牛津大学e-Research创新科研案例分析

文/陈文波 张洋

随着多学科研究面临的问题日益复杂，2000年11月英国研究委员会创建了e-Science项目，主要通过网络技术和高性能计算环境（GRID）建立一种全新的科学研究模式。该项目获得了巨大的成功，不仅为英国的基础科学和工业提供了先进的信息化基础设施，而且通过该项目引领世界知识经济的发展。项目在英国多个地区建立了e-Science中心，牛津大学也在其中。在该中心五年的支持结束之际，牛津大学为了让中心成为一个持续性的机构，决定将该中心设在牛津大学数学、物理和生命学部，并成为一个独立的实体更名为e-Research中心。e-Research能更好地反映中心将创新技术应用于各种学科研究的雄心，而不仅仅是在科学领域。e-Research利用信息技术来支持现有的和新的跨学科研究，并将e-Science和Cyberinfrastructure的概念扩展到其他学科，如人文和社会科学。

牛津大学e-Research中心结构

牛津大学e-Research中心建立于2006年，目前有超过50个工作人员,其中包括40名研究者。它是一个多学科的应用研究中心，主要开发和应用创新的计算和信息技术到学术研究和工业应用中。该中心作为牛津大学连接国际和国内大学的跨学科合作中心，利用在计算机领域的专业优势来为其他学科提供不同的解决方案，这些方案能够让他们的工作跨越传统的学术边界。中心将学科、应用和计算三者连接起来加速学科研究，在科学、社会科学、人文科学、技术和信息基础设施开发等领域进行研究项目的组合，并为合作研究连续的创新提供一个世界领先的科研环境。它的目标不仅是通过新的研究方法（e-Research）来支持和帮助研究人员，而且还协助牛津大学其他部门参与并能够赢得跨学科的项目，而这些项目本来是不可能做到的。中心拥有可视化、高性能计算基础设施、数据库和数据管理、网络安全、云计算、数字社会研究、数字人文等多个领域技术专家。

牛津大学分为四个学部：人文学部(Humanities)、社会科学部(Social Sciences)、数学物理和生命科学学部(Mathematical,Physical and Life Sciences)、医学科学学部(Medical Sciences)，学部下设独立的中心和研究所等。牛津大学e-Research中心和四个学部的研究单位进行合作，跨越了科学、社会科学、人文、艺术、能源环境、生物和医学领域，并和这些学科建立了广泛的伙伴关系，使用创新的计算和信息技术来帮助解决规模和复杂都在日益增加的多学科问题，同时建立合适的网络信息基础设施来支持这些研究。中心的研究依赖于跨学科，将一个学科的数字方法应用到另外一个学科，每个区域以不同的方式和其他区域相互交叉（如图1所示）。

如今网络空间和物联网已经渗透到我们生活的方方面面，大量的网络、传感器、社交媒体不断生成海量的数据，研究个人和集体的网络行为对理解我们的社会、经济和政治有着非常重要的作用。图1最左边牛津大学互联网研究所、牛津大学马丁学院、商学院、法律、考古、地理学科都属于牛津大学社会科学部，计算密集型、大数据和网络协作给这些学科带来了新的研究对象和领域，而信息技术正好为它们提供新的研究工具和手段。

图1中间的物理、数学、计算机科学、工程和动物学属于数学、物理和生命学部。这些学科需要强大的高性能计算、快速的数据存储和有效的数据管理技术支持。SKA平方公里矩阵是牛津大学物理学科参与世界最著名的公民科学平台（Zooniverse）的一个项目。全球有近20个国家研究者共同参与此项目，意在通过无线电波了解宇宙的历史，追踪在遥远的星系中发生的不同物理过程以及最全面的了解宇宙星系。这个项目需要快速处理巨大的观测数据并通过超级计算机进行计算分析。牛津大学e-Research中心提供高性能计算和数据存储及处理等技术来支持SKA项目的开展和研究。目前GPU已经成为大数据、高性能计算以及人工智能应用不可缺少的硬件设施和技术。它在加速物理、工程、计算机科学以及生命等学科研究进程上发挥了至关重要的作用。牛津大学被GPU加速技术最强的英伟达公司命名为“CUDA卓越中心”，表彰该大学在许多部门和学科中出色的利用GPU并行加速技术和牛津e-Research中心在牛津大学GPU / CUDA社区的开发和支持中发挥的主导作用。

