中國虛擬天文臺(tái)的核心功能需求調(diào)查分析?

許允飛， 樊東衛(wèi)， 崔辰州， 何勃亮， 李長華， 于 策， 肖 健，李珊珊， 米琳瑩， 韓 軍， 陶一寒， 王傳軍， 張海龍， 劉 梁，李 正， 韓 敘， 楊絲絲， 楊涵溪， 和 蘭， 張 磊， 崔 順，，王川中，， 蘇麗穎， 陳 力， 喬翠蘭0， 許 謙， 李鄉(xiāng)儒， 楊海峰2，曹子皇，王俊峰，強(qiáng)振平，白春海，周衛(wèi)紅5，袁國武， 柏正堯，李 冀，鄭子鵬，和壽圣，屈彩霞2，孫繼先，逯登榮，趙永恒

(1.中國科學(xué)院國家天文臺(tái)，北京 100101；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.天津大學(xué)智能與計(jì)算學(xué)部，天津 300350；4.中國科學(xué)院云南天文臺(tái)，云南昆明 650216；5.中國科學(xué)院天體結(jié)構(gòu)與演化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南昆明 650216；6.中國科學(xué)院新疆天文臺(tái)，新疆烏魯木齊 830011；7.中國科學(xué)院紫金山天文臺(tái)，江蘇南京 210008；8.北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京 100124；9.中國科學(xué)院上海天文臺(tái)，上海 200030；10.華中師范大學(xué)，湖北武漢 430079；11.華南師范大學(xué)，廣東廣州 510631；12.太原科技大學(xué)，山西太原 030024；13.廈門大學(xué)，福建廈門 361005；14.西南林業(yè)大學(xué)，云南昆明 650224；15.云南民族大學(xué)，昆明云南 650500；16.云南大學(xué)，云南昆明 650500；17.河北師范大學(xué)，河北石家莊 050024；18.河北工業(yè)大學(xué)，天津 300401；19.中國科學(xué)院紫金山天文臺(tái)青海觀測站，青海德令哈 817000)

1 虛擬天文臺(tái)現(xiàn)狀

隨著天文學(xué)的不斷發(fā)展，科研協(xié)作日益廣泛，傳統(tǒng)的研究模式也必須改變。2000年前后，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)天文數(shù)據(jù)所有訪問過程的標(biāo)準(zhǔn)化，天文學(xué)家提出了一個(gè)跨天文學(xué)科、計(jì)算機(jī)學(xué)科、信息學(xué)科的概念——虛擬天文臺(tái)(Virtual Observatory，VO)。虛擬天文臺(tái)是通過先進(jìn)的信息技術(shù)將全球范圍內(nèi)的天文研究資源無縫透明地連結(jié)在一起形成的環(huán)境，用于數(shù)據(jù)密集型網(wǎng)絡(luò)化天文研究和科普教育[1]。虛擬天文臺(tái)通過利用最先進(jìn)的計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)將各種天文研究資源，包括觀測數(shù)據(jù)、天文文獻(xiàn)、計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源、軟件服務(wù)，甚至天文觀測設(shè)備，以統(tǒng)一的服務(wù)模式無縫地匯集在一個(gè)物理上分散、邏輯上統(tǒng)一的系統(tǒng)。經(jīng)過近二十年的發(fā)展，虛擬天文臺(tái)統(tǒng)一了各個(gè)數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)的訪問標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)成為天文學(xué)研究重要的信息化支撐平臺(tái)。

2002年，以中國科學(xué)院國家天文臺(tái)為首的中國天文學(xué)界提出了中國虛擬天文臺(tái)(China-VO)的設(shè)想。中國虛擬天文臺(tái)的重點(diǎn)研發(fā)領(lǐng)域包括系統(tǒng)平臺(tái)的開發(fā)、國內(nèi)外天文研究資源的統(tǒng)一訪問、基于虛擬天文臺(tái)的天文研究示范和天文科普教育等幾方面[2]。中國虛擬天文臺(tái)的目標(biāo)是在天文學(xué)和信息技術(shù)之間起到橋梁和紐帶的作用，促進(jìn)先進(jìn)的信息技術(shù)服務(wù)于天文學(xué)研究。

