信息化：從計(jì)算機(jī)科學(xué)到計(jì)算科學(xué)*

周宏仁國(guó)家信息化專(zhuān)家咨詢(xún)委員會(huì)　北京　100010

信息化：從計(jì)算機(jī)科學(xué)到計(jì)算科學(xué)*

周宏仁
國(guó)家信息化專(zhuān)家咨詢(xún)委員會(huì)北京100010

編者按 “十八大”以來(lái)，黨中央和國(guó)家高度重視信息化工作，強(qiáng)調(diào)指出“沒(méi)有信息化，就沒(méi)有現(xiàn)代化”，將信息化工作已提到了關(guān)乎黨和國(guó)家發(fā)展全局的戰(zhàn)略高度?？蒲行畔⒒鳛閲?guó)家信息化發(fā)展的先導(dǎo)和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是新形勢(shì)下實(shí)踐創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略的重中之重。本刊特推出“信息化變革科研模式”專(zhuān)題，邀請(qǐng)國(guó)內(nèi)外科研信息化領(lǐng)域的權(quán)威專(zhuān)家和團(tuán)隊(duì)，深入探討科研信息化發(fā)展態(tài)勢(shì)，通過(guò)實(shí)例展示其促進(jìn)科研模式轉(zhuǎn)變、科研效率提高、科研成果產(chǎn)出的重要作用，呈現(xiàn)科研信息化創(chuàng)新應(yīng)用的新特點(diǎn)，并對(duì)國(guó)家科研信息化的進(jìn)一步發(fā)展提出了具體建議。

文章討論了 70 年來(lái)信息化的發(fā)生和發(fā)展，以及計(jì)算機(jī)科學(xué)在其中所扮演的核心角色；分析了迄今為止全球信息化所經(jīng)歷的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化 3 個(gè)發(fā)展階段，所形成的計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)和軟件無(wú)處不在的新環(huán)境，及其帶來(lái)的產(chǎn)品創(chuàng)新和系統(tǒng)創(chuàng)新的重大機(jī)遇；闡明了智能化是全球信息化競(jìng)爭(zhēng)新的制高點(diǎn)，人工智能和計(jì)算科學(xué)成為信息化在新的發(fā)展階段的科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)，各領(lǐng)域的科學(xué)家，無(wú)論是自然科學(xué)家或是社會(huì)科學(xué)家，均已不能置身信息化之外；2013 年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的頒發(fā)表明，計(jì)算科學(xué)是任何一個(gè)學(xué)科領(lǐng)域翻開(kāi)新篇章的有力工具，是引領(lǐng)學(xué)科發(fā)展的前沿，學(xué)科數(shù)字化和科學(xué)的數(shù)字化革命勢(shì)在必行。

計(jì)算機(jī)科學(xué)，計(jì)算科學(xué)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，學(xué)科數(shù)字化，計(jì)算機(jī)輔助科學(xué)研究

信息化作為一個(gè)偉大的歷史進(jìn)程，正在越來(lái)越多地被人們所認(rèn)識(shí)。世界各國(guó)圍繞信息化這個(gè)戰(zhàn)略制高點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)，正在全球掀起一浪更比一浪高的信息化創(chuàng)新的浪潮。信息化正在帶來(lái)新一輪的重大經(jīng)濟(jì)社會(huì)變革，以及國(guó)家乃至全球治理和秩序的重構(gòu)。認(rèn)識(shí)信息化的本質(zhì)，把握信息化發(fā)展的趨勢(shì)，駕馭信息化發(fā)展的大潮，已成為所有國(guó)家面臨的重大挑戰(zhàn)之一。

進(jìn)入 21 世紀(jì)以來(lái)，中國(guó)較大規(guī)模的國(guó)家信息化開(kāi)始起步。由于有發(fā)達(dá)國(guó)家?guī)资攴e累起來(lái)的許多信息化的成果和經(jīng)驗(yàn)可資借鑒，利用“后發(fā)優(yōu)勢(shì)”，采取“跟隨戰(zhàn)略”，中國(guó)比較快也比較順利地在各個(gè)領(lǐng)域完成了大量的、重要的信息化應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)，在電子商務(wù)、電子政務(wù)、“兩化”融合、“三農(nóng)”信息化、現(xiàn)代信息服務(wù)業(yè)、新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展、居民信息化素質(zhì)提升等方面，都取得了舉世矚目的成就，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益，極大地推動(dòng)了中國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展。就信息化而言，中國(guó)與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距正在逐步縮小。相應(yīng)地，中國(guó)的“后發(fā)優(yōu)勢(shì)”，也已經(jīng)所剩無(wú)幾。

與之同期，全球信息化向高端發(fā)展的趨勢(shì)也非常明顯。在經(jīng)歷了數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化的快速發(fā)展之后，智能化正在成為全球信息化向高端發(fā)展的最主要特征之一［1］。智慧地球、智慧城市、智能終端、智能硬件、智能制造、智能物理系統(tǒng)（cyber-physical system）等新概念、新思想、新系統(tǒng)層出不窮，令人眼花繚亂，頗有目不暇接之感。種種跡象表明，全球信息化的發(fā)展，正在從基于計(jì)算機(jī)科學(xué)（computer science）向著基于計(jì)算科學(xué)（computational science）轉(zhuǎn)變。計(jì)算科學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)雖密不可分，但一字之差，內(nèi)涵上卻有重大的差異。信息化發(fā)展的科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)正在向所有的學(xué)科領(lǐng)域拓展?？梢哉f(shuō)，計(jì)算科學(xué)覆蓋到哪個(gè)學(xué)科，那個(gè)學(xué)科就有可能產(chǎn)生革命性的變革和發(fā)展。沒(méi)有計(jì)算科學(xué)的高度發(fā)展，中國(guó)將不能擺脫“跟隨戰(zhàn)略”的束縛，難以開(kāi)創(chuàng)信息化創(chuàng)新發(fā)展的新局面。

