秦公帝王陵

　　内容提要 本文通过对计算机网格技术的定义、网格与互联网的关系、网格的架构的介绍入手，阐述了网格技术的研究现状、技术特点及优势，着重论述了计算机网格技术在博物馆中的应用，具体包括基于网格的知识挖掘与知识服务，基于网格的数字图书馆体系，虚拟现实结合网格技术在文物古迹中的应用，网格技术在数字博物馆中的应用，网格GIS在考古学研究及文化遗产管理中的应用等五个方面。
　　关键词 网格 虚拟现实 数字图书馆 数字博物馆 网格GIS
　　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(Power Grid)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和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的。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、存储资源、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(World Wide Web)升华为全球大网格(Global Great Grid)。
　　从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与接口；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、存储资源、数据资源、信息资源、软件资源、通信资源、知识资源、专家资源广泛共享，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Globus Toolkit已成为网格事实上的标准。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 (Open Grid Services Architecture)、开放网格服务基础结构OGSI (Open Grid Services Infrastructure)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：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(图一)。
　　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。
　　(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内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，而且能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。网格具有以下优势：
　　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分布在不同物理位置的资源。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，博物馆的业务研究工作离不开信息技术，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，从中识别出有用的信息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的资源库里面，需要什么我们直接从中寻找就可以了，无需做重复性工作。从用户的角度来考虑，可以更加方便快捷地找到所需要的知识点，从管理者的角度考虑，便于统一管理。
　　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。随着网格技术研究的进展，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是中国知识基础设施工程(China National Knowledge Infrastruc-ture)的英文简称，该工程是以实现整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很大程度上依赖于图书馆的图书资料信息，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，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地运算，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最新发展成果，是一种由计算机技术辅助生成的高技术模拟系统。
　　利用虚拟现实技术，结合网络技术，可以使文物的展示、保护提高到一个全新的高度。将文物实体通过影像数据采集手段，建立起文物的三维模型。通过计算机网络来整合统一大范围内的文物资源，并且通过网络在大范围内利用虚拟技术更加全面、生动、逼真地展示文物，从而使文物脱离地域限制，实现资源共享。使用虚拟现实技术可以推动文博行业实现文物展示和保护的现代化。
　　利用虚拟现实的远程沉浸可以使观众通过计算机网络走进虚拟博物馆参观，如由希腊世界基金会FHW(Foundation of the Hellenic World)与CVL共同完成的共享的爱奥尼亚(Shared Miletus)项目让2000年前的希腊爱奥尼亚古城复活，参观者可以在虚拟的城池中畅游；1998年由历史学家、艺术家和计算机科学家协同研究完成的中国敦煌莫高窟价值连城的壁画也被数字化并用在远程沉浸环境中。
