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成秀珍:高置信智慧城市服务挑战

报告导读

本文报告首先介绍了当前国内外智慧城市的发展现状与趋势,之后为我们阐述了高置信系统的特性以及对于智慧城市建设的重要意义。最后她分析了三个核心技术——物联网、区块链和人工智能对高置信系统建设和智慧城市建设的意义以及将遇到挑战。

专家介绍

成秀珍,山东大学教授、博士生导师、计算机学院院长,曲阜师范大学海外泰山学者特聘专家,美国乔治华盛顿大学计算机系终身正教授,IEEE Fellow。在无线网络算法设计与无线网络安全等领域均取得了一系列开拓性研究成果,已发表高水平论文、专著200余篇(部),包括SCI期刊论文100余篇。主要从事无线网络与通信、隐私保护、分布式算法等的研究。

报告内容

我主要与大家分享一下高置信智慧城市服务挑战。美国在2005年提出国家信息基础设施和全球信息基础设施计划,本质是建立以智慧城市为主体的信息高速公路,欧盟在2010年出台《欧洲2020年战略》,2011年欧盟能源委员会公布欧盟新智慧城市与社区行动,2012年欧盟委员会启动了智慧城市其社区欧洲创新伙伴行动。日本2011年后将智慧城市建设目标主要集中在实现节能能源的3E标准和低碳可持续以应对能源、地震灾害等重大挑战。国外企业在高校在智慧城市方面也做了很多的重要贡献。澳大利亚的墨尔本大学主要是基于物联网提出三种智慧城市信物融合构建框架,以网络为中心、以数据为中心和云为中心的框架,英国的布里斯托市推出一个“Bristol Is Open”项目,联合布里斯托尔大学和行业伙伴建立一些信息平台。

中国从2013年开始,国家住建部和各地市不断增加智慧城市试点城市,但不同城市关注的侧重点是不一样的。上海市从生活、经济、政务角度出发,要实现泛在化、融合化的智慧城市。杭州是因为有阿里的城市大脑,主要考虑人工智能对智慧城市的影响。深圳是建立发展公共服务,达到绿色健康的智慧城市。北京朝阳区是建设智慧朝阳服务。

技术上是阿里的城市大脑,华为的神经系统,还有各个学校成立的人工智能研究院。国内真的是如火如荼,国外就没有听说过。国外大学都在开机器学习的课程,但也没有听说哪个学校有人工智能专业,也没有听说有多少人工智能研究院,一般都是企业领头。我觉得这个角度来说,国外比我们是远远落后,但是他们的技术就是比我国领先。

我认为高置信系统对实现智慧城市有重要意义。什么是高置信系统内?比如2019年波音737因为飞控系统发现问题被停飞,它声称是飞行控制软件有问题,目前正在开发一款控制软件的加强版。另外一个例子是2016年,Ariane 5号火箭系统运行逻辑出错,发送了错误的控制信息,导致火箭爆炸了。2006年几个大公司近50亿个帐号遭遇数据窃取,我在半个小时之内就被划掉了1万美元。我认为高置信的系统核心特性就是安全可靠。

高置信的系统有几个延伸特性,一个是自适应,需要适应环境,在环境变了之后,不能还需要人盯着它,需要系统自适应。比如飞机场的鸟控系统,要靠声音驱鸟,但是运行一阵之后鸟就适应了,这套系统就失效了,这就是不具备高置信特性。还有自进化,可以通过机器学习算法,利用大数据学习来改善这个系统,让系统可以自我进化,不能实时都依靠人驱动。可溯源就是从安全可靠的角度来看,事故发生了之后,如何去发现错误,是一个安全可靠的核心的特性的延伸特性。

我认为智慧城市服务需要这样的高置信系统。智慧城市规模很大,具有异构性的功能复杂性,而且非常贴近国家和社会安全。智慧城市比一般的物联网应用更庞大和复杂,耦合漏洞非常多。一些测试很完备的软件系统合在一起,之间的耦合与协作就容易出现不同步的问题。这就是一些安全漏洞,都可以被挖掘,所以出错率更高。但是因为系统的容错率是比较低的,我们认为智慧城市更需要高置信特性。