“行百里者半九十”。中國(guó)與發(fā)達(dá)國(guó)家的信息化差距可能還不止是百分之十。即便僅有最后百分之十的差距，也還需要我們付出百分之百的努力。要趕上這最后的“百分之十”，關(guān)鍵在于提高中國(guó)信息化發(fā)展的科學(xué)性和科學(xué)水平，提升中國(guó)信息化發(fā)展的科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新能力。事實(shí)上，發(fā)展基于計(jì)算科學(xué)的國(guó)家信息化，幾乎已經(jīng)將所有的學(xué)科、所有的科學(xué)家“裹挾”其中。中國(guó)的科學(xué)家們，無(wú)論是自然科學(xué)家還是社會(huì)科學(xué)家，已經(jīng)不能置身信息化之外，以為信息化僅僅是技術(shù)專(zhuān)家們的事，與己無(wú)關(guān)。推動(dòng)中國(guó)信息化未來(lái)的創(chuàng)新發(fā)展，中國(guó)的科學(xué)家們責(zé)無(wú)旁貸。

1　信息化的科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)

信息技術(shù)的核心是電子數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)?！八恪笔侨祟?lèi)文明中不可或缺的一個(gè)極為重要的組成部分。使“算”機(jī)械化和自動(dòng)化，是數(shù)百年來(lái)人類(lèi)孜孜以求的目標(biāo)之一。1642 年法國(guó)數(shù)學(xué)家帕斯卡（Blaise Pascal）在計(jì)算尺的基礎(chǔ)上發(fā)明了世界上第一臺(tái)機(jī)械計(jì)算機(jī)；1700 年前后德國(guó)數(shù)學(xué)家萊布尼茨（Gottfried Leibniz）從《易經(jīng)》的拉丁文譯本中讀到了八卦的組成結(jié)構(gòu)，驚奇地發(fā)現(xiàn)基本素?cái)?shù) 0 和 1 的進(jìn)位制是世界上最先進(jìn)的數(shù)學(xué)進(jìn)制，并率先提出了二進(jìn)制數(shù)的運(yùn)算法則［2］。至 1946 年世界上第一臺(tái)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)埃尼亞克（EN IAC）的研制成功，電子數(shù)字計(jì)算機(jī)的發(fā)明孕育了近 300 年?？梢哉f(shuō)，沒(méi)有電子數(shù)字計(jì)算機(jī)就沒(méi)有信息革命，沒(méi)有信息化?，F(xiàn)在，計(jì)算機(jī)已經(jīng)像一個(gè)“精靈”一樣，影響著我們時(shí)代的方方面面。

電子數(shù)字計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵詞在“數(shù)字”這兩個(gè)字上。在很長(zhǎng)一段歷史時(shí)期內(nèi)，科學(xué)家的努力曾經(jīng)大量集中在模擬計(jì)算機(jī)（十進(jìn)制）的發(fā)展上，直到 20 世紀(jì)的 60—70 年代，模擬計(jì)算機(jī)才逐漸退出歷史舞臺(tái)。電子數(shù)字計(jì)算機(jī)的發(fā)明開(kāi)創(chuàng)了一個(gè)數(shù)字化的新時(shí)代，人類(lèi)社會(huì)一切物理形態(tài)的信息，包括數(shù)字、文字、圖片、語(yǔ)音、視頻，甚至于味覺(jué)和嗅覺(jué)，都可以用 0 和 1 這兩個(gè)代碼的不同長(zhǎng)度和組合來(lái)表述。僅僅用 0 和 1 這兩個(gè)最簡(jiǎn)單的代碼來(lái)表述世界上最復(fù)雜的事物，而且還可以進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算，彰顯了電子數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)的神奇和偉大。

計(jì)算機(jī)不僅可以做數(shù)學(xué)運(yùn)算，而且可以做邏輯運(yùn)算。換言之，人類(lèi)的一切邏輯思維活動(dòng)都可以計(jì)算機(jī)化，只要計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度足夠快、存儲(chǔ)量足夠大、體積足夠小、價(jià)格足夠低。這個(gè)目標(biāo)正在被科學(xué)家和工程師們逐次逼近。

計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展對(duì)于信息化的發(fā)展影響巨大而深遠(yuǎn)。在理論計(jì)算機(jī)科學(xué)方面，計(jì)算理論、信息與編碼理論、算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、編程語(yǔ)言理論、形式化方法等，對(duì)計(jì)算機(jī)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有決定性的影響。在應(yīng)用計(jì)算機(jī)科學(xué)方面，計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)與工程，計(jì)算機(jī)性能分析，計(jì)算機(jī)圖形與可視化，計(jì)算機(jī)安全與加密，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，并行、平行與分布系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，軟件工程等等，都是影響信息化系統(tǒng)工程項(xiàng)目建設(shè)和信息化發(fā)展水平的核心應(yīng)用技術(shù)。

