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科学与技术的发展与大数据的获取与创新再造

中国学术期刊网【理学专业论文】 编辑:天问 地球物理学进展 2016-05-01
科学与技术的发展与大数据的获取与创新再造论文作者:滕吉文 刘有山 皮娇龙,原文发表在《地球物理学进展杂志》,经中国学术期刊网小编精心整理,仅供您参考。

关键词: 大数据 信息技术 凝练“亮点” 催生大数据产业 创新再造
摘要: 大数据时代——未来人类社会发展的大变革,它作为人类社会信息发展的产物,以"信息风暴"为预测变革手段的发展模式,正在改变并决定着人类的生活、生产和思维方式.大数据所具有的各项功能,深刻地影响着人类社会未来的格局.然而,人们尚需要深刻地认识到它在科技创新中的潜在响应.基于当今报刊业广泛发表的科研、信息、管理等领域的相关论述,通过分析认为必须统一在一个有机的平台上进行深刻理解:1)大数据的定义与属性和对大数据的发展的理解;2)当代大数据隐含在科学与技术中的新内涵;3)信息与网络技术的快速发展与大数据响应;4)大数据催促地球科学的创新再生;5)大数据转化与现代农业和大生物学;6)大数据在科技发展进程中必须重视的几个问题.

滕吉文1, 刘有山1,2, 皮娇龙1,2
1. 中国科学院地质与地球物理研究所, 北京 100029;
2. 中国科学院大学, 北京 100049
收稿日期: 2015-10-19 修回日期: 2015-12-31.
基金项目: 国家自然科学基金项目(90914012)资助.
作者简介: 滕吉文,男,1934年生,教授,研究员,中国科学院院士,主要从事地球物理学和地球动力学研究.

0 引 言

2012年11月29日,习近平总书记在参观“复兴之路”展览时指出,实现中华民族伟大复兴,是中华民族近代以来最伟大的梦想.当今,加速实现中华民族伟大复兴之梦已成为一个民族、一个社会的宏伟心声(中国科学院现代化研究中心,2010).因为人类文明和世界现代化是时代大潮的需求并受之驱使不断前进.

中华民族的伟大复兴靠什么?靠的是科学和技术的快速发展与经济腾飞,科学发展靠什么?靠创新,靠自主创新.因为创新、自主创新是科技进步的灵魂,是一个民族振兴和一个国家兴衰的引擎.继农业社会和工业社会之后,人类社会正在迈向一个崭新的“知业社会”,其核心内容就是信息和智力的大开发(图 1).正如农业社会之表征是地表土地资源的大开发、工业社会之表征是地下矿藏资源的大开发一样,所谓“大数据”就是“知业社会”起步阶段的一种表征,即在当下的一个“时尚”符号而已.

图 1
Fig.1
图 1 人类社会发展的沿革与轨迹 Fig.1 Evolution and trajectory of human society
一般来说,科技革命是一个历史过程,它具有起点、终点、内容、标志性事件和对世界的影响等特点.自16世纪以来,世界上曾发生过五次科技革命,当今正处于第六次科技革命的前夜.各次科技革命的标志性事件如表 1所示:

表 1(Table 1)
表 1(Table 1)

表 1 16世纪以来科技革命的历史结构(何传启,2012) Table 1 History structure of the technological revolution since 19th Century 科技革命 主要标志 主体部分 扩展或带动部分
第一次科学革命
第二次科学革命 新物理学诞生
相对论和量子论 哥白尼、伽利略、牛顿力学
相对论、量子论、射线和电子 近代科学的全面发展
天文、遗传、地质等
第一次技术革命
第二次技术革命
第三次技术革命 蒸汽机和机械
电力和内燃机
电子和计算机
信息和互联网 纺织机、蒸汽机、工作母机
发电机、内燃机、电讯技术
电子技术、计算机、控制技术
微电脑、信息技术、数据库 冶金、轮船和火车等
石化、钢铁和运输等
核能、航天、自动化
生物、材料和制造等
第六次科技革命
第七次科技革命 再生革命
时空革命 信息转换、仿生创生再生
新时空、新能源、新运输 材料、信息和智能等
生物、材料和制造等
表 1 16世纪以来科技革命的历史结构(何传启,2012) Table 1 History structure of the technological revolution since 19th Century
世界科技革命的影响是深远的,它是一种历史进程.因此,对其所产生影响的分析、理解是当今人们认识第六次科技革命深化之必须.这是因为,科技革命必然地会改变人类的生活观念、生活方式和生产方式、科技结构、世界结构与进程,乃至影响世界文明进程和国家的兴衰(表 2).这就表明,世界科技革命推动了世界现代化,也为国家现代化提供了战略机遇.抓住这一机遇的国家能够保持世界先进水平或后来居上;相反忽略或失去这一机遇的国家,一般表现平庸并导致国际地位的下降(表 2).对于中国来说,第六次科技革命是科技的战略机遇、是科技对策厘定的挑战.

