出品：中国科普博览 SELF格致论道讲坛导语：一场突发事件的契机，阎保平带领着她的研究团队踏上e-Science征程，从青海湖到三江源，再到无量山，随着足迹的深入，他们逐渐构建了一个交叉学科混合的团队，一套完备的信息化工作平台和工具，为中国的科研信息化画上了浓墨重彩的一笔……---嘉宾介绍---阎保平中国科学院计算机网络信息中心总工程师原主任研究员，我国杰出的女科学家，全国人大代表。她长期从事计算机网络、信息系统工程及大型科学数据库技术等领域的研究、开发和工程建设工作，直接参加、主持了数十个国家、行业或地区级的重要网络工程及信息化建设项目，是e-Science的提出者和开拓者。以下是阎保平演讲内容实录：我今天讲的这个题目可能跟我们其他的专家稍微不太一样。大家可能对互联网很了解，但是怎么又冒出来这样一个e-Science的概念呢？其实互联网它本身在科学研究当中的应用，催生了这样的一个e-Science的理念。 e-Science, 数据爆炸时代的科研需求为什么把e-Science这个事情提出来？现在中国的e-Science是怎么提出来的？为什么中国的科学家这样热衷于e-Science这个概念，就像现在我们提到的电子政务、电子商务等等，都是属于这个概念的。其实这个概念，最早还是在2000年，由英国的科学家John Taylor（约翰•泰勒）提出来的。他看到在现代科学研究当中需要各方面的合作，而这种合作和协同是基于互联网的。这样的一个合作，它基于互联网时代，它的条件是什么？现在我们可以说得很清楚，互联网本身就是一个重要的支撑，像高性能计算机，大规模的数据库，分布式的协同环境，构成了这样一个基础的环境。这些技术现在想起来，在我们的生活当中，已经发挥着重要的作用，但是在十四年前，其实大家还搞不清楚，它到底应该怎么做。在2002年（两年以后），当时英国的首相布莱尔他在英国皇家物理协会提出了一件事情，就是说互联网的发展使得e-Science在英国提到了日程上。他说最早的时候，英国一直是世界科技的前沿，这些年衰退了，他们希望通过互联网时代e-Science的推进来重新振兴英国的科学研究。所以，英国当时是在世界上第一个建立e-Science网格的国家，它很多的技术现在也在使用当中。中国的e-Science，其实我们这些年再回顾，它的提出并不晚。因为中国科学院很早——大家知道，它是中国互联网的诞生地——在九十年代，大家知道九七年、九八年，科学院已经开始推进全院互联网的百所联网的工作。那么有数据库，也有超级计算，所以在2000年的时候，中国科学院的科学家们就提出来了，我们要构建一个信息化的科研环境，来为科学家服务。真正的e-Science的实质就是科学研究的信息化，这是中国科学院原来的副院长，江绵恒博士，他在2002年亚太的城市信息化的大会上提出来的。就是说e-Science的实质就是要为科学家提供一个全新的信息化的科研环境，改变他们城市科研的手段和方法，甚至影响到一些学科的发展，其实经过这几十年的发展，这一点已经得到了验证。谈到科学方式的变化，其实这个内容仍然是来自美国的一位Jim Gary 先生，这是一个非常优秀的科学家。大家都知道，计算机界的最高奖项是图灵奖，他是图灵奖的获得者。他在2007年一月份的一次演讲当中，从一个范式的角度来探讨什么是e-Science，他认为科学经历了四个阶段的科学演变的范式。第一范式是一种自然科学的范式，自然科学的范式是什么呢？是一个实验科学的范式，那么就像天文台的观测，来发现现象。第二个阶段的科学范式是理论科学，我们知道的像牛顿定律，开普勒定律，以及麦克斯韦方程式，全部都是理论为主体的。第三个阶段，随着计算机的出现，人类社会进入到了第三范式，这是计算科学的范式，这里边就是要对复杂的自然现象进行模拟仿真，从中发现新的科学的现象。 Jim Gary 先生提出，第四范式就是在今天，整个科学研究面临着一个数据爆炸的时期，这实际上就是我们e-Science要解决的问题，是以数据为中心的科学研究。为什么呢？它可以将理论实验以及仿真有机地统一在一起，包括对各种数据的采集，软件的数据处理，以及计算机的存储，也包括科学家利用数据进行分析得到的结果。