從“數(shù)聯(lián)”到“物聯(lián)”
——記曹軍威與他的基礎(chǔ)架構(gòu)學(xué)研究團隊

本刊記者 何紅匣

從“數(shù)聯(lián)”到“物聯(lián)”
——記曹軍威與他的基礎(chǔ)架構(gòu)學(xué)研究團隊

本刊記者 何紅匣

基礎(chǔ)架構(gòu)（Infrastructure）一詞從上世紀(jì)20年代開始被用作公路、電網(wǎng)、電話、橋梁以及鐵路等類似的公共設(shè)施的總稱，為工業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展起到了支撐作用。雖然好的基礎(chǔ)架構(gòu)經(jīng)常被人忽視，其重要性也只有在出現(xiàn)故障時才能體現(xiàn)出來，但基礎(chǔ)架構(gòu)的確是人類創(chuàng)造出的復(fù)雜而昂貴的系統(tǒng)，任何技術(shù)只有通過基礎(chǔ)架構(gòu)化的過程才能夠最終為人類提供方便、經(jīng)濟、安全和可靠的服務(wù)。進入21世紀(jì)，人類社會要想在科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟文化等方面進一步取得飛躍式發(fā)展，就必須解決社會發(fā)展對新一代基礎(chǔ)架構(gòu)的需求。在信息技術(shù)日新月異的今天，要想洞悉其中的一般規(guī)律和共性技術(shù)，基礎(chǔ)架構(gòu)更是提供了最為獨特和本質(zhì)的視角，這正是清華大學(xué)信息技術(shù)研究院曹軍威研究員和他的基礎(chǔ)架構(gòu)學(xué)研究團隊所致力的研究方向。

計算機集成制造系統(tǒng)通過分布式的計算和通信技術(shù)把制造信息、資源、軟件和應(yīng)用聯(lián)接在一起；網(wǎng)格計算把跨組織、跨地域的超級計算資源聯(lián)接起來實現(xiàn)整合與共享；PB量級的海量科學(xué)數(shù)據(jù)需要支持分布在全世界幾十個研究單位的研究人員的分析處理；廣域電網(wǎng)阻尼閉環(huán)智能監(jiān)控系統(tǒng)在廣域立體環(huán)境中實現(xiàn)實時在線的信息感知、通信、存儲、分析、決策、控制和操作執(zhí)行。這些看似不同的研究領(lǐng)域，不同的技術(shù)背景，不同的行業(yè)和應(yīng)用場景背后，卻體現(xiàn)出驚人一致的基礎(chǔ)架構(gòu)思想、理論、方法和技術(shù)，這也是這么多年來激勵著曹軍威和他的基礎(chǔ)架構(gòu)學(xué)研究團隊不斷探索和進取的原動力。

萌芽中的基礎(chǔ)架構(gòu)思想

1991年，曹軍威以全面的素質(zhì)和優(yōu)異的成績被保送到清華大學(xué)自動化系，1996年又以清華大學(xué)優(yōu)秀畢業(yè)生直讀本系研究生并加入系統(tǒng)集成研究所，也就是國家計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）工程技術(shù)研究中心。在這里，他親身參與了國家863/CIMS主題重大關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)項目“制造業(yè)CIMS應(yīng)用集成平臺總體設(shè)計與原型系統(tǒng)開發(fā)”，并由此形成了基礎(chǔ)架構(gòu)思想。

CIMS應(yīng)用集成平臺項目的設(shè)立與開發(fā)是為了解決當(dāng)時我國企業(yè)在實施CIMS過程中遇到的實施周期長、可靠性低、軟件維護性和可重用性差等問題，希望為企業(yè)提供一個實現(xiàn)信息集成和應(yīng)用集成的軟件框架環(huán)境，實現(xiàn)了全企業(yè)范圍內(nèi)信息的透明共享與管理，通過提供應(yīng)用的開發(fā)工具、原型系統(tǒng)和集成接口等給實施CIMS的企業(yè)提供全方位的支持。

在項目支持下，曹軍威參與完成集成平臺運行管理與控制系統(tǒng)原型的設(shè)計和開發(fā)，利用多代理機制完成CIMS應(yīng)用集成平臺的動態(tài)、靜態(tài)配置與裁剪，對平臺中各節(jié)點運行的應(yīng)用進行控制和管理，對系統(tǒng)中重要資源進行共享管理……雖然當(dāng)時曹軍威對基礎(chǔ)架構(gòu)的認識還不是很深刻，但通過軟件與應(yīng)用集成環(huán)境的開發(fā)，其中“集成則得、分散則失”、透明共享、優(yōu)化調(diào)度、動態(tài)監(jiān)控等方面的思想?yún)s一直影響了他的研究方法和學(xué)術(shù)道路的選擇。

