計算型科研的理念、內(nèi)涵及農(nóng)業(yè)科研發(fā)展的啟示

孫坦，趙瑞雪，楊曉蓉＊，王劍

1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院，北京 100081

2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081

3.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)信息研究所，北京 100081

引 言

進(jìn)入新世紀(jì)的第二個10 年，以大數(shù)據(jù)、人工智能為代表的戰(zhàn)略性信息技術(shù)呈現(xiàn)出疊浪式發(fā)展的態(tài)勢，不同技術(shù)之間的橫向融合及其對科學(xué)研究交互應(yīng)用的滲透廣度、深度進(jìn)一步加強(qiáng)，大數(shù)據(jù)及其相關(guān)技術(shù)所帶來的思維、理念和方法對科研領(lǐng)域全方位賦能的同時，也顯著拓展各學(xué)科領(lǐng)域研究范圍和創(chuàng)新能力，繼而對科研模式的方方面面產(chǎn)生了顛覆性的影響[1]，形成了“科研信息化、信息數(shù)據(jù)化、數(shù)據(jù)知識化”科研治理新業(yè)態(tài)。在這一背景下，科研人員也在積極思考應(yīng)對在數(shù)據(jù)密集型環(huán)境下科學(xué)研究工作所面臨的挑戰(zhàn)，迫切需要構(gòu)建一種面向海量數(shù)據(jù)的新的研究方法、模式、技術(shù)和服務(wù)[2]。就理論基礎(chǔ)而言，這種基于數(shù)據(jù)的研究方法與分析技術(shù)注重于從海量數(shù)據(jù)中抽取研究對象的變化規(guī)律和內(nèi)在聯(lián)系，主張以量化、計算和自動化的理念，從數(shù)據(jù)出發(fā)，應(yīng)用先進(jìn)的計算技術(shù)和定量方法，開展數(shù)據(jù)化分析、數(shù)據(jù)驅(qū)動決策以及智能化分析應(yīng)用等[3]。這意味著，在大數(shù)據(jù)環(huán)境下，未來科學(xué)研究會顯現(xiàn)出以數(shù)據(jù)為中心，以定量化和數(shù)據(jù)化分析為原則，擁有智能性、融合性和可自動處理性等計算型特征，這種具備計算特征的科研活動可被概括為“計算型科研”。就本質(zhì)而言，計算型科研作為一種基于數(shù)據(jù)密集型科研范式的新型科研模式，是“計算型思維”擴(kuò)展到科研領(lǐng)域的表現(xiàn)形式，也是“第四科研范式”發(fā)展的一個新階段。在實(shí)踐中，計算型科研能夠推動人工智能、網(wǎng)絡(luò)分析、建模仿真等數(shù)據(jù)分析處理技術(shù)與科研活動的深度融合，減少傳統(tǒng)基于人工判斷所引發(fā)的主觀性誤差，真正實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在科研活動中的要素驅(qū)動作用[4]?？梢?，計算型科研是大數(shù)據(jù)時代科研活動發(fā)展的一個必然趨勢[5]，了解和應(yīng)用計算型科研思維理念和技術(shù)方法，對于提升科研創(chuàng)新能力，應(yīng)對數(shù)據(jù)密集型科研范式變革具有重要意義。