表 2(Table 2)
表 2(Table 2)

表 2 科技革命与国家兴衰(何传启,2012) Table 2 Technological revolution and national prosperity(He Chuan-qi,2012) 国家 大致时间 抓住或忽略科技革命的机遇 结果
英国
美国
德国 17~19世纪
19~20世纪
19~20世纪 第一次科学革命、第一次技术革命
第二次、第三次、第四次技术革命
第二次、第三次、第四次技术革命 世界强国、发达国家
世界强国、发达国家
世界强国、发达国家
日本
芬兰
爱尔兰 20世纪
20世纪
20世纪 第三次、第四次技术革命
第四次技术革命
第四次技术革命 升级为发达国家
升级为发达国家
升级为发达国家
葡萄牙
阿根廷 18~19世纪
20世纪 忽视第一次、第二次技术革命
忽略第三次、第四次技术革命 降级为发展中国家
降级为发展中国家
表 2 科技革命与国家兴衰(何传启,2012) Table 2 Technological revolution and national prosperity(He Chuan-qi,2012)
唐太宗李世民曾说过,以铜为镜可以正衣冠,以史为镜可以知兴衰,以人为镜可以明得失.在过去500年里,世界发生了五次科技革命(信息革命),中国失去了四次科技革命的扭转机遇,而又在第五次科技革命中表现平平且收获不多.第六次科技革命即将来临,中国将再次步入历史的十字路口,抓住机遇则可能乘势而上或后来居上;倘若失去机遇就有可能再度平淡,甚至下滑.机会总是垂青有准备的人!

在当今世界科学技术飞速发展和社会进步各种需求的强大驱使下,随着数据生产方式的演化,特别是数字化以及数据产生成本的急速下降,人类产生的数据量正在呈指数增长.由于数据规模的急剧膨胀,各行各业累积的数据量越来越巨大,数据类型也越来越繁多、越来越复杂.显然,它已经超越了传统数据管理系统和处理模式及计算能力范畴,故“大数据”概念近年来开始广泛传播.2014年4月,国际数据公司(IDC)发布的第7份数字宇宙研究报告指出,数据量将以超过每两年翻一番的速度持续增长,2013年全球创建和复制的数据总量已达4.4 ZB,预计到2020年将增长至44 ZB(图 2).我国拥有的全球数据量比例预计也将由2012年的1.3%增至21%.近年来,大数据得到越来越广泛的应用,如2015年的数字“两会”、数字莫高窟等.

图 2
Fig.2
图 2 2006-2020年全球数据量增长趋势 Fig.2 The growth trend of global data volume in 2006-2020
为了更好地理解大数据在科学研究领域的发展态势,以Web of ScienceTM提供的科学引文检索扩展版(SCI-Exp and ed)和科技会议文献引文索引(CPCI-S)两个引文数据库为主,针对主题词“Big Data”进行的文献分析表明,截止2014年5月,全球共发表大数据研究文章1218篇,其中SCI-Exp and ed数据库收录548篇.图 3展示了近年来大数据研究文献数量的变化趋势.据研究,大数据研究已成为科技、经济、社会等各领域的关注焦点,一些国家更是把大数据研究与产业上升至国家的战略层面.

图 3
Fig.3
图 3 “大数据”文献数量变化趋势图
Fig.3 The change trend chart of the number of literature on “Big-Data”
鉴于此,国际科学理事会(ICSU)下属跨学科主体,全球最大的科技数据学术组织国际科技数据委员会(Committee on Data for Science and Technology,CODATA)(CODATA,2014)在其第59届执委会会议上决定组织召开“大数据与科学发现国际研讨会”,期望国际科技界共同挖掘科学大数据的能量与潜力,探索大数据服务大科学,创造大发现的价值,向全球科技界传递科学大数据,对全面推动科技、经济和社会发展的重要意义,在世界科学和信息技术发展进程中发挥着重要作用.

