實驗室實施信息化建設，旨在藉助現代信息技術優勢促進實驗室各項工作的全面建設和發展，其重要內容是建立一個全面支持e-Science的綜合性協同工作環境， 解決科研人員的協同工作問題。本文闡述協同工作環境對實現e-Science的重要意義和作用，簡介國內外相關的主要工作及研究熱點，並介紹我們正在開發的一個支持e-Science的協同工作環境套件（Duckling）的進展情況。
基本介紹
- 中文名：基於e-Science的協同工作環境套件
- 外文名：Duckling
- 方法：藉助現代信息技術優勢
- 目的：促進實驗室各項工作全面建設
引言,意義,關鍵問題,進展,套用,展望,
引言
作為科研活動重要場所的實驗室，必須積極構築起與時代發展相適應的信息化環境，確保實驗室內部知識信息從創新到套用各環節間的相互協調與高效運作，從而在科學研究的中心工作中發揮主力作用。實驗室實施信息化建設，旨在藉助現代信息技術優勢促進實驗室各項工作的全面建設和發展，建設的重點是要將原始的各種設備器材、資料、數據及人員的管理和套用與先進的計算機技術、多媒體技術、網路技術和科學的模擬仿真技術相結合，使基於傳統模式概念下的實驗室各項工作在現代信息理念和信息規範的引導下發生質的嬗變，實現實驗室工作的現代化、開放化和高效化。
實驗室信息化的重要內容是建立虛擬實驗室，虛擬實驗室是一個全面支持e-Science的綜合性協同工作環境, 是由支持資源共享與協同工作的硬體、軟體、數據、信息等資源和人員組織共同構成的有機整體, 是e-Science環境中面向用戶（科研人員）的使用界面和各種e-Science活動的基本組織形式。虛擬實驗室的核心內容要解決科研人員在e-Science環境中的協同工作問題。
以協同的方式進行工作自古就有，隨著生產力和技術的進步，協同的範圍不斷擴大、水平逐漸提高。計算機的出現使得協同工作環境的方式和手段有了第一次飛躍，這次飛躍的典型標誌是上世紀80年代計算機支持的協同工作（CSCW）。隨著Internet的飛速發展以及信息便攜設備（PDA）的大量普及，協同工作發生了以網路協同為顯著標誌的第二次飛躍，進入了一個新的階段。
在實現e-Science的過程中，往往通過高速的網路聯接高性能計算資源、海量科學資料庫、科學數字圖書館、野外觀測台站、大型科學裝置、計算模擬的軟體工具等等組成e-Science的基礎設施與資源，實現資源集成共享，形成支撐科研人員大範圍交流協作的協同工作環境，支撐科研人員組成跨學科、跨組織、跨地域的虛擬研究團隊或者組織，通過遠程實驗觀測、計算模擬、協同工作等新的科研方法和手段開展科學研究活動。
本文將闡述協同工作環境對實現e-Science的重要意義和作用，簡介國內外相關的主要工作及研究熱點，並對我們正在開發的一個支持e-Science的協同工作環境套件（Duckling）的進展情況進行介紹，最後是總結和展望。
意義
數位化技術與計算機網路的發展，使人、科學儀器與裝置、計算工具和信息聯接在一起，提供了協同工作環境，消除了地域、時間、機構之間的邊界，為科研活動提供了革命性的新模式，從而大大促進了科研活動中的信息共享、合作與交流，促進了學科的交叉，提高了工作效率和創新發現能力。虛擬組織、虛擬實驗室或虛擬研究團隊成為信息化條件下的新型研究組織形式。
支持e-Science的協同工作環境是一種為科研人員服務的虛擬實驗室。它的主要用戶是科學家，它建立在互連網路環境、超級計算環境和數據套用環境等信息化基礎設施之上，利用和集成它們提供的基礎性服務，構建支持網路化科研模式的綜合性服務，支持面向具體科研活動的特色協同環境。具體而言，這種虛擬實驗室是由支持資源共享與協同工作的硬體、軟體、數據、信息等資源和人員組織共同構成的有機的整體，是e-Science環境中面向用戶（科研人員）的一個基礎使用界面[1]。
