基于e-Science的协同工作环境套件_在线百科全书查询
基于e-Science的协同工作环境套件
实验室实施信息化建设，旨在借助现代信息技术优势促进实验室各项工作的全面建设和发展，其重要内容是建立一个全面支持e-Science的综合性协同工作环境， 解决科研人员的协同工作问题。本文阐述协同工作环境对实现e-Science的重要意义和作用，简介国内外相关的主要工作及研究热点，并介绍我们正在开发的一个支持e-Science的协同工作环境套件（Duckling）的进展情况。
1.引言
作为科研活动重要场所的实验室，必须积极构筑起与时代发展相适应的信息化环境，确保实验室内部知识信息从创新到应用各环节间的相互协调与高效运作，从而在科学研究的中心工作中发挥主力作用。实验室实施信息化建设，旨在借助现代信息技术优势促进实验室各项工作的全面建设和发展，建设的重点是要将原始的各种设备器材、资料、数据及人员的管理和应用与先进的计算机技术、多媒体技术、网络技术和科学的模拟仿真技术相结合，使基于传统模式概念下的实验室各项工作在现代信息理念和信息规范的引导下发生质的嬗变，实现实验室工作的现代化、开放化和高效化。
实验室信息化的重要内容是建立虚拟实验室，虚拟实验室是一个全面支持e-Science的综合性协同工作环境, 是由支持资源共享与协同工作的硬件、软件、数据、信息等资源和人员组织共同构成的有机整体, 是e-Science环境中面向用户（科研人员）的使用界面和各种e-Science活动的基本组织形式。虚拟实验室的核心内容要解决科研人员在e-Science环境中的协同工作问题。
以协同的方式进行工作自古就有，随着生产力和技术的进步，协同的范围不断扩大、水平逐渐提高。计算机的出现使得协同工作环境的方式和手段有了第一次飞跃，这次飞跃的典型标志是上世纪80年代计算机支持的协同工作（CSCW）。随着Internet的飞速发展以及信息便携设备（PDA）的大量普及，协同工作发生了以网络协同为显著标志的第二次飞跃，进入了一个新的阶段。
在实现e-Science的过程中，往往通过高速的网络联接高性能计算资源、海量科学数据库、科学数字图书馆、野外观测台站、大型科学装置、计算模拟的软件工具等等组成e-Science的基础设施与资源，实现资源集成共享，形成支撑科研人员大范围交流协作的协同工作环境，支撑科研人员组成跨学科、跨组织、跨地域的虚拟研究团队或者组织，通过远程实验观测、计算模拟、协同工作等新的科研方法和手段开展科学研究活动。
本文将阐述协同工作环境对实现e-Science的重要意义和作用，简介国内外相关的主要工作及研究热点，并对我们正在开发的一个支持e-Science的协同工作环境套件（Duckling）的进展情况进行介绍，最后是总结和展望。
2.协同工作环境在e-Science活动中的意义
数字化技术与计算机网络的发展，使人、科学仪器与装置、计算工具和信息联接在一起，提供了协同工作环境，消除了地域、时间、机构之间的边界，为科研活动提供了革命性的新模式，从而大大促进了科研活动中的信息共享、合作与交流，促进了学科的交叉，提高了工作效率和创新发现能力。虚拟组织、虚拟实验室或虚拟研究团队成为信息化条件下的新型研究组织形式。
支持e-Science的协同工作环境是一种为科研人员服务的虚拟实验室。它的主要用户是科学家，它建立在互连网络环境、超级计算环境和数据应用环境等信息化基础设施之上，利用和集成它们提供的基础性服务，构建支持网络化科研模式的综合性服务，支持面向具体科研活动的特色协同环境。具体而言，这种虚拟实验室是由支持资源共享与协同工作的硬件、软件、数据、信息等资源和人员组织共同构成的有机的整体，是e-Science环境中面向用户（科研人员）的一个基础使用界面[1]。
