网格技术在博物馆中的应用潜力

1网格技术在博物馆中的应用潜力孟中元一、网格的定义及其网格技术的相关问题网格的概念产生于90年代中期，是从电力网（PowerGrid）借鉴过来的，最终目的是希望人们能够像使用电力一样方便地下载、使用分布在网络上丰富的信息、数据以及强大的计算能力。所谓网格(Grid)，是指将机群、超级计算机、大规模存储系统、数据库以及其他地理上分散的特殊仪器设备，甚至个人计算机等所有的计算资源、存储资源、软件资源、通信资源、信息资源、知识资源等连接起来作为单个统一资源使用，从而能够方便快捷地解决各种复杂的问题。就网格的本质而言，它是由网格节点、数据库、贵重仪表、可视化设备、宽带主干网和网格软件组成。在硬件方面网格能够将地理上分布在不同地方的网络、计算机、数据库、传感器等远程设备硬件资源连接起来，把分散在不同地理位置的信息资源和计算机软硬件设备资源组织成一台虚拟超级计算机，实现计算资源、存储资原、数据资源、信息资源、软件资源、通信资源、知识资源、专家资源等的全面共享和协同工作。在软件方面网格就像一个中间件，它将各种硬件和软件资源有机地集成起来，以便使这些不同的部件能够协同运作。网格代表下一代互联网技术，其最终目标是将万维网(WorldWideWeb)升华为全球大网格(GlobalGreatGrid)。对网格的定义中可以看出，网格是一种技术，它的目标是资源共享和分布协同工作，它是集成了计算机、数据、设备和服务等资源的基本设施。网格包括计算网格、数据网格、信息网格、知识网格、商业网格。网格满足的条件是：在非集中控制的环境中协同使用资源；使用标准的、开放的和通用的协议和接口；提供非平凡的服务。网格的技术特征包括：资源共享，消除资源孤岛；协同工作；通用开放标准，非集中控制，非平凡服务质量；动态功能、开放系统、单一系统映像。（一）网格与互联网的关系：第一代Internet通过TCP/IP协议使全世界的计算机连接在一起，实现了计算机之间的数据通信；第二代Internet则通过Web信息服务，实现了全球网页的连通；被称为是第三代互联网的网格实现了互联网上所有资源的全面连通；网格在作为操作系统的网格中间件的作用下，形成虚拟计算组织，用户可以在全球任何地方透明地使用计算、存储、通信、软件、信息、知识、专家等资源。互联网通过电子邮件、网页浏览等通信功能为人们提供信息服务，网格技术强调实现计算资源、存储资原、数据资源、信息资源、软件资源、通信资源、知识资源、专家资源资源广泛共享，并且这种共享具有互操作性，是高度可控的。（二）网格计算的架构：正如互联网的核心是TCP/IP协议一样，网格技术也有标准协议和服务。在核心技术上，由美国开发的GlobusToolkit已成为网格计算事实上的标准。目前比较有影响的网格体系结构有五层沙漏结构、开放网格服务体系结构OGSA(OpenGridServicesArchitecture)、开放网格服务基础结构OGSI(OpenGridServicesInfrastructure)和我国的织女星网格体系结构。其中开放网格服务体系结构OGSA最具影响。由Globus联盟定义的开放式网格服务架构（OGSA）是一个有四层的模型：•用户应用层•集群服务层：它包括目录处理，诊断和监测•资源和协议层：和服务器、网络进行连接的资源和连接协议•构造层：网络上的所有设备―存储、计算机、连接、传感器等。用户应用层和构造层是我们比较熟悉的，中间的两层被定义为网格。一台微机系统可以分成三个层次，即硬件、操作系统、界面和应用三层。网格也有这三层，我们可以把网格系统自下而上地分为三个基本层次：硬件层面（资源层）、网络操作系统层面（中间件层）以及应用层面。2网格资源层是构成网格系统的硬件基础，它包括各种计算资源，如超级计算机、贵重仪器、可视化设备、现有应用软件等，这些计算资源透过网络设备连接起来。网格资源层实现了计算资源在物理上的连通，从逻辑上看这些资源仍然是孤立的，资源共享问题仍然没有得到解决。