網(wǎng)絡(luò)科學(xué)與技術(shù)在互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)明和發(fā)展之后，也成為信息化的重要科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)之一。毋庸置疑的是，現(xiàn)代的網(wǎng)絡(luò)科學(xué)與技術(shù)是完全數(shù)字化的、基于計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通信的網(wǎng)絡(luò)科學(xué)和技術(shù)，已經(jīng)成為應(yīng)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)組成部分。隨著網(wǎng)絡(luò)開(kāi)放化、虛擬化、彈性化、智能化趨勢(shì)的發(fā)展， OpenFlow 和軟件定義聯(lián)網(wǎng)（software-defined networking， SDN）等的廣泛應(yīng)用和發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)化的特征將更加凸顯，對(duì)于計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的依賴(lài)將更為加深。

2　信息化帶來(lái)創(chuàng)新發(fā)展的重大機(jī)遇

從過(guò)去 70 年的演進(jìn)來(lái)看，信息化經(jīng)歷了數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化這 3 個(gè)側(cè)重點(diǎn)不同的發(fā)展階梯，三者之間彼此并不排斥，也不是“你方唱罷我登場(chǎng)”［3］。從技術(shù)層面來(lái)看，信息化的發(fā)展環(huán)境已經(jīng)發(fā)生了非常大的變化。泛在化，即計(jì)算無(wú)處不在、數(shù)據(jù)無(wú)處不在、網(wǎng)絡(luò)無(wú)處不在、軟件無(wú)處不在，已經(jīng)在全球信息化比較發(fā)達(dá)的國(guó)家和地區(qū)基本形成。信息化發(fā)展到今天，至少在產(chǎn)品創(chuàng)新、系統(tǒng)創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新 3 個(gè)方面帶來(lái)了創(chuàng)新發(fā)展的重大機(jī)遇。限于篇幅，以下主要介紹產(chǎn)品創(chuàng)新、系統(tǒng)創(chuàng)新的主要方向。

2.1 產(chǎn)品創(chuàng)新

產(chǎn)品創(chuàng)新涉及人和物的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化，即產(chǎn)品的計(jì)算機(jī)化。智能手機(jī)的成功觸發(fā)了各種消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品的計(jì)算機(jī)化，電視、家居、穿戴設(shè)備、汽車(chē)等的計(jì)算機(jī)化，正在逐步成為現(xiàn)實(shí)。由于消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品量大面廣，市場(chǎng)巨大，產(chǎn)品數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的大潮已然形成。更重要的是，作為智能制造核心的生產(chǎn)工具、重大裝備，其計(jì)算機(jī)化勢(shì)在必行，這有可能把全社會(huì)的勞動(dòng)生產(chǎn)率提升到前所未有的新高度。“產(chǎn)品計(jì)算”正在成為計(jì)算機(jī)應(yīng)用發(fā)展的新邊疆。

人們生活、工作、生產(chǎn)所需的各種產(chǎn)品，種類(lèi)無(wú)數(shù)，大小不同，簡(jiǎn)單復(fù)雜程度各異。與之相應(yīng)，產(chǎn)品計(jì)算的水平也會(huì)由低到高、由簡(jiǎn)單到復(fù)雜。一雙球鞋和一架?chē)姎馐娇蜋C(jī)，計(jì)算機(jī)化的需求和計(jì)算的復(fù)雜程度顯然不可比擬。一般而言，智能化是產(chǎn)品計(jì)算追求的最高目標(biāo)；而隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，產(chǎn)品的數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化將成為產(chǎn)品計(jì)算的最低要求。

計(jì)算機(jī)化，將成為信息時(shí)代與工業(yè)時(shí)代產(chǎn)品的分水嶺。不具備信息時(shí)代特征的產(chǎn)品將逐漸被淘汰?！爱a(chǎn)品計(jì)算”使計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域更為寬廣，更顯重要，已經(jīng)成為當(dāng)今信息技術(shù)和信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力。

2.2 系統(tǒng)創(chuàng)新

系統(tǒng)創(chuàng)新主要是指信息系統(tǒng)走向人機(jī)物的一體化、自動(dòng)化、智能化。在信息化的新環(huán)境下，構(gòu)造智能物理系統(tǒng)（cyber-physical system，CPS）是系統(tǒng)創(chuàng)新的重要方向之一，特別是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)（industrial internet）中所涉及的一體化、自動(dòng)化、智能化的信息系統(tǒng)成為備受關(guān)注的焦點(diǎn)。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在內(nèi)涵上與工業(yè) 4.0 相似，有一個(gè)“5C”架構(gòu)［4］（圖 1），本質(zhì)上也是一個(gè)智能物理系統(tǒng)。最底層是一個(gè)智慧連接層（Smart C onnection），能把所有的物、人和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)聯(lián)接在一起，以求無(wú)障礙地獲取所需要的數(shù)據(jù)。第二層是數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換層（D/I C onversion），通過(guò)采集的數(shù)據(jù)，進(jìn)行知識(shí)挖掘和數(shù)據(jù)的智能分析，目的在于把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成信息。第三層是計(jì)算網(wǎng)絡(luò)層（C yber），作為信息的中心樞紐將數(shù)據(jù)和信息與期望值進(jìn)行對(duì)比分析。第四層是認(rèn)知層（C ognition），確認(rèn)監(jiān)控資產(chǎn)或設(shè)備狀況的用戶(hù)可視和支持決策。第五層是配置層（C onfiguration），實(shí)現(xiàn)由網(wǎng)絡(luò)空間至物理空間的反饋，完成調(diào)控整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)際操作。

