从“数联”到“物联”——记曹军威与他的基础架构学研究团队

本刊记者 何红匣

从“数联”到“物联”
——记曹军威与他的基础架构学研究团队

本刊记者 何红匣

基础架构（Infrastructure）一词从上世纪20年代开始被用作公路、电网、电话、桥梁以及铁路等类似的公共设施的总称，为工业经济的发展起到了支撑作用。虽然好的基础架构经常被人忽视，其重要性也只有在出现故障时才能体现出来，但基础架构的确是人类创造出的复杂而昂贵的系统，任何技术只有通过基础架构化的过程才能够最终为人类提供方便、经济、安全和可靠的服务。进入21世纪，人类社会要想在科学技术和经济文化等方面进一步取得飞跃式发展，就必须解决社会发展对新一代基础架构的需求。在信息技术日新月异的今天，要想洞悉其中的一般规律和共性技术，基础架构更是提供了最为独特和本质的视角，这正是清华大学信息技术研究院曹军威研究员和他的基础架构学研究团队所致力的研究方向。

计算机集成制造系统通过分布式的计算和通信技术把制造信息、资源、软件和应用联接在一起；网格计算把跨组织、跨地域的超级计算资源联接起来实现整合与共享；PB量级的海量科学数据需要支持分布在全世界几十个研究单位的研究人员的分析处理；广域电网阻尼闭环智能监控系统在广域立体环境中实现实时在线的信息感知、通信、存储、分析、决策、控制和操作执行。这些看似不同的研究领域，不同的技术背景，不同的行业和应用场景背后，却体现出惊人一致的基础架构思想、理论、方法和技术，这也是这么多年来激励着曹军威和他的基础架构学研究团队不断探索和进取的原动力。

萌芽中的基础架构思想

1991年，曹军威以全面的素质和优异的成绩被保送到清华大学自动化系，1996年又以清华大学优秀毕业生直读本系研究生并加入系统集成研究所，也就是国家计算机集成制造系统（CIMS）工程技术研究中心。在这里，他亲身参与了国家863/CIMS主题重大关键技术攻关项目“制造业CIMS应用集成平台总体设计与原型系统开发”，并由此形成了基础架构思想。

CIMS应用集成平台项目的设立与开发是为了解决当时我国企业在实施CIMS过程中遇到的实施周期长、可靠性低、软件维护性和可重用性差等问题，希望为企业提供一个实现信息集成和应用集成的软件框架环境，实现了全企业范围内信息的透明共享与管理，通过提供应用的开发工具、原型系统和集成接口等给实施CIMS的企业提供全方位的支持。

在项目支持下，曹军威参与完成集成平台运行管理与控制系统原型的设计和开发，利用多代理机制完成CIMS应用集成平台的动态、静态配置与裁剪，对平台中各节点运行的应用进行控制和管理，对系统中重要资源进行共享管理……虽然当时曹军威对基础架构的认识还不是很深刻，但通过软件与应用集成环境的开发，其中“集成则得、分散则失”、透明共享、优化调度、动态监控等方面的思想却一直影响了他的研究方法和学术道路的选择。

不断深入的网格研究

1998年底，曹军威偶然争取到清华大学公派赴英国留学的机会，获得全额奖学金进入英国华威（Warwick）大学攻读计算机博士学位。在全新的学习、生活和工作环境中，曹军威却意外地发现在高性能计算领域，英国导师给他指引的研究方向与他在清华大学所研究的问题如出一辙！

网格（GRID）计算试图将跨组织、跨地域的超级计算机联接起来，实现资源的整合和共享。1998年底网格的概念刚刚悄然从美国兴起，便引起了曹军威极大的兴趣。在清华大学曹军威就是从事制造资源、软件和应用的分布式管理、优化与调度，应用到网格计算资源的管理应该是同样的道理呀！其后，曹军威迅速将多代理系统、工作流管理、性能评测等一系列技术率先应用到网格计算环境中并进行了原型系统的实现，在CCGrid和IPDPS等国际著名学术会议上连续发表多篇文章，立刻引起了国际学术界的关注，引发了无数后续相关研究。至今，这些论文被国际同行引用上千次，所开发的原型系统被改进和提高。随后，曹军威在德国NEC欧洲实验室找到工作，在网格计算应用方面继续研究，并开始应邀在英国、美国、波兰、日本等地做学术报告和交流。

其实，网格计算最具启发性的就是它从基础架构的角度对其理念和初衷进行了清晰和透彻的阐述。为什么计算资源不能像电网一样做到按需使用？简单的问题实际上直指技术基础架构化的核心。对照现实世界中基础架构的重要性，网格是从基础架构的角度，重新审视数字空间资源利用和共享的结果。在数字世界中，已经有一些类似现实世界中基础架构的成功例子，比如通过简短的Email地址，就可以实现通信；通过简单的域名就可以登陆相应的Web主页。它们实现了数字世界中的信息共享，而对于网格的研究则是为了更深层次的资源（如计算、数据、网络和软件等）共享。

