“互聯網+”視角下的科學數據生態系統研究

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摘要：文章從生態系統理論的角度總結了“互聯網+”與科學數據生態的內涵及其契合關系，據此分析了科學數據生態系統的內涵及其要素之間的相互關系，在此基礎上，進一步闡述了科學數據生態系統的特征。最后探討了科學數據生態系統的動力形成機制、平衡調節機制以及互利耦合機制。

關鍵詞：互聯網+；科學數據；數據生態；生態系統；運行機制

中圖分類號：G250.73 文獻標識碼：A DOI：10.11968/tsyqb.1003-6938.2016033

在大數據環境下，數據已經成為企業創新的重要戰略資源，對于企業的持續性創新具有突出作用?？茖W數據更是如此，其作為研究活動的重要成果產出，是推動國家科技創新的重要驅動力。當前，互聯網技術的迅猛發展，不僅推動了信息環境的泛在化，而且加速了學科的交融以及科學數據的產生，并且引起了科研過程中對數據的需求變得更加復雜化和多樣化。但是“互聯網+”相關思維模式和技術應用的發展與成熟，在很大程度上進一步加速了科學數據的協同與創新，有利于數據開放共享及知識持續創新。本文從“互聯網+”的視角對科學數據生態系統的關聯和影響進行了分析，并進一步構建了基于“互聯網+”的科學數據生態系統。

1.“互聯網+”與科學數據生態系統的概念

“互聯網+”實質上是通過依托互聯網與其他領域或產業進行深度化跨界融合，推動其效率提升和組織變革，以此實現創新發展。在這一過程中，“互聯網+”極大促進了產業數據的在線化、互聯化和融合化，進而形成了一個完整的產業化數據集合體。此外，互聯網具有開放、平等、透明等特性，這也促使數據能夠在產業內部進行最大限度的流動、共享、融合以及創造性的應用，提升了產業的數據增值和增效。從系統的角度來看，“互聯網+”作為一種新型的創新理念，能夠以泛在互聯、跨界融合的方式，有效的將整個產業構建成一個開放化的數據生態體，進而實現產業的技術創新、結構優化和服務轉型。

生態系統是指生物有機體與其無機自然環境系統的結合，一方面，生物有機體是各種生態種群的集合，既能夠適應無機環境，又能夠對無機環境進行一定的改造；另一方面，無機環境是生物有機體存在的物質基礎，其條件狀態直接影響生物有機體的分布特性和種群多樣性。因此，生物有機體與自然環境之間相互聯系、相互制約、有規律地組合在一起，并保持不斷運動和變化。通過能量流動、物質循環和信息流動，在自然界中構成一個相對穩定的自然體?？茖W數據生態系統是以科學數據為中心，通過數據庫、信息庫和知識庫等形式，作為科學數據流動的物質基礎，在特定科研環境下，由系統中的科研人員、團隊和組織等知識載體作為該生態系統基本骨架，以知識創新為目標，借助相應的研究方法或工具，促進科學數據在不同科研人員之間的流動、再生、利用和增值。

2.“互聯網+”與科學數據生態系統的契合性

科學數據生態系統主要涵蓋了不同層次（單個科研人員、科研小組、科研組織）的數據主體和不同性質（科研成果數據、科研過程描述數據、科研原始數據）的科學數據。這些數據主體通過利用不同的工具，采用不同的交流形式，對數據進行融合和創新，而“互聯網+”作為一種新型的思維模式和技術變革，能夠有效促進科學數據生態系統的協同演化。

（1）“互聯網+”加速了科學數據生態系統的互聯化。一方面，互聯網能夠有效加強科學數據的互聯化，有利于科學數據之間關聯化的形成，從而促進了科學數據的開放共享；另一方面，互聯網的不斷發展，使科研人員之問的交流與合作能夠跨越時空，極大的克服了時間和地域的限制，這樣，不同物理位置的科研團隊能夠根據各自的科研需求，有效地進行交流，提升自身科學數據的運用與分析能力，促進科研資源的高效配置。

（2）“互聯網+”加速了科學數據生態系統的融合化?？茖W數據生態系統是一個典型的開放化耗散系統，需要不斷與系統外部環境保持數據、信息和知識等物質交換活動。在交換過程中，從外界輸入的物質形成系統的負熵流，抵消系統本身因熵過度增加而呈現的無序狀態，從而維持系統新的有序狀態。因此，互聯網為科學數據生態系統與外界的互聯互通提供保障的同時，極大促進了系統與外部科學數據的融合，加快了以科研人員為載體的知識輸入，從而能夠迅速形成負熵流，使科學數據生態系統快速向有序化方向演化。