1 計算型科研的來源與特征

隨著大數(shù)據(jù)時代的到來，科學(xué)研究活動正從傳統(tǒng)的理論科研、實(shí)驗(yàn)科研向數(shù)據(jù)密集型科研轉(zhuǎn)變[6]。在這一過程中，基于定性和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析的科研模式已經(jīng)無法滿足日益復(fù)雜的科研活動需求和科技創(chuàng)新任務(wù)，進(jìn)而需要面向海量數(shù)據(jù)所開展的精準(zhǔn)化、細(xì)粒度的分析來提升科研創(chuàng)新的質(zhì)量[7]。在這種科研模式變革的背景下，2007 年美國國家工程院院士Jim Gray 第一次提出了科學(xué)研究領(lǐng)域的第四范式的概念[8]。在此基礎(chǔ)上，哈佛大學(xué)的Lazer 教授等人基于“Data Intensive Computing（數(shù)據(jù)密集型計算)”的理念提出了“Computational SocialScience（計算型社會科學(xué)）”的概念，強(qiáng)調(diào)利用數(shù)據(jù)分析技術(shù)來開展社會科學(xué)研究工作，從數(shù)據(jù)計算結(jié)果和各類信息的相關(guān)性來揭示研究對象的內(nèi)在變化機(jī)理和運(yùn)行規(guī)律。在實(shí)踐中，伴隨著上述理論的擴(kuò)展，計算型科研模式逐漸演變成型，它的本質(zhì)是一種數(shù)據(jù)驅(qū)動型的研究模式，是以大數(shù)據(jù)為研究基點(diǎn)，綜合實(shí)驗(yàn)、推理和模擬等研究方法要素，并能有效應(yīng)對當(dāng)前海量數(shù)據(jù)挑戰(zhàn)的新型研究方式。在計算型科研模式下，科研活動過程在直接面對被研究物的同時，注意力更多地轉(zhuǎn)向到探索海量數(shù)據(jù)中所蘊(yùn)含的信息。在這一過程中，研究者所面臨的研究客體、數(shù)據(jù)形式、科學(xué)分工、研究驅(qū)動方式和科學(xué)發(fā)現(xiàn)模式等要素也隨之產(chǎn)生了很大變化[9]。因此，在科研實(shí)踐中，與描述自然現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)科學(xué)、采用模型或歸納法的理論研究，以及使用計算機(jī)進(jìn)行模擬復(fù)雜現(xiàn)象的仿真科學(xué)的科研方式相比，計算型科研模式是以數(shù)據(jù)為研究基礎(chǔ)，通過實(shí)驗(yàn)、理論、仿真融合的方法開展研究活動，其具有以下特征：

（1）在研究對象上，表征具體研究對象的海量數(shù)據(jù)在研究過程中的地位不斷提升，使研究對象呈現(xiàn)出來源多樣化、結(jié)構(gòu)復(fù)雜化、數(shù)量海量化的特性[10]。因此，大量數(shù)據(jù)的獲取和從大量復(fù)雜數(shù)據(jù)中獲取有用數(shù)據(jù)以及洞見知識的能力將成為計算型科研模式開展的關(guān)鍵。

（2）在研究推理上，關(guān)聯(lián)關(guān)系與邏輯關(guān)系并重的分析模式的出現(xiàn)，使研究過程更加復(fù)雜，但更客觀。計算型科研通過構(gòu)建基于科學(xué)研究問題的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而進(jìn)行數(shù)據(jù)分析得出結(jié)論，數(shù)據(jù)模型往往具有客觀的科學(xué)依據(jù)，使人為主觀因素在科學(xué)研究中的作用越來越小。

（3）在研究手段上，海量數(shù)據(jù)的存儲、分析、識別已經(jīng)超出人工甚至是普通計算機(jī)的功能范圍，將更加依賴通過提高計算機(jī)計算、存儲以及知識挖掘等能力來實(shí)現(xiàn)科研創(chuàng)新[11]。計算型科研從數(shù)據(jù)獲取、建模到分析預(yù)測，全部由計算機(jī)自動完成。因此，計算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)等科研信息化設(shè)施的水平提升成為計算型科研模式開展的重要基礎(chǔ)。

（4）在研究結(jié)果驗(yàn)證上，傳統(tǒng)科學(xué)研究過程為：假設(shè)—論證—驗(yàn)證。而基于計算型科研模式的研究過程不僅僅立足于傳統(tǒng)的假設(shè)前提，而是將基于大量數(shù)據(jù)的推理論證而得出研究結(jié)果，這種結(jié)果可能具有不可假設(shè)的特性。這意味著，在大數(shù)據(jù)時代，科學(xué)研究的關(guān)注重點(diǎn)將從傳統(tǒng)意義上的單一型因果關(guān)系逐步向新型的邏輯與相關(guān)性并重的復(fù)合型要素轉(zhuǎn)變，這使得基于計算型科研模式所獲取的研究成果相較于傳統(tǒng)的科研成果更具有說服力。