虽然现在看起来网格计算在实际应用中遇到种种困难，但其计算资源基础架构化的初衷仍然是符合技术发展趋势的，仍然是目前包括云计算等在内的计算技术发展的终极目标。曹军威对于基础架构的思考和认识是在这个阶段逐渐清晰和明确起来。既然在诸多领域同时面临基础架构化的技术问题，为什么不能通过一般意义下的基础架构学的研究尽快得到一般规律和实现共性技术，以便在各个领域中最大可能的加速技术基础架构化的进程？曹军威致力于将研究推向不断深入和系统。

“数联”研究跻身世界前沿

所谓“数联”就是在数字世界中实现网络化联接，取得基础架构化的效果。海量数据的“数联”在这方面有极致的体现。曹军威2004年加入美国麻省理工学院空间研究中心并参加了激光干涉引力波天文台（LIGO）的项目。

关于万有引力的本质是什么，牛顿认为是一种即时超距作用，不需要传递的“信使”。爱因斯坦则认为是一种跟电磁波一样的波动，称为引力波，而引力波是时空曲率的扰动以行进波的形式向外传递的。直接探测到引力波的存在将可以为爱因斯坦广义相对论的正确性提供又一有力证据，将是人类认知史上具有里程碑意义的科学发现。LIGO是美国国家科学基金（NSF）资助的迄今为止最大的科研项目，历时10年多，建成了世界上灵敏度最高的激光干涉引力波天文台。曹军威参与研发的软件用于管理数据，这些数据分布在美国和欧洲的10多个节点的2万多个CPU并达PB数量级，为世界各地的60多个研究单位的700多位LIGO科学合作组织中的研究人员使用。

2006年曹军威选择回清华大学工作，任信息技术研究院研究员，立刻组织创建了清华大学LIGO工作组。在他的带领下，工作组在引力波科学研究和LIGO实时数据分析方面的工作不断取得进展，得到国际同行的认可。2009年9月，清华大学成为首个也是唯一一个来自中国的LIGO科学合作组织成员，填补了中国在引力波探测数据分析领域的研究空白，在世界一流科学合作组织中争取到了一席之地，相关消息为科学网、教育网等主流媒体大量转载。2010年，曹军威成为LIGO科学合作组织理事会唯一来自中国的理事，提升了中国在这一领域的国际地位和影响。作为LIGO科学合作组织成员，实验结果发表在Nature等国际著名期刊，短短几年被引用700次以上。

技术的最新挑战往往最先出现在重大科学前沿问题的探索过程中，比如Web的发明源于欧洲核子研究中心CERN；又如像LIGO科学合作组织中的很多天体物理专家，他们有时候不能集中精力解决科学问题的原因是没有一个方便的模式可以使他们很快找到想要的数据，需要的计算能力，或者花费大量的时间和精力安装配置需要的软件和工具包，或者这些条件都具备的时间和地点很有限，如只能在上班时间，登陆到特定的机器完成。那么，为什么只能在特定的时间和地点完成特定的工作，而不能在任意时间、任意地点、执行任意应用完成工作呢？在计算机、网络、通信等信息技术如此发达的今天，应付这些看似简单的需求依然捉襟见肘。要将应用延伸到任意时间和空间，需要彻底解决支持应用和计算完成的所有因素的跨域共享问题，彻底实现信息技术的基础架构化。曹军威在LIGO项目中的尝试从另外的角度证实了这一点。

在欧洲留学和工作

数物复联，“探索号”起航

2006年回国后曹军威更加坚定地开始从基础架构的角度进行深入研究。当时，美国提出进入21世纪，新一轮的基础架构化以信息技术为引擎，主要指基于分布计算机、信息和通信技术的基础架构，称为信息基础架构（Cyberinfrastructure）,其对于知识经济的重要性可以与传统基础架构对工业经济的支撑作用相比拟。

但曹军威对基础架构的研究却有另外一方面的理解。既然数字空间需要基础架构化实现资源的深度共享，为什么这一理念不能延伸到物理世界呢？“数联”到“物联”不是同样的道理吗？刚刚回国的曹军威甚至参与了一个大型科学仪器共享方面的研究，将这一理念运用到大型仪器设备的管理、共享、优化与调度之中，很快就在CCGrid国际会议再次发表文章。而这一想法马上也被紧接着的物联网技术的兴起所证实。

物联网是集传感、通信、网络、计算、控制技术为一体的数物复合型系统。物联网应用将遍及国民经济和社会服务的各个领域，如智能电网、智能交通、现代物流、数字医疗、节能环保、精准农业等。物联网被认为是继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮，是下一个万亿级的产业。物联网已成为国际科技竞争的新高地，同新能源、绿色制造等并列为国家战略新兴产业。

物联网系统运行中涉及一组关键过程，包括物理状态感知，信息表示，信息传输，分析决策和控制执行。物理状态感知主要是传感器网，通过有线和无线的网络传感数据。操作执行主要由数字控制系统负责完成。物联网中，传感器和控制器的分布很广而且数据量巨大。在过去的10年，对物联网的研究大部分都集中于对感知层的无线网络技术，包括RFID（radio-frequency identification）和WSN（wireless sensor networks）无线传感网技术。但是，如何把各层网络通信与应用软件紧密地融合在一起，从而开发出高性能的物联网应用，仍然是一个巨大的挑战。曹军威敏锐地观察到，就像十几年前的网格一样，新一轮的基础架构化进程又将启动！