进一步来讲，支持e-Science的协同工作环境或虚拟实验室在技术之外，还可以有组织上的涵义。e-Science的三大资源要素——高性能计算、科学数据和协同工作的科研人员——通过虚拟实验室有机地结合起来。在e-Science示范应用的建设和实施过程中，根据各个应用的特点和需求，虚拟实验室提供的综合性服务和工具与各个e-Science应用的具体科研流程无缝地融合为一体，形成面向应用领域科研活动特点的网络协同工作环境。在e-Science发展的过程中，虚拟实验室在粘合信息化基础设施、催化新的科研模式和促推科研机制变革方面具有重要的战略意义。
协同工作环境在支持科研人员开展e-Science活动方面可提供以下主要功能和服务：
(1) 科研项目可以作为“虚拟组织”的形式成为虚拟实验室的用户。科研人员可参加项目相应的虚拟组织，使用虚拟实验室中相应的服务；也可以在虚拟实验室中与同行交流或寻找合作伙伴。重大的科研项目可以建立专用的虚拟实验室运行系统。
(2) 科研人员在虚拟实验室中享有个性化的使用环境，可以享受灵活定制的服务，可根据自身需要获取、组织和管理各类信息资源。
(3) 科研人员在虚拟实验室中可以集成使用院信息化建设的计算、存储、数据库、文献等多种资源，集成使用一些工具和服务，包括领域特定的应用。
(4) 科研人员可以与项目/虚拟组织内的合作者或其他人员高效、安全、方便地共享各种电子文档，基于智能搜索的方式使用和管理文档，并可进行协作式写作。
(5) 科研人员可以更高效地参与或组织一些学术活动和项目工作，如会议、论文评审、检查验收、考察活动等。
3. 相关研究工作及关键问题
协同工作环境相关技术受到国内外学术界的普遍关注和重视。国际上，荷兰的VirtualLaboratory for e-Science (VL-e) [2]项目、英国JISC的Virtual ResearchEnvironments (VRE) [3]项目、GGF的Open GridComputing Environment（OGCE）[4]项目和SAKAI[5]等项目在这方面进行了大量的研究和探索，取得了丰富的成果。在国内，国家自然科学基金委员会制定了“以网络为基础的科学活动环境研究”重大研究计划；科技部在国家科技基础条件平台的建设中启动了“网络协同研究与工作环境建设”项目。这些项目探索了如何将各种信息化资源集成为一个综合协作环境。
下面重点对VL-e，VRE，OGCE，SAKAI等进行介绍。
(1) VL-e
荷兰的VL-e（VirtualLaboratory for e-Science）项目的目标是将高性能网络和网格技术发展带来的推动力与更广泛的科学实验应用的需求结合起来。为科学研究中的分布协作以及实验提供一个虚拟的工作空间，使用分布的信息和通信技术来产生和递送结果。提供通用的功能以支持广泛和特定的e-Science应用环境。通过创建e-Science环境推动e-Science应用，并且开展方法学上的研究。VL-e项目的策略是沿着从应用到网络整个完整的e-Science技术链开展具体研究，并且关注于新的方法学和可重用组件的研究。
VL-e项目中包括四个任务：创建特定学科领域e-Science环境的科学原型；为可重用的信息技术组件开发应用方法学；逐步扩展并开展真实的科研实验应用；在有效实现的学科领域特定的e-Science环境中构建和传输知识。
(2) VRE
VRE(VirtualResearch Environments)被定义为包含一组在线工具和网络资源，通过互操作技术支持或改善研究机构内或跨研究机构间广泛的科研人员开展科学研究活动。VRE的一个关键特征是能够促进研究人员和研究团队间的协作，为科研人员提供更有效的方式来协同地采集、处理和管理数据，以及协同的知识创建。VRE项目的目标并不是产出一个单一而且完整的VRE，而是定义和开发一个通用的架构，推进满足要求的功能组件的开发，并且将这些组件与满足科研人员需求的应用、服务和资源组装为一个虚拟研究环境。VRE项目2006年得到英国JISC两百万英镑的滚动支持经费。
(3) OGCE
