牛津大學(xué)e-Research創(chuàng)新科研案例分析

文/陳文波 張洋

隨著多學(xué)科研究面臨的問題日益復(fù)雜，2000年11月英國研究委員會(huì)創(chuàng)建了e-Science項(xiàng)目，主要通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和高性能計(jì)算環(huán)境（GRID）建立一種全新的科學(xué)研究模式。該項(xiàng)目獲得了巨大的成功，不僅為英國的基礎(chǔ)科學(xué)和工業(yè)提供了先進(jìn)的信息化基礎(chǔ)設(shè)施，而且通過該項(xiàng)目引領(lǐng)世界知識經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。項(xiàng)目在英國多個(gè)地區(qū)建立了e-Science中心，牛津大學(xué)也在其中。在該中心五年的支持結(jié)束之際，牛津大學(xué)為了讓中心成為一個(gè)持續(xù)性的機(jī)構(gòu)，決定將該中心設(shè)在牛津大學(xué)數(shù)學(xué)、物理和生命學(xué)部，并成為一個(gè)獨(dú)立的實(shí)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(yīng)用于各種學(xué)科研究的雄心，而不僅僅是在科學(xué)領(lǐng)域。e-Research利用信息技術(shù)來支持現(xiàn)有的和新的跨學(xué)科研究，并將e-Science和Cyberinfrastructure的概念擴(kuò)展到其他學(xué)科，如人文和社會(huì)科學(xué)。

牛津大學(xué)e-Research中心結(jié)構(gòu)

牛津大學(xué)e-Research中心建立于2006年，目前有超過50個(gè)工作人員,其中包括40名研究者。它是一個(gè)多學(xué)科的應(yīng)用研究中心，主要開發(fā)和應(yīng)用創(chuàng)新的計(jì)算和信息技術(shù)到學(xué)術(shù)研究和工業(yè)應(yīng)用中。該中心作為牛津大學(xué)連接國際和國內(nèi)大學(xué)的跨學(xué)科合作中心，利用在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的專業(yè)優(yōu)勢來為其他學(xué)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(xué)術(shù)邊界。中心將學(xué)科、應(yīng)用和計(jì)算三者連接起來加速學(xué)科研究，在科學(xué)、社會(huì)科學(xué)、人文科學(xué)、技術(shù)和信息基礎(chǔ)設(shè)施開發(fā)等領(lǐng)域進(jìn)行研究項(xiàng)目的組合，并為合作研究連續(xù)的創(chuàng)新提供一個(gè)世界領(lǐng)先的科研環(huán)境。它的目標(biāo)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(xué)其他部門參與并能夠贏得跨學(xué)科的項(xiàng)目，而這些項(xiàng)目本來是不可能做到的。中心擁有可視化、高性能計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)管理、網(wǎng)絡(luò)安全、云計(jì)算、數(shù)字社會(huì)研究、數(shù)字人文等多個(gè)領(lǐng)域技術(shù)專家。