经过4年的发展，曹军威从只身一人回国创业，迅速建立并发展起一支由20余人组成的高水平科研团队，基础架构学研究的“探索号”已经扬帆远航！近年来，研究团队获得国家科技部863、973计划，教育部质量工程和国家自然科学基金委员会等10余项国家级科研项目，以及重大产业化合作项目的资助，特别是2010年作为子课题负责人获得国家973计划“物联网基础理论和设计方法研究”项目的资助，并负责实现电力物联网仿真验证平台，为物联网理论和方法研究提供支撑环境。作为团队负责人，曹军威短短几年间所承担项目的科研经费达到上千万，获得专利1项，软件著作权2项和科研成果登记1项，同时入选2008年教育部新世纪优秀人才支持计划。

面向未来扎实实践

在物联网技术兴起的今天，曹军威根据10多年的科研和实践的一线经验，指出要想加速物联网相关技术的基础架构化进程，基础理论与方法的研究迫在眉睫。基础架构如此重要，但迄今为止，对于基础架构的论述还主要停留在定性描述的层面或者局限于特定领域，还没有对基础架构通用共有的特性进行定量、科学和系统的深入研究。因此，2006年回国后曹军威即着手开展基础架构学的研究。

曹军威和他的团队

基础架构学（Infrastructurology）是对不同基础架构的通用共有规律进行深入研究的科学，目的是为当前以信息技术为引擎的新一轮基础架构化进程提供坚实的理论依据、切实的方法指导和具体的技术实现。这方面的系统研究在国际上还不多见。例如MIT的基础架构科学和技术（Infrastructure Science and Technology）研究组主要还是针对特定领域（如土木工程）的特定问题（如材料腐化）开展定量深入研究。虽然也偶尔可见不同领域基础架构之间相互借鉴的研究，基本也都停留在定性层面。

基础架构学的研究直接来源于物联网等方面的国家重大战略需求。看似是不同行业产业的前沿问题，实际上从基础架构化的角度进行诠释时都是相通的。定量、科学、系统地研究基础架构主要要从时间和空间两个维度上研究基础架构共通的演进规律。这是之前任何单一学科或研究领域所未曾涉及的。从这一点出发，曹军威认识到，一方面基础架构的形成是需要时间的，需要不断成熟的技术作为支撑，同时还受到经济、政治、文化等非技术因素的影响。但是从整体上看还是有一定的趋势和规律可以探索的。一旦掌握了这些规律，可以更好的指导和加速新的基础架构化进程。另一方面，基础架构的空间分布也是有规律可循的。最为直观的比如大多数成熟的基础架构都采用分层树状结构，比如电网分为输电、供电、配电等几个层次；互联网上的Domain Name Service也是采用树状结构等等。当然，基础架构学本身还是一门应用基础科学，比如系统论或复杂性理论研究都是以一般意义上的系统为研究对象。基础架构虽然也是复杂系统，但还是具有许多自身的特点，需要结合和运用基础理论，采用不同的研究方法进行深入探索，如理论分析、统计归纳和计算仿真。为了避免在开始阶段基础架构学的研究流于空泛，从特定领域，或以特定理论为基础作为切入点和着手点是必经之路。为此，曹军威带领着他的团队开发了无极（elop）软件包，在教育、制造、电力、石化等行业应用解决方案中获得广泛应用。

积极沉淀学术成果和引领国际学术交流也是曹军威的重要工作内容之一。近年来，他策划并主编的英文学术专著Cyberinfrastructure Technologies and Applications已于2009年1月由美国Nova Science Publishers出版。同时，他本人受邀担任国际著名学术出版商Elsevier学术期刊Journal of Computational Science编委、ICNDC 2011国际学术会议联合主席。围绕基础架构方面的创新研究，他还大力开展国际合作，并获得美国著名发明创新公司Intellectual Ventures的资助，组建了清华信息科学与技术国家实验室（筹）分布式计算与应用讲席教授组，与国际著名专家学者紧密联系、交流与合作；与美国普渡大学ROSEN先进计算中心开展开放科研网格方面的交流；在国家自然科学基金委员会国际学术会议项目和美国NSF的支持下，在清华大学主持召开了中美Cyberinfrastructure研讨会；与佛罗里达国际大学合作参与美国NSF支持的国际合作项目“Partnerships for International Research and Education－A Global Living Laboratory for Cyberinfrastructure Application Enablement”的研究，均取得了阶段性成果……

科研攻坚是艰苦的，千淘万漉之后才能收获成果。科研攻坚又是快乐的，那种收获之后的满足是别人无法体会的。未来，曹军威将和他的团队一起不断深入分析和解决产业与应用中的实际问题，勇于思考，大胆创新，大力开拓基础架构科学、技术与应用基础研究，为中国云计算和物联网等方面的产业发展做出应有的贡献！