圖1　工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的“5C”架構(gòu)

不難看出，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)是一個(gè)包括人、機(jī)、物在內(nèi)的，典型的反饋控制系統(tǒng)（圖 2）。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的控制對(duì)象就是人、機(jī)、物，它通過(guò)連接層（C1），把人、機(jī)、物連接在一起，通過(guò)反饋器來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和信息的轉(zhuǎn)換（C2），然后把期望值和采集到的數(shù)據(jù)信息做比較（C3），形成一個(gè)決策的指令（C4），最后通過(guò)控制器（C5）控制人、機(jī)、物。在這個(gè)反饋控制系統(tǒng)里，絕大部分都是通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，或工業(yè) 4.0，其重大意義并不僅在于為工業(yè)企業(yè)或制造企業(yè)設(shè)計(jì)了一個(gè)未來(lái)的智能化的信息化總體解決方案，而是在于其利用“信息系統(tǒng)/互聯(lián)網(wǎng)/物聯(lián)網(wǎng)/云計(jì)算/高端計(jì)算”構(gòu)造人、機(jī)、物一體化的反饋控制系統(tǒng)的基本思路，對(duì)于信息時(shí)代世界各國(guó)經(jīng)濟(jì)、政治、社會(huì)、軍事等重大系統(tǒng)的信息化重構(gòu)將產(chǎn)生意義深遠(yuǎn)的、革命性的重大影響。

圖2　新形態(tài)的反饋控制系統(tǒng)

在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，由于大量采用了計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)，使新系統(tǒng)由兩個(gè)主要部分構(gòu)成：一個(gè)是原有的物理部分（physical-components），另一個(gè)是嵌入的計(jì)算部分（cyber-components）。智能物理系統(tǒng)（cyber-physical system，CPS）的概念因而形成。兩個(gè)部分不斷地交換信息和進(jìn)行計(jì)算，實(shí)現(xiàn)信息、計(jì)算、通信和控制在一個(gè)系統(tǒng)中協(xié)同有效地工作。

智能物理系統(tǒng)構(gòu)造的是一個(gè)實(shí)現(xiàn)人、機(jī)、物一體化集成的系統(tǒng)，代表了信息系統(tǒng)與控制理論融合發(fā)展和創(chuàng)新的方向。智能物理系統(tǒng)帶來(lái)了很多理論上需要研究的問(wèn)題，特別是如何增強(qiáng)這類(lèi)系統(tǒng)的適應(yīng)性、自主性、功能性、可靠性、安全性、可用性和效率。美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)認(rèn)為，像互聯(lián)網(wǎng)改造了人們彼此之間的互動(dòng)方式一樣，智能物理系統(tǒng)將改造我們與物理世界的互動(dòng)方式。為此，2006 年，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)將智能物理系統(tǒng)確定為美國(guó)未來(lái)重點(diǎn)研究的領(lǐng)域之一，期盼在未來(lái)的 10—20 年之內(nèi)，智能物理系統(tǒng)發(fā)展成為一門(mén)新的學(xué)科。

3　智能化成為信息化競(jìng)爭(zhēng)制高點(diǎn)

智慧，或智能，本來(lái)是對(duì)人理解和領(lǐng)悟各種現(xiàn)象和事物的能力的一種描述，特別是對(duì)人的思維能力，即腦力的描述。信息化之所以和智慧、智能密切相關(guān)，是因?yàn)橛?jì)算機(jī)還有一個(gè)通俗的名字叫“電腦”。正是計(jì)算機(jī)的泛在化發(fā)展為信息化的智能化準(zhǔn)備了物質(zhì)基礎(chǔ)，而智能化的發(fā)展水平則成為了新階段全球各國(guó)信息化競(jìng)爭(zhēng)的制高點(diǎn)。

3.1 “智慧”源于計(jì)算科學(xué)

圖靈（A lan Turing）不僅奠定了電子計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)，而且預(yù)見(jiàn)了人工智能的可能性［5］。1950 年，圖靈發(fā)表的論文《計(jì)算機(jī)和智能》中，提出有可能制造出按照人類(lèi)思維的方式自己思維的計(jì)算機(jī)。1956 年夏天，一些研究神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自動(dòng)化理論以及智能的科學(xué)家在英國(guó)的達(dá)特茅斯工作了 6 周，共同研究和探討用機(jī)器模擬人類(lèi)智能的一系列相關(guān)問(wèn)題，首次提出了“人工智能（artificial intelligence，AI）”的概念。

在隨后的 60 年中，人工智能的發(fā)展跌宕起伏，概念被熱炒過(guò)，也有過(guò)充滿挫折的失望。在數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化日漸普及的今天，信息化的智能化，基本上就是人工智能重返人類(lèi)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的舞臺(tái)、向著各領(lǐng)域廣泛滲透的一個(gè)新的歷史進(jìn)程。與以往任何時(shí)候相比，人工智能在今天更具有現(xiàn)實(shí)意義。因?yàn)?，信息化發(fā)展到今天這一步，無(wú)論技術(shù)環(huán)境，還是應(yīng)用需求，都為人工智能的發(fā)展提供了難得的機(jī)遇。