牛津大學(xué)分為四個(gè)學(xué)部：人文學(xué)部(Humanities)、社會(huì)科學(xué)部(Social Sciences)、數(shù)學(xué)物理和生命科學(xué)學(xué)部(Mathematical,Physical and Life Sciences)、醫(yī)學(xué)科學(xué)學(xué)部(Medical Sciences)，學(xué)部下設(shè)獨(dú)立的中心和研究所等。牛津大學(xué)e-Research中心和四個(gè)學(xué)部的研究單位進(jìn)行合作，跨越了科學(xué)、社會(huì)科學(xué)、人文、藝術(shù)、能源環(huán)境、生物和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，并和這些學(xué)科建立了廣泛的伙伴關(guān)系，使用創(chuàng)新的計(jì)算和信息技術(shù)來幫助解決規(guī)模和復(fù)雜都在日益增加的多學(xué)科問題，同時(shí)建立合適的網(wǎng)絡(luò)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(xué)科，將一個(gè)學(xué)科的數(shù)字方法應(yīng)用到另外一個(gè)學(xué)科，每個(gè)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(luò)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(luò)、傳感器、社交媒體不斷生成海量的數(shù)據(jù)，研究個(gè)人和集體的網(wǎng)絡(luò)行為對理解我們的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和政治有著非常重要的作用。圖1最左邊牛津大學(xué)互聯(lián)網(wǎng)研究所、牛津大學(xué)馬丁學(xué)院、商學(xué)院、法律、考古、地理學(xué)科都屬于牛津大學(xué)社會(huì)科學(xué)部，計(jì)算密集型、大數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)作給這些學(xué)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(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、工程和動(dòng)物學(xué)屬于數(shù)學(xué)、物理和生命學(xué)部。這些學(xué)科需要強(qiáng)大的高性能計(jì)算、快速的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(xué)物理學(xué)科參與世界最著名的公民科學(xué)平臺（Zooniverse）的一個(gè)項(xiàng)目。全球有近20個(gè)國家研究者共同參與此項(xiàng)目，意在通過無線電波了解宇宙的歷史，追蹤在遙遠(yuǎn)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(gè)項(xiàng)目需要快速處理巨大的觀測數(shù)據(jù)并通過超級計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算分析。牛津大學(xué)e-Research中心提供高性能計(jì)算和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及處理等技術(shù)來支持SKA項(xiàng)目的開展和研究。目前GPU已經(jīng)成為大數(shù)據(jù)、高性能計(jì)算以及人工智能應(yīng)用不可缺少的硬件設(shè)施和技術(shù)。它在加速物理、工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)以及生命等學(xué)科研究進(jìn)程上發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。牛津大學(xué)被GPU加速技術(shù)最強(qiáng)的英偉達(dá)公司命名為“CUDA卓越中心”，表彰該大學(xué)在許多部門和學(xué)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(xué)GPU / CUDA社區(qū)的開發(fā)和支持中發(fā)揮的主導(dǎo)作用。

信息化和全球化的相互促進(jìn)，在改變?nèi)藗兾镔|(zhì)生活、思維方式和價(jià)值觀念的同時(shí)也推動(dòng)了世界歷史和人類的文明進(jìn)程。圖1中第三列是牛津大學(xué)人文學(xué)部，包括音樂、歷史、語言等。牛津大學(xué)e-Research 中心和牛津大學(xué)的IT Services, 牛津大學(xué)人文學(xué)科研究中心（TORCH）和牛津大學(xué)圖書館（ the Bodleian Libraries）和博物館（ the Museums）聯(lián)合開創(chuàng)了牛津大學(xué)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(yīng)用到人文學(xué)科。互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和云計(jì)算技術(shù)為這些學(xué)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(xué)科與信息技術(shù)深度交叉。

隨著生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)所研究問題的日益復(fù)雜，傳統(tǒng)的方法和手段已經(jīng)難以適應(yīng)學(xué)科的研究。計(jì)算機(jī)、高性能計(jì)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(xué)醫(yī)學(xué)部的生物化學(xué)、藥理學(xué)學(xué)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(xué)、新藥開發(fā)、病理分析，如何對生物多樣性的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的管理、收集和共享到醫(yī)學(xué)影像的分析提供新的視角。

圖1 牛津大學(xué)e-Research中心結(jié)構(gòu)

注釋：

圖1黃色是e-Research基礎(chǔ)設(shè)施，藍(lán)色是牛津大學(xué)學(xué)科和部門ECI-牛津大學(xué)環(huán)境變化研究所

SKA-平方公里矩陣項(xiàng)目

Zooniverse-世界上最大的公民科學(xué)平臺，這個(gè)平臺的研究項(xiàng)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(gè)項(xiàng)目[2]。公民科學(xué)（Citizen Science）就是公眾參與的科學(xué)研究, 包括非職業(yè)的科學(xué)家、科學(xué)愛好者和志愿者參與的科研活動(dòng), 該活動(dòng)通常和專業(yè)科學(xué)家或研究機(jī)構(gòu)合作或在他們的指導(dǎo)下進(jìn)行[3,4]