不斷深入的網(wǎng)格研究

1998年底，曹軍威偶然爭取到清華大學(xué)公派赴英國留學(xué)的機會，獲得全額獎學(xué)金進入英國華威（Warwick）大學(xué)攻讀計算機博士學(xué)位。在全新的學(xué)習(xí)、生活和工作環(huán)境中，曹軍威卻意外地發(fā)現(xiàn)在高性能計算領(lǐng)域，英國導(dǎo)師給他指引的研究方向與他在清華大學(xué)所研究的問題如出一轍！

網(wǎng)格（GRID）計算試圖將跨組織、跨地域的超級計算機聯(lián)接起來，實現(xiàn)資源的整合和共享。1998年底網(wǎng)格的概念剛剛悄然從美國興起，便引起了曹軍威極大的興趣。在清華大學(xué)曹軍威就是從事制造資源、軟件和應(yīng)用的分布式管理、優(yōu)化與調(diào)度，應(yīng)用到網(wǎng)格計算資源的管理應(yīng)該是同樣的道理呀！其后，曹軍威迅速將多代理系統(tǒng)、工作流管理、性能評測等一系列技術(shù)率先應(yīng)用到網(wǎng)格計算環(huán)境中并進行了原型系統(tǒng)的實現(xiàn)，在CCGrid和IPDPS等國際著名學(xué)術(shù)會議上連續(xù)發(fā)表多篇文章，立刻引起了國際學(xué)術(shù)界的關(guān)注，引發(fā)了無數(shù)后續(xù)相關(guān)研究。至今，這些論文被國際同行引用上千次，所開發(fā)的原型系統(tǒng)被改進和提高。隨后，曹軍威在德國NEC歐洲實驗室找到工作，在網(wǎng)格計算應(yīng)用方面繼續(xù)研究，并開始應(yīng)邀在英國、美國、波蘭、日本等地做學(xué)術(shù)報告和交流。

其實，網(wǎng)格計算最具啟發(fā)性的就是它從基礎(chǔ)架構(gòu)的角度對其理念和初衷進行了清晰和透徹的闡述。為什么計算資源不能像電網(wǎng)一樣做到按需使用？簡單的問題實際上直指技術(shù)基礎(chǔ)架構(gòu)化的核心。對照現(xiàn)實世界中基礎(chǔ)架構(gòu)的重要性，網(wǎng)格是從基礎(chǔ)架構(gòu)的角度，重新審視數(shù)字空間資源利用和共享的結(jié)果。在數(shù)字世界中，已經(jīng)有一些類似現(xiàn)實世界中基礎(chǔ)架構(gòu)的成功例子，比如通過簡短的Email地址，就可以實現(xiàn)通信；通過簡單的域名就可以登陸相應(yīng)的Web主頁。它們實現(xiàn)了數(shù)字世界中的信息共享，而對于網(wǎng)格的研究則是為了更深層次的資源（如計算、數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)和軟件等）共享。

雖然現(xiàn)在看起來網(wǎng)格計算在實際應(yīng)用中遇到種種困難，但其計算資源基礎(chǔ)架構(gòu)化的初衷仍然是符合技術(shù)發(fā)展趨勢的，仍然是目前包括云計算等在內(nèi)的計算技術(shù)發(fā)展的終極目標(biāo)。曹軍威對于基礎(chǔ)架構(gòu)的思考和認識是在這個階段逐漸清晰和明確起來。既然在諸多領(lǐng)域同時面臨基礎(chǔ)架構(gòu)化的技術(shù)問題，為什么不能通過一般意義下的基礎(chǔ)架構(gòu)學(xué)的研究盡快得到一般規(guī)律和實現(xiàn)共性技術(shù)，以便在各個領(lǐng)域中最大可能的加速技術(shù)基礎(chǔ)架構(gòu)化的進程？曹軍威致力于將研究推向不斷深入和系統(tǒng)。

“數(shù)聯(lián)”研究躋身世界前沿

所謂“數(shù)聯(lián)”就是在數(shù)字世界中實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化聯(lián)接，取得基礎(chǔ)架構(gòu)化的效果。海量數(shù)據(jù)的“數(shù)聯(lián)”在這方面有極致的體現(xiàn)。曹軍威2004年加入美國麻省理工學(xué)院空間研究中心并參加了激光干涉引力波天文臺（LIGO）的項目。