Global Grid Forum（GGF）的 Open GridServices Architecture（OGSA）计划为基于Web服务的、面向标准服务的网格框架定义了一个基础。OGSA允许不同供应商使用各种技术提供网格服务实现，不过这些技术能够通过GGF定义的OGSA标准兼容来实现互操作。GGF 中的一个研究组Grid ComputingEnvironment（GCE）重点研究了与客户端的网格开发工具有关的问题。它提供了一组工具集和用户界面来访问网格提供的服务和功能。为了解决并满足日益增长的网格用户社区的需求，GCE计划构建一个框架为客户端的网格开发提供一组标准的接口，这个接口类似于OGSA为服务器端的网格开发提供的接口。这种框架称为OGCE。
OGCE允许网格社区进行以下操作：开发客户机应用程序，这些程序可以跨多个网格后端实现进行互操作。提供可重用的代码，以支持基本网格访问模式的快速原型设计。提供一种开源的、可扩展的架构，可以根据社区的反馈，整体地、递增地构建该架构。访问使用异构技术实现的相同接口集。
(4) SAKAI
SAKAI是一个开源社区项目，聚焦于构建核心协作功能的资源，开发一个协同工具箱，用于教学以及即时协作。该项目提供一个框架，一方面“开箱即用”；另一方面，通过增加一些特别的工具组件，使之也能应用于特定领域。
SAKAI核心功能包括：公告、聊天室、Threaded Discussion、Drop Box、邮件归档、今日消息、新闻/RSS、偏好、讲演工具、资源、日程、web Content、Worksite Setup、WebDAV。SAKAI社区正在积极地开发新的工具扩展核心协同工具集。这些工具集没有包含在Sakai2.0发布中，但是正在由Lancaster和Cambridge大学的研究者进行积极地开发。这部分内容包括：Wiki based onRadeox、博客、共享显示、共享白板、音频多播和视频多播。
对于构建e-Science应用，SAKAI能够作为一个单独的系统提供人对人的交流技术，协调和社会化项目组成员的责任。通过这种方式，SAKAI提供了项目或项目组管理工具的功能。当e-Science应用的其他元素跟上，SAKAI可以被集成到整个项目的门户中。
支持e-Science的协同工作环境的研究和发展是一个十分具有挑战性的问题，不仅仅是软件工具的研发，也不仅仅是若干计算机技术的应用，将涉及到信息技术和一些社会科学的交叉，这当中存在一些需要从更广阔的视角来看待的问题。在我们正在开展的一些e-Science应用的尝试中，已经切实感受到了这方面的问题和困难：如何让科研人员接受新的技术和工具，科研人员怎样才能积极有效地适应和参与新的科研环境和流程，e-Science活动中的各类角色应如何发挥作用，e-Science虚拟实验室该如何建、如何用、如何管？
网格计算[6]、协同工作、Web服务和SOA[7]等领域的前沿技术，无疑是协同工作环境研究开发中的一些关键问题。此外，“社会计算”是一个新的研究主题，有可能为e-Science协同工作环境的开发、应用和服务从一些新的角度提供理论指导。社会计算可以从两个方面或角度来看：一个是从计算机或更广义的信息技术在社会活动中的应用；另一个是从社会知识，或更具体的人文知识在计算机或信息技术中的使用和嵌入，反过来提高社会活动的效益和水平[8]。应用社会学的知识指导e-Science协同工作环境的研究和开发，开展信息技术与社会学的交叉研究，这也是协同工作环境研究发展中的一个重要的关键问题。
4. Duckling研究进展
协同工作环境套件（Duckling）是中科院计算机网络信息中心面向e-Science及中科院“十一五”信息化发展的需求，研究开发的一套支持e-Science的协同工作环境的软件。这套软件包括虚拟工作台、核心工具集、资源与服务池、安全基础设施等主要部件，组成结构图如图1。
虚拟工作台是用户在虚拟实验室中主要的工作环境和使用界面，其主要功能是为用户提供统一的入口，支持用户以个性化的方式组织管理资源、使用资源，提供灵活的工具集成，提供方便、易用的使用界面。虚拟工作台以基于Web的服务门户的方式来实现。其目标是实现一个开放、灵活和可扩展的集成平台。虚拟工作台必须保证其开放性和可扩展性，支持虚拟实验室的持续开发并满足科研人员灵活多变的需求；支持构件的可重用性，使其能够有效地使用长期积累的科研资源；同时确保虚拟实验室的可用性和可访问性，使得它能获得科研人员的广泛接受。