ARC-牛津大學(xué)高級研究計(jì)算中心 (HPC)

TORCH DH-牛津大學(xué)人文學(xué)科研究中心

CUDA-CUDA卓越中心

LoT-物聯(lián)網(wǎng)

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

Said Business School-牛津商學(xué)院

Wolfson-牛津大學(xué)沃夫森學(xué)院（研究生）

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

牛津大學(xué)e-Research中心跨學(xué)科研究與合作

為了提升牛津大學(xué)的科研競爭實(shí)力，應(yīng)對在數(shù)字時(shí)代和數(shù)據(jù)密集型科研的創(chuàng)新需求，掌握和研究先進(jìn)的信息技術(shù)是多學(xué)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(xué)科項(xiàng)目合作如物理、工程、人文、生物等學(xué)科提供獨(dú)特的計(jì)算方案至關(guān)重要。牛津大學(xué)e-Research中心在科學(xué)計(jì)算、互聯(lián)網(wǎng)、信息與交互、可視化計(jì)算、數(shù)據(jù)管理、信息化基礎(chǔ)設(shè)施和云計(jì)算等領(lǐng)域都進(jìn)行深入的研究。

e-Research最核心的本質(zhì)就是開展跨學(xué)科合作研究，牛津大學(xué)e-Research中心積極和多個(gè)學(xué)科和部門開展合作，成為了跨越學(xué)科和部門界限合作項(xiàng)目的所在地。其中人文、藝術(shù)和社會(huì)科學(xué)合作的文化遺產(chǎn)項(xiàng)目，聚集了數(shù)學(xué)、物理、生命科學(xué)、博物館、人文和社會(huì)科學(xué)多個(gè)學(xué)科。數(shù)字人文（Digital Humanity）讓牛津大學(xué)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(xué)，在國際上也享有盛譽(yù)。目前，有近240個(gè)相關(guān)的項(xiàng)目、培訓(xùn)、活動(dòng)在牛津大學(xué)開展。CLAROS項(xiàng)目使用最新的數(shù)字技術(shù)可以同時(shí)進(jìn)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(xué)允許公眾為不可能的研究做出貢獻(xiàn)。天氣預(yù)報(bào)因其預(yù)報(bào)的范圍巨大中心而具有很大的不確定性。精確的預(yù)測模型需要巨大的計(jì)算能力。中心的ClimatePrediction.net and Weather@Home項(xiàng)目就是利用一個(gè)屏幕保護(hù)程序，來完成需要成千上萬計(jì)算能力的天氣預(yù)報(bào)模擬，能源安全和氣候變化問題都是當(dāng)今世界多國面臨的挑戰(zhàn)。中心利用牛津大學(xué)的學(xué)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(gè)行業(yè)，中心跨學(xué)科的背景可以讓牛津大學(xué)和多個(gè)企業(yè)部門進(jìn)行合作，不僅讓學(xué)校的研究變得更加有深度，而且還可以給學(xué)校帶來很多的利益。英國零售業(yè)的能源節(jié)約項(xiàng)目將政府部門、企業(yè)、社會(huì)研究、能源需求、工程、信息技術(shù)以及數(shù)學(xué)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(xué)、物理科學(xué)以及工程學(xué)科開展深入合作研究，項(xiàng)目集中在醫(yī)學(xué)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(biāo)準(zhǔn)化和管理作為服務(wù)。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(jì)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(fù)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(shí)代，可視化技術(shù)結(jié)合統(tǒng)計(jì)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(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效的數(shù)據(jù)智能處理。中心將此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到生物科學(xué)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(xiàng)目合作，將一些工具、技術(shù)和專業(yè)知識應(yīng)用到天文學(xué)、生物化學(xué)和能源供應(yīng)等不同領(lǐng)域。