2005 年 6 月，美國(guó)總統(tǒng)信息技術(shù)顧問(wèn)委員會(huì)在給美國(guó)總統(tǒng)遞交的一份題為《計(jì)算科學(xué)：確保美國(guó)的競(jìng)爭(zhēng)力》［6］報(bào)告中指出，“雖然以信息技術(shù)為動(dòng)力的革命正在加速進(jìn)行，計(jì)算科學(xué)與高端計(jì)算正在尖端科學(xué)、社會(huì)科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、工程研究、國(guó)防與國(guó)家安全以及產(chǎn)業(yè)革新方面扮演著中心的角色；然而，這個(gè)國(guó)家卻還沒(méi)有醒悟過(guò)來(lái)”。報(bào)告認(rèn)為，“在美國(guó)，計(jì)算科學(xué)的潛力只有較少的一部分正在得到利用”。眾所周知，美國(guó)是發(fā)明電子數(shù)字計(jì)算機(jī)的國(guó)家，也是世界上信息化最發(fā)達(dá)、最先進(jìn)的國(guó)家，美國(guó)總統(tǒng)信息技術(shù)顧問(wèn)委員會(huì)發(fā)出如此的評(píng)論，呼吁要喚醒全體美國(guó)人重視計(jì)算科學(xué)和高端計(jì)算，不能不引起人們的深思。

這個(gè)報(bào)告是否喚醒了全體美國(guó)人，尚不得而知。計(jì)算科學(xué)和高端計(jì)算的重要意義何在，確是值得每一個(gè)中國(guó)科學(xué)家深入思考的問(wèn)題。十年以后的今天，中國(guó)的科學(xué)技術(shù)界是否已經(jīng)普遍地認(rèn)識(shí)到這個(gè)問(wèn)題的重要性及其現(xiàn)實(shí)意義，不僅對(duì)于中國(guó)信息化是否能夠向著智能化這個(gè)高端發(fā)展具有決定性的影響，而且對(duì)于中國(guó)的科技創(chuàng)新能力、科學(xué)研究的效率、科學(xué)研究水平的提升也極為關(guān)鍵。

3.2 計(jì)算科學(xué)是融合型科學(xué)

美國(guó)總統(tǒng)信息技術(shù)顧問(wèn)委員會(huì)對(duì)計(jì)算科學(xué)提供了一個(gè)定義，即：計(jì)算科學(xué)是一個(gè)迅速成長(zhǎng)的、利用先進(jìn)的計(jì)算能力去認(rèn)識(shí)和解決復(fù)雜問(wèn)題的多學(xué)科合成的領(lǐng)域，它“融合”了3個(gè)不同的元素（圖3）：（1）算法、建模和模擬軟件，用以解決科學(xué)（如生物學(xué)、物理學(xué)、社會(huì)學(xué)等）、工程以及人文學(xué)科中的各種問(wèn)題；（2）計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)，發(fā)展和優(yōu)化各種系統(tǒng)硬件、軟件、網(wǎng)絡(luò)及數(shù)據(jù)管理等要素，以解決計(jì)算中需要解決的各種問(wèn)題；（3）計(jì)算的基礎(chǔ)設(shè)施，用以支持各種科學(xué)和工程問(wèn)題的解決和計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)自身的發(fā)展。圖3表明，計(jì)算科學(xué)的外圍幾乎無(wú)所不包，不僅包括政治學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、物理學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、社會(huì)學(xué)、工程學(xué)、人文學(xué)科，還包括能源、制造業(yè)、氣象學(xué)，以及國(guó)家安全，等等。正是計(jì)算科學(xué)向全社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域的滲透，覆蓋各個(gè)學(xué)科門(mén)類(lèi)、各行各業(yè)，提升了各行各業(yè)的科學(xué)水平和相對(duì)應(yīng)的智能化水平。

圖3　計(jì)算科學(xué)的定義

顯然，發(fā)展計(jì)算科學(xué)和高端計(jì)算并不僅僅是一個(gè)發(fā)展超級(jí)計(jì)算機(jī)的問(wèn)題。計(jì)算科學(xué)的發(fā)展實(shí)際上取決于6個(gè)要素，即：超級(jí)計(jì)算機(jī)（計(jì)算能力）、網(wǎng)絡(luò)（計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用）、建模（問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型）、算法（編程）、軟件（實(shí)現(xiàn)模擬計(jì)算）和結(jié)果分析（數(shù)據(jù)處理技術(shù)和軟件）。當(dāng)然，支配這6個(gè)要素的是人——計(jì)算科學(xué)家，即精于計(jì)算技能的科學(xué)家和洞悉相關(guān)學(xué)科的計(jì)算機(jī)專(zhuān)家。沒(méi)有行行都通的、萬(wàn)能的計(jì)算科學(xué)家，只有某一個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的計(jì)算科學(xué)家。計(jì)算科學(xué)家是信息時(shí)代極為重要的一類(lèi)復(fù)合型人才。