進一步來講，支持e-Science的協同工作環境或虛擬實驗室在技術之外，還可以有組織上的涵義。e-Science的三大資源要素——高性能計算、科學數據和協同工作的科研人員——通過虛擬實驗室有機地結合起來。在e-Science示範套用的建設和實施過程中，根據各個套用的特點和需求，虛擬實驗室提供的綜合性服務和工具與各個e-Science套用的具體科研流程無縫地融合為一體，形成面向套用領域科研活動特點的網路協同工作環境。在e-Science發展的過程中，虛擬實驗室在粘合信息化基礎設施、催化新的科研模式和促推科研機制變革方面具有重要的戰略意義。
協同工作環境在支持科研人員開展e-Science活動方面可提供以下主要功能和服務：
(1) 科研項目可以作為“虛擬組織”的形式成為虛擬實驗室的用戶。科研人員可參加項目相應的虛擬組織，使用虛擬實驗室中相應的服務；也可以在虛擬實驗室中與同行交流或尋找合作夥伴。重大的科研項目可以建立專用的虛擬實驗室運行系統。
(2) 科研人員在虛擬實驗室中享有個性化的使用環境，可以享受靈活定製的服務，可根據自身需要獲取、組織和管理各類信息資源。
(3) 科研人員在虛擬實驗室中可以集成使用院信息化建設的計算、存儲、資料庫、文獻等多種資源，集成使用一些工具和服務，包括領域特定的套用。
(4) 科研人員可以與項目/虛擬組織內的合作者或其他人員高效、安全、方便地共享各種電子文檔，基於智慧型搜尋的方式使用和管理文檔，並可進行協作式寫作。
(5) 科研人員可以更高效地參與或組織一些學術活動和項目工作，如會議、論文評審、檢查驗收、考察活動等。
關鍵問題
協同工作環境相關技術受到國內外學術界的普遍關注和重視。國際上，荷蘭的VirtualLaboratory for e-Science (VL-e) [2]項目、英國JISC的Virtual ResearchEnvironments (VRE) [3]項目、GGF的Open GridComputing Environment（OGCE）[4]項目和SAKAI[5]等項目在這方面進行了大量的研究和探索，取得了豐富的成果。在國內，國家自然科學基金委員會制定了“以網路為基礎的科學活動環境研究”重大研究計畫；科技部在國家科技基礎條件平台的建設中啟動了“網路協同研究與工作環境建設”項目。這些項目探索了如何將各種信息化資源集成為一個綜合協作環境。
下面重點對VL-e，VRE，OGCE，SAKAI等進行介紹。
(1) VL-e
荷蘭的VL-e（VirtualLaboratory for e-Science）項目的目標是將高性能網路和格線技術發展帶來的推動力與更廣泛的科學實驗套用的需求結合起來。為科學研究中的分布協作以及實驗提供一個虛擬的工作空間，使用分布的信息和通信技術來產生和遞送結果。提供通用的功能以支持廣泛和特定的e-Science套用環境。通過創建e-Science環境推動e-Science套用，並且開展方法學上的研究。VL-e項目的策略是沿著從套用到網路整個完整的e-Science技術鏈開展具體研究，並且關注於新的方法學和可重用組件的研究。
VL-e項目中包括四個任務：創建特定學科領域e-Science環境的科學原型；為可重用的信息技術組件開發套用方法學；逐步擴展並開展真實的科研實驗套用；在有效實現的學科領域特定的e-Science環境中構建和傳輸知識。
(2) VRE
VRE(VirtualResearch Environments)被定義為包含一組線上工具和網路資源，通過互操作技術支持或改善研究機構內或跨研究機構間廣泛的科研人員開展科學研究活動。VRE的一個關鍵特徵是能夠促進研究人員和研究團隊間的協作，為科研人員提供更有效的方式來協同地採集、處理和管理數據，以及協同的知識創建。VRE項目的目標並不是產出一個單一而且完整的VRE，而是定義和開發一個通用的架構，推進滿足要求的功能組件的開發，並且將這些組件與滿足科研人員需求的套用、服務和資源組裝為一個虛擬研究環境。VRE項目2006年得到英國JISC兩百萬英鎊的滾動支持經費。
(3) OGCE
