中国科研信息化发展重点综述
《中国科研信息化蓝皮书2020》编写委员会
摘要
“十三五”期间，中共中央办公厅、国务院办公厅印发了《国家信息化发展战略纲要》，强调了要围绕“五位一体”总体布局和“四个全面”战略布局，以信息化驱动现代化为主线，着力提高信息化应用水平。国内各领域专家、学者充分利用先进信息技术开展科学研究工作，取得了一系列重大科技成果，体现了我国科研信息化应用水平。本文主要从面向世界科技前沿、面向国家重大需求及面向国民经济主战场三个方面，系统地概述了中国科研信息化近两年来的重要进展，以期使广大科研信息化工作者在阅读本书内容时有一个整体、全面的了解和参考。
关键词
科研信息化；信息化；世界科技前沿；国家重大需求；国民经济主战场
Abstract
During the "13th Five-Year Plan" period,the "Outline of the National Informatization Development Strategy"issued by the General Office of the CPC Central Committee and the General Office of the State Council emphasized that efforts should be made to improve the level of informatization application while centering on the"Five-in-One Overall Layout"and the"Four-Pronged Comprehensive Strategy"and focusing on informatization to drive modernization.The domestic experts and scholars make full use of advanced information technology to carry out scientific research work,and have achieved a series of major scientific and technological achievements.It reflects the application level of scientific research informatization in China.This article systematically summarized the e-Science research from three aspects of the frontiers science and technology over the world,the major needs of the country and the main battlefield of national economy during the past two years,so as to provide a reference for the workers in this field for the further e-Science research.
Keywords
e-Science;Informatization;The Frontiers of Science and Technology over the World;National Major Needs;Main Battlefield of National Economy
1 引言
科研信息化的实质就是科技创新活动的信息化，是现代科学研究的必然投入要素之一[1]，是提高创新能力和国际竞争能力的关键所在，是提升国家科技竞争力的重要手段，是促使科研方式转变、提高科研效率和产出的有力抓手。
