泛数字化学科虚拟仿真研究环境构建刍议

周荣烨

关键词：泛数字化学科；虚拟仿真研究环境，大数据

引言：随着我国社会经济高速发展和行业科研创新能力不断升级，虚拟仿真研究环境作为泛数字化学科科研的重要辅助手段，作用越来越明显。此种研究模式的建立对于降低该类学科研究成本、提高研究效能都将起到至关重要的作用。虚拟研究环境的本质是一种依托实体运行条件的协同合作活动平台，可根据学科力量实际分布情况，为科研人员和研究团队在分布式远程共享模式下模拟出各种潜在研究方向和分配相应的软硬件和网络资源，大幅节约科研资源，优势明显。

一、虚拟仿真研究环境介绍及理想模型描述

虚拟仿真研究环境一般是为特定的科研群体建立的具有开放共享、安全高效、自动化、网络化、数字化等特征的仿真研究平台。平台通常建立在高度系统集成化的虚拟实验室环境中，通过大数据分析挖掘和网络互连共享实现从局域网到互联网级别的深度融合共享，可为各类研究人员提供跨越学科、地点的开放性平台。他们既能通过虚拟现实环境（VRE）寻找远程合作伙伴，又能寻求经费支持，还能分享海量的细分领域研究资源。虚拟仿真研究环境建立在分布式处理技术、大数据及人工智能技术、传感器技术、图形仿真技术等基础上，可大幅提高研究工作效率，让研究人员摆脱复杂冗余的重复性工作困扰。此外，虚拟研究日志的建立可为研究过程提供详细的数据流程记录，对于环境资源维护和更新复用都是有效的日常数据来源。

泛数字化学科虚拟仿真研究环境的理想架构一般可采用便于异地协同的B/S模式，通常是在某商用浏览器界面下的虚拟环境中实现远程异地同步数据共享和研究。依托VRE虚拟场景和海量数据,远程异地分布的终端研究人员可以对数据库中的数据元素进行同步操作。网上的研究人员可以通过这个共享平台建立起面向同一研究题目的虚拟研究队伍，集中精力在规定时间段内完成研究工作。此外，平台还可以在多个垂直域内分层同步发布研究成果，这是通过分布式数据存储技术实现的。

二、泛数字化学科虚拟研究环境构建思路

2.1增强数据共享一体化程度

虚拟仿真环境体系结构决定了研究人员在研究的整个过程里所需资源的无缝隙集成。然而，现有VRE架构还多停留在理论研究层面，终端层研究人员访问关键资源有一定难度，很难满足每个个体的具体颗粒度较细的需求。例如在通信学科，MATLAB技术对信号源、滤波器、调制解调器等大类的硬件信号模拟还原度较高，但软件智能化处理和数据融合技术仍然停留在简单应用层面。

经典的VRE项目注重整合多种需求来源，但是解决办法相对简单单一。例如用户软件界面和使用权限完全相同，无法区分层级。通常B/S模式下身份验证和授权都来自系统预设，它们充分支持用户功能拓展，同时允许新功能被同步应用。但是，较高的系统配置门槛对于一般访问使用人员来说不够友好，管理权限常常掌控在系统管理员或软件开发人员手中无法下放。系统管理者通常是依托高校或科研院所的专门研究团队或政府科研管理部门等机构总控，而终端研究人员的参与度极低。此外，多数研究人员所处的终端软硬件运行环境为入门级，并未达到推荐配置，难以保证使用体验和系统易用性，他们大多都需要独立使用和设置系统接口，在软硬件操作维护上分散部分精力，大幅降低科研效能。

理想的虚拟仿真研究环境应该允许跨团队界限的资源整合，这代表着研究人员能够在处理器、本地存储和云服务器上用一样的办法阅读文件和调用大数据信息。信息管理和使用的办法可能是多元的，但是应用点要立足于信息调用者的具体使用需求。另外，针对研究人员广泛分布在全球各地的特点，用户配队进行远程深度合作、大型项目数据挖掘整合都需在用户终端实现基于Web或其他可穿戴设备的VR仿真。这就需要系统通过算法自动判断哪些层级的信息需要共享、和谁共享、共享的时间和地点。这些算法同时可以根据计算得出多方研究目标的交集和并集，整合数据、研究人员甚至能源，大幅提高工作效率和资源消耗。这让很多现有研究体系下不能完成的任务变为可能。