（3）“互聯網+”加速了科學數據生態系統的協同化?？茖W數據生態系統是系統結構中各組成要素之間相互作用，相互協調的結果。當前，學科知識的交融使得科研人員和科研資源的協作變得更加重要，“互聯網+”充分將互聯網與各種資源相結合，使這些資源能夠在系統內部和外部進行快速的流動和交換，促進了科研過程中的人員和資源的協同，加速了知識的創新進度。

“互聯網+”不僅是一種技術的變革，更是一種思維模式的轉變，對于科學數據生態系統的發展和進化具有不可替代的作用。此外，“互聯網+”也強調了以系統的觀點看待關聯化科學數據的變化，從整個科學數據生態來分析其在整個科研過程中的演變過程。因此，“互聯網+”與科學數據生態系統具有相當緊密的契合性。

3.“互聯網+”視角下科學數據生態系統

3.1“互聯網+”視角下科學數據生態系統的內涵

與自然生態系統類似，科學數據生態系統是一個具有完整結構的開放化動態系統，根據不同的研究項目和研究問題，可以形成規模不同、形態各異的生態系統?！盎ヂ摼W+”理念和技術的發展，進一步促進了科學數據的產生、管理、分析、共享和服務等一系列相關形態的轉型。因此，“互聯網+”視角下科學數據生態系統是在充分發揮互聯網技術優勢的同時，利用互聯網思維，以生態化的系統觀來分析科學數據整個生命周期的演化過程，以此將科學數據生態系統中各要素（如科研人員、科研工具、科研設備、組織文化、政策制度等）及其相互關系進行優化配置，促使科學數據價值的最大化，從而提升知識的發現和創新效率（見圖1）。

科學研究的過程實質上是圍繞科學數據生命周期，對數據進行收集、整合、挖掘、可視化以及再利用的過程。但是在不同科研個體、科研種群以及科研群落之間，科學數據的交換、互動、競爭和演化又是貫穿于整個科學數據生命周期的。如，一個科研個體所產生的結果化科學數據既可能作為其它種群或群落開展研究的原始化數據，又可以成為自身所屬種群或群落內部的派生化數據。

科學數據生態系統就是利用生態學的理論與方法，借助“互聯網+”思維及其相關技術的優勢，最大化地發揮科學數據價值的生態化系統。通過不同層面之間的相互影響、相互作用，協調整個科學數據生態系統內部的各要素，促使其不斷演進和優化，同時作用于科學數據、數據主體以及數據環境。進而促進知識的發現和創新，推動科學數據資源的利用更趨于生態化、有序化和高效化，在一定程度上賦予科學數據以生命體的特征，即形成有機科學數據體、自組織科學數據體和進化科學數據體。

科研人員作為科學數據生態系統的主體，既表現出人本化的生態系統特征，同時也具有其特殊性質。作為一個開放的系統，科學數據生態系統的構建應當以研究問題的差異化為導向，進而確立各要素的分布和關聯狀態，形成形態各異的科學數據生態系統。因此，科學數據生態系統是整個涉及科學研究過程及其與之相關的內外部環境的有序集合系統，盡管不同層面的構成要素、運行機制各有區別，但是核心要素主要包括科學數據，數據主體和數據環境。

（1）科學數據。從科學數據資源的利用角度來看，在科研人員的研究過程中，科學數據主要包括原始化科學數據、派生化科學數據和結果化科學數據。其中原始化科學數據是科研人員在開展研究活動時所收集，并即將用于分析處理的科學數據：派生化科學數據是科研人員在研究過程中，對原始化數據進行處理之后，所產生的中間數據：結果化科學數據主要是指直接支持知識描述、知識發現和知識創新的科學數據。就如能量需要某種物質作為載體一樣，科學數據也是依附于不同的數據載體之上的。而這三類科學數據通過借助互聯網，相互作用、緊密關聯，形成了科學數據的三層金字塔，共同構成了科學數據生態系統的物質基礎，這也體現了“互聯網+”的核心特征，將這些科學數據視為新的生產要素，并利用物聯網、云計算等新的技術和基礎實施，形成整個科學數據資源的泛在互聯。以生態系統中食物鏈層次的視角來進行分析，此三層金字塔如同食物鏈結構，底層的科學數據（即原始化科學數據）類似于食物鏈中最底層的綠色植物，中間層的數據（即派生化科學數據）可類比為這條鏈上的植食性動物，頂層的數據（即結果化科學數據）可類比為鏈上的肉食性動物，而這三層科學數據之間底層數據向高層數據的轉化率可類比為食物鏈中各級的傳遞效率。而在不考慮科學數據的增值，單從數據量的角度來看，當頂層結果化科學數據增加一個數量級時，在中間層的數據會增加幾倍或者幾十倍，甚至上百倍的數量級，而在最底層支持上層的原始化科學數據則會增加得更多。