因此，必须在网格资源层的基础上透过网格中间件层来完成广域计算资源的有效共享。网格中间件层是指一系列工具和协议软件，其功能是屏蔽网格资源层中计算资源的分布、异构特性，向网格应用层提供透明、一致的使用接口。网格中间件层也称为网格操作系统，它同时需要提供用户编程接口和相应的环境，以支持网格应用的开发。网格应用层是用户需求的具体体现。在网格操作系统的支持下，网格用户可以使用其提供的工具或环境开发各种应用系统。（三）网格技术的研究现状：网格技术研究起源于美国，全球应用最广、最成熟的网格操作系统Globus源于美国。Globus项目旨在开发一个面向科学计算的基本软件基础设施，把不同地理位置上的计算资源和信息资源集成起来。该项目还包括研究网格计算的关键理论，如资源管理、网格安全、信息服务、数据管理等，开发支持网格计算的工具软件和网格应用程序，帮助规划和组建大型的网格试验平台。我国对于网格的建设从1995年开始，中国科学院计算所就建立了专门的网格研究队伍，开始研究与网格相关的技术，并成功开发了多个版本的信息一体化平台。计算所网格研究的最大特色是“服务网格”的思想，而国际上的网格研究目前主要面向科学计算。目前，我国已开展了“中国国家网格”、“教育科研网格”、“织女星网格”和“先进计算基础设施北京、上海试点工程”等5大网格项目的研究。尽管网格的概念、技术及应用还不成熟，但建设、发展网格业已成为热点。（四）网格技术的特点及优势：网格在技术上的优势是很明显的，网格对信息的巨大处理能力为全球范围的信息一体化服务构建了平台。网格不仅能够实现资源的高度共享，避免大量的重复建设，同时将大幅提升网络的性能和信息服务工作效率。网格的根本特征并不在于它的规模，而是通过资源共享消除资源孤岛。（1）高性能。网格比现在的互联网带宽更高，网格采用的广域缓存技术能自动地把用户最需要的信息放在离用户最近的服务器上。网格能高效使用存在于互联网上的各种资源。（2）一体化。网格通过众多网格节点将所有资源联成一个整体，用户使用的是一个网格整体，所有服务请求向网格发出，而不是某个网站或某台服务器。网格在逻辑上就像一台机器，用户使用网格上的各种资源，就像使用个人计算机那样方便。(3)信息、知识生产。互联网只是信息传递和共享的工具，用户只能获取和使用有限的信息资源，而不能通过互联网本身进行知识再加工，而网格支持信息和知识的自动生产，并且可以进行知识的再生3产。(4)资源共享。现有互联网的资源共享主要是信息共享，网格能够共享的资源范围可以很大，并具有面向用户和透明性的特点，用户可通过网格使用物理位置不同的资源。网格技术可实现资源在更大范围、更大规模、更高层次上的共享，能够将网络上的异构资源进行统一管理，克服系统的异构性，实现系统的互操作性，把分布在不同地点、不同种类的资源库、数据库整合为统一调度的系统，网格提供了一种新型的协同环境。二、网格技术在博物馆中的应用1.基于网格的知识挖掘与知识服务：博物馆有着丰富的文物及历史文化资源，在博物馆的业务研究工作中离不开信息技术，进行学术研究与知识挖掘密切相关，知识服务在业务研究工作中更是不可缺少。知识挖掘是更深层次的数据挖掘，它是指按照既定目标，对大量数据进行分析和探索，从中识别出有用的知识并以可理解的模式显示的一系列处理过程。网格为知识挖掘提供了更加成熟的开发工具，网格系统中使用基于知识的方法学和技术学而生成知识网格，知识网格中的元计算、对等计算、分布计算等计算基础及知识工程工具、决策咨询智能软件、知识存储、数学建模、模拟计算等网格软件，都可以作为知识挖掘的工具。网格将整个科学分类体系立体分布在网格节点上，通过不同的结构链接方法使诸多交叉学科体系由隐性知识转化为显性知识或创造出新的学科研究领域，达到知识挖掘创新的目的。通过网格进行知识挖掘与知识服务，我们把相关的知识都融合到一个统一平台下的资源库里面，需要什么我们直接从中寻找就可以了，无需作重复性工作。从用户的角度来考虑，可以更加方便快捷的找到所需要的知识点，从管理者的角度考虑，便于统一管理，节约了资源。2.