2013年，中國虛擬天文臺(tái)基于CloudStack云計(jì)算中間件開始了公共服務(wù)平臺(tái)的研發(fā)，在國內(nèi)多個(gè)地方部署了云節(jié)點(diǎn)。自2016年下半年開始，以國家天文臺(tái)-阿里云建立戰(zhàn)略合作關(guān)系為切入點(diǎn)，中國虛擬天文臺(tái)全面探索“公共云+專有云”的混合架構(gòu)方案。中國虛擬天文臺(tái)云服務(wù)平臺(tái)充分利用各臺(tái)站和中科院現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)、計(jì)算等基礎(chǔ)設(shè)施，借助信息領(lǐng)域和虛擬天文臺(tái)領(lǐng)域的先進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)，以天文觀測數(shù)據(jù)匯交、共享和使用及國內(nèi)核心天文觀測設(shè)備的時(shí)間申請(qǐng)、審批為線索，融合天文觀測和科研活動(dòng)所需計(jì)算、存儲(chǔ)、軟件等資源，形成一個(gè)物理上分散、邏輯上統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)化科學(xué)研究平臺(tái)。

現(xiàn)階段，中國虛擬天文臺(tái)公共服務(wù)平臺(tái)已經(jīng)發(fā)展了國家天文臺(tái)(北京)、紫金山天文臺(tái)(南京)、上海天文臺(tái)(上海)、云南天文臺(tái)(昆明)、新疆天文臺(tái)(烏魯木齊)、南京大學(xué)(南京)和阿里云(杭州)等7個(gè)節(jié)點(diǎn)；為興隆LAMOST、13.7 m毫米波望遠(yuǎn)鏡、佘山1.56 m、麗江2.4 m、南山25 m等10多套觀測設(shè)備提供數(shù)據(jù)管理和開放共享服務(wù)；為麗江2.4 m、興隆2.16 m等望遠(yuǎn)鏡提供時(shí)間申請(qǐng)服務(wù)；為中國科學(xué)院大學(xué)、南京大學(xué)等提供云教學(xué)環(huán)境；為上千位科研用戶提供虛擬機(jī)等服務(wù)；基于國內(nèi)業(yè)余天文觀測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)了19顆超新星和新星；注冊(cè)用戶超過21 000人。2015年初，中國虛擬天文臺(tái)入選“中國科學(xué)院科研信息化十大優(yōu)秀案例”。在 “互聯(lián)網(wǎng)+”大數(shù)據(jù)時(shí)代 ，中國虛擬天文臺(tái)正在為天文學(xué)的發(fā)展發(fā)揮越來越大的信息化支撐服務(wù)作用。

2 新的需求和挑戰(zhàn)

隨著雙中子星并合引力波事件GW170817及其電磁對(duì)應(yīng)體的發(fā)現(xiàn)[3]，以及IceCube-170922A高能中微子的BL型耀變體的證認(rèn)和表征[4]，天文學(xué)進(jìn)入了多信使科學(xué)發(fā)現(xiàn)的新時(shí)代。與此同時(shí)，以大口徑全天巡視望遠(yuǎn)鏡(Large Synoptic Survey Telescope，LSST)和平方千米射電望遠(yuǎn)鏡陣(Square Kilometer Array，SKA)為代表的時(shí)域概要式巡天項(xiàng)目開啟了時(shí)域天文學(xué)探索和發(fā)現(xiàn)的新時(shí)代，同時(shí)也帶來了巨大挑戰(zhàn)。多信使天文學(xué)和時(shí)域天文學(xué)的開展強(qiáng)烈地依賴信息技術(shù)，需要一個(gè)非常強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)，包括數(shù)據(jù)處理流水線，歸檔，事件自動(dòng)檢測、分類和發(fā)布，以及數(shù)據(jù)的高效融合等。天文學(xué)正在從發(fā)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)的科學(xué)轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、科學(xué)引導(dǎo)的科學(xué)，即數(shù)據(jù)密集型科學(xué)。而虛擬天文臺(tái)的目標(biāo)正是要把天文學(xué)從老的數(shù)據(jù)貧乏的研究體制變革到新的數(shù)據(jù)極大豐富的研究體制，充分利用信息技術(shù)解決數(shù)據(jù)密集型的多信使天文發(fā)現(xiàn)時(shí)代的挑戰(zhàn)。