　　从网格的角度来看，远程沉浸与分布式超级计算、分布式仪器系统和数据密集型计算的性质有很大的不同，一方面，虽然它能把高性能计算的结果用一种全新的方式可视化出来，但它本身对高性能计算的要求并不高；另一方面，它并没有集网络上的大量资源于一身。从网格的定义上看：动态多机构虚拟组织中的资源共享和协同问题解决，显然参与远程沉浸应用的各方是来自不同的虚拟组织的，他们所要共享的资源就是这个共同的虚拟环境，而共享的目的就是要协同解决问题，因此，远程沉浸还是一个典型的网格问题。
　　4.网格技术在数字博物馆中的应用
　　如何为网格环境的资源使用者提供异构数据库资源的全局统一视图和一致访问接口，是网格技术及其应用的关键问题和研究热点。以大学数字博物馆网格为例，教育部已经对一批不同规模、不同层次、各具特色的大学博物馆进行数字化改造，建成地质地理类、考古类、人文历史类、航空类和电子类等18个网上大学数字博物馆系统，应用于标本的收集、交流、研究、保存、保护、展出等。但是这些分布在CERNET不同服务器上的大学数字博物馆存在信息冗余、各自为政、各自建设、完全异构，互相之间不能共享，存在信息“孤岛”的现象，大学数字博物馆甚至相同或相近学科的不同大学数字博物馆之间没有实现资源的有机互连互通、信息的有效整合与共享。所以，基于教育部已经建成的18个网上大学数字博物馆和二期正在建设的各种大学数字博物馆，在ChinaGrid海量数据处理网格环境下建立大学数字博物馆网格(University Digital Museum)简称UDMGrid，将分散在各个大学数字博物馆的大量资源整合起来，实现资源的有机互连、互通、共享，并且实现标本信息的分级和过滤，针对不同知识层次的访问者，通过统一的网格门户为用户提供不同层次、不同渠道的透明信息服务。大学数字博物馆网格分别在北京航空航天大学、山东大学、南京大学、昆明理工大学等部署了相关节点，日前已经完成了UDMGrid 1.6版本。
　　基于网格技术的大学数字博物馆项目为我国博物馆之间通过网格技术进行互通、互联、资源共享积累了经验，为今后我国实现网格环境下的数字博物馆资源共建、共享指明了方向。
　　未使用网格技术的数字博物馆都是独立在一个个空间中，每个数字博物馆无论从内容上还是形式上都是独立的，没有实现资源的有机互连互通和信息的有效整合与共享，存在资源孤岛现象，需要登录到一个个博物馆的网站才能浏览。使用了网格技术后的数字博物馆系统，可以对信息资源进行有效的整合，实现了网上各个博物馆之间的资源共享。通过数字博物馆网格，将分散在各个数字博物馆的大量资源整合起来，实现资源的有机互连、互通、共享，用一站式的统一的界面进行登录，使用者不用了解背后的技术就可以很方便地检索和浏览各个数字博物馆中的内容，大大节约了时间。
　　5.网格GIS在考古学研究及文化遗产管理中的应用
　　地理信息系统(GIS)是地理信息科学研究的一个重要手段。它是一个集采集、存储、管理、查询、分析和显示为一体的计算机综合信息系统。GIS是以数字化的形式反映人类社会赖以生存的地球空间的现状和变迁的各种空间数据以及描述这些空间数据特征的属性，以模型化的方法来模拟地球空间对象的行为，在计算机软、硬件的支持下，以特定的格式支持输入/输出、存储、显示以及进行地理空间信息查询、综合分析、辅助决策的有效工具。
　　将GIS应用于考古学研究开始于20世纪80年代初，主要集中于欧洲和北美。我国GIS技术在考古领域里的主要成果均集中在与遥感技术结合应用方面，以期从宏观上准确地把握文物埋藏地点的空间分布规律。目前国内外考古应用GIS技术主要有四个发展趋势：一是把虚拟现实、可视域分析等技术应用于考古研究，解决如何快速获取面对的研究区域的大量三维空间数据问题；二是将三维可视化技术应用于考古研究，根据已有的散乱的、片面的、局部的三维空间数据构建出研究区域的三维空间模型，恢复古人类活动的古地形、古环境；三是将遥感与GIS相结合应用于考古研究，用遥感技术解决大范围的、宏观的考古学问题；四是将网格技术与GIS结合起来，在网格环境下分析、管理考古调查与考古发掘信息进行考古学研究。
　　随着网络技术和地理信息技术的发展，GIS经历了基于Client/Server模式的GIS，基于Browser/Server模式的WebGIS和基于网格环境的GridGIS的发展阶段。第三代网络技—网格技术的提出和发展对GIS的发展更带来了长远的影响。GIS的发展需要对大量的地理信息进行并行计算处理，由于WebGIS的数据分布在Internet上是高度异构的，且在并行计算处理表现出不足，因而发展到网格技术与GIS的结合的GridGIS。GridGIS能够在网格环境通过硬件和软件技术上操作实现空间信息网格化。GIS通过网格技术使功能得到了延伸和拓展，从网格上的任意一个节点，可以访问网格上的各种分布式的、具有超媒体特性的地理空间数据及属性数据，进行地理空间分析、查询，并能对复杂空间问题进行并行计算，以辅助和支持决策。GridGIS是利用现有的网格技术、空间信息基础设施、空间信息网络协议规范，形成一个虚拟的空间信息管理与处理环境，将空间地理分布的、异构的各种设备与系统进行集成，为用户提供一体化的空间信息应用服务的智能化信息平台。GridGIS是基于网格计算的，对涉及到大量空间分析计算的问题，GridGIS具有并行计算的能力，它可存储和管理更大数量的空间信息，并有能力在大量用户同时通过网格对其进行访问时能快速响应，具有更强的地理空间信息共享、地理信息发布、空间分析、模型分析的功能。通过对空间信息网格化和超媒体技术的集成，GridGIS提供给用户的信息不仅仅是矢量化的空间信息，还有动态视频、遥感影像、文字说明等多种信息。
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秦始皇帝陵博物院2012/秦始皇帝陵博物院．—西安：陕西出版集团 三秦出版社，2011