基于网格技术的数字图书馆体系：数字图书馆技术的核心问题是信息源的有序组织、分布式的跨库检索、数字版权控制技术、知识挖掘技术等。网格技术对于解决数字图书馆建设过程中分布式信息资源的组织、统一检索及信息服务过程中的知识挖掘问题将产生举足轻重的作用，同时也对数字版权控制技术提出新的挑战。通过网格技术可以做到数字图书馆异构数据库统一检索的实现。网格技术可以提供基于网格的分布式异构数据库元数据服务过程，这对数字图书馆中异构数据库的统一检索问题提供了解决思路。网格通过构建数据库信息中心，建立用户的统一访问接口，用户透明地访问不同数据库的资源，网格中每个数据库都通过特定的网格服务实现元数据的采集并注册到数据库元数据目录中。通过网格服务和检测查询服务作为中间层实现元数据的管理查询功能，并对外提供查询接口。这样后台数据库异构性就被屏蔽，由统一的服务接口实现访问，解决了数字图书馆中异构数据库的统一检索技术。网格所具备的特征正是数字图书馆需要突破的技术关键。随着网格技术的研究进展，国际上已经开始对以网格技术为基础的数字图书馆提出新的想法和思路。在国内，由清华同方公司研究推出—CNKI数字图书馆建设集成化解决方案，对网格技术环境下的数字图书馆体系结构做了有益尝试，CNKI网格资源共享平台充分吸收网格技术的思想，并结合知识挖掘、智能代理、分布式知识库等技术为数字图书馆设计和建设提供了新的思路。CNKI中国知识基础设施工程（ChinaNationalKnowledgeInfrastructure）的英文简称，该工程是以实现个社会知识信息资源共享为目标的国家信息化重点工程，开发的CNKI数字图书馆网格资源共享平台可利用异构跨库统一检索系统、引文链接、知识元链接、智能检索与主题检索、数值链接等技术实现了数据库的全息关联，把数据库信息资源的整合深度推进到知识元层次，通过既有文献可以发现新的文献，通过已知知识可以发现新的知识，使图书馆所拥有的数据库资源组织成一张循环互动的知识网络，并与外界的信息资源链接起来，而不再是孤立分离的。可以利用CNKI平台的建库工具与互联网信息采集系统工具帮助图书馆从现有的数据库资源抽取有用信息，建设本单位的专业知识库，服务于博物馆的学术研究工作。由于专业知识库的针对性强、适应性好，其实用性在某种程度上将大大超过原始数据库资源。博物馆的业务研究工作数字很大程度上依赖于图书馆的图书资料信息，在信息化时代离不开数字图书馆的技术支持，通过数字图书馆的信息服务，4业务人员可以检索到研究工作所需的资料信息，可以了解研究的最新动态。随着计算机技术的迅速发展，基于网格技术的数字图书馆体系的信息服务相比网络在技术上更加先进，由于网格技术可以整合来自各个数字图书馆网站的信息，达到资源共享，克服资源孤岛现象，博物馆的业务人员可通过统一的数字图书馆系统平台检索各个数字图书馆的异构数据库中的资料信息，可做到分布式的跨库检索，使用起来更加方便。知识管理是指通过对各类知识信息资源的管理，最大程度地发掘知识信息资源的价值，包括对馆藏信息资源的管理、对本单位所产生的信息资源的管理以及隐性智力资源的管理等等。数字图书馆的建设促使知识管理技术的发展。互联网信息技术的发展丰富了知识管理的手段。然而目前的技术仅限于“文献”层次，或者说载体层次，而无法深入知识信息资源的内容本身进行管理。CNKI平台的建设将把图书馆从“文献管理”推进到真正的“知识管理”。3.虚拟现实结合网格技术在文物古迹中的应用：虚拟现实技术（VR）是一项综合集成技术，涉及计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等领域，它用计算机生成逼真的三维视、听、嗅觉等感觉，使人作为参与者通过适当装置，自然地对虚拟世界进行体验和交互作用。使用者进行位置移动时，电脑可以立即进行复杂的运算，将精确的3D世界影像传回产生临场感。该技术集成了计算机图形(CG)技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理等技术的