新時(shí)代帶來的挑戰(zhàn)對(duì)于虛擬天文臺(tái)的技術(shù)支撐能力提出了更高的要求。雖然中國虛擬天文臺(tái)已經(jīng)有了相當(dāng)多的資源和技術(shù)積累，但距離時(shí)域天文學(xué)和多信使天文學(xué)所需研究的能力和技術(shù)需求還存在很大的差距。新一代觀測設(shè)備產(chǎn)生的PB級(jí)的數(shù)據(jù)流給數(shù)據(jù)處理和挖掘帶來了全新挑戰(zhàn)，其中關(guān)鍵的一方面是實(shí)時(shí)大數(shù)據(jù)流處理分析[5-6]。由于大量的多信使觀測和時(shí)域觀測事件是暫現(xiàn)的，事件的檢測以及及時(shí)恰當(dāng)?shù)碾S動(dòng)觀測非常重要，這需要望遠(yuǎn)鏡獲取數(shù)據(jù)的同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，自動(dòng)可靠地檢測、分析暫現(xiàn)事件，并根據(jù)優(yōu)先級(jí)安排及時(shí)地隨動(dòng)觀測。此外，還需要程控望遠(yuǎn)鏡替代人工編排、執(zhí)行時(shí)域觀測，并自動(dòng)完成時(shí)域事件的發(fā)現(xiàn)和分類。以上過程中的需求可以概括為“多波段、多信使海量數(shù)據(jù)的高效融合”。數(shù)據(jù)融合與互操作是虛擬天文臺(tái)的核心科學(xué)目標(biāo)和技術(shù)能力，以往的數(shù)據(jù)融合研究主要集中在多波段方面，多信使數(shù)據(jù)的融合研究剛剛起步。同時(shí)，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合與互操作研究大多是為滿足傳統(tǒng)科研課題的需要，而不是時(shí)域天文學(xué)科學(xué)計(jì)劃甚至科學(xué)工程的需要，對(duì)于完成時(shí)限等性能方面的問題沒有嚴(yán)肅的考慮。因此，目前中國虛擬天文臺(tái)尚不完全具備“多波段、多信使海量數(shù)據(jù)的高效融合”條件，亟需對(duì)自己的核心能力進(jìn)行提升。

3 核心能力調(diào)研

基于以上認(rèn)知，中國虛擬天文臺(tái)團(tuán)隊(duì)針對(duì)時(shí)域天文學(xué)和多信使天文學(xué)涉及的主要關(guān)鍵技術(shù)需求進(jìn)行了梳理，并以調(diào)查問卷的形式向中國虛擬天文臺(tái)學(xué)術(shù)委員會(huì)的專家和廣大用戶公開征求意見，希望通過調(diào)查確定未來一段時(shí)期的主要努力方向和目標(biāo)。調(diào)研問卷包含中國虛擬天文臺(tái)團(tuán)隊(duì)所提供服務(wù)內(nèi)容的各方面，涉及文件存儲(chǔ)服務(wù)、數(shù)據(jù)檢索服務(wù)、數(shù)據(jù)可視化、交叉證認(rèn)服務(wù)、在線計(jì)算服務(wù)、遠(yuǎn)程天文臺(tái)自動(dòng)化控制、自動(dòng)化數(shù)據(jù)分類方法、平臺(tái)拓展建設(shè)共8部分。每部分包含若干關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)，共計(jì)23條具體需求。問卷中描述了每條關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用范圍和技術(shù)特征，具體如表1。

