牛津大學e-Research創(chuàng)新科研案例分析

文/陳文波 張洋

隨著多學科研究面臨的問題日益復雜，2000年11月英國研究委員會創(chuàng)建了e-Science項目，主要通過網(wǎng)絡技術(shù)和高性能計算環(huán)境（GRID）建立一種全新的科學研究模式。該項目獲得了巨大的成功，不僅為英國的基礎(chǔ)科學和工業(yè)提供了先進的信息化基礎(chǔ)設(shè)施，而且通過該項目引領(lǐng)世界知識經(jīng)濟的發(fā)展。項目在英國多個地區(qū)建立了e-Science中心，牛津大學也在其中。在該中心五年的支持結(jié)束之際，牛津大學為了讓中心成為一個持續(xù)性的機構(gòu)，決定將該中心設(shè)在牛津大學數(shù)學、物理和生命學部，并成為一個獨立的實體更名為e-Research中心。e-Research能更好地反映中心將創(chuàng)新技術(shù)應用于各種學科研究的雄心，而不僅僅是在科學領(lǐng)域。e-Research利用信息技術(shù)來支持現(xiàn)有的和新的跨學科研究，并將e-Science和Cyberinfrastructure的概念擴展到其他學科，如人文和社會科學。

牛津大學e-Research中心結(jié)構(gòu)

牛津大學e-Research中心建立于2006年，目前有超過50個工作人員,其中包括40名研究者。它是一個多學科的應用研究中心，主要開發(fā)和應用創(chuàng)新的計算和信息技術(shù)到學術(shù)研究和工業(yè)應用中。該中心作為牛津大學連接國際和國內(nèi)大學的跨學科合作中心，利用在計算機領(lǐng)域的專業(yè)優(yōu)勢來為其他學科提供不同的解決方案，這些方案能夠讓他們的工作跨越傳統(tǒng)的學術(shù)邊界。中心將學科、應用和計算三者連接起來加速學科研究，在科學、社會科學、人文科學、技術(shù)和信息基礎(chǔ)設(shè)施開發(fā)等領(lǐng)域進行研究項目的組合，并為合作研究連續(xù)的創(chuàng)新提供一個世界領(lǐng)先的科研環(huán)境。它的目標不僅是通過新的研究方法（e-Research）來支持和幫助研究人員，而且還協(xié)助牛津大學其他部門參與并能夠贏得跨學科的項目，而這些項目本來是不可能做到的。中心擁有可視化、高性能計算基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)管理、網(wǎng)絡安全、云計算、數(shù)字社會研究、數(shù)字人文等多個領(lǐng)域技術(shù)專家。

牛津大學分為四個學部：人文學部(Humanities)、社會科學部(Social Sciences)、數(shù)學物理和生命科學學部(Mathematical,Physical and Life Sciences)、醫(yī)學科學學部(Medical Sciences)，學部下設(shè)獨立的中心和研究所等。牛津大學e-Research中心和四個學部的研究單位進行合作，跨越了科學、社會科學、人文、藝術(shù)、能源環(huán)境、生物和醫(yī)學領(lǐng)域，并和這些學科建立了廣泛的伙伴關(guān)系，使用創(chuàng)新的計算和信息技術(shù)來幫助解決規(guī)模和復雜都在日益增加的多學科問題，同時建立合適的網(wǎng)絡信息基礎(chǔ)設(shè)施來支持這些研究。中心的研究依賴于跨學科，將一個學科的數(shù)字方法應用到另外一個學科，每個區(qū)域以不同的方式和其他區(qū)域相互交叉（如圖1所示）。

如今網(wǎng)絡空間和物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)滲透到我們生活的方方面面，大量的網(wǎng)絡、傳感器、社交媒體不斷生成海量的數(shù)據(jù)，研究個人和集體的網(wǎng)絡行為對理解我們的社會、經(jīng)濟和政治有著非常重要的作用。圖1最左邊牛津大學互聯(lián)網(wǎng)研究所、牛津大學馬丁學院、商學院、法律、考古、地理學科都屬于牛津大學社會科學部，計算密集型、大數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡協(xié)作給這些學科帶來了新的研究對象和領(lǐng)域，而信息技術(shù)正好為它們提供新的研究工具和手段。