Global Grid Forum（GGF）的 Open GridServices Architecture（OGSA）計畫為基於Web服務的、面向標準服務的格線框架定義了一個基礎。OGSA允許不同供應商使用各種技術提供格線服務實現，不過這些技術能夠通過GGF定義的OGSA標準兼容來實現互操作。GGF 中的一個研究組Grid ComputingEnvironment（GCE）重點研究了與客戶端的格線開發工具有關的問題。它提供了一組工具集和用戶界面來訪問格線提供的服務和功能。為了解決並滿足日益增長的格線用戶社區的需求，GCE計畫構建一個框架為客戶端的格線開發提供一組標準的接口，這個接口類似於OGSA為伺服器端的格線開發提供的接口。這種框架稱為OGCE。
OGCE允許格線社區進行以下操作：開發客戶機應用程式，這些程式可以跨多個格線後端實現進行互操作。提供可重用的代碼，以支持基本格線訪問模式的快速原型設計。提供一種開源的、可擴展的架構，可以根據社區的反饋，整體地、遞增地構建該架構。訪問使用異構技術實現的相同接口集。
(4) SAKAI
SAKAI是一個開源社區項目，聚焦於構建核心協作功能的資源，開發一個協同工具箱，用於教學以及即時協作。該項目提供一個框架，一方面“開箱即用”；另一方面，通過增加一些特別的工具組件，使之也能套用於特定領域。
SAKAI核心功能包括：公告、聊天室、Threaded Discussion、Drop Box、郵件歸檔、今日訊息、新聞/RSS、偏好、講演工具、資源、日程、web Content、Worksite Setup、WebDAV。SAKAI社區正在積極地開發新的工具擴展核心協同工具集。這些工具集沒有包含在Sakai2.0發布中，但是正在由Lancaster和Cambridge大學的研究者進行積極地開發。這部分內容包括：Wiki based onRadeox、部落格、共享顯示、共享白板、音頻多播和視頻多播。
對於構建e-Science套用，SAKAI能夠作為一個單獨的系統提供人對人的交流技術，協調和社會化項目組成員的責任。通過這種方式，SAKAI提供了項目或項目組管理工具的功能。當e-Science套用的其他元素跟上，SAKAI可以被集成到整個項目的門戶中。
支持e-Science的協同工作環境的研究和發展是一個十分具有挑戰性的問題，不僅僅是軟體工具的研發，也不僅僅是若干計算機技術的套用，將涉及到信息技術和一些社會科學的交叉，這當中存在一些需要從更廣闊的視角來看待的問題。在我們正在開展的一些e-Science套用的嘗試中，已經切實感受到了這方面的問題和困難：如何讓科研人員接受新的技術和工具，科研人員怎樣才能積極有效地適應和參與新的科研環境和流程，e-Science活動中的各類角色應如何發揮作用，e-Science虛擬實驗室該如何建、如何用、如何管？
格線計算[6]、協同工作、Web服務和SOA[7]等領域的前沿技術，無疑是協同工作環境研究開發中的一些關鍵問題。此外，“社會計算”是一個新的研究主題，有可能為e-Science協同工作環境的開發、套用和服務從一些新的角度提供理論指導。社會計算可以從兩個方面或角度來看：一個是從計算機或更廣義的信息技術在社會活動中的套用；另一個是從社會知識，或更具體的人文知識在計算機或信息技術中的使用和嵌入，反過來提高社會活動的效益和水平[8]。套用社會學的知識指導e-Science協同工作環境的研究和開發，開展信息技術與社會學的交叉研究，這也是協同工作環境研究發展中的一個重要的關鍵問題。
進展
協同工作環境套件（Duckling）是中科院計算機網路信息中心面向e-Science及中科院“十一·五”信息化發展的需求，研究開發的一套支持e-Science的協同工作環境的軟體。這套軟體包括虛擬工作檯、核心工具集、資源與服務池、安全基礎設施等主要部件，組成結構圖如圖1。
虛擬工作檯是用戶在虛擬實驗室中主要的工作環境和使用界面，其主要功能是為用戶提供統一的入口，支持用戶以個性化的方式組織管理資源、使用資源，提供靈活的工具集成，提供方便、易用的使用界面。虛擬工作檯以基於Web的服務門戶的方式來實現。其目標是實現一個開放、靈活和可擴展的集成平台。虛擬工作檯必須保證其開放性和可擴展性，支持虛擬實驗室的持續開發並滿足科研人員靈活多變的需求；支持構件的可重用性，使其能夠有效地使用長期積累的科研資源；同時確保虛擬實驗室的可用性和可訪問性，使得它能獲得科研人員的廣泛接受。