“十三五”期间，党中央、国务院对科研信息化高度重视，中共中央办公厅、国务院办公厅印发的《国家信息化发展战略纲要》[2]提出要加快科研信息化发展，科研信息化工作首次被纳入国家战略。《“十三五”国家信息化规划》[3]指出目前我国正处在信息化引领全面创新、构筑国家竞争新优势的重要战略机遇期，是我国从网络大国迈向网络强国、成长为全球互联网引领者的关键窗口期。2018年4月，习近平总书记在全国网络安全和信息化工作会议上发表的重要讲话[4]指出，信息化为中华民族带来了千载难逢的机遇。我们必须敏锐抓住信息化发展的历史机遇。
近年来，国内科研界认真贯彻落实党中央、国务院决策部署，坚持“三个面向”[5]，加快各领域科技创新，积极推动科研信息化相关工作，取得了一系列新进展、新成效、新突破，为科技创新发展提供了有力支撑。为了更好地介绍和总结近两年来我国科研信息化发展态势及成果，中国科学院继续联合国家有关部门出版发行《中国科研信息化蓝皮书2020》，本书首次在全球范围实现中英文版同步发布，以期更好地向全世界展现和分享我国科研信息化发展的重大成果、成功经验和典型案例。
2 概述
《中国科研信息化蓝皮书2020》汇集收录了过去两年间国内科研信息化应用相关工作的研究成果，共计29篇文章，从面向世界科技前沿、面向国家重大需求及面向国民经济主战场三个方面，全面介绍我国科研信息化发展态势、主要进展及重大科技成果。为了使广大读者在阅读本书内容时有一个整体、全面的了解和参考，本文介绍了若干篇文章撰写的背景，同时摘选文章重点内容进行了介绍。
2.1 面向世界科技前沿
科技创新的基本任务乃至首要任务，就是面向世界科技前沿。我国已成为具有重要影响力的科技大国，正在从科技大国向科技强国的目标不断迈进，科技水平正在从以跟踪学习为主向以并行和领跑为主不断转变。在近两年中，我国不断产生世界一流科技成果，信息化在其中也发挥了重要的支撑作用。
在本书“第一篇 面向世界科技前沿”中，共收录文章6篇，内容涉及生物医学、高性能计算科学、暗物质科学、核能科学、水科学、人工智能等。文章展示了多项面向世界科技前沿的重大研究成果，对上述领域未来科技发展趋势进行了研判，对科研信息化在科研工作中发挥的重要作用进行了详细阐述。
本文从中摘选4篇文章进行介绍。
1.生物医学大数据助力新冠肺炎疫情研究
2020年，一场突如其来的疫情打破了我们以往的正常生活，全国乃至全世界人民为打赢这场“战役”都付出了巨大的努力和牺牲，国内外科研专家也迅速组织科研力量，开展疫情科技攻关工作，积极发挥智库作用，为抗击疫情做出了重要的贡献。中国科学院院士、中国科学院上海营养与健康研究所生物医学大数据中心首席科学家赵国屏等撰写的《生物医学大数据的态势与展望》一文，追溯了生物医学大数据研发与转化应用的发展历程，综合阐述了生物医学大数据复杂的内涵，力图展示生物医学大数据在生命科学研究、医疗健康机构、生物技术与生物医药行业中的影响及其对经济和社会发展带来的机遇。通过生物医学大数据在应对新冠肺炎疫情中发挥的作用及反映的问题这个实例，总结了相关实践的经验教训，并进一步立足我国国情，提出了相应的政策建议和解决方案，为我国生物医学大数据的管理部门、研究与应用单位提供了有益的参考。
2.“神威·太湖之光”引领高性能计算迈入十亿亿次时代
高性能计算发展水平体现了一个国家的科技综合实力，是国家创新体系的重要组成部分，也是世界主要发达国家激烈竞争的战略制高点。中国工程院院士、中国工程院副院长陈左宁撰写的《我国高性能计算进展及国际高性能计算发展趋势》一文，通过展示近两年国际高性能计算500强排行来分析我国高性能计算最新进展，审视我国高性能计算研发存在的不足之处，阐释“神威·太湖之光”高性能计算机系统的技术突破与应用，探讨国际百亿亿次（E级）计算机研发热潮，最后还预测了国际高性能计算技术未来的发展趋势。
3.暗物质粒子探测卫星在电子、质子宇宙线测量方面取得突破性进展
暗物质粒子探测卫星“悟空号”是我国首颗天文观测卫星，目前已在轨运行3年多，采集并处理了超过60亿个高能宇宙线粒子，获取了数百TB的科学数据，为高能宇宙线电子、质子及伽马射线的研究提供了可靠的数据保障。我国卫星科学数据的处理在国内尚无先例可循，如此海量的天文观测数据对数据的存储和处理技术提出了更大的挑战。中国科学院院士、中国科学院紫金山天文台台长常进等在《暗物质粒子探测卫星在轨数据处理的信息化应用》一文中，以“悟空号”卫星为例，介绍了其科学数据处理软件DAMPESW的架构及特点，从数据处理的性能需求出发，说明了目前已经完成的硬件基础设施建设情况，阐述了此类科学卫星在数据处理过程中的信息化应用，为后续同类卫星项目提供了参考依据。