2 國內(nèi)外計算型科研應(yīng)用實(shí)踐

當(dāng)前，隨著科研活動從定量、計量向計算轉(zhuǎn)變，其研究方法的“計算”特征日益凸顯，計算型科研模式逐步走向“前臺”。在國外，以美歐為首的發(fā)達(dá)國家對計算型科研或計算化科研活動非常重視，在政策、設(shè)施、資金、人員等方面投入了大量資源，構(gòu)建起支撐計算型科研應(yīng)用體系，以期在新一輪科技競爭中獲得更多優(yōu)勢[12]。我國也積極打破行業(yè)及主體壁壘，強(qiáng)化科研資源共享與協(xié)同合作，旨在推進(jìn)以數(shù)據(jù)融合和計算分析為主的科研生態(tài)加速發(fā)展，以應(yīng)對計算型科研帶來的科技創(chuàng)新挑戰(zhàn)。相關(guān)應(yīng)用實(shí)踐及主要經(jīng)驗(yàn)體現(xiàn)在以下幾個方面：

2.1 不斷完善大數(shù)據(jù)及相關(guān)技術(shù)研究戰(zhàn)略體系

2012 年3 月，美國政府制定了“大數(shù)據(jù)研發(fā)計劃”，并把大數(shù)據(jù)納入到國家戰(zhàn)略體系中來。在此背景下，2014—2016 年，美國政府相繼啟動了“云計算測試床建設(shè)”項(xiàng)目、國家級的“戰(zhàn)略性計算計劃”“大數(shù)據(jù)研究與開發(fā)戰(zhàn)略計劃”等[13]。在歐洲方面，歐盟委員會為了推動新興的信息與通信技術(shù)發(fā)展，制定了一系列規(guī)劃與政策，其中《充分發(fā)揮ICT 潛能：賦予歐洲更多能力》報告已成為當(dāng)前歐洲各國發(fā)展新一代通訊與信息技術(shù)、推動數(shù)字科研戰(zhàn)略的共同綱領(lǐng)[7]。在我國，盡管在大數(shù)據(jù)科研戰(zhàn)略方面起步較晚，落后于美國和歐盟，但隨著世界范圍內(nèi)對大數(shù)據(jù)研究重視度的不斷提升，我國在此領(lǐng)域的發(fā)展較為迅速。2018 年國務(wù)院辦公廳在其印發(fā)的《科學(xué)數(shù)據(jù)管理辦法》中詳細(xì)說明了相關(guān)單位在數(shù)據(jù)收集、存儲、共享、使用、管理和匯交中的職責(zé)，以及數(shù)據(jù)安全保障等各方面的工作事項(xiàng)[2]。在此背景下，各地方政府也紛紛出臺一些方針政策促進(jìn)數(shù)據(jù)科學(xué)與產(chǎn)業(yè)的融合發(fā)展。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、國家海洋局、交通運(yùn)輸部、國土資源部等國家部委機(jī)關(guān)，也從各自負(fù)責(zé)的行業(yè)領(lǐng)域?qū)嶋H需求出發(fā)制定了科學(xué)數(shù)據(jù)管理與使用的方針和政策[3]，有力地推動了我國國家政策加速向大數(shù)據(jù)技術(shù)研究與應(yīng)用轉(zhuǎn)變。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，2016 年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部印發(fā)了《農(nóng)業(yè)農(nóng)村大數(shù)據(jù)試點(diǎn)方案》提出了“推動涉農(nóng)數(shù)據(jù)共享、開展單品種大數(shù)據(jù)建設(shè)、推動農(nóng)業(yè)農(nóng)村大數(shù)據(jù)應(yīng)用”等主要任務(wù)，促進(jìn)了農(nóng)業(yè)農(nóng)村數(shù)據(jù)生態(tài)的完善和發(fā)展。

2.2 高度重視算力升級和網(wǎng)絡(luò)生態(tài)環(huán)境建設(shè)