（2）數據主體。在一定程度上，科學數據生態系統是一個人工控制的生態化系統?？蒲腥藛T是科學數據的主體。根據生態系統中生物成分的劃分規則，可以將以知識載體為核心的科研人員劃分為科研個體、科研種群和科研群落?？蒲袀€體是科學數據收集、分析和利用的基本單位，是擁有特定科學數據能力的單一科研人員?？蒲腥藛T的知識水平、學習能力、認知能力等指標是影響科學數據能力的重要因素。不同的科研個體之間通過組建不同規模的科研群體，能夠有利于最大化發揮科學數據的價值，便形成了科研種群?？蒲蟹N群通常只是具有共同目標的科研個體組成的集合體。而科研群落是圍繞重大科研問題或難題，由多個科研種群組成的具有特定功能的種群集合，是完成某類特定復雜功能的高級生態單位。此外，任何一個科學數據生態系統中的科研種群不是孤立存在的，可以與其他數據種群一起形成數據群落，并通過合作競爭的方式，擔任特定功能的角色。因此，通過依托互聯網，根據不同數據主體的數據需求，可以將不同層次的數據主體進行全面感知，形成互聯互通的社會網絡關系，真正實現跨時空、跨平臺的立體化融合與協同。如隨著傳感器和個人智能化設備的運用，可以實時化發現和追蹤數據主體的偏好、心理、行為等情景知識，為全面、系統、準確實現人人互聯提供基礎。

（3）數據環境。對于科學數據生態系統而言，數據環境是科研個體、科研種群和科研群落所處的環境?！盎ヂ摼W+”已經作為國家的一項重要行動戰略，并成為了一種新的經濟形態，在這一重要背景下，對整個科研環境產生了深刻的變化，促使數據環境逐漸轉向基于互聯網思維來制定新體制、新機制和新政策。其中主要涵蓋了三個層面，即微觀環境、中觀環境和宏觀環境。在微觀環境層面，科學數據生態系統是以科研個體所處環境為核心，比如針對科研個體的直接化的激勵措施、個性化的保障制度、定制化的技術支持等專門為其營造的私人環境，如通過為科研個體定制云、網、端一體化的數字化、智能化的研究環境（如移動互聯網、云計算、物聯網等），為科研工作的順利推進提供支撐：在中觀環境層面，是以科研種群為基本單位，針對整個科研種群的團隊文化、組織制度、硬件平臺等環境，例如在為科研團隊提供以“互聯網+”為基礎設施的跨平臺服務的同時，積極營造一種基于互聯網思維的協同合作模式，同時為保障這一模式的形式提供政策支持。中觀環境更為關注以科研團隊為基礎的整體科學數據能力的環境支持：在宏觀環境層面，主要涉及對規模龐大和關系復雜的數據群落所處環境，如社會經濟環境、國家政策環境、社會網絡環境等。如今，“互聯網+”作為一種經濟社會發展的新常態，對于經濟結構戰略性的調整和實施具有重要的推動作業，這也影響著全部科研活動的研究方向和研究進程。

在數據環境的支持下，各層級的數據主體可以形成完整的科學數據生態鏈和生態網絡。在不同類型的生態網絡中，盡管不同層級的數據主體進行科學數據交換、共享和融合的內容和目標不盡相同，但是通過借助“互聯網+”技術，以互動協同的方式進行相互作用，最終協調不同的科研個體實現科學數據價值的最大化。在科學數據生態系統中，數據主體與數據環境通過互聯網不斷進行資源的交換。一方面，數據環境為數據主體提供了成長、成熟與創新所需的各項資源：另一方面，數據主體通過知識創造活動來影響數據環境。與此同時，科研群落在科學數據環境中，通過平衡自身數據能力和數據需求，進行不斷的調整和控制，從而動態化尋求新的系統生態位。