4.先进核安全研究引领国际前沿
当今世界，核能已被广泛应用于国防与工业各个领域，在其发挥重要作用的同时，也面临着放射性安全问题，历史的惨痛教训告诉我们核能的发展必须以安全为前提，核安全是我国核能与核技术利用事业发展的生命线，核应急是核安全的最后一道屏障。中国科学院院士、中国科学院合肥物质科学研究院核能安全技术研究所所长吴宜灿长期从事核科学与技术及相关交叉领域的研究，在其撰写的《基于虚拟核电站Virtual4DS的核应急智慧指挥决策》一文中，介绍了中国科学院核能安全技术研究所凤麟团队基于自主研发的虚拟核电站Virtual4DS，开展了核应急指挥决策关键技术研究，为核设施安全运行与应急决策提供了有力支撑，推动了我国核应急能力的建设。
2.2 面向国家重大需求
科技兴则民族兴，科技强则国家强。当前，国家对战略科技支撑的需求比以往任何时期都更加迫切。在追赶世界科技强国的过程中，我们需要聚焦国家战略问题，坚持有所为有所不为，加强事关国计民生的重大科技攻关，着力突破“卡脖子”问题，使科技创新成果更多走进生产生活。近年来，以大数据、云计算、人工智能等为代表的新一代信息技术蓬勃发展，多项信息技术综合运用于国家重大需求方面，并取得了卓越的成就。
在本书“第二篇面向国家重大需求”中，共收录文章12篇，重点关注信息化发展趋势及关键核心技术在科研领域的应用，收录了包括在青藏高原科考、核聚变科学研究、探月工程、面向科学研究的云计算机等内容的科研信息化应用。
本文从中摘选5篇文章进行介绍。
1.大数据系统助力青藏高原和泛第三极地球系统科学研究
泛第三极地区主要包括青藏高原及其北侧的亚洲内陆干旱区，西至高加索等山脉，东至黄土高原西部，面积约2000万平方公里，和30多亿人的生存环境有关。大数据时代的来临，给青藏高原和泛第三极地区环境问题的机制认识和正确应对带来了新的机遇和挑战。由中国科学院青藏高原研究所研究员李新等撰写的《大数据系统助力青藏高原和泛第三极地球系统科学研究》一文，详细介绍了泛第三极大数据系统的体系架构、数据资源整合和大数据分析方法等，展现了学科领域的大数据处理能力，探索了大数据驱动的地学研究新范式及服务于青藏高原和泛第三极地球系统的科学研究。
2.“人造太阳”——东方超环首次实现了1亿度等离子体放电
东方超环（EAST）是目前为止国际上唯一具备与国际热核聚变实验堆（ITER）类似条件且最有能力在粒子平衡时间尺度上实现长脉冲、高性能运行的实验装置，该装置产生的海量实验数据给信息化环境的建设带来了新的需求和挑战。由中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所高级工程师王枫等撰写的《东方超环协同实验平台的信息化建设与展望》一文，详细介绍了EAST协同实验平台信息化建设全过程以及对该平台未来规划的展望，该平台不仅促进了科研资源的建设积累，提高了科研人员的工作效率，还提供了开放共享的科研交流途径，促进了国内外合作创新研究。
3.中国VLBI网和e-VLBI技术助力探月与深空探测
人类向太空迈出探索的第一个地外行星就是月球。从21世纪初开始，我国开始论证实施月球探测工程，提出了“绕、落、回”三步走的方案，也称嫦娥工程。在我国探月与行星探测工程中，中国VLBI网（CVN）作为测控系统的一部分在历次任务中均圆满完成了任务，为嫦娥探测器的奔月、绕月、落月、返回提供了快速、精确的测定轨定位服务，做出了重要的贡献。中国科学院上海天文台高级工程师陈中等撰写的《中国VLBI网和e-VLBI技术在探月与深空探测工程中的应用与展望》一文，详细介绍了中国VLBI网针对航天工程应用的系统建设和e-VLBI技术在探月工程中的应用，还对中国VLBI网服务中国后续深空探测任务做出了展望。
4.新一代信息通信技术5G构建智慧科研网络