與計算機(jī)仿真不同，計算型科研發(fā)展的一個重要要素是“研究領(lǐng)域擁有大量的數(shù)據(jù)”，而大數(shù)據(jù)所蘊(yùn)含的各類數(shù)據(jù)間關(guān)系也往往超過一般用戶的認(rèn)知范圍，這使其更加難以理解。為了突破這一瓶頸，解決計算型科研所引發(fā)的大數(shù)據(jù)處理與分析問題，全球范圍內(nèi)正在加快以超級計算、云計算、計算集群、分步式數(shù)據(jù)庫為代表的信息化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，打造具備一流計算、處理和傳輸能力的計算型科研生態(tài)系統(tǒng)。在美國，由美國國家科學(xué)基金會（National Science Foundation, NSF）出資，多個大學(xué)參與所研發(fā)的超級計算機(jī)，其重點(diǎn)聚焦海量數(shù)據(jù)計算與處理過程中存儲資源與計算資源的平衡問題，并提供了硬件層面上的加速與協(xié)處理功能[14]。在歐洲方面，歐盟委員會投資1 億歐元來推動面向數(shù)據(jù)科學(xué)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，并在其“地平線2020 計劃”中將面向數(shù)據(jù)的信息化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)當(dāng)作重點(diǎn)領(lǐng)域加以推動[15]。我國政府也積極推動國家重大科研基礎(chǔ)設(shè)施的布局與建設(shè)：2013 年，我國“天河二號”晉升為全球第一的超級計算機(jī)，在此基礎(chǔ)上，2020 年，中國科學(xué)院面向高端芯片產(chǎn)業(yè)研發(fā)了具備分布式異構(gòu)彈性特征的高性能計算環(huán)境，可支持1000 多個設(shè)計用戶同時開展芯片研發(fā)任務(wù)，為超大規(guī)模和高端芯片設(shè)計提供靈活高效的計算資源[16]，推動了我國高端芯片產(chǎn)業(yè)核心制造技術(shù)的攻關(guān)，形成了高性能計算服務(wù)科技創(chuàng)新的工作新形態(tài)。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，隨著網(wǎng)絡(luò)生態(tài)與高性能計算在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的融合應(yīng)用，智能化、自動化的集成裝備技術(shù)已逐步成熟，有效推動了農(nóng)業(yè)機(jī)械化設(shè)備和生產(chǎn)設(shè)施智能化改造，使農(nóng)業(yè)上的各類資源、氣象、生產(chǎn)、銷售數(shù)據(jù)得到了大規(guī)模的積累與沉淀，構(gòu)成了農(nóng)業(yè)計算型決策方式的“大腦”，有效推進(jìn)了國家鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的實(shí)施。

2.3 加快開放科學(xué)與協(xié)作科研的發(fā)展

在信息技術(shù)推動下，世界經(jīng)濟(jì)合作趨勢日益加快，科研活動更多地以多學(xué)科、多機(jī)構(gòu)、多層次的分工協(xié)作模式開展，且整體研究過程的體系化、平臺化和精細(xì)化程度日益突出，開放科學(xué)以網(wǎng)絡(luò)平臺和眾包科學(xué)的方式越來越頻繁地進(jìn)入到科學(xué)研究中，大數(shù)據(jù)應(yīng)用的科學(xué)共同體所展現(xiàn)的凝聚力和包容性極大優(yōu)化了各學(xué)科領(lǐng)域非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的有效利用，推動更多的學(xué)者跨學(xué)科參與相關(guān)研究、分享各自的研究成果、及時檢驗(yàn)和矯正科研數(shù)據(jù)，從而最大限度避免了數(shù)據(jù)錯誤的發(fā)生，減少重復(fù)的科研活動，提升了科研質(zhì)量，加快了科學(xué)研究的進(jìn)程。當(dāng)前，歐美發(fā)達(dá)國家非常重視開放科學(xué)與協(xié)作科研，2016年，美國國家科學(xué)基金會在未來十大項(xiàng)目計劃中把以開放科學(xué)、協(xié)作科研為特征的融合研究作為重要機(jī)制與支撐創(chuàng)新計劃之一[13]；歐盟制定的“開放科學(xué)共享空間方案” (Open Science Commons)也提出要通過設(shè)施、平臺、工具和服務(wù)的建設(shè)，營造良好的協(xié)作科研環(huán)境，推動開放科學(xué)的發(fā)展[17]。我國政府也非常關(guān)注開放與協(xié)作研究，國家自然基金委員會早在成立之初就設(shè)置了重大項(xiàng)目來資助多學(xué)科合作研究；2020 年，中國科學(xué)院微生物研究構(gòu)建了微生物資源全球數(shù)據(jù)合作網(wǎng)絡(luò)，覆蓋了全球50 個國家的133 個微生物資源中心[16]，有效支撐了微生物資源基因組測序和功能挖掘的國際科研協(xié)作。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，集互聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、云計算和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為一體全新智慧農(nóng)業(yè)的出現(xiàn)，讓多種信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)中實(shí)現(xiàn)綜合、全面的應(yīng)用，有效加速了農(nóng)業(yè)跨區(qū)域的科研協(xié)作與共建，從而助推農(nóng)業(yè)科研全面騰飛。

3 計算型科研的需求表達(dá)