表1 中國虛擬天文臺(tái)核心功能調(diào)研明細(xì)Table 1 Contents of China-VO core functions survey

(continued table)

本文分別對(duì)這8部分的需求進(jìn)行了前沿技術(shù)調(diào)研。如何實(shí)現(xiàn)高效的文件存儲(chǔ)服務(wù)和數(shù)據(jù)檢索服務(wù)一直是虛擬天文臺(tái)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。除了本地大數(shù)據(jù)的高速讀寫，隨著多節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)中心的不斷建設(shè)，異地?cái)?shù)據(jù)檢索和分級(jí)存儲(chǔ)也是當(dāng)前研究的重點(diǎn)。天文數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)格式是比較多元化的，主流數(shù)據(jù)格式包括FITS，CASA和HDF5，大量碎片化的數(shù)據(jù)帶來了極高的輸入/輸出消耗，因而迫切需要實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的并行讀寫策略、分布存儲(chǔ)策略，并提供無縫數(shù)據(jù)訪問服務(wù)。現(xiàn)階段業(yè)界較為流行的分布式并行存儲(chǔ)系統(tǒng)包括Lustre，Haystack，HDFS，TFS等，它們?cè)O(shè)計(jì)思路基本相似，主要包含一個(gè)底層的文件存儲(chǔ)系統(tǒng)及一個(gè)目錄服務(wù)，通過高效的目錄檢索進(jìn)行底層文件的存取。除了分布式文件存儲(chǔ)系統(tǒng)外，高效數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和檢索還依賴于高效的索引技術(shù)。天體的赤經(jīng)、赤緯是二維向量，通過將二維向量映射為一維數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)天體坐標(biāo)的索引。可行的方法是將天球面劃分為多個(gè)子區(qū)域，并給予子區(qū)域唯一編號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)空間的索引。較為常用的方法包括球面三角網(wǎng)格劃分HTM，HEALPix以及Zones等，這些方法在斯隆數(shù)字化巡天(Sloan Digital Sky Survey，SDSS)，明安圖超寬頻譜射電日像儀(Mingantu Ultrawide Spectral Radio Heliograph，MUSER)，大口徑全天巡視望遠(yuǎn)鏡等項(xiàng)目中分別得到應(yīng)用。

數(shù)據(jù)可視化包括圖像分層可視化和星表分層可視化，主要用于全天星圖的展示和全天星表分布的展示。這里主要強(qiáng)調(diào)分層的可視化，是指對(duì)于海量數(shù)據(jù)采用基于分辨率、星等亮度等條件漸進(jìn)式的可視化。常用的方法為層次細(xì)節(jié)技術(shù)(Level of Details，LOD)，主要實(shí)現(xiàn)包括四叉樹、八叉樹算法等。美國國家航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)的Skyview系統(tǒng)，法國斯特拉斯堡天文數(shù)據(jù)中心(Centre de Données astronomiques de Strasbourg，CDS)的Aladin系統(tǒng)均實(shí)現(xiàn)了大數(shù)據(jù)條件下的全天圖像拼接。

交叉證認(rèn)的核心方法是計(jì)算兩個(gè)目標(biāo)之間的距離，如果小于閾值則認(rèn)為兩個(gè)目標(biāo)為同一天體。國內(nèi)外，交叉證認(rèn)的研究已經(jīng)取得了一系列成果，如基于HTM索引分區(qū)與kd-tree的最近鄰算法[7]、基于MapReduce的分布式交叉證認(rèn)方法[8]、基于HEALPix與Zones Algorithm的圖形處理器集群算法[9]等。但是，在多波段、多信使數(shù)據(jù)交叉證認(rèn)及置信度估計(jì)方面還有許多關(guān)鍵技術(shù)需要突破。