圖1中間的物理、數(shù)學、計算機科學、工程和動物學屬于數(shù)學、物理和生命學部。這些學科需要強大的高性能計算、快速的數(shù)據(jù)存儲和有效的數(shù)據(jù)管理技術(shù)支持。SKA平方公里矩陣是牛津大學物理學科參與世界最著名的公民科學平臺（Zooniverse）的一個項目。全球有近20個國家研究者共同參與此項目，意在通過無線電波了解宇宙的歷史，追蹤在遙遠的星系中發(fā)生的不同物理過程以及最全面的了解宇宙星系。這個項目需要快速處理巨大的觀測數(shù)據(jù)并通過超級計算機進行計算分析。牛津大學e-Research中心提供高性能計算和數(shù)據(jù)存儲及處理等技術(shù)來支持SKA項目的開展和研究。目前GPU已經(jīng)成為大數(shù)據(jù)、高性能計算以及人工智能應用不可缺少的硬件設(shè)施和技術(shù)。它在加速物理、工程、計算機科學以及生命等學科研究進程上發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。牛津大學被GPU加速技術(shù)最強的英偉達公司命名為“CUDA卓越中心”，表彰該大學在許多部門和學科中出色的利用GPU并行加速技術(shù)和牛津e-Research中心在牛津大學GPU / CUDA社區(qū)的開發(fā)和支持中發(fā)揮的主導作用。

信息化和全球化的相互促進，在改變?nèi)藗兾镔|(zhì)生活、思維方式和價值觀念的同時也推動了世界歷史和人類的文明進程。圖1中第三列是牛津大學人文學部，包括音樂、歷史、語言等。牛津大學e-Research 中心和牛津大學的IT Services, 牛津大學人文學科研究中心（TORCH）和牛津大學圖書館（ the Bodleian Libraries）和博物館（ the Museums）聯(lián)合開創(chuàng)了牛津大學的數(shù)字人文交叉研究中心（TORCH DH），它將尖端的數(shù)字化技術(shù)和手段應用到人文學科。互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和云計算技術(shù)為這些學科構(gòu)建信息基礎(chǔ)設(shè)施和數(shù)字資源創(chuàng)造了更加高效和便捷的研究環(huán)境，讓這些學科與信息技術(shù)深度交叉。

隨著生物、化學、醫(yī)學所研究問題的日益復雜，傳統(tǒng)的方法和手段已經(jīng)難以適應學科的研究。計算機、高性能計算和大數(shù)據(jù)的融合發(fā)展為解決這些問題提供了新的思路和工具。同樣屬于牛津大學醫(yī)學部的生物化學、藥理學學科和e-Research中心有著密切的合作。e-Research方法和手段為生物化學、新藥開發(fā)、病理分析，如何對生物多樣性的數(shù)據(jù)進行有效的管理、收集和共享到醫(yī)學影像的分析提供新的視角。

圖1 牛津大學e-Research中心結(jié)構(gòu)

注釋：

圖1黃色是e-Research基礎(chǔ)設(shè)施，藍色是牛津大學學科和部門ECI-牛津大學環(huán)境變化研究所

SKA-平方公里矩陣項目

Zooniverse-世界上最大的公民科學平臺，這個平臺的研究項目由來自世界各地的自愿者參加，幫助研究者來共同完成，SKA是Zooniverse的一個項目[2]。公民科學（Citizen Science）就是公眾參與的科學研究, 包括非職業(yè)的科學家、科學愛好者和志愿者參與的科研活動, 該活動通常和專業(yè)科學家或研究機構(gòu)合作或在他們的指導下進行[3,4]

ARC-牛津大學高級研究計算中心 (HPC)

TORCH DH-牛津大學人文學科研究中心

CUDA-CUDA卓越中心

LoT-物聯(lián)網(wǎng)