特別需要指出的是，發(fā)展超級(jí)計(jì)算機(jī)、各種網(wǎng)絡(luò)和軟件，都只是為發(fā)展高端計(jì)算準(zhǔn)備了條件。真正地實(shí)現(xiàn)對(duì)某一問(wèn)題的高端計(jì)算，關(guān)鍵還在建模和算法，只有對(duì)該學(xué)科問(wèn)題有透徹的了解、深入的研究和分析，才有能力建立問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)已有的各種數(shù)值計(jì)算技術(shù)和軟件設(shè)計(jì)計(jì)算方法。因此，學(xué)科自身的研究水平、研究人員的計(jì)算機(jī)技能水平、學(xué)科的信息化水平和信息能力等，皆與該學(xué)科計(jì)算科學(xué)的發(fā)展密切相關(guān)。從人才培養(yǎng)的角度來(lái)看，大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)都需要做出結(jié)構(gòu)性的調(diào)整，才有可能培育出跨學(xué)科的、高水平的計(jì)算科學(xué)家。我國(guó)對(duì)超級(jí)計(jì)算機(jī)發(fā)展比較重視，發(fā)展計(jì)算科學(xué)則顯得力度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

綜上所述，過(guò)去 70 年，信息化的發(fā)展基本上是依托于計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展；而未來(lái)，信息化向高端的發(fā)展——智能化，主要依托的則是計(jì)算科學(xué)的發(fā)展，各行各業(yè)無(wú)一例外。超級(jí)計(jì)算機(jī)（計(jì)算能力）和網(wǎng)絡(luò)（計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用）都只是計(jì)算科學(xué)的要素之一。目前，真正的難點(diǎn)在于推動(dòng)計(jì)算科學(xué)和高端計(jì)算在全社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展。

4　推進(jìn)科學(xué)研究的數(shù)字化革命

“科學(xué)”正在經(jīng)歷一場(chǎng)數(shù)字化革命，2013 年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的頒發(fā)證明了這一點(diǎn)。信息革命和信息化源于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步。信息化一直在“革”傳統(tǒng)工業(yè)、傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)、傳統(tǒng)服務(wù)業(yè)的“命”，現(xiàn)在，則開(kāi)始“革”科學(xué)本身的“命”了。

4.1 2013 年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的啟示

2013 年 10 月 9 日，瑞典皇家科學(xué)院宣布，將諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予美國(guó)科學(xué)家馬丁·卡普拉斯（Martin Karplus）、邁克爾?勒維特（M ichael Levitt）和阿里耶?瓦謝爾（Arieh Warshel），以表彰他們“在開(kāi)發(fā)多尺度復(fù)雜化學(xué)系統(tǒng)模型方面所作的貢獻(xiàn)”。

諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)評(píng)選委員會(huì)指出［7］：“他們讓經(jīng)典物理學(xué)與迥然不同的量子物理學(xué)在化學(xué)研究中‘并肩作戰(zhàn)’。以前，化學(xué)家必須二選其一。依靠用塑料棒和桿創(chuàng)建模型的經(jīng)典物理學(xué)方法的優(yōu)勢(shì)在于計(jì)算簡(jiǎn)單且能為大分子建模，但其無(wú)法模擬化學(xué)反應(yīng)；而如果化學(xué)家選擇使用量子物理學(xué)計(jì)算化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，巨大的計(jì)算量又使得其只能應(yīng)付小分子。為此，在 20 世紀(jì) 70 年代，這 3 位科學(xué)家設(shè)計(jì)出這種多尺度模型，讓傳統(tǒng)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)走上了信息化的快車(chē)道。”

事實(shí)上，“建模”往往是科學(xué)研究中對(duì)物理問(wèn)題做出數(shù)學(xué)抽象的最困難的一環(huán)。建模不可能由純數(shù)學(xué)家或軟件科學(xué)家完成。不懂得該門(mén)科學(xué)，不吃透所研究的問(wèn)題，不可能建成被研究問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型，雖然現(xiàn)在已經(jīng)有了很多輔助建模軟件。而沒(méi)有“建?！?，高端計(jì)算就沒(méi)有計(jì)算的對(duì)象和方法。從這個(gè)意義上來(lái)說(shuō)，不懂高端計(jì)算的科學(xué)家不是信息時(shí)代的科學(xué)家。當(dāng)然，計(jì)算科學(xué)對(duì)于科學(xué)研究的重要性尚遠(yuǎn)不止“建?！边@一環(huán)。

諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)評(píng)選委員會(huì)認(rèn)為：“多尺度化學(xué)系統(tǒng)模型的出現(xiàn)，翻開(kāi)了化學(xué)史的新篇章，化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的速度堪比光速，剎那間電子就從一個(gè)原子核跳到另一個(gè)原子核，以前，對(duì)化學(xué)反應(yīng)的每個(gè)步驟進(jìn)行追蹤幾乎是不可能完成的任務(wù)，而在由這 3 位科學(xué)家研發(fā)出的多尺度模型的輔助下，化學(xué)家們讓計(jì)算機(jī)‘做幫手’來(lái)揭示化學(xué)過(guò)程?！憋@然，沒(méi)有高端計(jì)算，就不可能真正揭露化學(xué)反應(yīng)的微觀過(guò)程。諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)評(píng)審委員會(huì)在當(dāng)天發(fā)表的聲明中還說(shuō)：“現(xiàn)在，對(duì)化學(xué)家來(lái)說(shuō)，計(jì)算機(jī)是同試管一樣重要的工具，計(jì)算機(jī)對(duì)真實(shí)生命的模擬已為化學(xué)領(lǐng)域大部分研究成果的取得立下了‘汗馬功勞’。通過(guò)模擬，化學(xué)家能更快獲得比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)更精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)結(jié)果”。