他这个结论现在已经被科技界普遍介绍，因为他指出了在信息化时代，互联网时代，科学技术的手段方法必须要发生的变革。在座的这里边很多都是大学生，其实在你们的科学研究当中，也会不知不觉地或者有意识地感觉到这种变化。比较遗憾的是，在他发表了这次最精彩的报告之后，大概不到十天的时间，他就在加州的一次航海当中失踪了，到现在也不知去向，这是一件非常遗憾的事，也是我们很多中国科学家——我本人跟他也很熟悉——觉得难以置信的一件事，对我们也是个很大的损失。这是Jim Gary先生在解释他的e-Science思路的时候，他做出了这样一个描述：e-Science实际上是一个矩形的系统，人和自然界，和地球的作用，那么它的数据是PB级的，它的计算能力是PB级的，数据的长期和保留，这是一个最典型的案例。科研信息化的汉堡包实际上在这些年的科学研究里，我们中国的科学家们也意识到了，在信息化时代，互联网时代，科学研究到底呈现了一种什么样的特点？其实从科研环境的变化，科研活动的特点，以及科研行为的一些转变，以及科学领域交叉的这种需求，都可以看出来这个变化，而这些变化其实是我们在从事科学研究当中，不得不面对的。 2004年，中国科学院在制定“十一五”信息化规划的时候，我们提出了e-Science信息化，我们叫e-Science或者科研信息化的框架体系。这个框架体系提出来以后，我在国际上跟相关的e-Science研究领域的科学家做了不同的交流。在联合国专门有一个e-Science工作组，当时他们认为这是一个高度概括了到底什么是e-Science的框架。在这个框架里边，大家可以看到，最底层是我们整个信息化的基础设施，网络、超级计算机，包括数字化图书馆，中间深蓝层的我们看到的是现有的科研装备，已经被数字化、网络化。比如说像野外台站，像这种大型的移动科研设备，以及一些自然资源，比如说像我们的标本馆等等。还有一些像天文台这样的大型的科研装备。他们的网络化是数字化，是非常重要的。那么再往上的最高一层，我们可以看到它是一种虚拟组织，实际上它构成了一个协同的科研环境，来自不同学科领域，不同部门的科学家可以在里边一起工作。这里面有两层黄的很有意思，这也是我们这几年在做这个工作的过程中提出来要有的一个公共资源接口，用来实现第三层到第五层之间所有的关系。那么我们中间还有一个协同的工作环节，是什么呢？是这些不同研究机构、学科领域的人，当他们在一起进行科学研究的时候，他要使用到以下资源的时候，它必须要有一个协同的环境来协同工作。其实这个框架体现了我们现在互联网的一个资源整合、开放、共享的环境。我们现在也常常看这张图，会想它确实像一个什么呢？像一个科学信息化的汉堡包，其中那两个黄颜色的好像是起司（cheese）似的，把信息组织到一起。这是一个简单的模型，我们在做这些研究以后提出来，它的活动模型会是什么？我用一个非常简单的例子。野外科考的时候，如果大家做过科研，就知道野外科考就是数据的采集。回来以后，到图书馆或者到单位里边跟自己的标本进行比对，进行分析，然后可能还要到图书馆查资料，可能还要进行会议讨论，也包括参加国际的会议，都是在现场进行的。可是随着新的基于互联网的环境建成，这里边所有的不管是人还是设备，还是我们已有的资源，都统一在这么一个网络的数字化的环境下。包括科学家们的交流，也是用视频来做。这是十年前，我们当时在中科院做汇报的时候做的这么一个规划和设想，十年以后我觉得这些基本都实现了。中科院在2004年以后部署了一系列的e-Science应用，包括空间的子午工程，也包括大分子的研究，还有像地学领域的一些研究，以及野外台站的观测，还有像海岸带的一些入海相互作用以及内陆河的研究。那么这些系统都是基于一个特定的环境来进行的，包括计算机、网络、数据库这样的环境，包括大规模的计算机模拟。我觉得我们在05年以前实际上是在研究计算机技术应用在科学研究当中应该怎么来做，但是实际上我们并没有一个完整的实践。其实一种理念的提出，一种方法的提出，它一定要进行一种实践来验证它。一场“突发事件” 一个很好的机会给我们了，也就是在05年的时候，我们由于青海湖地区发生了世界上第一例禽流感事件，所以从那个时候起，我们这个来自科学院几个研究所的团队，就踏上了e-Science的一个征程。