近年来智慧城市项目也多次受到攻击。2018年IBM发现法国、阿根廷等4个智慧城市的17个零日漏洞,而根据零日漏洞来设计的攻击是没有防范的。现行的智慧城市系统非常复杂,漏洞也是非常多,安防能力比较差,安全程度难以保证。2017.3月,美国达拉斯市航空警报被攻破,播报错误警报。2019年美国ABI的报告显示,因为缺少高级密码工具和加密方法,使得安全管控机制和对DDoS攻击缺乏防护,这是智慧城市安防的主要弱点。

智慧城市也有部分成功案例。虽然真正满足高置信特性的系统目前还不存在,但是有一些系统已经满足了部分高置信特征。一个例子就是通用电气的智能电表,满足了美国的两个安全标准,满足了可溯源、安全可靠的特性。还有形式化验证漏洞挖掘方法和无漏洞软件,通过操作系统形式化证明,可以保证系统的准确可靠,实现无漏洞OS。这两个例子满足的是安全可靠特性,而且已经获得业界认可的,但是目前还没有完整的形成体系的高置信系统。

从智慧城市的角度,高置信智慧城市需要物联网技术、区块链技术和人工智能技术三者交叉融合。物联网技术是高置信智慧城市的关键构成部分,在物联网的各个逻辑层都应该实现高置信的全部特征。在访问安全控制等方面来考虑,网络层就是大规模的数据传输问题和网络安全问题,在应用层牵扯到的问题更多,最典型的就是现在人工智能的一些应用都是在应用层实现的,而对人工智能模型的攻击造成的结果后果是很严重的。高置信物联网的目的就是统一化的设计方法和传输接口,从传输、产生、到应用都需要高置信的,固件升级应该及时高效,系统运行全周期的安全性都要考虑到。

区块链技术也是设计实现高置信智慧城市的关键技术,这是由区块链对人类的三大贡献决定的。一是去中心化信任,也就是区块链1.0和2.0,无需主观信用担保,在市场很受欢迎。二是保护过程,区块链不是用来保护数据的,因为密码学的知识足够来保护数据了,保护的是数字资产或者是数据的迁移过程,这利用了区块链技术是可以溯源的。第三就是价值只能转移不能凭空创造,而其他任何技术都不能实现。区块链技术可以帮助高置信智慧城市的一些服务场景实现高置信的可信环境。

高置信智慧城市的最底层是高置信的物联网系统。我们通过这个系统能够拿到可信的数据,人工智能的算法也需要是高置信的和非常精确的,这样能够保证结果的准确性,反馈到物联网中才可以保证逻辑是完全可靠的。人工智能技术从上层能够让智慧城市系统具有自净化、自适应等特性。

要实现高置信智慧城市,需要三大技术的有机融合:人工智能技术、物联网技术和区块链技术。但是现在区块链的热度没有那么高了,其实可以换成可信计算技术。高置信智慧城市服务对物联网提出了实现网络结构最优化的问题、多级网络沟通扩展问题、物联网异构多远数据高校处理问题等等。对大数据与机器学习的挑战,包括有害数据的分析方法效率低代价高,传统的机器学习方法非常敏感,多元数据学习效率低难以保证,机器学习容易形成局部自由问题,分布式机器学习的挑战等等。对区块链技术的挑战,最关键的就是可信环境从链上延伸到链下的问题,还有运行效率和可靠性平衡问题,传统区块链技术应用到轻量及设备的问题。这些都是实现大规模智慧城市必须要解决的关键问题。

在未来要实现这个高置信智慧城市,就要形成统一化的参考架构,需要统一化的参考架构、设计方法和指标体系,需要全生命周期的平台与自主的相关生态发展,还有高置信的智慧城市服务的全覆盖问题。

本文分享自微信公众号 - 人工智能前沿讲习(AIFrontier),作者:成秀珍

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原始发表时间:2020-01-17

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