計算型科研作為“計算思維（Computational Thinking）”的一種表現(xiàn)形式，其本質(zhì)是一種分析方式，即利用計算這一基本理念來開展科學(xué)研究中的問題排查、系統(tǒng)設(shè)計和規(guī)律找尋等活動[18]。具體而言，計算型科研是通過抽象物理世界的各類對象和關(guān)系，并利用計算機(jī)以自動化的方式解析和處理這些抽象，這其中的“計算”包含抽象和自動化2 個基本要素[19]，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)通過多種信息技術(shù)輔助科研人員的分析活動，并構(gòu)建功能廣泛的信息化基礎(chǔ)設(shè)施來支撐科研協(xié)作體系的建立。由此，在科研模式向計算型科研轉(zhuǎn)型升級的過程中，數(shù)據(jù)與技術(shù)設(shè)施的支撐具有決定性的推動作用，計算型科研模式對其的需求表達(dá)主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

3.1 基礎(chǔ)設(shè)施效能化的需求

基礎(chǔ)設(shè)施效能化是指科研活動所依托的計算設(shè)備、存儲設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等信息化基礎(chǔ)設(shè)施性能顯著增強(qiáng)，擴(kuò)展性持續(xù)提升。這是因?yàn)樵谟嬎阈涂蒲心Ｊ较?，絕大多數(shù)與計算相關(guān)的科學(xué)研究活動已經(jīng)突破傳統(tǒng)模式的簡單、定性化的統(tǒng)計分析，轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫦虼髷?shù)據(jù)相對復(fù)雜的定量分析、相關(guān)性分析和語義分析等形式[20]。在實(shí)踐中，這類分析模式由于數(shù)據(jù)處理量大、計算復(fù)雜度高、實(shí)時性強(qiáng)，因而必須借助高效能的信息化基礎(chǔ)設(shè)施，才能從計算、存儲和傳輸?shù)确矫嬷斡嬎阈涂蒲谢顒樱瓜嚓P(guān)研究任務(wù)在有限的時間內(nèi)得以完成。這就要求新時期支撐計算型科研的條件設(shè)施必須依托云計算、分步式存儲、虛擬化等技術(shù)，重點(diǎn)解決傳統(tǒng)單一服務(wù)器設(shè)施和并行化計算所面臨的耗能高、處理器性能弱、內(nèi)存占用大、網(wǎng)絡(luò)傳輸慢等問題，大幅增加數(shù)據(jù)存儲與處理能力，滿足計算型科研下的計算與存儲需求。

3.2 研究對象數(shù)字化的需求

研究對象數(shù)字化是指應(yīng)用信息化手段，擴(kuò)展科研活動所涉及的各類對象，并推動其各類屬性信息由傳統(tǒng)的紙質(zhì)或模擬信號形式轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字化形式。隨著數(shù)字化、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)賦能科學(xué)研究的深入，各種科研信息及其所依托的載體數(shù)字化程度不斷增強(qiáng)，數(shù)字化信息已成為計算型科研活動的一種常態(tài)，這不但顯著擴(kuò)展了傳統(tǒng)領(lǐng)域科研分析的客體范圍，也使科研對象的可計算性大幅提升[21]。這意味著科研活動所采集和整理的信息只有通過數(shù)字化的方式，才能夠更有效地進(jìn)行分析和使用，最大限度地發(fā)揮其價值。從這一點(diǎn)意義上來說，以數(shù)字化形式存在的各類數(shù)據(jù)資源由于具備能夠被計算設(shè)備讀取和處理的特性，已經(jīng)日益成為計算型科研活動的基石[14]。這就要求計算型科研支撐環(huán)境建設(shè)應(yīng)進(jìn)一步強(qiáng)化信息技術(shù)對科研活動的賦能作用，研制新型的數(shù)字化智能裝備，將新技術(shù)融入實(shí)驗(yàn)設(shè)計、分析和創(chuàng)新發(fā)現(xiàn)等科研活動的各個過程，打造具有適應(yīng)不同環(huán)境下的低成本的智能設(shè)備和數(shù)字化設(shè)施，有效提升科研對象的數(shù)字化水平。