大家可能不太了解，实际上中国是中亚鸟类迁徙的一条重要的路径，北边是到俄罗斯，南边是到印度，青海湖是它们中间最主要的一个停留地和繁殖地。从这张图我们可以看到，那个震惊世界的事件就发生在2005年4月份，是在青海湖发生的世界第一例野生鸟的禽流感。当时搞不清楚是什么原因，实际上到5月3号，野生鸟的死亡已经达到6000余只，震惊了世界。到5月14号国家才检测出来，实际上这是世界第一例野生鸟的禽流感爆发。这个事情的恐怖之处主要在哪儿呢？因为野生鸟，尤其是迁徙候鸟，它会把病毒携带到世界各地，从而引起全球的这样的一个禽流感的蔓延。这是后来2007年的时候，国际健康组织机构拿出来的一张图，红颜色的、深颜色的部分，都是家禽的禽流感爆发区域，浅黄色的就是野生候鸟发病的区域。可以看得出来，青海湖那个区域里边的情况非常明显。一次“跨界合作” 其实在这个过程当中，我们中国的科学家已经有了合作，比如我们跟动物所、病毒所。当时我们看到这个局面的时候，就提出了几个科学问题：一个是青海湖的迁徙鸟它到底从哪儿来？要到哪儿去？第二是这些鸟发生疾病，为什么我们都不知道，都发现不了？原因是什么？我们没有一种手段和措施。第三是禽流感爆发以后，家禽的禽流感和野鸟的禽流感之间是什么关系？这会带来什么样的影响？第四，鸟的迁徙路线和禽流感爆发点之间应该有什么关系？很有意思的是，这些科学问题引起了我们科学院首次跨界合作，也开创了一个模式，到现在已经有八个研究所参与进来了。这个工作主要涉及到计算机学科、生物、植物、动物、病毒、遥感、生态和水等领域。大家可以看到，在生物多样性这个方面，一些学科之间有联系，像病毒和鸟类、植物都与生物多样性有关，而遥感、生态则属于地学领域的合作。那么这一次出现了这样几个学科之间大的交叉和合作，给我们也带来了一个问题，就是当时很多人觉得这有可能做下去吗？有可能坚持下去吗？他们会有什么样的结果？在科学院的支持下，我们从2005年到现在已经9年了，明年就是第10年。将近10年的过程当中，我们这个团队多次进行了野外考察——我们还起了一个名字叫“追逐翅膀的旅程”——包括中科院网络中心的科研人员。我们根据所获取的鸟的迁徙路线，走完了全程，考察了重要的19个停留地点，了解了当地的生态环境是什么样的，植被的情况是什么样的，以及鸟类的疾病在这些点上的传播情况是什么样的。这是2008年奥运会期间，我们当时一共走了4500公里，跨过了中国主要的若干条大江大河，翻过了非常知名的高山。这种合作已经不仅局限于我们中科院的这些研究所，同时我们也开辟了跟国际上的合作。尤其我们在技术上和设备上得到了美国国家地质调查局的支持。一个平台一组工具在我们这个合作进行的同时，基于互联网的一个平台或者说一套技术工具已经开发出来，而且改变了现在的保护区的保护工作和科学家的科研活动。在互联网时代，我们到底应该怎么做野外环境的建设并提供技术上的支持呢？实际上我们还是从数据的产生、传输、存储、处理和应用五个环节，围绕整个青海湖生态的保护来开展工作的。这是我们的一个示意图，现在青海湖已经有23个高清探头了，而且是基于IPV6网络的——我们现在已经全部更新到IPV6的了。有一个土壤的，同时还有七个生态的探头，整个覆盖了青海湖保护区的五个核心区域，面积大概是350公顷。这是我们在不同的海岛上建的监控系统，还有像IPV4、IPV6的生态监测设备。这里也想给大家看一些视频，因为视频已经非常多了，从春天到秋天，每天的数据大概有100G。这个是我们在2012年的时候做的一个工作，就是对黑颈鹤的监测。黑颈鹤是我们中国非常珍贵的国家一级保护动物，而且是世界上最晚被发现的高原鹤类。对于它的繁殖情况，我们一直都不清楚。我们2002年的时候开始在这个地方进行监测，这是我们直接拿到的视频的景象，我们可以看到它是怎么搭窝的，可以看到这个窝建成的整个过程。而且这里边我们会发现一些很有趣的现象：因为我们的视频探头就在它的身边，所以这只公鹤每次在修筑自己的巢穴、走到我们的探头跟前的时候，总会有一些非常异常的举止，可以看出来，它不喜欢我们的探头，总是去啄那个探头。我原来去的时候不知道黑颈鹤是怎么搭窝的，我没想到它是搭在水里的，而且我没想到，它是从水里边一点点地把水草叼起来去搭的。