我国“十三五”规划纲要中，明确提出要加快信息网络新技术开发应用，积极推进第五代移动通信和超宽带关键技术研究。随着5G网络技术的发展及云计算技术的进步，结合当前“数据密集型科研”对于海量数据处理的需求与日俱增，相对于传统科研教育机构的网络资源构建，5G科研云凭借其卓越的网络性能、安全性保障及高效的弹性计算资源分配能力等特性，能够实现面对不同需求时的计算资源快速智能且弹性的构建，实现本地特色化服务及云网协同优化和流量统付等功能，充分满足科研人员和学生稳定且高速的网络使用需求。由中国科学院计算机网络信息中心研究员、先进网络与技术发展部主任周旭等撰写的《融合5G技术的先进科研环境演进和云服务架构设计》一文，详细介绍了5G网络及其关键技术和科研云的建设需求，并提出了一种5G科研云架构，通过对研究所、大科学装置、野外台站、大学校园等典型应用场景的分析，阐述了5G科研云所构建的智慧科研网的实用性和必要性。
5.科技文献资源保障体系建设支撑科技创新研究
科技文献平台作为国家的重要战略资源，是科技工作的重要基础条件，是科技创新发展的重要支撑系统。我国科技信息资源保障水平和服务能力，直接关系到国家科技创新和可持续发展。国家科技图书文献中心主任彭以祺等撰写的《国家科技文献资源发现基础平台的建设与服务》一文，介绍了国家科技文献信息保障体系的建设历程，分析了文献信息保障工作面临的形势挑战，阐述了国家科技文献资源发现基础平台的建设方案，以及加强深化和推广文献资源发现服务的方法。
2.3 面向国民经济主战场
科学研究既要“顶天立地”，追求知识和真理，同时也要“惠民”，服务于经济社会发展和广大人民群众。科技水平已经成为影响世界经济周期最主要的变量之一，也是决定经济总量提升的最主要因素。进入21世纪以来，全球科技创新进入空前密集活跃时期，新一轮科技革命和产业变革正在重构全球创新版图、重塑全球经济结构。科学技术从来没有像今天这样深刻影响着国家前途命运，从来没有像今天这样深刻影响着人民生活福祉[6]。
在本书“第三篇面向国民经济主战场”中，共收录文章11篇，主要从科技创新推动国民经济发展及产业化的工业、农业、医疗、教育、资源、环境等各方面进行了详细阐述，涉及“一带一路”中蒙俄经济走廊、干细胞科学研究、公众出行、城市治理、果园、蜂业等领域的信息化应用。
本文从中摘选4篇文章进行介绍。
1.中蒙俄经济走廊荒漠化分析为“一带一路”提供信息化支撑和决策支持
2013年，习近平总书记提出了共建丝绸之路经济带和21世纪海上丝绸之路的倡议[7]，经过从理念到规划、从原则到方案形成了共建“一带一路”的基本框架。“一带一路”倡议提出6年多来，贸易合作成果丰硕，显著推动了“一带一路”沿线国家和地区乃至全球经济的增长。在中国科学院地理科学与资源研究所地球数据科学与共享研究室副主任王卷乐等撰写的《“一带一路”中蒙俄经济走廊荒漠化风险防控信息化应用场景实现——以中蒙铁路沿线（蒙古段）为例》一文中，分析了“一带一路”中蒙俄经济走廊区域自然地理复杂多样、生态环境脆弱敏感和荒漠化的问题，介绍了基于信息化手段和GIS技术，开展的荒漠化遥感反演算法、大数据应用平台、多源数据融合和集成研究工作，建立了荒漠化风险防控的应用场景。综合大数据批处理和实时处理两种处理模式，实现对中蒙俄经济走廊铁路干线交流沿线的荒漠化信息的提取分析和动态监测；完成了1990—2015年中蒙铁路（蒙古段）两侧200km范围内荒漠化格局与变化诊断测试。相关研究为“一带一路”关键区域荒漠化风险防控提供了信息化支撑和决策支持。
2.“人工辅助验证智慧安保系统”带动民航智能安检模式的变革
近年来，随着民航机场客流量激增，原有安检模式面临极大的压力，已对我国民航“由大到强”的发展目标构成阻碍。由中国科学院重庆绿色智能技术研究院智能安全技术研究中心主任石宇等撰写的《“人工辅助验证智慧安保系统”带动民航智能安检模式的变革》一文，详细介绍了中国科学院重庆绿色智能技术研究院在民航安保智能化发展方面的创新成果——“人工辅助验证智慧安保系统”。该系统融合了多种先进技术及理念，已在呼和浩特白塔国际机场应用示范，并取得了显著成效，其系统及流程已获得官方批复，授权以人工辅助验证岗代替原有人工验证岗，带动了中国民航新一轮的智能安检模式变革。
3.城市资源-环境-生态（UREE）大数据平台为实现城市可持续发展提供决策支持
