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1、 科学的数字化革命 世纪 年代中后期，当电子商务和电子政务之风开始席卷全球的时候，英国科学技术办公室主任泰勒 （ ）于 年首先提出了电子科学（ ）的概念，主要是指利用信息技术帮助那些计算强度很高、使用海量数据集、在高度分布的网络环境下进行研究的科学学科的发展，例如粒子物理学、生物信息学、地球科学、社会仿真等。这些学科在很大程度上仰赖于高端计算机和软件进行科学探索和发现。在 计划的推动下，英国投入了大量的资金 （ 约 亿英镑） ，用于科学研究用的信息基础设施建设。美国则由国家科学基金和能源部在计算基础设施 （ ）的名下定义 项目，进行科研信息基础设施建设，但范围拓宽为支持包括数据获取、存储、管理
2、、集成、挖掘、可视化，以及在互联网上进行的各种先进的计算和信息处理服务。 年，美国国家科学基金发表了 面向 世纪的计算基础设施报告 ，比较全面地介绍了美国的观点、目标、战略、计划和做法，很有参考价值。 是着眼于利用先进的信息和网络通信技术向科学家们提供进行新探索、新研究、新发现的新方法和新工具。然而，科学探索、研究和发现本身是不可能自动化的，起着核心作用的还是科学家本人。于是 转向探讨以什么样的手段和方式，向科学家提供以支持科学研究为目的的新范式 （ ） 。 年，美国马里兰大学的施耐德曼 （ ）在 问世的影响下，提出了科学 （ ）的倡议，主张将现有的研究模式 （ ） ，即 “ 独立研究 发表文
3、章”的模式，改造为与 相匹配的模式，即利用博客、社交网络、维基 （ ）网站、计算机网络、互联网及视频期刊等各种手段，在研究阶段即共享数据、共享思路、共享方法，实现科学合作、成果网上发布等。这种愿望是良好的，但显然是不切合实际的。因为， 无法解决成果的署名权、所有权和知识产权等问题。 虽然也因此行之不远，却促进了关于信息时代科学研究的开放性的讨论。 ： ： ： 过去十年，中国的科研信息化有了很大的发展。在 的影响下，中国科研信息化的基础设施，特别是在计算和数据密集型的学科领域，有了较大的发展。比如，紫金山天文台在南京、洪河、姚安搭建了三套高性能计算集群，研发了高阶精度的宇宙多相流体动力学的数值模
4、拟程序 ；上海生命科学研究院建设了高性能计算生物学信息处理平台，开发了先进、高效的生物数学模型和计算算法；兰州大学、清华大学、中科院计算所在计算化学网格应用系统的基础上，开展了禽流感病毒 药物的大规模虚拟筛选的示范应用研究；等等。在科技数据资源整合与共享方面，中科院大力推进全院重要领域及优势领域积累数据资源，形成了一批直接服务于科技创新的数据库。截至 年底， 的院属单位建立了面向本学科领域或项目的协同工作环境， 的单位拥有了自建科学数据库， 的单位拥有了知识库管理系统，各研究所的高性能计算环境 平均利用率达到了 。然而，在信息时代来临的大背景下，在科学技术领域，信息化仅仅着眼于创建有利于学科发
5、展和创新的信息化环境是不够的。当代的信息革命起源于一系列科学和技术革命所引起的生产力的巨大变革和发展，也一定会反过来引发新一轮的科学革命和技术革命。这一点现在已经看得越来越清楚。信息革命和信息化对于人类社会发展的革命性影响是全方位的，包括科学和技术。事实上，一场科学的数字化革命正在蓬勃发展之中。钱学森同志在 世纪 年代初期研究系统论的时候曾说，“ 近代科学技术的结构现在需要改革，而改革也不是没有办法，已经是一有线索，二有具体办法。有些特点，像微观到宏观，电子计算机技术革命的出现等已经十分明显” 。钱学森同志的这个论述，非常重要。现在，几乎没有人怀疑信息革命是一个类似于农业革命和工业革命一样的、
6、伟大的产业革命，而与之相伴随的，除了人类经济、政治、社会、文化、军事的重大变革之外，还有一个影响世界和国家最为深远的变革，那就是科学技术的结构变革。这种变革可以称之为 “ 科学的数字化革命” 。因为，现有的、以数理化为基础的科学技术结构是工业革命和工业社会中国科学院信息化工作领导小组办公室： 中国科学院信息化发展报告 ， 年 月。钱学森： 现代科学技术的结构 （ ） ，载 人体科学与现代科学技术发展纵横观 ，人民出版社， 。的产物，还不是信息革命所引发的工业社会向信息社会演变的结果，更不是信息社会的科学技术结构。“ 科学的数字化革命”正在影响科学技术现有的、几乎是所有学科的发展，而且还正在孕育