大家可以看一看（视频欣赏）。很有意思的是，它这个动作一直保持到现在。这个是我们在新疆喀什地区做的一项工作。这是一种鵟，是老鹰的一种。它是怎么来哺乳自己的幼鸟的呢？以前我们是不知道的，因为科学家不可能在那儿蹲守。这个设备是在2011年布设的，我们获得了一个完整的图象，包括它如何去觅食的，觅什么样的食物，它哺乳的行为是什么样的，大家可以看到。这里也有很多非常让人惊讶的现象：它只关心能够抢到食物的那只小鸟，其他的小鸟它是绝对不管的，你要抢不到也没办法。研究鸟的行为对科学家来说很重要，他们曾经研究过一个完整的视频，我们这是截取过的。他们做的完整的研究包括多长时间它去找一次食物，它找一次食物要用多长时间，这直接决定了它的小鸟的存活率。根据这些视频，我们下面开展的一些工作就是考虑如何发现鸟的这些异常现象，因为视频图像太多了，一天100G。那么这时候一定要对视频图像对它的行为进行分析，这项工作已经有四届学生做过了，现在还在做。这里边还有一个工作也是很有意思的，就是我们利用卫星遥感跟踪鸟的迁徙。这个技术是由美国USGS提供的，这个设备是比较先进的，我们2007年的时候正式部署了这个项目。这个设备是太阳能电池，每两个小时采集一次GPS的信号，每两天向卫星发送一次记录。如果碰到阴雨天的话，它会自动保留数据。经过两年的工作，一共四次的GPS的跟踪，我们得到了158万条的数据。经过我们处理以后，大概得到了81万多条数据，因为这些数据里边有大量的冗余或者是错误的信息。这是系统获取的整个数据结果。作为网络中心来说，我们承担了一项很重要的工作，就是从卫星数据到电子邮件，然后到数据的自动入库以及数据的展示。这些数据可以是外部展示的，也可以可视化展示。现在给大家看到的是我们在两年的跟踪过程中得到的非常清晰的图像。这是在青海湖繁殖的鸟，叫做斑头雁，它实际上是我们国家的鸟，它最终的目的地是在西藏拉鲁地区的一些湖泊。但是还有一批是在外蒙古出生的鸟，在青海湖被我们抓住戴了这个GPS后，我们发现它是越过喜马拉雅山，直接在印度的某些地方来越冬的。因此，这个东西给我们提供了一个很好的结果：就是说我们发现的禽流感爆发点，实际上往往在这条迁徙的路线上。有几个点，青海湖、拉萨、印度的班达尔这些地方，都曾经是家禽禽流感爆发的地方。我们用这只鸟的迁徙路线和停留的地方，以及家禽禽流感发生的地方，验证了一件事：也就是说，青海湖禽流感的爆发，并不是野鸟自己本身带的，而且由于它在不同的越冬地感染了家禽的禽流感。这个结论后来在国际的一些学术期刊上进行了发布，影响很大。一支“混合队伍” 还有一个问题我想说一下，其实我们是造就了一个混合队伍。实际上这支混合队伍里边是一个交叉学科的培养。像这里边可以看出来，中间那个是崔博士，蹲在地上的是我们网络中心的欧阳星高工，看望远镜的是保护区的一个工作人员。大家经常在一起工作，所以这种文化的交流和技术知识的交流非常重要。这里边也有一些很好玩的事情，上边这个是西藏一个寺院的喇嘛主持带人到青海湖，专门来看这套监控系统，旁边给他们介绍的是青海湖保护区的局长，他是藏族人，所以他在用藏族语介绍。我听他们当时讲，说这个喇嘛们很兴奋。因为作为一个有着传统宗教的民族来说，他们是非常保护鸟、保护自然环境的，他们没有想到还可以用这种方法来保护鸟类。中间这个图其实是我2012年在玉树的时候的图，也是在一个非常特殊的保护区里边，那个地方有寺院。当时我们在那儿做了一些考察，也拍了一些照片。可以看出来，当地的喇嘛给我们带队以后，对我用的iPad特别感兴趣。尽管我们旁边的同事用的是最高级的相机，他都不感兴趣，他一直在问我们iPad的情况怎么怎么样，还是很有意思的。就是说，在这种实践的当中，我们感受了很多的东西，民众非常需要这种知识的普及。更重要的是这里边有一批非常年轻的博士、硕士生，他们在一起工作。像这里边有我们病毒所的博士和微生物所的博士，他们在一起进行当地的采样。另外，他们还给当地的工作人员进行培训，比如他们用了一些快速的病毒监测方式给保护区的工作人员进行培训。所有的这些工作，我觉得归纳起来，在互联网时代来说，其实就是信息共享；同时还起到了一个非常重要的作用，就是它所蕴含的公众科学的理念，推动了国民参与科学，这是一个很大的变化。