對(duì)于任何一個(gè)科學(xué)領(lǐng)域，計(jì)算科學(xué)都是一個(gè)重要的工具，都有可能翻開(kāi)該學(xué)科一個(gè)新的篇章。2013 年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的頒發(fā)還說(shuō)明，科學(xué)家加入到信息化的行列中來(lái)，不僅不是什么“掉份”的事，而是引領(lǐng)學(xué)科發(fā)展的前沿！

信息革命和信息化對(duì)于人類(lèi)社會(huì)發(fā)展的革命性影響是全方位的，“科學(xué)”不能“自傲地”置身事外。一場(chǎng)科學(xué)的數(shù)字化革命正在蓬勃發(fā)展，將使科學(xué)研究走向智能化，即智慧的科學(xué)研究（smart science），對(duì)于加快科學(xué)探索的創(chuàng)新發(fā)展意義極為深遠(yuǎn)。

4.2 科學(xué)的數(shù)字化革命

關(guān)于“科學(xué)的數(shù)字化革命”，至少可以從學(xué)科的數(shù)字化、計(jì)算機(jī)輔助科學(xué)研究、戰(zhàn)略性新興學(xué)科 3 個(gè)方面進(jìn)行探討［8］。以下著重介紹與計(jì)算科學(xué)發(fā)展密切相關(guān)的兩個(gè)方面。

（1）學(xué)科的數(shù)字化。任何一門(mén)學(xué)科都需要依托于計(jì)算科學(xué)加快發(fā)展。目前，科學(xué)結(jié)構(gòu)變革的首要問(wèn)題是學(xué)科的數(shù)字化?？茖W(xué)研究和技術(shù)創(chuàng)新都離不開(kāi)數(shù)據(jù)和信息。如果沒(méi)有數(shù)字化，就不可能利用計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行處理和傳播，學(xué)科就不可能進(jìn)入數(shù)字世界，在信息時(shí)代就一定會(huì)逐漸被邊緣化，學(xué)科本身不僅不可能發(fā)展，而且會(huì)逐漸走向衰落。不僅論文、學(xué)術(shù)報(bào)告、實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)需要數(shù)字化，學(xué)科的理論體系、研究方法、實(shí)驗(yàn)儀器、科研裝備和計(jì)量、檢測(cè)手段等都需要建立在數(shù)字化的基礎(chǔ)上，使學(xué)科研究得以在數(shù)字空間、網(wǎng)絡(luò)空間加速進(jìn)行。

控制科學(xué)中的卡爾曼濾波器理論就是一個(gè)很好的例證?？柭鼮V波器在現(xiàn)代控制理論中具有劃時(shí)代意義，其發(fā)明者魯?shù)婪颉た柭≧udolph E. Kalman）在 1960 年提出這一創(chuàng)意的時(shí)候，本意只是解決時(shí)變線性系統(tǒng)的濾波和估值問(wèn)題，結(jié)果卻推動(dòng)了現(xiàn)代控制理論由頻域向時(shí)域的變革，進(jìn)而在時(shí)域建立了一套比頻域更完整、更豐富的理論體系，為現(xiàn)代控制理論的變革、控制科學(xué)的數(shù)字化，以及計(jì)算機(jī)進(jìn)入控制理論和工程作出了重要的貢獻(xiàn)。

學(xué)科數(shù)字化勢(shì)在必行。必須發(fā)展數(shù)字?jǐn)?shù)學(xué)、數(shù)字化學(xué)、數(shù)字物理等，把學(xué)科的發(fā)展建立在計(jì)算科學(xué)的基礎(chǔ)上。唯有計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)能夠進(jìn)入并發(fā)揮重要作用的學(xué)科，才有可能開(kāi)辟新的研究和發(fā)現(xiàn)、發(fā)明、創(chuàng)新的途徑，鑄就學(xué)科發(fā)展的新篇章。

（2）計(jì)算機(jī)輔助科學(xué)研究。在科學(xué)研究各領(lǐng)域，“計(jì)算機(jī)輔助科學(xué)研究（com puter aided scientific research，CASR）”成為科學(xué)軟件的一個(gè)重要門(mén)類(lèi)，在提高科學(xué)研究的勞動(dòng)生產(chǎn)率和促進(jìn)科學(xué)研究的創(chuàng)新發(fā)展方面，發(fā)展空間極大。我國(guó)的發(fā)展尚遠(yuǎn)不如預(yù)期。

CASR不是、也不可能替代科學(xué)家的創(chuàng)新思維，但是可以有條件地替代科學(xué)家的某些腦力勞動(dòng)，最大限度地節(jié)約科學(xué)家的時(shí)間和精力，使科學(xué)家在研究成果產(chǎn)生之前、之中、之后，都能夠把時(shí)間和精力更多地集中于創(chuàng)新思維，用最有效果和最有效率的計(jì)算機(jī)輔助方法，驗(yàn)證科學(xué)家的各種新想法、新觀察、新思路。