3.3 研究模式融合化的需求

研究模式融合化是指在科學(xué)研究過程中借助跨學(xué)科領(lǐng)域的各類工具、理念和技術(shù)，突破學(xué)科之間的壁壘，形成一種覆蓋創(chuàng)新過程全鏈條、多方研究主體廣泛參與的科學(xué)研究框架模式。在實(shí)踐中，由于計算型科研的開放性與協(xié)作性，使得新時期科研活動必須在加強(qiáng)溝通和聯(lián)結(jié)后，才能實(shí)現(xiàn)科研活動從問題中來、到問題中去的閉環(huán)過程模式，形成一個綜合、全面的研究框架[22]。這就要求計算型科研支撐能力與環(huán)境建設(shè)不僅僅局限于運(yùn)用技術(shù)和工具將各類學(xué)科領(lǐng)域的人員聚合在一起，而是要營造一個以問題為導(dǎo)向，多學(xué)科領(lǐng)域開放協(xié)作的研究環(huán)境；借助先進(jìn)的信息技術(shù)手段為科研人員設(shè)計目標(biāo)、部署實(shí)驗(yàn)、挖掘數(shù)據(jù)，推動多種知識、理論、數(shù)據(jù)和方法的融合與滲透，形成多領(lǐng)域科研人員廣泛認(rèn)可的研究框架和研究方法，有效提升跨學(xué)科領(lǐng)域研究的融合水平。

3.4 研究方法智能化的需求

研究方法智能化是指隨著機(jī)器學(xué)習(xí)、知識表達(dá)、語義推理等技術(shù)的發(fā)展與深度應(yīng)用，科學(xué)研究所依托方法的智能性不斷提升的一種趨勢。即研究方法和工具已突破傳統(tǒng)的統(tǒng)計分析的范疇，轉(zhuǎn)向更高層次的計算建模方向發(fā)展。在科研活動中，由于傳統(tǒng)的統(tǒng)計分析方法很難在海量數(shù)據(jù)中抽取出其所蘊(yùn)含的知識和規(guī)律，只有運(yùn)用智能化的計算與分析方法才能夠在不同的數(shù)據(jù)環(huán)境下，以自動化的方式發(fā)現(xiàn)潛在的知識、關(guān)系和規(guī)律，從而解決更復(fù)雜、更前沿的科學(xué)問題[15]，在科研活動中真正解放人的腦力勞動。從這點(diǎn)意義上來說，傳統(tǒng)科研模式向計算型科研模式轉(zhuǎn)變的實(shí)質(zhì)是研究方法從簡單的統(tǒng)計計算形式轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠A的建模計算應(yīng)用形式，這說明在大數(shù)據(jù)時代，單一地應(yīng)用人腦判斷和簡單的統(tǒng)計方法已不能完整地發(fā)現(xiàn)科研對象的內(nèi)部關(guān)系并滿足科研活動深層次的需求。因此，只有依托具備智能化的計算方法和模型，才能幫助研究者更快、更有效地揭示大數(shù)據(jù)所蘊(yùn)含的各類關(guān)系和特征，實(shí)現(xiàn)對研究對象的深度分析和理解。這就要求計算型科研的研究方法模型必須深度融合大數(shù)據(jù)、人工智能等核心關(guān)鍵技術(shù)，形成一系列支撐智能化研究方法的工具、模型及產(chǎn)品，構(gòu)建智能化研究協(xié)作平臺，充分滿足研究者對科研對象深度洞察的需求。