Oxford Martin School-牛津大學馬丁學院（致力于跨學科的研究來解決復雜、全球性的問題，而這些問題是無法通過任何單一學科有效地理解和解決）

Said Business School-牛津商學院

Wolfson-牛津大學沃夫森學院（研究生）

the Oxford Internet Institute-牛津互聯(lián)網(wǎng)研究學院

牛津大學e-Research中心跨學科研究與合作

為了提升牛津大學的科研競爭實力，應對在數(shù)字時代和數(shù)據(jù)密集型科研的創(chuàng)新需求，掌握和研究先進的信息技術(shù)是多學科交叉研究的基礎(chǔ)，這些技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展對中心開展多學科項目合作如物理、工程、人文、生物等學科提供獨特的計算方案至關(guān)重要。牛津大學e-Research中心在科學計算、互聯(lián)網(wǎng)、信息與交互、可視化計算、數(shù)據(jù)管理、信息化基礎(chǔ)設(shè)施和云計算等領(lǐng)域都進行深入的研究。

e-Research最核心的本質(zhì)就是開展跨學科合作研究，牛津大學e-Research中心積極和多個學科和部門開展合作，成為了跨越學科和部門界限合作項目的所在地。其中人文、藝術(shù)和社會科學合作的文化遺產(chǎn)項目，聚集了數(shù)學、物理、生命科學、博物館、人文和社會科學多個學科。數(shù)字人文（Digital Humanity）讓牛津大學成為英國最早把數(shù)字工具和資源帶到數(shù)字人文研究的大學，在國際上也享有盛譽。目前，有近240個相關(guān)的項目、培訓、活動在牛津大學開展。CLAROS項目使用最新的數(shù)字技術(shù)可以同時進行搜索世界藝術(shù)的主要收藏，在文化遺產(chǎn)上首次使用了可連接的開放數(shù)據(jù)。公民科學允許公眾為不可能的研究做出貢獻。天氣預報因其預報的范圍巨大中心而具有很大的不確定性。精確的預測模型需要巨大的計算能力。中心的ClimatePrediction.net and Weather@Home項目就是利用一個屏幕保護程序，來完成需要成千上萬計算能力的天氣預報模擬，能源安全和氣候變化問題都是當今世界多國面臨的挑戰(zhàn)。中心利用牛津大學的學術(shù)優(yōu)勢和工業(yè)合作伙伴開展合作，尋找基于信息、通信、技術(shù)的解決方案來解決大規(guī)模的天氣模擬、能源智能管理。創(chuàng)新的信息技術(shù)跨越多個行業(yè)，中心跨學科的背景可以讓牛津大學和多個企業(yè)部門進行合作，不僅讓學校的研究變得更加有深度，而且還可以給學校帶來很多的利益。英國零售業(yè)的能源節(jié)約項目將政府部門、企業(yè)、社會研究、能源需求、工程、信息技術(shù)以及數(shù)學領(lǐng)域的專家聚集在一起收集和分析信息來提高英國零售業(yè)的能源效率和管理。除此之外，中心還和生命、生物醫(yī)學、物理科學以及工程學科開展深入合作研究，項目集中在醫(yī)學數(shù)據(jù)的獲取、管理、共享和發(fā)布，研究和評估數(shù)據(jù)可重用性和可再現(xiàn)性的方法，并提供數(shù)據(jù)標準化和管理作為服務。中心與世界領(lǐng)先的藥物發(fā)現(xiàn)公司C4X合作使用GPU技術(shù)提高他們快速設(shè)計和發(fā)現(xiàn)藥物的能力，通過增加新藥的臨床成功率研發(fā)出一些治療復雜疾病如帕金森病的新藥。不光如此GPU還可以讓大型基因數(shù)據(jù)的分析效率提高100倍。在大數(shù)據(jù)時代，可視化技術(shù)結(jié)合統(tǒng)計和算法的分析可以讓各種數(shù)據(jù)以不同形式的可視化呈現(xiàn)，幫助研究者快速理解數(shù)據(jù)，降低觀看視頻的成本，實現(xiàn)經(jīng)濟高效的數(shù)據(jù)智能處理。中心將此項技術(shù)應用到生物科學及醫(yī)療多領(lǐng)域，如分析心血管磁共振成像數(shù)據(jù)的可視化以及多視頻構(gòu)建的交通管理可視化。此外中心通過和大規(guī)模的國際項目合作，將一些工具、技術(shù)和專業(yè)知識應用到天文學、生物化學和能源供應等不同領(lǐng)域。