信息化和全球化的相互促进，在改变人们物质生活、思维方式和价值观念的同时也推动了世界历史和人类的文明进程。图1中第三列是牛津大学人文学部，包括音乐、历史、语言等。牛津大学e-Research 中心和牛津大学的IT Services, 牛津大学人文学科研究中心（TORCH）和牛津大学图书馆（ the Bodleian Libraries）和博物馆（ the Museums）联合开创了牛津大学的数字人文交叉研究中心（TORCH DH），它将尖端的数字化技术和手段应用到人文学科。互联网、大数据和云计算技术为这些学科构建信息基础设施和数字资源创造了更加高效和便捷的研究环境，让这些学科与信息技术深度交叉。

随着生物、化学、医学所研究问题的日益复杂，传统的方法和手段已经难以适应学科的研究。计算机、高性能计算和大数据的融合发展为解决这些问题提供了新的思路和工具。同样属于牛津大学医学部的生物化学、药理学学科和e-Research中心有着密切的合作。e-Research方法和手段为生物化学、新药开发、病理分析，如何对生物多样性的数据进行有效的管理、收集和共享到医学影像的分析提供新的视角。

图1 牛津大学e-Research中心结构

注释：

图1黄色是e-Research基础设施，蓝色是牛津大学学科和部门ECI-牛津大学环境变化研究所

SKA-平方公里矩阵项目

Zooniverse-世界上最大的公民科学平台，这个平台的研究项目由来自世界各地的自愿者参加，帮助研究者来共同完成，SKA是Zooniverse的一个项目[2]。公民科学（Citizen Science）就是公众参与的科学研究, 包括非职业的科学家、科学爱好者和志愿者参与的科研活动, 该活动通常和专业科学家或研究机构合作或在他们的指导下进行[3,4]

ARC-牛津大学高级研究计算中心 (HPC)

TORCH DH-牛津大学人文学科研究中心

CUDA-CUDA卓越中心

LoT-物联网

Oxford Martin School-牛津大学马丁学院（致力于跨学科的研究来解决复杂、全球性的问题，而这些问题是无法通过任何单一学科有效地理解和解决）

Said Business School-牛津商学院

Wolfson-牛津大学沃夫森学院（研究生）

the Oxford Internet Institute-牛津互联网研究学院

牛津大学e-Research中心跨学科研究与合作

为了提升牛津大学的科研竞争实力，应对在数字时代和数据密集型科研的创新需求，掌握和研究先进的信息技术是多学科交叉研究的基础，这些技术领域的发展对中心开展多学科项目合作如物理、工程、人文、生物等学科提供独特的计算方案至关重要。牛津大学e-Research中心在科学计算、互联网、信息与交互、可视化计算、数据管理、信息化基础设施和云计算等领域都进行深入的研究。

e-Research最核心的本质就是开展跨学科合作研究，牛津大学e-Research中心积极和多个学科和部门开展合作，成为了跨越学科和部门界限合作项目的所在地。其中人文、艺术和社会科学合作的文化遗产项目，聚集了数学、物理、生命科学、博物馆、人文和社会科学多个学科。数字人文（Digital Humanity）让牛津大学成为英国最早把数字工具和资源带到数字人文研究的大学，在国际上也享有盛誉。目前，有近240个相关的项目、培训、活动在牛津大学开展。CLAROS项目使用最新的数字技术可以同时进行搜索世界艺术的主要收藏，在文化遗产上首次使用了可连接的开放数据。公民科学允许公众为不可能的研究做出贡献。天气预报因其预报的范围巨大中心而具有很大的不确定性。精确的预测模型需要巨大的计算能力。中心的ClimatePrediction.net and Weather@Home项目就是利用一个屏幕保护程序，来完成需要成千上万计算能力的天气预报模拟，能源安全和气候变化问题都是当今世界多国面临的挑战。中心利用牛津大学的学术优势和工业合作伙伴开展合作，寻找基于信息、通信、技术的解决方案来解决大规模的天气模拟、能源智能管理。创新的信息技术跨越多个行业，中心跨学科的背景可以让牛津大学和多个企业部门进行合作，不仅让学校的研究变得更加有深度，而且还可以给学校带来很多的利益。英国零售业的能源节约项目将政府部门、企业、社会研究、能源需求、工程、信息技术以及数学领域的专家聚集在一起收集和分析信息来提高英国零售业的能源效率和管理。除此之外，中心还和生命、生物医学、物理科学以及工程学科开展深入合作研究，项目集中在医学数据的获取、管理、共享和发布，研究和评估数据可重用性和可再现性的方法，并提供数据标准化和管理作为服务。中心与世界领先的药物发现公司C4X合作使用GPU技术提高他们快速设计和发现药物的能力，通过增加新药的临床成功率研发出一些治疗复杂疾病如帕金森病的新药。不光如此GPU还可以让大型基因数据的分析效率提高100倍。在大数据时代，可视化技术结合统计和算法的分析可以让各种数据以不同形式的可视化呈现，帮助研究者快速理解数据，降低观看视频的成本，实现经济高效的数据智能处理。中心将此项技术应用到生物科学及医疗多领域，如分析心血管磁共振成像数据的可视化以及多视频构建的交通管理可视化。此外中心通过和大规模的国际项目合作，将一些工具、技术和专业知识应用到天文学、生物化学和能源供应等不同领域。