3.2“互聯網+”視角下科學數據生態系統的特征

在自然界中，生態系統能夠穩定運行的關鍵是能量在系統不同層級問的循環更迭。通過新陳代謝的方式，將舊物質轉化為新物質，實現系統的進化。對于科學數據，知識發現和創新的過程實質上也是科學數據的不斷進化、動態演變的結果，而“互聯網+”進一步加速和優化了這種以科學數據為基礎的新陳代謝過程，因此，科學數據生態系統具有自身顯著的特征。

（1）科學數據生態系統的開放多樣性。在自然生態系統中，物種的多樣性是環境選擇和物種進化的前提?？茖W數據的開放多樣是知識創新的前提，也是生態系統不斷演化的必要條件。一方面，生態系統對外具有一定的開放性，通過互聯網技術的運用，數據主體能夠快速的與外界環境和其他系統建立聯系，在以科學數據為基礎的交流過程中，通過對外部數據進行理解、吸收和融合，能夠將自身系統內部的科學數據進一步豐富化，從而體現出系統內部的科學數據多樣化：另一方面，與自然界的食物鏈類似，不同的數據主體之間通過基于互聯網的科學數據鏈的連接來實現知識價值的轉化，而數據主體由于分工不同、職責各異，對于科學數據鏈中的處理方法和過程不同，因此，這樣導致了科學數據生態系統的多樣化。

（2）科學數據生態系統的競爭協同性。在自然生態系統中，外界環境的變化以及生存資源的不足迫使物種之間產生不斷的競爭。但是這種競爭機制是對物種的一種選擇過程，有利于生態系統的進化。在一定程度上，較高程度的科學數據多樣性可能觸發生態系統的不確定性因素，因為不同的數據主體（包括科研個體、科研種群和科研群落）掌握著各自的科學數據資源，然而不同類別、來源和特征的科學數據（包括原始化科學數據、派生化科學數據和結果化科學數據）可能存在冗余，甚至沖突，需要數據主體通過互聯網技術的應用，對其進行反復的對比、判斷、分析、融合和拓展，才能確定最終科學數據，而這一過程就是數據主體之間為所擁有的科學數據進行競爭優化的過程。另外，在泛在互聯網的影響下，不同的數據主體即使在應對同一研究問題，為了能夠獲得更多的科學數據主動權，這些數據主體之間也會產生以互聯互通的科學數據為基礎的競爭形式。與自然生態系統一樣，有競爭就有合作，由于數據主體具有個體異質性，使得數據主體之間的互動合作成為可能。在協同過程中，數據主體通過達成合作聯盟，形成具有特定功能的有機整體，通過利用互聯網將不同的科學數據進行融合，進而優勢互補，提升科學數據的變異速率，從而達到數據主體的共同進化。

4.“互聯網+”視角下科學數據生態系統的運行機制

運行機制是指在系統有規律的運行過程中，影響這種運行的各因素結構、功能及其相互關系，以及這些因素產生影響、發揮功能的作用過程和作用原理及其運行方式。因此，科學數據生態系統的運行機制就是要研究系統的各要素關系及其具體的運行方式。從“互聯網+”的視角充分理解和掌握系統中的各類運行機制，能夠引導科學數據主體發現系統中存在的缺陷，有的放矢地對其內部運行機制進行逐步完善，最終解決科學數據生態系統的失衡問題。

4.1動力形成機制

科學數據生態系統是在不斷地維持系統平衡發展過程中逐步形成的。隨著學科間不斷的交融，科學研究第四范式研究模式的發展日趨成熟，科學數據的增長已經隨著數據主體的活躍而迅速擴散，首先是數據種群或數據群落內部的互動，相對雜亂無序、復雜多樣的數據在不斷生成，當原始數據量達到一定程度，數據主體便利用相應的工具進行數據的清洗、關聯和融合。在研究過程中，通過以科學數據驅動的方式進行知識發現，而此時對于科學數據的共享與層級交流是知識創新的轉折點，因為數據主體在不同的學科視角，對于初步的知識發現具有不同的認知。隨著科學數據分析挖掘的逐步深入，更多的數據主體通過借助互聯網進行數據的整合，引導其進入生態系統之中，由于組織制度或團隊文化等因素，不同的數據主體可能在圍繞科學數據的分析處理過程中發生分歧，甚至沖突，進而導致科學數據生態系統的失衡，但是在系統演化過程中，主導科學數據的一些宏觀、中觀或微觀的安全機制、監督機制和制約機制的不斷完善，其能動性的發揮將引導生態系統轉向平衡，向積極的方向發展。

