• 优先研究智能基础设施系统的可扩展性、安全性、隐私保护与互操作性。
• 建立政府、学术界与产业界之间的跨领域合作，使研究与国家需求保持一致。
• 将基础设施视为创新平台，而非仅限于维护，以推动未来技术与经济发展。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计网络物理系统，以增强国家基础设施的安全性、韧性与可持续性？
• RQ2 为将现有基础设施转变为智能、自适应系统（而非仅修复），需要哪些研究优先事项？
• RQ3 计算与土木基础设施领域之间的跨学科协作，如何加速基础设施系统的创新？
• RQ4 为确保智能基础设施的可扩展性、安全性与公众信任，需要哪些技术和政策框架？
• RQ5 智能基础设施在21世纪如何作为经济增长与技术领导力的平台？

主要发现

• 美国基础设施当前由美国土木工程师学会评为 D+，表明急需投入 3.9 万亿美元资金。
• 仅修复现有基础设施已不足；必须前瞻性地将其转型为智能、网络物理系统，以保障长期国家竞争力。
• 智能基础设施可通过实时数据与自适应控制机制，显著提升公共服务、安全与运行效率。
• 该研究议程强调可持续性、韧性与创新作为未来基础设施发展的核心支柱。
• 协调一致的国家研究努力至关重要，以确保技术革新与社会需求相匹配，并使美国在智能基础设施领域成为领导者。
• 该议程作为计算社区委员会的基础白皮书，旨在指导未来的研究与政策投资。