虚拟实验室的核心工具集包括支持科研人员在e-Science环境下开展协同工作所需要的基础性、关键性的工具。这个核心工具集会随着e-Science环境的发展，科研人员工作内容、方式、习惯的改变而逐步扩展或变化。核心工具集的功能设计应和现阶段科研人员从事科研活动的特点和水平相适应，优先提供需求迫切、条件成熟的工具。核心工具集的系统架构应具有良好的可扩充性。经过大量的调研和分析，我们认为现阶段具有普遍性和典型性的协同科研活动是科研人员在完成合作科研项目过程中的相关工作，这类活动对协同工具的需求也最具有现实的迫切性。
基于上述思路，当前的核心工具集包括虚拟组织管理工具、文档协同工具和活动组织工具等三大工具。
虚拟组织管理工具是一种面向群组（虚拟组织）的用户管理系统。管理工具中，个体科研人员以虚拟组织为单元进行灵活的组合。虚拟组织管理工具提供虚拟组织从创建、运行到撤销整个生命周期的各项管理功能，特别是面向虚拟组织的权限管理，包括解决用户在多个虚拟实验室应用中实现单一登录的问题。它的另一项重要功能是帮助科研人员与合作伙伴进行联系和交流，或寻找潜在的合作者。虚拟组织管理工具为整个虚拟实验室的应用提供了一个统一的用户管理的解决方案。
文档协同工具是一种面向组用户的协作式写作、文档共享和管理工具，支持一个虚拟组织当中的成员便捷、高效地共享和协同开发各类数字化文档，其重要特点是基于组的协作式写作和文档管理、基于搜索的文档定位，可以方便地实现一键上载、全文检索、智能标签、各处引用等功能。文档协同工具可在项目申请、项目执行等各个环节的大量文档工作中发挥重要作用。
活动组织工具的作用是协助科研人员组织开展各类科研活动。一个典型的例子是学术会议的组织。当前科研活动中有大量的会议，从项目组内的讨论到大型的国际学术交流，在e-Science环境中这类活动更加频繁和日常化（如视频会议）。安排会议日程、共享会议材料等往往涉及到参会人员之间的大量沟通和协作，活动组织工具可帮助虚拟实验室的用户在这些工作中提高效率。除会议外，其他的科研活动如野外考察、联合观测等也有类似的需要组织安排的工作，结合e-Science示范应用在这些方面的具体需求，在会议类活动的基础上进行扩展或定制，逐步支持更多类型的科研活动。
e-Science环境中包括高性能计算、科学数据、科技文献、软件/算法、科学仪器等大量资源，协同工作环境中的资源与服务池部件负责实现将这些资源根据用户需要集成到虚拟实验室中供用户方便地使用。资源集成的方案不仅要在技术上可行，在管理上、机制上也要可行，这是相当有挑战性的。虚拟工作台插件技术将科研应用中的特定功能和用户接口连接起来，使得它们构成了虚拟工作台的一个可插拔的组件，保证虚拟工作台的可定制性和可扩展性，简化虚拟工作台的构建，使得它们在长时间的运行过程中更加具有可扩展性、可重用性、可管理性和可维护性。工作流支撑平台采用基于服务的工作流来构建科研业务流程，通过科研业务工作流的自动或半自动执行，提高科研的效率和产出。
安全基础设施是实现e-Science协同工作的一个重要前提，必须在协同工作环境下建设一套可靠、方便、高效的安全基础设施，实现安全环境下的虚拟组织管理、数据传输及协同协作。协同工作环境中采用数字证书作为基本的用户身份标识，建立了基于PKI的安全基础设施，由自建的CA系统向协同工作环境用户提供证书服务。
5. Duckling典型应用
到目前为止，协同工作环境套件（Duckling）的原型版本已在中科院和国家的一些重大科研项目中得到应用。
5.1天文学网络虚拟实验室
天文学网络虚拟实验室是虚拟实验室这种新型科研模式在天文学领域的具体体现。在国家科技基础条件平台项目“天文学网络虚拟实验室示范”中，与大型天文望远镜的申请审批、联合观测以及观测数据管理等科研流程结合在一起，使用Duckling建设了提供包括大型望远镜观测时间在线申请、多人同时在线的网络远程协同观测、观测数据管理等学科特点鲜明的网络协同工作环境，该虚拟实验室已逐步成为国内天文领域研究和相关活动的一个基础性平台，发挥了重要的信息化支撑作用。