4.2平衡調節機制

科學數據生態系統是一個開放的、復雜的系統，其系統內部及系統之間通過科學數據交流共享發生聯系，其運行的能量來自于各組成要素之間的數據互聯互動，其中不僅是科學數據主體之間，還包括數據主體和數據環境之間的互聯互動。在對某一科學問題進行研究的過程中，不同的數據主體通過互動溝通，甚至爭論，以此促進科學數據的演化和變異，其中不同類型的數據主體之間可以圍繞各自不同層次的科學數據，進行數據的協同和拓展，以此促進知識發現，例如，一個科研種群所產生的結果化數據?？梢酝ㄟ^互聯網進行廣泛的推送，既能夠作為其他數據種群的派生化數據，又可作為其他數據種群的原始化數據，從而促進科學數據的發展和創新，這樣數據循環機制充分保證了種群內部和種群之間的合作和數據共享，也是對各數據主體關系進行調控的主要方法和手段，因此，基于“互聯網+”的科學數據交叉循環互動機制是科學數據生態系統存在和平衡運行的基礎。

科學數據生態系統內某一數據主體的進入或退出、外部環境的不確定性均能破壞系統自身的穩定與平衡。因此，從生態學視角，科學數據生態系統在發展過程中通常出現關于系統構成要素變化的變異和重組現象。而此時可以依靠系統由變異機制與重組機制組成的平衡調節機制，對科學數據生態系統進行動態平衡調節。在變異機制層面，數據主體和數據環境因素的共同作用是導致科學數據生態系統變異的主因，促進和制約著生態系統變異的進一步發生。而重組機制有助于生態系統結構的升級與優化，適應能力與競爭力的整體提升。此外，“互聯網+”使得虛擬世界與現實世界的邊界越來越模糊，這樣重組機制可以將規模較小的數據主體以實體或虛擬化方式嵌入到更大規模的數據主體中，以此彌補大規模數據主體功能的不完備性，進而發揮小規模數據主體靈活機動的優勢，這有助于優化科學數據生態系統整體結構。

4.3互利耦合機制

互利耦合機制是數據主體內部或主體之間進行溝通的一種方式，數據主體為了實現自身科學數據價值最大化而形成的一種相互依賴、共同生存的協同運行狀態。以“互聯網+”為基礎，面向科學數據的共享互聯，不僅能夠促進數據主體創新能力的提升，而且還有助于數據主體從單一生存模式向群體協作式的研究聯盟模式轉型。在科學數據生態系統中。不同的科研人員之間通過合作共贏的方式，提升其環境的適應能力。尤其在對科學數據的處理和應用過程中，由于數據量巨大，關系復雜，而“互聯網+”能夠快速促進科學數據的泛在互聯和動態融合，可以在短期內構建一個面向科學數據知識特征的連通空間，從而形成數據主體間的互利合作、協同創新的耦合關系，而這些連通空間的關聯性節點可能是科學數據屬性、科學數據需求、科學數據特征，甚至是數據主體的知識儲備和技能。因此，在科學數據生態系統中，面向數據主體的共生耦合機制主要體現在以下方面：（1）不同科研個體之間產生的耦合關系；（2）同一數據種群內部科研人員之間產生的耦合關系；（3）不同數據種群之間科研人員之間產生的耦合關系；（4）不同科學數據生態系統之間，由于環境變化，科研人員產生的臨時耦合關系。這種耦合關系是建立在雙方需求匹配的基礎之上，通過協作來完成科學數據分析和處理。

5.結語

“互聯網+”技術的發展，改變了科學數據產生、分析、管理和交流的方式，給科學研究帶來了機遇與挑戰。如今，知識發現與知識創新是以科學數據為基礎，科學數據的演化和競合，催生了科學數據生態系統的產生。本文從生態學的視角，對科學數據生態系統的結構進行了分析，通過對科學數據生態系統中各要素相互關系進行梳理，得出了科學數據生態系統的運行機制，以此為科學數據生態系統的發展提供支持?！盎ヂ摼W+”通過與科學數據結合，為各數據主體之間的互相合作、互相協調提供了方便，同時對科學生態系統全方位、多角度的優化提供了有效的解決方案，在整個產學研過程中，促使科學數據價值的最大化發揮提供了新的研究思路。