虚拟仿真研究环境将研究人员和他们的研究行为定义为活动的中心，系统要授权允许他们可以追踪各自上传的文件和数据到哪个存储空间（本地存储或者是云服务器上）及各自调用的数据源时间日志。在这样的条件局限下，由于部分子学科平台目前尚未实现虚拟仿真研究环境构设，高度系统集成与数据融合问题目前还需继续在实践中根据学科特点来摸索和逐步完善。

2.2理清规划和发展路线

虚拟仿真环境的规划至关重要，需要前期预设好功能更新与安全阈值。泛数字化学科科研的内涵要求虚拟仿真研究环境不断的做出适应性改变以配合进行中的工作项目，同时又要保留一定阈值以降低不必要的成本。一般而言，随着泛数字化学科研究在数据抽象过程中不断演进变化，环境很有可能需要新或删除一部分子功能以顺利完成复杂任务。例如，当研究经费余量不足以及部分课题阶段性完成提交时，尽量在现有功能基础上进行适应调整改变或基本不变，研究人员可以对现有数据增量分析拓展，而不必在功能升级改造上分配精力。

克服经费不足和需求的不断变化是目前虚拟仿真研究环境构建面临的两大瓶颈。基于此，环境构建发展路线大致分为两种：一是研究团队配备有专门的环境开发维护人员并能提供及时的技术支持，这种模式依赖于终端用户和开发者的配合、平时的合作、研发和使用的数据源，但是显然会产生额外的资金投入；二是通过开放共享平台，虚拟仿真环境给终端用户提供的服务模式主要是远程在线调试与增量功能开发，由于参与虚拟仿真研究环境项目的研究人员分布在全球各地并通过互联网沟通交流，这对开发人员远程技术能力和网络环境提出较高的要求。这两种方法各有优势，也存在互为补充的特点。

此外，研究团队建立一个综合数字化研究经验日志是一个行之有效的虚拟仿真环境应用与管理方法。

2.3利用跨学科方式弥补短板

未来，泛数字化学科科研工作中的数字化设备结合数字资源的二元研究模式将会被彻底改变，取而代之的是共享虚拟仿真研究环境的多维度分布式研究模式。

大量泛数字化学科研究报告中提及的数据表明，虚拟仿真研究环境正在遍及各个产业和研究领域，例如，在通信、电子、计算机及软件工程、生物工程、培训、教育、电影等行业中，或多或少都体现出虚拟仿真环境的基础元素和流程的影子。这包括：研究人员和开发人员的关系；研究人员研究资质；研究团队间的资源共享意愿；责权划分问题；知识产权保护问题；技术文档归类等。而这些元素和流程的交集部分即可作为泛数字化学科理想模拟仿真研究环境模型的公共子集，差异部分按照交叉频度由高到底排序作为潜在的开发子集。研究紧迫度也是一个有效的子模块建设优先级参数，虚拟仿真环境管理者有权按照国家大政方针和经济发展阶段性政策优先安排重点学科和待扶持学科环境建设，在划拨经费上给予倾斜。

结语：综上所述，未来泛数字化学科以虚拟仿真研究环境协同模式为主要发展方向将是大势所趋。这一趋势必将使相关领域诸多学科的研究能力和效率实现前所未有的革命性飞跃，前景十分广阔。因此在虚拟仿真研究环境构建这一领域的探索应该更加深入具体并引起足够重视。

参考文献：

[1]李凌,郭志媛,王耀彬,吴亚东,马逸菲.基于云计算技术的定制化虚拟专用实验环境构建探索与研究[J].绵阳师范学院学报,2019,38(08):101-107+121.

[2]熊江杰.信息技术环境下博物馆的数字化展示技术及虚拟展览[J].文物世界,2019(04):63-65.