截至2018年年底，中国城镇化率已达59.58%。快速的城市化进程带来了一系列社会与环境困境：城市热岛、交通拥堵、固体废物围城、空气污染、基本服务和设施缺乏等。城市可持续发展已成为全球最重要的城市发展议题。在中国科学院城市环境研究所研究员陈伟强等撰写的《城市资源-环境-生态（UREE）大数据平台的构建与应用》一文中，介绍了基于多源异构城市大数据研究构建的城市资源-环境-生态（UREE）大数据平台的核心资源与功能，提出七层关键技术架构与整体解决方案。该平台为监测和研究城市资源、环境与生态的动态变化及驱动机制提供了强大的技术支撑，也为解决城市化进程中凸显的资源结构性短缺与环境持续恶化等“城市病”，以及如何建设可持续发展的城市提供了决策支持，是一个以大数据促进城市环境与城市生态发展及研究创新的典型案例。
4.数字果园技术推动智慧农业发展
我国“十三五”规划纲要明确提出要加强农业与信息技术融合，近几年的中央一号文件中多次强调要加快突破农业关键核心技术，进一步推动数字农业和智慧农业发展。水果产业是我国种植业中位列粮食、蔬菜之后的第三大产业，在我国农村经济发展中占有重要地位。在中国农业科学院科技管理局副局长周国民等撰写的《数字果园技术发展现状及前景展望》一文中，介绍了数字果园的概念与内涵，梳理和总结了数字果园技术的研究及应用现状，展望了数字果园的未来发展趋势和重点发展方向，旨在为促进国内智能化果园发展提供参考。
3 总结与展望
2020年是全面建成小康社会和“十三五”规划收官之年。在“十三五”期间，我国科技创新始终坚持“三个面向”的发展方向，不仅力争在重要科技领域实现跨越式发展，跟上甚至引领世界科技发展新方向，支撑国家战略需求，同时也着力推动科技和经济社会发展的深度融合，努力打通从科技强到产业强、经济强、国家强的通道。在过去的几年中，我国科技力量飞速发展，取得了显著的成就，收获了多项重大科技成果和前沿突破，范围涉及航空航天技术、深海探测技术、制造技术、生物技术、新能源技术、新材料技术等各个领域。与此同时，大数据、云计算、移动互联网、人工智能等新一代信息技术发展突飞猛进，新型科研信息化技术的应用为科学研究的创新驱动发展及所取得的成就提供了强有力的支撑和引领。
面向世界，面向未来，面向“十四五”，我们深刻认识到我国创新能力仍然不强，科技发展水平总体不高，科技对经济社会发展的支撑能力不足。新一轮科技革命带来的是更加激烈的科技竞争，我们需要把握好世界科技发展大势，围绕建设世界科技强国，为推动科学技术新一轮跨越式发展，进一步面向信息技术发展前沿，大力发展大数据、云计算、人工智能、物联网等信息技术，推动量子计算、碳基信息通信技术、区块链等颠覆性技术在科学研究中的应用，并与科技创新深度融合，发挥信息化在我国科技创新发展中的重要作用，为国家科技创新做出更大的贡献。
参考文献
[1] 廖方宇，洪学海，汪洋，等.数据与计算平台是驱动当代科学研究发展的重要基础设施[J].数据与计算发展前沿，2019，1（1）：2-10.
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[4] 新华网.习近平：自主创新推进网络强国建设[EB/OL].[2018-04-21].http：//www.xinhuanet.com/politics/2018-04/21/c_1122719810.htm.
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[6] 新华社.习近平在中国科学院第十九次院士大会、中国工程院第十四次院士大会开幕会上发表重要讲话[EB/OL].[2018-05-28].http：//www.cas.cn/zt/hyzt/ysdh19th/yw/201805/t20180528_4647518.shtml.
[7] 新华网.授权发布：推动共建丝绸之路经济带和21世纪海上丝绸之路的愿景与行动[EB/OL].[2015-03-28].http：//www.xinhuanet.com/world/2015-03/28/c_1114793986.htm.