關(guān)于萬有引力的本質(zhì)是什么，牛頓認為是一種即時超距作用，不需要傳遞的“信使”。愛因斯坦則認為是一種跟電磁波一樣的波動，稱為引力波，而引力波是時空曲率的擾動以行進波的形式向外傳遞的。直接探測到引力波的存在將可以為愛因斯坦廣義相對論的正確性提供又一有力證據(jù)，將是人類認知史上具有里程碑意義的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。LIGO是美國國家科學(xué)基金（NSF）資助的迄今為止最大的科研項目，歷時10年多，建成了世界上靈敏度最高的激光干涉引力波天文臺。曹軍威參與研發(fā)的軟件用于管理數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)分布在美國和歐洲的10多個節(jié)點的2萬多個CPU并達PB數(shù)量級，為世界各地的60多個研究單位的700多位LIGO科學(xué)合作組織中的研究人員使用。

2006年曹軍威選擇回清華大學(xué)工作，任信息技術(shù)研究院研究員，立刻組織創(chuàng)建了清華大學(xué)LIGO工作組。在他的帶領(lǐng)下，工作組在引力波科學(xué)研究和LIGO實時數(shù)據(jù)分析方面的工作不斷取得進展，得到國際同行的認可。2009年9月，清華大學(xué)成為首個也是唯一一個來自中國的LIGO科學(xué)合作組織成員，填補了中國在引力波探測數(shù)據(jù)分析領(lǐng)域的研究空白，在世界一流科學(xué)合作組織中爭取到了一席之地，相關(guān)消息為科學(xué)網(wǎng)、教育網(wǎng)等主流媒體大量轉(zhuǎn)載。2010年，曹軍威成為LIGO科學(xué)合作組織理事會唯一來自中國的理事，提升了中國在這一領(lǐng)域的國際地位和影響。作為LIGO科學(xué)合作組織成員，實驗結(jié)果發(fā)表在Nature等國際著名期刊，短短幾年被引用700次以上。

技術(shù)的最新挑戰(zhàn)往往最先出現(xiàn)在重大科學(xué)前沿問題的探索過程中，比如Web的發(fā)明源于歐洲核子研究中心CERN；又如像LIGO科學(xué)合作組織中的很多天體物理專家，他們有時候不能集中精力解決科學(xué)問題的原因是沒有一個方便的模式可以使他們很快找到想要的數(shù)據(jù)，需要的計算能力，或者花費大量的時間和精力安裝配置需要的軟件和工具包，或者這些條件都具備的時間和地點很有限，如只能在上班時間，登陸到特定的機器完成。那么，為什么只能在特定的時間和地點完成特定的工作，而不能在任意時間、任意地點、執(zhí)行任意應(yīng)用完成工作呢？在計算機、網(wǎng)絡(luò)、通信等信息技術(shù)如此發(fā)達的今天，應(yīng)付這些看似簡單的需求依然捉襟見肘。要將應(yīng)用延伸到任意時間和空間，需要徹底解決支持應(yīng)用和計算完成的所有因素的跨域共享問題，徹底實現(xiàn)信息技術(shù)的基礎(chǔ)架構(gòu)化。曹軍威在LIGO項目中的嘗試從另外的角度證實了這一點。

在歐洲留學(xué)和工作

數(shù)物復(fù)聯(lián)，“探索號”起航

2006年回國后曹軍威更加堅定地開始從基礎(chǔ)架構(gòu)的角度進行深入研究。當(dāng)時，美國提出進入21世紀(jì)，新一輪的基礎(chǔ)架構(gòu)化以信息技術(shù)為引擎，主要指基于分布計算機、信息和通信技術(shù)的基礎(chǔ)架構(gòu)，稱為信息基礎(chǔ)架構(gòu)（Cyberinfrastructure）,其對于知識經(jīng)濟的重要性可以與傳統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)對工業(yè)經(jīng)濟的支撐作用相比擬。

但曹軍威對基礎(chǔ)架構(gòu)的研究卻有另外一方面的理解。既然數(shù)字空間需要基礎(chǔ)架構(gòu)化實現(xiàn)資源的深度共享，為什么這一理念不能延伸到物理世界呢？“數(shù)聯(lián)”到“物聯(lián)”不是同樣的道理嗎？剛剛回國的曹軍威甚至參與了一個大型科學(xué)儀器共享方面的研究，將這一理念運用到大型儀器設(shè)備的管理、共享、優(yōu)化與調(diào)度之中，很快就在CCGrid國際會議再次發(fā)表文章。而這一想法馬上也被緊接著的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起所證實。