自動(dòng)化數(shù)據(jù)分類方法主要面向時(shí)域天文領(lǐng)域的海量數(shù)據(jù)分析。隨著新一代觀測設(shè)備的不斷投入使用，將會(huì)獲取海量不同波段的暫現(xiàn)源觀測數(shù)據(jù)，現(xiàn)有數(shù)據(jù)分類的方法已不能滿足大數(shù)據(jù)時(shí)代的處理要求，借助人工智能尤其是深度學(xué)習(xí)方法將是一條可行之路。在圖像數(shù)據(jù)分類上，深度學(xué)習(xí)方法已經(jīng)發(fā)展出一系列經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用檢驗(yàn)的網(wǎng)絡(luò)，如卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的ResNet，Alexnet，VGG等，均可以應(yīng)用到不同波段圖像數(shù)據(jù)甚至光譜數(shù)據(jù)的分類中。

在線計(jì)算服務(wù)的主要目標(biāo)是方便科研人員便捷高效地進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，無需將大量的數(shù)據(jù)從線上存儲(chǔ)下載到本地，也無需在本地計(jì)算機(jī)上部署復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理環(huán)境，直接通過在線平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)處理、計(jì)算、分析等操作。CasJobs就是這樣一個(gè)大型科學(xué)數(shù)據(jù)庫的在線工作平臺(tái)，以網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的形式提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫檢索和操作功能，它最初用于斯隆數(shù)字巡天的數(shù)據(jù)在線處理，現(xiàn)已由中國虛擬天文臺(tái)團(tuán)隊(duì)集成至郭守敬望遠(yuǎn)鏡的巡天星表數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中。Jupyter Hub廣泛用于天文數(shù)據(jù)的在線處理，它的使用方法類似于Jupyter notebook，提供了一個(gè)在線的Python編寫與運(yùn)行平臺(tái)，可以提供多用戶登錄使用，后臺(tái)可以是計(jì)算力強(qiáng)大的計(jì)算集群，且可擴(kuò)展能力強(qiáng)，是實(shí)現(xiàn)在線計(jì)算服務(wù)的良好平臺(tái)。

遠(yuǎn)程天文臺(tái)憑借連續(xù)觀測、快速反應(yīng)等方面的獨(dú)特優(yōu)勢，近些年得到迅速發(fā)展，國內(nèi)外已開展了一系列基于遠(yuǎn)程天文臺(tái)的時(shí)序巡天計(jì)劃，如ROBONET，ROTSE-III，BOOTES等，在伽瑪暴余輝和其它暫現(xiàn)源的光學(xué)觀測研究上都有良好的應(yīng)用。遠(yuǎn)程天文臺(tái)由望遠(yuǎn)鏡、赤道儀、圓頂、計(jì)算機(jī)、氣象站、全天相機(jī)等構(gòu)成，具有多個(gè)自動(dòng)化軟件與硬件子系統(tǒng)，它們之間通過相互協(xié)調(diào)控制實(shí)現(xiàn)程控觀測的功能。中國虛擬天文臺(tái)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過多年的調(diào)研，提出并設(shè)計(jì)了一套基于嵌入式的硬件集成系統(tǒng)，作為用戶與天文臺(tái)設(shè)備間連接的橋梁，以便于各子系統(tǒng)的集成控制和擴(kuò)展移植[10]，未來將在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化，重點(diǎn)開展智能化觀測的應(yīng)用研究。