目前，各種計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)，實(shí)際上扮演的早已不是輔助角色，而是主角，包括計(jì)算機(jī)輔助信息獲取、計(jì)算機(jī)輔助建模、計(jì)算機(jī)算法和模擬軟件、科學(xué)數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)可視化等。很顯然，不同的學(xué)科，計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的內(nèi)涵和技術(shù)各不相同，各有各的發(fā)展空間和發(fā)展方向。需要該學(xué)科的科學(xué)家和計(jì)算機(jī)科學(xué)家一起努力。CASR 是典型的科學(xué)軟件，是提高科學(xué)研究勞動(dòng)生產(chǎn)率的有力工具，對(duì)于提高科學(xué)研究的質(zhì)量、有效性、效率，以及加快科學(xué)研究探索和創(chuàng)新的速度都極為重要。科學(xué)軟件的發(fā)展空間非常之大。比起工業(yè)軟件來(lái)，科學(xué)軟件的重要性毫不遜色，其對(duì)科學(xué)的發(fā)展和創(chuàng)新速度影響深遠(yuǎn)，作為軟件產(chǎn)業(yè)向高端發(fā)展的重要方向，更應(yīng)受到重視。事實(shí)上，當(dāng)代科研創(chuàng)新的競(jìng)爭(zhēng)，首先表現(xiàn)為“科學(xué)軟件”的競(jìng)爭(zhēng)。

1 周宏仁. 全面提高信息化水平//中國(guó)信息化形勢(shì)分析與預(yù)測(cè)（2011）. 北京： 社會(huì)科學(xué)文獻(xiàn)出版社， 2011.

2 Leibniz G， Exp lication de l' A rithmétique Binaire， Die Mathematische Schriften， ed. C. Gerhardt， Berlin 1879， 7： 223；Engl. transl.

3 周宏仁. 中國(guó)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)化時(shí)代//中國(guó)信息化形勢(shì)分析與預(yù)測(cè)（2012）. 北京： 社會(huì)科學(xué)文獻(xiàn)出版社， 2012.

4 Lee J， Bagheri B， Kao H An. A Cyber-physical systems architecture for industry 4.0-based manufacturing systems. Manufacturing Letters， 2015， 3： 18-23. Doi：10.1016/j.m fglet.2014.12.001.

5 邁克爾·阿拉比， 德雷克·杰特森. 科學(xué)大師（下卷）. 陳澤加，譯. 上海： 上?？茖W(xué)普及出版社， 2003.

6President's Information Technology Advisory Comm ittee. Computational Science： Ensuring America's Com petitiveness， June 2005. ［2016-3-1］. http：//www.scribd.com/doc/105825174/PITAC-Report-Com putational-Science-Ensuring-America-s-Competitiveness.

7 2013年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng). ［2016-3-1］. http：//baike.baidu.com/ link？url=Igsi2poAaC47939PpXGoyb8VCgmpLfM t8DsYYss1x-4CqZViJ6UlIMF-hVUL0A-T-piPZTe8crdm6EyWGEbtuF_

8 周宏仁. 科學(xué)的數(shù)字化革命//中國(guó)科學(xué)院信息化工作動(dòng)態(tài). ［2016-3-1］. http：//www.cnic.cn/qkbg/xxhgzdt/qk/201407/ t20140718_4160651.htm l.

周宏仁國(guó)家信息化專(zhuān)家咨詢(xún)委員會(huì)常務(wù)副主任，研究員。1962年畢業(yè)于北京航空學(xué)院（現(xiàn)北京航空航天大學(xué)），1984年獲美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)電機(jī)系控制科學(xué)博士。主要研究方向包括現(xiàn)代控制理論、信息化理論與實(shí)踐、信息化戰(zhàn)略與管理、電子政務(wù)和電子商務(wù)等。E-mail： liaojin115@126.com

Zhou HongrenGraduated from Beijing Institute of Aeronautics （now Beijing University of Aeronautics and Astronautics） in 1962， received Ph.D. degree from University of Minnesota in 1984， Professor， serves as the executive vice chiarman for State Informatization. His research mainly covers modern control theory， informatization theory and practice， informatization strategy and management， e-government， and e-business. E-mail： liaojin115@126.com

In formatization：From Com puter Science to Com putational Science

Zhou Hongren
（Advisory Comm ittee for State Informatization， Beijing 100010， China）

The origination and development of informatization over the past seventy years and the role of com puter science has played w ithin them are discussed. The three steps that the global informatization course has experienced， i.e.， digitization， networking， and intelligence，are described， and the new development environment for the future of informatization， formed by the ubiquity of computer， network， data，and software， is emphasized. It is indicated that intelligence， or smartness， has become the new high ground of the global competition on informatization， and， in the meantime， computational science， instead of computer science alone， has been the scientific and technical foundation of the new step of g lobal informatization. Accordingly， scientists o f all disciplines， no matter w ith respect to natural sciences or liberal arts， cannot possibly keep out of informatization. 2013 Nobel Prize Winners for Chem istry shows that computational science is a powerful tool to open a new chapter for all disciplines and the digital revolution of science is the frontier of the development which any subjects must face today.

computer science， computational science， industrial internet， digitization of subjects， computer-aided scientific research

10.16418/j.issn.1000-3045.2016.06.001

*修改稿收到日期：2016 年 3月5日