4 計算型科研變革對農(nóng)業(yè)科研發(fā)展的啟示

計算型科研的本質(zhì)是在大數(shù)據(jù)和第四范式變革的背景下，以數(shù)據(jù)為中心，通過運(yùn)用計算機(jī)可處理的方法和工具來分析數(shù)據(jù)所蘊(yùn)含關(guān)聯(lián)信息的一種研究方式。在計算型科研環(huán)境下，計算方法與計算工具的發(fā)展程度是科研分析與創(chuàng)新能力的重要基礎(chǔ)[13]。因此，構(gòu)建有效支撐計算型科研的環(huán)境與設(shè)施，推動科研創(chuàng)新范式的革命性改變與提升，是新時期科研發(fā)展的必由之路。特別是對于農(nóng)業(yè)這一學(xué)科領(lǐng)域，由于其研究范圍廣、研究對象繁多、研究環(huán)節(jié)復(fù)雜，科研過程對數(shù)據(jù)分析方法與工具的依托更加緊密。這意味著，農(nóng)業(yè)科研活動只有迅速適應(yīng)計算型科研模式所帶來的新的科研環(huán)境和科研條件，加速與開放科學(xué)的融合發(fā)展，才能推動海量的農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)資源在復(fù)雜應(yīng)用場景的深度融合，由此可以預(yù)期未來農(nóng)業(yè)科研將會充分遵循基于“云-數(shù)-智”計算型理念與方法，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新的引領(lǐng)與帶動作用，使“數(shù)據(jù)”與“計算”要素充分融入農(nóng)業(yè)科研活動的各個環(huán)節(jié)，推動農(nóng)業(yè)創(chuàng)新發(fā)現(xiàn)與計算分析能力實(shí)現(xiàn)顛覆性革新，這也是新時期農(nóng)業(yè)科學(xué)研究發(fā)展與變革的重要方向。然而，值得注意的是，當(dāng)前國內(nèi)計算型科研在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用相較歐美等發(fā)達(dá)國家還存在著一定差距，具體表現(xiàn)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域內(nèi)數(shù)據(jù)“重收集、輕應(yīng)用”，數(shù)據(jù)分析處理的基礎(chǔ)與核心技術(shù)缺乏、數(shù)據(jù)共享與協(xié)作環(huán)境還未充分建立等。為此，在充分吸收和借鑒國外先進(jìn)發(fā)展經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，應(yīng)正視自身的缺陷與不足，進(jìn)一步推動計算型科研模式在農(nóng)業(yè)科研領(lǐng)域的深入變革與應(yīng)用?；诖?，可提出以下幾點(diǎn)啟示。

4.1 強(qiáng)化科研基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，營造助力計算型科研發(fā)展基礎(chǔ)環(huán)境

計算型科研方式對以信息技術(shù)為基礎(chǔ)的科研基礎(chǔ)設(shè)施提出了更高要求，這使得以智能化、數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化為主要特征的信息化基礎(chǔ)設(shè)施日益成為計算型科研環(huán)境下研究活動的必備條件。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，重視計算型科研對信息化條件和設(shè)施的新需求，加快農(nóng)業(yè)科研信息化基礎(chǔ)設(shè)施戰(zhàn)略布局，對于提升農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新能力具有重大意義。為此，應(yīng)積極規(guī)劃面向農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的科研信息化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，打造以科研工作者為核心、全面覆蓋農(nóng)業(yè)各類創(chuàng)新主體的科研基礎(chǔ)環(huán)境，支撐跨學(xué)科、跨部門、跨地域的科研協(xié)作，拓展支撐計算型科研的數(shù)據(jù)資源和計算資源應(yīng)用范圍，切實(shí)滿足計算型科研轉(zhuǎn)型與升級的技術(shù)與設(shè)施需求。

4.2 加強(qiáng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)匯聚融合，打造支撐計算型科研的農(nóng)業(yè)科研大數(shù)據(jù)共享體系

擁有海量數(shù)據(jù)并對其進(jìn)行有效共享與應(yīng)用是計算型科研模式的主要特征[15]。為此，農(nóng)業(yè)計算型科研變革應(yīng)積極推進(jìn)農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)匯聚，融合各類面向農(nóng)業(yè)學(xué)科領(lǐng)域的基地、實(shí)驗(yàn)室等各類創(chuàng)新單元的科研大數(shù)據(jù)資源，以平臺建設(shè)促進(jìn)科研數(shù)據(jù)共享服務(wù)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域各類數(shù)據(jù)和計算資源的共享與高效利用。進(jìn)一步完善面向整個農(nóng)業(yè)學(xué)科領(lǐng)域數(shù)據(jù)資源的匯聚與共享管理機(jī)制體制，增強(qiáng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分類管理和共享應(yīng)用算法與技術(shù)的研發(fā)以及相關(guān)工具的研制，以共享平臺建設(shè)推動系統(tǒng)化積累農(nóng)業(yè)全源數(shù)據(jù)集，為農(nóng)業(yè)計算型科研的深度應(yīng)用提供必要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)環(huán)境。