面对大数据,我们要从学习的视野出发,阅读各界人士的论著、刊文,尽力去理解他们的观点、评价和理解大数据本身的响应.坦率地讲,大数据对于我们来讲有启迪也有迷惑!它是一个新生事物,尚需要培育它、发展它、应用它以达厘定大数据在科技创新中的作用.

当前正处于世界第六次科技革命的佛晓,面对世界科学和经济发展的大潮与走向,如何把握大数据在科技发展和创新再建中的作用,本文将从如下六个大方面进行讨论:

1)大数据的定义、与属性大数据发展及对其的理解

2)当代大数据隐含的科学与技术新内涵

3)信息与网络技术的快速发展与大数据响应

4)大数据催促这地球科学的创新再造

5)大数据与现代农业和大生物学

6)在大数据的发展进程中必须重视的几个问题

1 大数据的定义与属性、大数据发展及对其的理解
1.1 何谓大数据?何谓大数据时代?

当人们还在津津乐道于云计算、物联网等主题时,一个暂新的概念——大数据横空出世.大数据是继云计算、物联网之后IT产业又一次颠覆性的技术革命,对国家治理模式、企业决策、组织和业务流程,以及个人生活方式等都将产生巨大的影响.

1)何谓大数据?

百度百科给出的定义为:大数据或称巨量资料,指的是所涉及资料量的规模巨大到无法通过目前主流软件工具,在合理时间内达到撷取、管理、处理、并整理成为帮助企业经营决策更积极目的的资讯(大数据是由于规模性、复杂性、实时性而导致的使之无法在一定时间内用常规软件工具对其进行获取、存储、搜索、分析、分享和可视化的数据集合).

麦肯锡对“大数据”的定义:大数据是指无法在一定时间内用传统数据库软件工具对其内容进行采集、存储、管理和分析的数据集合.

互联网数据中心将“大数据”定义为:大数据是更为经济地从高频率的、大容量的、不同结构和类型的数据中攫取价值而设计的新一代架构和技术.

著名咨询机构Gartner对“大数据”的定义为:“大数据”是需要运用新的处理模式才能具有较强的决策力、发现力和流程优化能力的高增长率和多样化的海量信息、财富.

显然,无论哪种定义,可以看到大数据并不是一种新的产品也不是一种新的技术,就如同本世纪提出的“海量数据”概念一样,大数据只是数字化时代出现的一种现象(陶雪娇等,2013),且期待着人们用超前思维去理解它、开发它!

2)何谓大数据时代?

“大数据”这个名词表面上看好似新鲜,但是早在20世纪80年代就曾有美国人提出过.2008 年9月,《科学》杂志发表文章“Big data: Science in the Petabyte Era”,于是“大数据”这个词开始广泛传播.以前也常有大数据时代的一些说法,它是用以形容很大容量的数据,比如海量数据(海量数据一般是指TB级别的数据规模),而大数据则是指PB、EB级别以上的数据规模.截止到2012年,人类拥有的主要活动数据量已经从TB级别跃升到PB(1024 TB)、EB(1024 PB)乃至ZB(1024 EB)级别.国际数据公司(IDC)的研究结果表明,2008年全球产生的数据量为0.49 ZB,2009年的数据量为0.8 ZB,2010年增长为1.2 ZB,2011年的数量更是高达1.82 ZB,相当于全球每人产生200 GB以上的数据.截止到2012年为止,人类生产的所有印刷材料的数据量是200 PB(图 2).在整个人类文明所获得的全部数据中,有90%是过去两年内产生的,待到2020年时,全世界所产生的数据规模将达到2012年的44倍,所以说已进入大数据时代!

大数据时代是一场生活、工作与思维的大变革,进而全译为“大数据开启了一次重大的时代转型”.就像望远镜让我们能看到浩瀚的宇宙,显微镜让我们能够观测到微生物一样,大数据正在改变我们的生活以及理解世界的方式,成为新发明和新服务的源泉,而更多的改变正蓄势待发……
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