物聯(lián)網(wǎng)是集傳感、通信、網(wǎng)絡(luò)、計算、控制技術(shù)為一體的數(shù)物復(fù)合型系統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用將遍及國民經(jīng)濟和社會服務(wù)的各個領(lǐng)域，如智能電網(wǎng)、智能交通、現(xiàn)代物流、數(shù)字醫(yī)療、節(jié)能環(huán)保、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)等。物聯(lián)網(wǎng)被認為是繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)之后，世界信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮，是下一個萬億級的產(chǎn)業(yè)。物聯(lián)網(wǎng)已成為國際科技競爭的新高地，同新能源、綠色制造等并列為國家戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)。

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)運行中涉及一組關(guān)鍵過程，包括物理狀態(tài)感知，信息表示，信息傳輸，分析決策和控制執(zhí)行。物理狀態(tài)感知主要是傳感器網(wǎng)，通過有線和無線的網(wǎng)絡(luò)傳感數(shù)據(jù)。操作執(zhí)行主要由數(shù)字控制系統(tǒng)負責(zé)完成。物聯(lián)網(wǎng)中，傳感器和控制器的分布很廣而且數(shù)據(jù)量巨大。在過去的10年，對物聯(lián)網(wǎng)的研究大部分都集中于對感知層的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，包括RFID（radio-frequency identification）和WSN（wireless sensor networks）無線傳感網(wǎng)技術(shù)。但是，如何把各層網(wǎng)絡(luò)通信與應(yīng)用軟件緊密地融合在一起，從而開發(fā)出高性能的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。曹軍威敏銳地觀察到，就像十幾年前的網(wǎng)格一樣，新一輪的基礎(chǔ)架構(gòu)化進程又將啟動！

經(jīng)過4年的發(fā)展，曹軍威從只身一人回國創(chuàng)業(yè)，迅速建立并發(fā)展起一支由20余人組成的高水平科研團隊，基礎(chǔ)架構(gòu)學(xué)研究的“探索號”已經(jīng)揚帆遠航！近年來，研究團隊獲得國家科技部863、973計劃，教育部質(zhì)量工程和國家自然科學(xué)基金委員會等10余項國家級科研項目，以及重大產(chǎn)業(yè)化合作項目的資助，特別是2010年作為子課題負責(zé)人獲得國家973計劃“物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)理論和設(shè)計方法研究”項目的資助，并負責(zé)實現(xiàn)電力物聯(lián)網(wǎng)仿真驗證平臺，為物聯(lián)網(wǎng)理論和方法研究提供支撐環(huán)境。作為團隊負責(zé)人，曹軍威短短幾年間所承擔(dān)項目的科研經(jīng)費達到上千萬，獲得專利1項，軟件著作權(quán)2項和科研成果登記1項，同時入選2008年教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計劃。

面向未來扎實實踐

在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)興起的今天，曹軍威根據(jù)10多年的科研和實踐的一線經(jīng)驗，指出要想加速物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)架構(gòu)化進程，基礎(chǔ)理論與方法的研究迫在眉睫?；A(chǔ)架構(gòu)如此重要，但迄今為止，對于基礎(chǔ)架構(gòu)的論述還主要停留在定性描述的層面或者局限于特定領(lǐng)域，還沒有對基礎(chǔ)架構(gòu)通用共有的特性進行定量、科學(xué)和系統(tǒng)的深入研究。因此，2006年回國后曹軍威即著手開展基礎(chǔ)架構(gòu)學(xué)的研究。

曹軍威和他的團隊

基礎(chǔ)架構(gòu)學(xué)（Infrastructurology）是對不同基礎(chǔ)架構(gòu)的通用共有規(guī)律進行深入研究的科學(xué)，目的是為當(dāng)前以信息技術(shù)為引擎的新一輪基礎(chǔ)架構(gòu)化進程提供堅實的理論依據(jù)、切實的方法指導(dǎo)和具體的技術(shù)實現(xiàn)。這方面的系統(tǒng)研究在國際上還不多見。例如MIT的基礎(chǔ)架構(gòu)科學(xué)和技術(shù)（Infrastructure Science and Technology）研究組主要還是針對特定領(lǐng)域（如土木工程）的特定問題（如材料腐化）開展定量深入研究。雖然也偶爾可見不同領(lǐng)域基礎(chǔ)架構(gòu)之間相互借鑒的研究，基本也都停留在定性層面。