4.3 提升智能裝備研發(fā)投入力度，構(gòu)建計算型科研數(shù)據(jù)采集工具護(hù)城河

在計算型科研模式下，類型豐富、數(shù)量龐大的數(shù)據(jù)資源已日益成為其重要的研究基礎(chǔ)，這意味著在農(nóng)業(yè)計算型科研的轉(zhuǎn)型升級過程也是數(shù)據(jù)資源大規(guī)模采集和匯聚的過程，其所帶來的不僅僅是新型的數(shù)據(jù)采集方法與技術(shù)在農(nóng)業(yè)學(xué)科領(lǐng)域的應(yīng)用，更多的是數(shù)據(jù)采集智能工具和裝備的推陳與出新。為此，應(yīng)充分借助高速網(wǎng)絡(luò)、人工智能等戰(zhàn)略性信息技術(shù)，加大研發(fā)投入力度，研制具有人類部分信息感知能力和行動能力的自動化、半自動化農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)采集工具與裝備，使得科研人員能夠在短時間內(nèi)采集數(shù)量更多、精度更高的觀測數(shù)據(jù)，智能判斷排除數(shù)據(jù)所存在的各類問題，增強(qiáng)農(nóng)業(yè)海量數(shù)據(jù)采集與處理能力，夯實(shí)農(nóng)業(yè)科研數(shù)據(jù)基礎(chǔ)性要素，賦能計算型科研創(chuàng)新發(fā)展。

4.4 研制協(xié)同創(chuàng)新平臺，形成適應(yīng)計算型科研需求的開放科學(xué)與科研協(xié)作生態(tài)

在計算型科研模式下，以開放協(xié)作為主要特征的開放科學(xué)已日益成為數(shù)據(jù)密集型科研范式的重要研究形式。為此，農(nóng)業(yè)科研信息化發(fā)展應(yīng)聚焦基于計算型科研模式的開放科學(xué)與科研協(xié)作體系，研發(fā)支持開放科學(xué)理念的協(xié)同創(chuàng)新平臺，打造開放式科研協(xié)作環(huán)境，大力提升跨機(jī)構(gòu)、跨部門、跨地域的資源共享和實(shí)驗(yàn)協(xié)同深度與廣度，增強(qiáng)重點(diǎn)農(nóng)業(yè)學(xué)科領(lǐng)域科研協(xié)作交流活躍度，推動傳統(tǒng)科研向計算型科研的轉(zhuǎn)型與升級。

4.5 加強(qiáng)普適性培育，全面增強(qiáng)農(nóng)業(yè)科研人員計算研究素質(zhì)

計算研究素質(zhì)是指研究主體靈活應(yīng)用計算型方法與工具開展相關(guān)研究活動的思維方式。對于農(nóng)業(yè)科研領(lǐng)域來說，由于其研究對象和研究范圍的廣泛性與復(fù)雜性，培育農(nóng)業(yè)科研人員計算研究素質(zhì)對于推動農(nóng)業(yè)計算型科研深入革新具有重要意義。為此，應(yīng)大力增強(qiáng)計算型科研普適性培育，使計算研究素質(zhì)真正成為農(nóng)業(yè)科研人員必備的基本條件，鼓勵農(nóng)業(yè)科研人員自覺融匯集成各類數(shù)據(jù)資源，利用各類數(shù)據(jù)自動處理工具，開展計算與分析工作，提升農(nóng)業(yè)科研活動的客觀性和問題解決效率，推動計算型科研模式切實(shí)融入農(nóng)業(yè)整體研究體系中。

5 結(jié)語

本文通過對計算型科研模式探討，概略介紹了其產(chǎn)生的背景、內(nèi)涵、理念及對科研設(shè)施與環(huán)境的需求。在這其中可見，計算型科研模式和傳統(tǒng)科研模式雖然在功能表現(xiàn)和分析方法上有所差異，但其本質(zhì)和目標(biāo)是一致的，計算型科研是傳統(tǒng)科研“深度研究”的表現(xiàn)形式，也是科研活動適應(yīng)當(dāng)前數(shù)據(jù)密集型環(huán)境和社會需求的一種變化趨勢。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，計算型科研的變革對科研能力、科研素養(yǎng)和科研方法提出了更高的要求。因此，深入探索農(nóng)業(yè)領(lǐng)域計算型科研發(fā)展的理論、工具、應(yīng)用和方法，為計算型科研效率的改善與提升提供啟示建議，全面增強(qiáng)計算型科研理論方法面向農(nóng)業(yè)科研創(chuàng)新的“融入環(huán)境、嵌入過程”的能力，將是新時期農(nóng)業(yè)科研轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵。

利益沖突聲明

所有作者聲明不存在利益沖突關(guān)系。