牛津大学e-Research创新研究模式的影响

当今的科学研究活动已经历过三种不同范式的演变：“实验科学范式”，“理论科学范式”和“计算科学范式”，目前正在从“计算科学范式”转向第四范式——“数据密集型科学发现范式”。这种研究活动的主要特点是科学研究人员只需要从大数据中查找和挖掘所需要的信息和知识，无须直接面对所研究的物理对象。但是这种信息和知识的范围已经不限于一个学科，而是跨越多个研究领域。所以应用创新的信息技术到多学科交叉合作的e-Research研究方式最适合这种新型研究范式的转变。

牛津大学e-Research中心从2006年至今已近超过十年，得到了UK研究委员会、欧洲委员会、慈善基金和工业合作者众多资金的资助，已经发展成为一支拥有50多名多学科研究人员的国际知名团队，致力于通过数字技术来加速创新研究。目前，中心正在与20多个研究单位合作，并在美国、澳大利亚和欧洲建立了一个由六所大学组成的联盟，通过先进的网络、计算机技术进行大规模的科研协作。该中心的研究建立在与来自不同学科的研究人员紧密合作的基础上，他们帮助科学研究人员使用网络、高性能计算、大容量的存储、数字图书馆、数据库以及各种科学软件做出更好，更快和不同的研究，以此来确保牛津大学开展世界领先级的科学研究，尤其在社会科学和人文学科。他们通过与研究人员交谈，了解他们的要求以及让他们了解其他人认为有用的新技术，并确定研究人员对信息基础设施的需求，帮助他们开发符合这些要求的应用，让不同国家或不同类型组织（例如大学或行业）中的科学家一起工作。

牛津大学e-Research为提高牛津大学乃至英国的科研信息化水平起到了推动作用，e-Research中心也让牛津大学在英国脱颖而出，并成为在整个大学和其他地区广泛开展跨学科合作的中心。在最近《泰晤士高等教育》公布的世界大学排名中，牛津大学排名第一。作为英国最原始e-Sciences项目设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学内外的合作，而且能够对项目的需求和资金的变化趋势做出快速响应，将创新技术应用于各种学科研究而不仅仅是在科学领域，用一种有利于适应学术实践的方法来获得最新的研究成果。放眼未来，中心继续保持这种成功的轨道将技术、学科交叉、研究、应用、培养人才作为重点来开拓信息技术为依托的科学研究。

为了保持和维护在世界科研领域的优势和创新力，各个国家都在积极推进和实施科研信息化战略。高速的网络传输、超级计算能力的高性能计算以及海量的存储已经成为科研信息化不可缺少的基础设施，跨领域、团队协作和学科交叉是解决科研复杂问题的必要手段。我国在2009年就提出了“科研信息化是科研现代化的必由之路”，科技创新是提高社会生产力和综合国力的战略支撑。随着大数据、人工智能、云计算的融合发展，越来越多的科学问题需要交叉、开放和协作来解决。e-Research为跨学科的科研创新提供一种新的研究方法。大学是数字经济创新的主体，建立以e-Research为中心的协同创新科研模式将会帮助大学参与多学科交叉研究项目，开展更多的国际合作与交流，参与世界级的科研项目。在提升大学的科技创新实力，保持大学领先的科研竞争地位的同时，为实现国家创新驱动发展战略提供巨大的保障。