通过“大型望远镜观测时间在线申请”模块，申请者、审核专家，望远镜管理人员实现了协同工作，2007年度2.16米和1.56米反射望远镜申请及审批工作成功完成。
天文学网络虚拟实验室使得联合观测可以以在线方式实时进行，观测者通过望远镜协同观测平台同时控制兴隆基地的2.16米望远镜和佘山基地的1.56米望远镜对目标进行了不同波段的观测，在观测过程中实时得到了观测结果，并根据结果随时调整观测行为。
目前，天文学网络虚拟实验室已整合、集成了国家天文台兴隆观测基地2.16米反射望远镜、80厘米望远镜、30厘米望远镜、广角望远镜和太阳望远镜，上海天文台佘山观测基地1.56米反射望远镜和国家天文台怀柔太阳观测基地的全日面望远镜等资源。
通过望远镜协同观测平台，屏蔽了各望远镜的繁琐的操作细节，以一致的方式远程控制已整合到虚拟实验室的各台望远镜。观测者在观测的同时，可以在自己控制的协同工作组范围内共享观测成果，还可以将控制权限临时移交给协同工作组中的其他成员。
5.2 蛋白质科学协同科研环境
中国科学院知识创新工程项目“面向蛋白质科学的高性能计算研究”是生命科学和信息科学的前沿交叉，项目总体目标包括三个方面：第一，面向蛋白质科学的发展需求，通过信息技术与生命科学的有机结合，产生一批新方法和相应的算法与应用软件；第二，面向具体蛋白质科学的目标，在高性能计算机创新性通用系统、高效率硬件加速系统等方面取得一批原创性成果，带动高性能计算自主技术的创新和发展；第三，开展网络协同科研环境的技术研发与应用示范，为下一步科研信息化建设提供技术储备。该重大项目由中科院计算所牵头承担，上海生命科学院、中科院生物物理所、中科院网络中心等单位参加。
网络协同科研环境方面，将在充分调研蛋白质科研流程特点和需求的基础上，开发和部署面向蛋白质科学的协同科研应用服务环境，配置工作流平台，搭建用户自管理的运行环境，提供稳定服务。
网络协同科研环境中包括协作工具、资源集成使用环境以及面向蛋白质科研流程的特定软件和服务平台。根据蛋白质科研流程的特点，面向一线科学家的具体需求，采用SOA的路线，将在协作工具、资源集成使用环境提供的服务的基础上开发和搭建适合于蛋白质科研流程的特定软件和服务平台，典型的如蛋白质科学工作流平台。
网络协同科研环境将对整个“面向蛋白质科学的高性能计算研究”的项目成员提供稳定服务，提供email、ticket等多种形式的在线和离线服务支持系统，在此基础上探索面向蛋白质科学的协同科研环境服务运行维护模式和体系。协作工具和资源集成环境由协同科研环境运行服务团队负责运行维护，而面向蛋白质科研流程的特定软件和服务平台的服务则由协同科研环境运行服务团队和上海生科院的科研人员共同维护，并在此基础上构建成熟的协同科研环境运行服务模式和体系。
另外，在“北京及周边地区奥运大气环境监测和预警联合行动计划”中，使用Duckling为项目组中多单位不同地区不同学科的科研人员提供了网上的协同工作环境。
Duckling也应用在“青海湖联合科研基地”、“计算化学虚拟实验室”等跨学科、多个研究所参与的科研活动中。此外，Duckling开发团队自身也在使用这样的协同工作环境。
6. 总结与展望
e-Science将为科研手段和方法带来新的革命性的进步，进而极大地推动科学技术的发展[9]。协同工作环境是e-Science环境的重要组成部分。协同工作环境套件Duckling是这个方向上的一个探索，经过近一年的开发已经形成了原型版本并在少数项目中试用，计划将在2008年底之前发布Duckling的第一个正式版本。同时我们看到，再先进的软件也只是帮助和促进科研协同的工具，e-Science的发展需要多方面因素的共同推进，本文第3节中讨论的社会学方面的问题也将是支持e-Science的协同工作环境的一个有待进一步研究的关键问题。