平臺(tái)拓展建設(shè)主要涵蓋了中國虛擬天文臺(tái)平臺(tái)自身服務(wù)能力的完善，包括更靈活的用戶權(quán)限，實(shí)用科研工具的整合，便捷的第三方應(yīng)用程序開發(fā)接口，以及基于專有云或公有云的平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。這些基于基礎(chǔ)設(shè)施的功能拓展能夠?yàn)橛脩籼峁└玫姆?wù)體驗(yàn)，進(jìn)一步提升用戶粘性。

4 調(diào)研結(jié)果分析

本次調(diào)研通過郵件問卷和在線問卷兩種方式進(jìn)行，共收到12份中國虛擬天文臺(tái)學(xué)術(shù)委員會(huì)專家的反饋，65份中國虛擬天文臺(tái)郵件列表和網(wǎng)絡(luò)用戶反饋。用戶群體主要包括天文領(lǐng)域的科研工作者和研究生，均具有中國虛擬天文臺(tái)公共服務(wù)平臺(tái)使用經(jīng)驗(yàn)。

4.1 統(tǒng)計(jì)方法

在做反饋統(tǒng)計(jì)時(shí)給予專家反饋以3倍的權(quán)重進(jìn)行加權(quán)，共視為101份問卷。根據(jù)問卷分值乘以分值數(shù)占總數(shù)比例，分別計(jì)算出問卷中8個(gè)大類、23條具體需求的分值。

4.2 調(diào)研結(jié)果

圖1為8個(gè)大類的具體反饋結(jié)果，按分值高低依次排序(分值為0～5分，分值越高，表示該需求越重要)。其中得分最高項(xiàng)為文件存儲(chǔ)服務(wù)(3.89分)，其次分別為數(shù)據(jù)檢索服務(wù)(3.87分)、數(shù)據(jù)可視化(3.68分)、交叉證認(rèn)服務(wù)(3.52分)、在線計(jì)算服務(wù)(3.39分)、遠(yuǎn)程天文臺(tái)自動(dòng)化控制(3.36分)、自動(dòng)化數(shù)據(jù)分類方法(3.21分)、平臺(tái)拓展建設(shè)(3.11分)。圖2為23條具體需求的得分情況。

圖1 各項(xiàng)需求大類別的反饋結(jié)果Fig.1 Feedback results for main categories of requirements

圖2 具體需求得分情況Fig.2 Feedback results of each sub-requirement

此外，本文將中國虛擬天文臺(tái)學(xué)術(shù)委員會(huì)專家的答復(fù)單獨(dú)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。專家打分與問卷總體分值相差不大，具體為文件存儲(chǔ)服務(wù)(4.11分)，其次分別為數(shù)據(jù)檢索服務(wù)(3.96分)、數(shù)據(jù)可視化(3.92分)、自動(dòng)化數(shù)據(jù)分類方法(3.59分)、交叉證認(rèn)服務(wù)(3.46分)、在線計(jì)算服務(wù)(3.44分)、平臺(tái)拓展建設(shè)(3.03分)、遠(yuǎn)程天文臺(tái)自動(dòng)化控制(2.86分)。專家打分與總體打分之間的區(qū)別如圖3。專家給出的各項(xiàng)分值均比總體打分的分值略高，可見專家對(duì)虛擬天文臺(tái)團(tuán)隊(duì)的需求梳理有較高認(rèn)可。此外，專家打分中自動(dòng)化數(shù)據(jù)分類方法與遠(yuǎn)程天文臺(tái)自動(dòng)控制的得分與總體打分差異較大，可見專家與用戶對(duì)這兩類需求持不同意見。

圖3 總體打分與專家打分之間的對(duì)比Fig.3 Comparison between overall scoring and expert scoring