我这里有一个视频，是我们在做黑颈鹤的时候拍的。我解释一下，我们是请了离得最近的一个寺院，因为那个地方什么都没有，电也没有，所以我们请他们来帮助我们照看设备，同时我们也跟他们讲，在拍摄的过程中如果有问题的话，就请他们多做一些工作。比如说我们发现巢穴总是被水给冲毁，我们就拜托他们说，能不能帮我们做点事情，给窝加固。这是青海湖保护区管理局的副局长，我们在跟他商谈把我们的设备委托给他时的一个场景。这一段已经被清华大学生命科学院的同学做成了一个视频，这个视频的名字叫《守鹤》，就是守望黑颈鹤，非常感人。也就是说，这些信息技术帮助我们有效地获取了信息资源，同时也为科普工作提供了丰富的、实时的而且非常珍贵的资料。同时，应该说，在信息化的环境下，我们不仅促进了科学知识的普及交流，而且我们也吸引了很多的公众参与到我们的这个环境里边来。 e-Science,跨越、融合与协同我们在青海湖做了将近10年了，但是我们同时还接触了很多的保护区，也参加了科学院野外台站的一些信息化的建设。我们感觉到，我们每一次的工作都是一次新的e-Science的征程，也是对我们自己的一种跨越，一种新的融合和一种新的协同。那么我就举两个例子，2012年和2013年的例子。大家可以看到，上边是我们在三江源地区做的，我们在那个地方安装了一套设备，那个地方大概是中国最大的岩羊所在地，也是雪豹出没的地方。下边是我们去年开始在云南无量山保护区做的工作，大家应该对无量山有一些了解吧？就是金庸的小说，大家知道《雪山飞狐》吧？这个故事就是在那儿发生的。我们在这个地方监控的主要是国家的一级保护动物，黑冠长臂猿，最近中央电视台也播放过。这个就是黑冠长臂猿在今年三月份的一个情况。大家可以发现，它的胳膊非常长，在这个树上非常的灵活，在树叶刚刚长出来的时候，它主要是吃这个树的嫩叶。这是保护区的工作人员自己在调整这个探头，要看它的情况。以前他们的工作是什么呢？每天跟着猴子跑，就是早上的时候猴子从哪儿跑，他们也跟着跑，观察它的行为。去年我们装了13套设备，这个设备起了非常好的作用。我最后想说一下，什么叫e-Science？用吉姆•科瑞德这句话来说，就是“是信息技术与科学家相遇催生的e-Science”，并没有说“信息技术的科学家”和“科学家”相遇，他用的是“信息技术”与“科学家”相遇催生的e-Science。这句话现在理解起来，我觉得我深有体会。确实，e-Science是融合了E的各种元素在里面，包括理念、观念、技术、架构和应用，都是应用于e-Science的，这一切使科研工作变得更加easy。因此呢，我曾经提出来一个概念，就是e-Science不能简单理解为Electronic Science，实际上呢，它应该从另外一个角度来看，它使得我们的科学家们从事科研变得更加容易，所以应该叫“Easy Science”，这是一种理念。第二，e-Science确实推动了学科的交叉和交流，使得我们现在有不少的年轻的博士、硕士在我们这个团队里边成长起来，我们把他们称为“新一代的科学家”，叫“e-Scientist”。那么更重要的一点呢，就是要公众参与到科学研究当中。实际上现在的这种协同发展最终会造就中国有一批非常重要的人才，他们不是专业的科学人员，但是他们具有很多科学家所需要的一些基本素质，这是中国的国民进入到一个citizen science的阶段。那么当中国实现了这个citizen science阶段的时候，也就意味着中国科研的国力将得到全面的提升。非常感谢大家。“SELF格致论道”是中国科学院全力推出、中国科普博览承办的科学讲坛，致力于精英思想的跨界传播，由中国科学院计算机网络信息中心和中国科学院科学传播局联合主办。登陆“SELF格致论道”官方网站、关注微信公众号“SELF格致论道讲坛”、微博“SELF格致论道”获取更多信息。更多合作与SELF工作组[email protected]联系。

Ask this episode

“What did the council decide on item 42?” — answered with the speaker and the moment.

Transcript

Related