虛擬實驗室的核心工具集包括支持科研人員在e-Science環境下開展協同工作所需要的基礎性、關鍵性的工具。這個核心工具集會隨著e-Science環境的發展，科研人員工作內容、方式、習慣的改變而逐步擴展或變化。核心工具集的功能設計應和現階段科研人員從事科研活動的特點和水平相適應，優先提供需求迫切、條件成熟的工具。核心工具集的系統架構應具有良好的可擴充性。經過大量的調研和分析，我們認為現階段具有普遍性和典型性的協同科研活動是科研人員在完成合作科研項目過程中的相關工作，這類活動對協同工具的需求也最具有現實的迫切性。
基於上述思路，當前的核心工具集包括虛擬組織管理工具、文檔協同工具和活動組織工具等三大工具。
虛擬組織管理工具是一種面向群組（虛擬組織）的用戶管理系統。管理工具中，個體科研人員以虛擬組織為單元進行靈活的組合。虛擬組織管理工具提供虛擬組織從創建、運行到撤銷整個生命周期的各項管理功能，特別是面向虛擬組織的許可權管理，包括解決用戶在多個虛擬實驗室套用中實現單一登錄的問題。它的另一項重要功能是幫助科研人員與合作夥伴進行聯繫和交流，或尋找潛在的合作者。虛擬組織管理工具為整個虛擬實驗室的套用提供了一個統一的用戶管理的解決方案。
文檔協同工具是一種面向組用戶的協作式寫作、文檔共享和管理工具，支持一個虛擬組織當中的成員便捷、高效地共享和協同開發各類數位化文檔，其重要特點是基於組的協作式寫作和文檔管理、基於搜尋的文檔定位，可以方便地實現一鍵上載、全文檢索、智慧型標籤、各處引用等功能。文檔協同工具可在項目申請、項目執行等各個環節的大量文檔工作中發揮重要作用。
活動組織工具的作用是協助科研人員組織開展各類科研活動。一個典型的例子是學術會議的組織。當前科研活動中有大量的會議，從項目組內的討論到大型的國際學術交流，在e-Science環境中這類活動更加頻繁和日常化（如視頻會議）。安排會議日程、共享會議材料等往往涉及到參會人員之間的大量溝通和協作，活動組織工具可幫助虛擬實驗室的用戶在這些工作中提高效率。除會議外，其他的科研活動如野外考察、聯合觀測等也有類似的需要組織安排的工作，結合e-Science示範套用在這些方面的具體需求，在會議類活動的基礎上進行擴展或定製，逐步支持更多類型的科研活動。
e-Science環境中包括高性能計算、科學數據、科技文獻、軟體/算法、科學儀器等大量資源，協同工作環境中的資源與服務池部件負責實現將這些資源根據用戶需要集成到虛擬實驗室中供用戶方便地使用。資源集成的方案不僅要在技術上可行，在管理上、機制上也要可行，這是相當有挑戰性的。虛擬工作檯外掛程式技術將科研套用中的特定功能和用戶接口連線起來，使得它們構成了虛擬工作檯的一個可插拔的組件，保證虛擬工作檯的可定製性和可擴展性，簡化虛擬工作檯的構建，使得它們在長時間的運行過程中更加具有可擴展性、可重用性、可管理性和可維護性。工作流支撐平台採用基於服務的工作流來構建科研業務流程，通過科研業務工作流的自動或半自動執行，提高科研的效率和產出。
安全基礎設施是實現e-Science協同工作的一個重要前提，必須在協同工作環境下建設一套可靠、方便、高效的安全基礎設施，實現安全環境下的虛擬組織管理、數據傳輸及協同協作。協同工作環境中採用數字證書作為基本的用戶身份標識，建立了基於PKI的安全基礎設施，由自建的CA系統向協同工作環境用戶提供證書服務。
套用
到目前為止，協同工作環境套件（Duckling）的原型版本已在中科院和國家的一些重大科研項目中得到套用。
天文學網路虛擬實驗室
天文學網路虛擬實驗室是虛擬實驗室這種新型科研模式在天文學領域的具體體現。在國家科技基礎條件平台項目“天文學網路虛擬實驗室示範”中，與大型天文望遠鏡的申請審批、聯合觀測以及觀測數據管理等科研流程結合在一起，使用Duckling建設了提供包括大型望遠鏡觀測時間線上申請、多人同時線上的網路遠程協同觀測、觀測數據管理等學科特點鮮明的網路協同工作環境，該虛擬實驗室已逐步成為國內天文領域研究和相關活動的一個基礎性平台，發揮了重要的信息化支撐作用。