牛津大學(xué)e-Research創(chuàng)新研究模式的影響

當(dāng)今的科學(xué)研究活動(dòng)已經(jīng)歷過三種不同范式的演變：“實(shí)驗(yàn)科學(xué)范式”，“理論科學(xué)范式”和“計(jì)算科學(xué)范式”，目前正在從“計(jì)算科學(xué)范式”轉(zhuǎn)向第四范式——“數(shù)據(jù)密集型科學(xué)發(fā)現(xiàn)范式”。這種研究活動(dòng)的主要特點(diǎn)是科學(xué)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(gè)學(xué)科，而是跨越多個(gè)研究領(lǐng)域。所以應(yīng)用創(chuàng)新的信息技術(shù)到多學(xué)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(xué)e-Research中心從2006年至今已近超過十年，得到了UK研究委員會(huì)、歐洲委員會(huì)、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(xué)科研究人員的國際知名團(tuán)隊(duì)，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(gè)研究單位合作，并在美國、澳大利亞和歐洲建立了一個(gè)由六所大學(xué)組成的聯(lián)盟，通過先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)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(xué)科的研究人員緊密合作的基礎(chǔ)上，他們幫助科學(xué)研究人員使用網(wǎng)絡(luò)、高性能計(jì)算、大容量的存儲(chǔ)、數(shù)字圖書館、數(shù)據(jù)庫以及各種科學(xué)軟件做出更好，更快和不同的研究，以此來確保牛津大學(xué)開展世界領(lǐng)先級的科學(xué)研究，尤其在社會(huì)科學(xué)和人文學(xué)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(rèn)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(yīng)用，讓不同國家或不同類型組織（例如大學(xué)或行業(yè)）中的科學(xué)家一起工作。

牛津大學(xué)e-Research為提高牛津大學(xué)乃至英國的科研信息化水平起到了推動(dòng)作用，e-Research中心也讓牛津大學(xué)在英國脫穎而出，并成為在整個(gè)大學(xué)和其他地區(qū)廣泛開展跨學(xué)科合作的中心。在最近《泰晤士高等教育》公布的世界大學(xué)排名中，牛津大學(xué)排名第一。作為英國最原始e-Sciences項(xiàng)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(xué)內(nèi)外的合作，而且能夠?qū)?xiàng)目的需求和資金的變化趨勢做出快速響應(yīng)，將創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)用于各種學(xué)科研究而不僅僅是在科學(xué)領(lǐng)域，用一種有利于適應(yīng)學(xué)術(shù)實(shí)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(xué)科交叉、研究、應(yīng)用、培養(yǎng)人才作為重點(diǎn)來開拓信息技術(shù)為依托的科學(xué)研究。

為了保持和維護(hù)在世界科研領(lǐng)域的優(yōu)勢和創(chuàng)新力，各個(gè)國家都在積極推進(jìn)和實(shí)施科研信息化戰(zhàn)略。高速的網(wǎng)絡(luò)傳輸、超級計(jì)算能力的高性能計(jì)算以及海量的存儲(chǔ)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(tuán)隊(duì)協(xié)作和學(xué)科交叉是解決科研復(fù)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(huì)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(jì)算的融合發(fā)展，越來越多的科學(xué)問題需要交叉、開放和協(xié)作來解決。e-Research為跨學(xué)科的科研創(chuàng)新提供一種新的研究方法。大學(xué)是數(shù)字經(jīng)濟(jì)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(huì)幫助大學(xué)參與多學(xué)科交叉研究項(xiàng)目，開展更多的國際合作與交流，參與世界級的科研項(xiàng)目。在提升大學(xué)的科技創(chuàng)新實(shí)力，保持大學(xué)領(lǐng)先的科研競爭地位的同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)國家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略提供巨大的保障。