基礎(chǔ)架構(gòu)學(xué)的研究直接來源于物聯(lián)網(wǎng)等方面的國家重大戰(zhàn)略需求?？此剖遣煌袠I(yè)產(chǎn)業(yè)的前沿問題，實際上從基礎(chǔ)架構(gòu)化的角度進行詮釋時都是相通的。定量、科學(xué)、系統(tǒng)地研究基礎(chǔ)架構(gòu)主要要從時間和空間兩個維度上研究基礎(chǔ)架構(gòu)共通的演進規(guī)律。這是之前任何單一學(xué)科或研究領(lǐng)域所未曾涉及的。從這一點出發(fā)，曹軍威認識到，一方面基礎(chǔ)架構(gòu)的形成是需要時間的，需要不斷成熟的技術(shù)作為支撐，同時還受到經(jīng)濟、政治、文化等非技術(shù)因素的影響。但是從整體上看還是有一定的趨勢和規(guī)律可以探索的。一旦掌握了這些規(guī)律，可以更好的指導(dǎo)和加速新的基礎(chǔ)架構(gòu)化進程。另一方面，基礎(chǔ)架構(gòu)的空間分布也是有規(guī)律可循的。最為直觀的比如大多數(shù)成熟的基礎(chǔ)架構(gòu)都采用分層樹狀結(jié)構(gòu)，比如電網(wǎng)分為輸電、供電、配電等幾個層次；互聯(lián)網(wǎng)上的Domain Name Service也是采用樹狀結(jié)構(gòu)等等。當(dāng)然，基礎(chǔ)架構(gòu)學(xué)本身還是一門應(yīng)用基礎(chǔ)科學(xué)，比如系統(tǒng)論或復(fù)雜性理論研究都是以一般意義上的系統(tǒng)為研究對象。基礎(chǔ)架構(gòu)雖然也是復(fù)雜系統(tǒng)，但還是具有許多自身的特點，需要結(jié)合和運用基礎(chǔ)理論，采用不同的研究方法進行深入探索，如理論分析、統(tǒng)計歸納和計算仿真。為了避免在開始階段基礎(chǔ)架構(gòu)學(xué)的研究流于空泛，從特定領(lǐng)域，或以特定理論為基礎(chǔ)作為切入點和著手點是必經(jīng)之路。為此，曹軍威帶領(lǐng)著他的團隊開發(fā)了無極（elop）軟件包，在教育、制造、電力、石化等行業(yè)應(yīng)用解決方案中獲得廣泛應(yīng)用。

積極沉淀學(xué)術(shù)成果和引領(lǐng)國際學(xué)術(shù)交流也是曹軍威的重要工作內(nèi)容之一。近年來，他策劃并主編的英文學(xué)術(shù)專著Cyberinfrastructure Technologies and Applications已于2009年1月由美國Nova Science Publishers出版。同時，他本人受邀擔(dān)任國際著名學(xué)術(shù)出版商Elsevier學(xué)術(shù)期刊Journal of Computational Science編委、ICNDC 2011國際學(xué)術(shù)會議聯(lián)合主席。圍繞基礎(chǔ)架構(gòu)方面的創(chuàng)新研究，他還大力開展國際合作，并獲得美國著名發(fā)明創(chuàng)新公司Intellectual Ventures的資助，組建了清華信息科學(xué)與技術(shù)國家實驗室（籌）分布式計算與應(yīng)用講席教授組，與國際著名專家學(xué)者緊密聯(lián)系、交流與合作；與美國普渡大學(xué)ROSEN先進計算中心開展開放科研網(wǎng)格方面的交流；在國家自然科學(xué)基金委員會國際學(xué)術(shù)會議項目和美國NSF的支持下，在清華大學(xué)主持召開了中美Cyberinfrastructure研討會；與佛羅里達國際大學(xué)合作參與美國NSF支持的國際合作項目“Partnerships for International Research and Education－A Global Living Laboratory for Cyberinfrastructure Application Enablement”的研究，均取得了階段性成果……

科研攻堅是艱苦的，千淘萬漉之后才能收獲成果?？蒲泄杂质强鞓返?，那種收獲之后的滿足是別人無法體會的。未來，曹軍威將和他的團隊一起不斷深入分析和解決產(chǎn)業(yè)與應(yīng)用中的實際問題，勇于思考，大膽創(chuàng)新，大力開拓基礎(chǔ)架構(gòu)科學(xué)、技術(shù)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究，為中國云計算和物聯(lián)網(wǎng)等方面的產(chǎn)業(yè)發(fā)展做出應(yīng)有的貢獻！