通過“大型望遠鏡觀測時間線上申請”模組，申請者、審核專家，望遠鏡管理人員實現了協同工作，2007年度2.16米和1.56米反射望遠鏡申請及審批工作成功完成。
天文學網路虛擬實驗室使得聯合觀測可以以線上方式實時進行，觀測者通過望遠鏡協同觀測平台同時控制興隆基地的2.16米望遠鏡和佘山基地的1.56米望遠鏡對目標進行了不同波段的觀測，在觀測過程中實時得到了觀測結果，並根據結果隨時調整觀測行為。
目前，天文學網路虛擬實驗室已整合、集成了國家天文台興隆觀測基地2.16米反射望遠鏡、80厘米望遠鏡、30厘米望遠鏡、廣角望遠鏡和太陽望遠鏡，上海天文台佘山觀測基地1.56米反射望遠鏡和國家天文台懷柔太陽觀測基地的全日面望遠鏡等資源。
通過望遠鏡協同觀測平台，禁止了各望遠鏡的繁瑣的操作細節，以一致的方式遠程控制已整合到虛擬實驗室的各台望遠鏡。觀測者在觀測的同時，可以在自己控制的協同工作組範圍內共享觀測成果，還可以將控制許可權臨時移交給協同工作組中的其他成員。
蛋白質科學協同科研環境
中國科學院知識創新工程項目“面向蛋白質科學的高性能計算研究”是生命科學和信息科學的前沿交叉，項目總體目標包括三個方面：第一，面向蛋白質科學的發展需求，通過信息技術與生命科學的有機結合，產生一批新方法和相應的算法與套用軟體；第二，面向具體蛋白質科學的目標，在高性能計算機創新性通用系統、高效率硬體加速系統等方面取得一批原創性成果，帶動高性能計算自主技術的創新和發展；第三，開展網路協同科研環境的技術研發與套用示範，為下一步科研信息化建設提供技術儲備。該重大項目由中科院計算所牽頭承擔，上海生命科學院、中科院生物物理所、中科院網路中心等單位參加。
網路協同科研環境方面，將在充分調研蛋白質科研流程特點和需求的基礎上，開發和部署面向蛋白質科學的協同科研套用服務環境，配置工作流平台，搭建用戶自管理的運行環境，提供穩定服務。
網路協同科研環境中包括協作工具、資源集成使用環境以及面向蛋白質科研流程的特定軟體和服務平台。根據蛋白質科研流程的特點，面向一線科學家的具體需求，採用SOA的路線，將在協作工具、資源集成使用環境提供的服務的基礎上開發和搭建適合於蛋白質科研流程的特定軟體和服務平台，典型的如蛋白質科學工作流平台。
網路協同科研環境將對整個“面向蛋白質科學的高性能計算研究”的項目成員提供穩定服務，提供email、ticket等多種形式的線上和離線服務支持系統，在此基礎上探索麵向蛋白質科學的協同科研環境服務運行維護模式和體系。協作工具和資源集成環境由協同科研環境運行服務團隊負責運行維護，而面向蛋白質科研流程的特定軟體和服務平台的服務則由協同科研環境運行服務團隊和上海生科院的科研人員共同維護，並在此基礎上構建成熟的協同科研環境運行服務模式和體系。
另外，在“北京及周邊地區奧運大氣環境監測和預警聯合行動計畫”中，使用Duckling為項目組中多單位不同地區不同學科的科研人員提供了網上的協同工作環境。
Duckling也套用在“青海湖聯合科研基地”、“計算化學虛擬實驗室”等跨學科、多個研究所參與的科研活動中。此外，Duckling開發團隊自身也在使用這樣的協同工作環境。
展望
e-Science將為科研手段和方法帶來新的革命性的進步，進而極大地推動科學技術的發展[9]。協同工作環境是e-Science環境的重要組成部分。協同工作環境套件Duckling是這個方向上的一個探索，經過近一年的開發已經形成了原型版本並在少數項目中試用，計畫將在2008年底之前發布Duckling的第一個正式版本。同時我們看到，再先進的軟體也只是幫助和促進科研協同的工具，e-Science的發展需要多方面因素的共同推進，本文第3節中討論的社會學方面的問題也將是支持e-Science的協同工作環境的一個有待進一步研究的關鍵問題。