4.3 分析與思考

從反饋結(jié)果可以看出，數(shù)據(jù)的可獲取性、數(shù)據(jù)操作的便捷性仍是對(duì)虛擬天文臺(tái)的核心需求。天文學(xué)家所關(guān)注的始終是如何更方便地分析、處理數(shù)據(jù)?，F(xiàn)階段，中國虛擬天文臺(tái)團(tuán)隊(duì)維護(hù)的中國天文數(shù)據(jù)中心提供21個(gè)數(shù)據(jù)集的歸檔和查詢服務(wù)，用戶可直接在線進(jìn)行數(shù)據(jù)檢索和下載。公共服務(wù)門戶提供了虛擬計(jì)算資源和存儲(chǔ)資源服務(wù)，通過云平臺(tái)的在線控制臺(tái)，用戶可以自行定制需要的計(jì)算資源和存儲(chǔ)資源。同時(shí)，基于國家天文臺(tái)與阿里云的戰(zhàn)略合作，用戶也可以使用阿里云的計(jì)算資源。但是，虛擬天文臺(tái)的數(shù)據(jù)在線檢索和處理還未能實(shí)現(xiàn)一體化服務(wù)，提高服務(wù)的易用性、便捷性將是今后工作的一個(gè)重點(diǎn)。

數(shù)據(jù)可視化、交叉證認(rèn)服務(wù)、在線計(jì)算服務(wù)是數(shù)據(jù)處理需求的延伸，也是虛擬天文臺(tái)提供便捷服務(wù)的突破點(diǎn)。中國虛擬天文臺(tái)團(tuán)隊(duì)前期已經(jīng)開展了一些工作，包括面向天文科普教育研發(fā)的天文數(shù)據(jù)可視化平臺(tái)“萬維望遠(yuǎn)鏡”；以云平臺(tái)虛擬機(jī)模板的形式發(fā)布了常用數(shù)據(jù)處理環(huán)境，如為中國科學(xué)院大學(xué)多波段數(shù)據(jù)處理課程研發(fā)的虛擬機(jī)處理模板，其中包含了CFITSIO，Graphviz，GSL等科學(xué)數(shù)據(jù)處理程序庫，用戶基于它生成虛擬機(jī)即可方便地使用。未來將在提高服務(wù)的易用性、便捷性的同時(shí)，進(jìn)一步加強(qiáng)相關(guān)資源和服務(wù)的宣傳，使用戶更好地了解中國虛擬天文臺(tái)已有的功能，從而提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。

致力實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存取、查詢、處理的一體化在線服務(wù)始終是中國虛擬天文臺(tái)的目標(biāo)。但是，當(dāng)前實(shí)現(xiàn)虛擬天文臺(tái)核心需求仍存在相當(dāng)大的困難，主要體現(xiàn)在需求的高難度、大體量和虛擬天文臺(tái)研發(fā)人員不足之間的矛盾。將中國虛擬天文臺(tái)積累的數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)、計(jì)算資源轉(zhuǎn)換為高效便捷的服務(wù)，需要大量的研發(fā)人員，但在現(xiàn)有體制下，進(jìn)一步增加研究人員編制是不現(xiàn)實(shí)的。為此，中國虛擬天文臺(tái)計(jì)劃采用平臺(tái)化的開發(fā)模式，通過開放虛擬天文臺(tái)第三方開發(fā)接口，吸引更多感興趣的開發(fā)者基于虛擬天文臺(tái)資源做出實(shí)用的工具，實(shí)現(xiàn)資源與技術(shù)向服務(wù)的快速轉(zhuǎn)換。

圖4是下一階段中國虛擬天文臺(tái)平臺(tái)的體系架構(gòu)設(shè)計(jì)，最底層是資源層，既包括存儲(chǔ)服務(wù)器和計(jì)算服務(wù)器等硬件資源，也包括中國虛擬天文臺(tái)歸檔的各類數(shù)據(jù)集。在資源層之上是關(guān)鍵技術(shù)層，該層向下連接，通過虛擬化技術(shù)調(diào)用資源層的硬件資源，并通過數(shù)據(jù)檢索算法和數(shù)據(jù)庫工具調(diào)用數(shù)據(jù)資源，同時(shí)將虛擬天文臺(tái)涉及的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行封裝形成類庫，實(shí)現(xiàn)基于硬件資源和數(shù)據(jù)資源的按需計(jì)算。這些封裝的關(guān)鍵技術(shù)包括數(shù)據(jù)檢索方法、不同星表間的交叉證認(rèn)方法、各類天文數(shù)據(jù)的可視化方法、基于機(jī)器學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)分類方法等，并且可以隨著研發(fā)的不斷深入逐步擴(kuò)展。