牛津大學e-Research創(chuàng)新研究模式的影響

當今的科學研究活動已經(jīng)歷過三種不同范式的演變：“實驗科學范式”，“理論科學范式”和“計算科學范式”，目前正在從“計算科學范式”轉(zhuǎn)向第四范式——“數(shù)據(jù)密集型科學發(fā)現(xiàn)范式”。這種研究活動的主要特點是科學研究人員只需要從大數(shù)據(jù)中查找和挖掘所需要的信息和知識，無須直接面對所研究的物理對象。但是這種信息和知識的范圍已經(jīng)不限于一個學科，而是跨越多個研究領(lǐng)域。所以應用創(chuàng)新的信息技術(shù)到多學科交叉合作的e-Research研究方式最適合這種新型研究范式的轉(zhuǎn)變。

牛津大學e-Research中心從2006年至今已近超過十年，得到了UK研究委員會、歐洲委員會、慈善基金和工業(yè)合作者眾多資金的資助，已經(jīng)發(fā)展成為一支擁有50多名多學科研究人員的國際知名團隊，致力于通過數(shù)字技術(shù)來加速創(chuàng)新研究。目前，中心正在與20多個研究單位合作，并在美國、澳大利亞和歐洲建立了一個由六所大學組成的聯(lián)盟，通過先進的網(wǎng)絡、計算機技術(shù)進行大規(guī)模的科研協(xié)作。該中心的研究建立在與來自不同學科的研究人員緊密合作的基礎(chǔ)上，他們幫助科學研究人員使用網(wǎng)絡、高性能計算、大容量的存儲、數(shù)字圖書館、數(shù)據(jù)庫以及各種科學軟件做出更好，更快和不同的研究，以此來確保牛津大學開展世界領(lǐng)先級的科學研究，尤其在社會科學和人文學科。他們通過與研究人員交談，了解他們的要求以及讓他們了解其他人認為有用的新技術(shù)，并確定研究人員對信息基礎(chǔ)設(shè)施的需求，幫助他們開發(fā)符合這些要求的應用，讓不同國家或不同類型組織（例如大學或行業(yè)）中的科學家一起工作。

牛津大學e-Research為提高牛津大學乃至英國的科研信息化水平起到了推動作用，e-Research中心也讓牛津大學在英國脫穎而出，并成為在整個大學和其他地區(qū)廣泛開展跨學科合作的中心。在最近《泰晤士高等教育》公布的世界大學排名中，牛津大學排名第一。作為英國最原始e-Sciences項目設(shè)立的中心之一以及唯一的e-Research研究中心，它取得的成功不光是注重和大學內(nèi)外的合作，而且能夠?qū)椖康男枨蠛唾Y金的變化趨勢做出快速響應，將創(chuàng)新技術(shù)應用于各種學科研究而不僅僅是在科學領(lǐng)域，用一種有利于適應學術(shù)實踐的方法來獲得最新的研究成果。放眼未來，中心繼續(xù)保持這種成功的軌道將技術(shù)、學科交叉、研究、應用、培養(yǎng)人才作為重點來開拓信息技術(shù)為依托的科學研究。

為了保持和維護在世界科研領(lǐng)域的優(yōu)勢和創(chuàng)新力，各個國家都在積極推進和實施科研信息化戰(zhàn)略。高速的網(wǎng)絡傳輸、超級計算能力的高性能計算以及海量的存儲已經(jīng)成為科研信息化不可缺少的基礎(chǔ)設(shè)施，跨領(lǐng)域、團隊協(xié)作和學科交叉是解決科研復雜問題的必要手段。我國在2009年就提出了“科研信息化是科研現(xiàn)代化的必由之路”，科技創(chuàng)新是提高社會生產(chǎn)力和綜合國力的戰(zhàn)略支撐。隨著大數(shù)據(jù)、人工智能、云計算的融合發(fā)展，越來越多的科學問題需要交叉、開放和協(xié)作來解決。e-Research為跨學科的科研創(chuàng)新提供一種新的研究方法。大學是數(shù)字經(jīng)濟創(chuàng)新的主體，建立以e-Research為中心的協(xié)同創(chuàng)新科研模式將會幫助大學參與多學科交叉研究項目，開展更多的國際合作與交流，參與世界級的科研項目。在提升大學的科技創(chuàng)新實力，保持大學領(lǐng)先的科研競爭地位的同時，為實現(xiàn)國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略提供巨大的保障。