7、一批新兴学科。加快实现科学的数字化革命，是科学研究走向智慧化 智慧的科学研究 （ ） 的前提和基础，对于加快科学探索和创新发展意义十分重大。如果不能以前瞻性、战略性、全局性的眼光来认识这场 “ 科学的数字化革命”的意义和内涵，不仅中国的原始创新和科学技术进步会受到极大的影响，而且中国将不可能走在全球科技创新的前沿，中国的现代化进程与和平崛起也将困难重重。近年来，全球信息化向高端的发展，已经越来越显现出信息化与科学的融合以及科学的数字化革命的重要性。未来十年中国信息化向纵深的发展，包括数字化、网络化、智能化的发展，无一不与提升科学技术的信息化水平、解决信息化高端发展的瓶颈有关。关于 “ 科学的数
8、字化革命”问题，至少可以从以下三个方面来进行探讨：学科的数字化、计算机辅助科学研究及战略性新兴学科的诞生。为了应对这三个方面带来的挑战，科学家对于 “ 科学研究”的认知和科学家的知识结构，也必须发生重大的转变。?信息化的首要问题是信息的数字化。数字化的结果则是在人们生活的物理世界之外，产生了一个数字世界，或者人们常说的虚拟世界。从这个事实出发，也可以把信息化的过程看作是一个映射的过程，从而给出信息化一个理论上的定义：信息化就是通过同态映射将人们生活的物理世界变换为数字世界的一个过程；同时，又利用逆变换将数字世界转换回物理世界，成为人们认识和改造物理世界的工具。正是信息化打造了数字世界，也就是今
9、天的网络空间（ ） 。 世纪 年代以前，数据和文字进入了数字世界；随后，图片、语音、视频也进入了数字世界。在 时代，是已经发生的事情进入了数字世界；通过 、流媒体、 等新技术，正在发生的事情也进入周宏仁： 信息时代的教学与科学研究 ，载 信息革命与信息化 ，人民出版社， 。周宏仁著 信息化论 ，人民出版社， 。数字世界。人类的嗅觉和味觉也在逐步进入数字世界。不难看出，科学技术结构变革的首要问题就是学科的数字化。科学研究和技术进步都离不开数据和信息。一个学科的数据和信息，如果没有数字化，就不可能利用计算机和数据通信网络进行处理和传播，这个学科就不可能进入数字世界，在信息时代就一定会逐渐地被边缘化
10、，学科本身不仅不可能发展，而且还会逐渐走向衰落。学科的数字化，并不仅仅是将相关的论文、学术报告、实验结果和有关数据数字化而已。这些方面当然是学科数字化基础的一部分，很重要。然而，更重要的是，要将学科的理论体系、研究方法、实验仪器、设备和计量手段等都建立在数字化的基础之上，使整个学科研究得以在数字空间进行。这对于学科利用计算机和各种智能终端作为研究工具和创新手段、提高科学研究的劳动生产率、加快学科发展速度，无疑具有革命性的意义。例如，现代控制理论中著名的卡尔曼滤波器 （ ） ，其发明者鲁道夫卡尔曼 （ ）在 世纪 年代提出这一创意的时候，本意是解决时变线性系统的滤波和估值问题，结果却推动了现代控
11、制理论由频域向时域的变革，进而在时域建立了一套比频域更完整、更丰富的理论体系，为现代控制理论的发展、控制学科的数字化，以及计算机进入控制理论和工程作出了重要的贡献。在研究方法方面，由于高性能计算机和高端计算的发展，许多过去不可能求得解析解因而无法继续研究的问题，现在采用数值计算和仿真的方法，已经可以迎刃而解。这正是 年 月美国总统信息技术顾问委员会 （ ）发表的名为 计算科学：确保美国的竞争力的报告中所指出的，“ 计算机建模与模拟”已经成为与 “ 理论”和 “ 实验”具有同等重要性的现代科学和技术发展的第三个支柱。近年来，也有人认为，大数据正在改变科学、医学、业务和技术，大数据的利用将颠覆传统的科学研究方法和理论。大数据的分 ，“ ： ” ， ，“ ： ” ， ： ， 析和利用有可能是现代科学和技术发展的第四个支柱，对于新兴学科尤其如此，值得科学家们给予高度的关注。? ?过去几十年，信息与通信技术向各行各业渗透，在应用领域有了重大的发展，成为提高各行各业劳动生产率和促进行业发展的重要手段。以工程和生产制造领域为例，从产品设计、制造、测试到生产管理，如计算机辅助设计（ ） 、计算机辅助工程 （ ） 、计算机辅助工艺计划 （ ） 、计算机辅助制造 （ ） 、直接数字控制 （ ） 、产品数据管理 （