圖4 中國虛擬天文臺(tái)平臺(tái)體系架構(gòu)Fig.4 China-VO platform architecture

關(guān)鍵技術(shù)層之上是接口層，也是中國虛擬天文臺(tái)下一階段著力建設(shè)的部分，通過將虛擬天文臺(tái)的軟硬件資源、關(guān)鍵技術(shù)封裝為應(yīng)用程序接口發(fā)布給廣大天文工作者，輔以完善的文檔參考和培訓(xùn)支持，使他們能夠根據(jù)自己的科研需求建立新的應(yīng)用。依據(jù)本次調(diào)研的結(jié)果，文件存取、數(shù)據(jù)檢索、數(shù)據(jù)可視化、交叉證認(rèn)相關(guān)的應(yīng)用程序接口將優(yōu)先開放，相應(yīng)的文檔資料和應(yīng)用示例代碼將通過中國虛擬天文臺(tái)網(wǎng)站向用戶發(fā)布。

研究人員通過中國虛擬天文臺(tái)應(yīng)用程序接口構(gòu)建的應(yīng)用，可以注冊(cè)在中國虛擬天文臺(tái)平臺(tái)上，提供給更多的用戶使用。這些應(yīng)用將構(gòu)成中國虛擬天文臺(tái)平臺(tái)的應(yīng)用與服務(wù)層?；诮y(tǒng)一的應(yīng)用開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用程序框架，這些應(yīng)用可以跨平臺(tái)地運(yùn)行在移動(dòng)端和桌面的瀏覽器中，并且在統(tǒng)一用戶賬戶的管理下，用戶可以無縫銜接地訪問不同平臺(tái)的應(yīng)用和數(shù)據(jù)。

5 總結(jié)展望

綜上所述，通過本次核心功能需求調(diào)研，中國虛擬天文臺(tái)團(tuán)隊(duì)明確了下一階段的建設(shè)重點(diǎn)和目標(biāo)。中國虛擬天文臺(tái)團(tuán)隊(duì)將重點(diǎn)提高數(shù)據(jù)的可獲取性和數(shù)據(jù)操作的便捷性，并努力完善數(shù)據(jù)可視化、交叉證認(rèn)、在線計(jì)算等服務(wù)。但是，當(dāng)前虛擬天文臺(tái)的高需求與研發(fā)人員不足的矛盾也日益突出。為此，將采用平臺(tái)化的開發(fā)模式，通過開放虛擬天文臺(tái)接口，吸引開發(fā)者基于虛擬天文臺(tái)的資源和關(guān)鍵技術(shù)做出更多實(shí)用的服務(wù)和工具，并通過中國虛擬天文臺(tái)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)共享。通過這種方式不斷提升虛擬天文臺(tái)的核心能力，使之形成一個(gè)面向科研需求的應(yīng)用生態(tài)系統(tǒng)，從而更好地應(yīng)對(duì)時(shí)域天文學(xué)和多信使天文學(xué)時(shí)代帶來的挑戰(zhàn)。

致謝：感謝國家天文科學(xué)數(shù)據(jù)中心提供的數(shù)據(jù)資源和技術(shù)支持。感謝所有參與本次調(diào)研及分析討論的專家和用戶，感謝國家天文臺(tái)-阿里云天文大數(shù)據(jù)聯(lián)合研究中心對(duì)本項(xiàng)工作的支持。