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打造生態研究的地球村–林芳邦博士

格網改變研究思維,生態格網可協助突破野地環境的限制與監測工具使用的不足,是一種藉由網路可以隨處計算、隨時做研究的工具。
 
 
 
國家高速網路與計算中心(簡稱國網中心)組長林芳邦博士,以無線傳輸方式利用「生態格網」,進行各式感測器的野地生態、影像觀測、儀器控制等資料蒐集,並結合網路資源進行立即的資料管理、計算與模擬分析,不但突破以往野地觀測困境,增加觀測次數與時間,甚至帶動生態研究模式的改變。

林博士又以專業社群模式,結合全球生態學家進行區域性整合與跨國性合作研究,對我國參與國際性的「全球湖泊生態觀測網」、「珊瑚礁生態觀測網」等生態觀測網的建置有重要貢獻,因此獲頒行政院95年傑出科技貢獻獎。

打破個人電腦運算界線

格網(grid)是一種資訊網路平臺,可在適當的作業系統與軟體協助下,以網際網路連結,把分散各處的資源,如電腦的儲存資料與計算能力、各種軟體與儀器設施、專業人才等資源整合起來,並透過中介軟體建立安全、穩定、易使用的平臺環境,再以平臺共享方式提供服務。簡單地說,就是把整個網際網路及其所連結的各類資源整合起來運作,就算使用個人電腦也能打破個人電腦運算界線,成為一個獨立處理資訊的系統。

目前國際上已有多項格網計畫,如地震觀測格網、愛滋病研究格網等。在國網中心裡比較成熟的格網計畫就是旗艦應用計畫,內容包括慢性醫療、長期生態研究、視訊、防災、奈米科技、生物知識庫等領域,未來還要發展到電子商務的應用。現階段已見到具有國際性影響的成效是使用在長期生態研究上的「生態格網」。

格網改變研究思維

就應用面來說,提供生態研究者使用的「格網」稱為「生態格網」。在未使用生態格網以前,譬如一位聲納學家,必須先在觀測點架設感測器蒐集資料,再把這些資料取回實驗室做研究。「生態格網」是把感測器與無線傳輸連結在一起,感測器接收的資料可以立即傳回資料中心。研究者可以即時進入這個網路平臺,並利用許多精細工具做計算分析,而其他研究者也可以同步進入這個平臺做研究。

簡單地說,生態格網可協助突破野地環境的限制與監測工具使用的不足,是一種藉由網路可以隨處計算、隨時做研究的工具。使用這套先進技術後,不只研究模式改變,就連研究的問題也開始改變。

例如經由生態格網得知,每一個湖泊每半個月都會出現不定時的溶氧量突然上升的奇怪現象。雖然科學界仍不知道這是怎麼一回事,但可以肯定湖泊裡一定有什麼變化,於是有人開始研究這個問題。又如湖泊學者以前經常問:「這個湖泊裡的某一個生物怎麼了?」應用生態格網後他們開始探討:「不同地區的湖泊情況為何?」、「不同地區的環境有些什麼改變?」、以及「為什麼不同湖泊會有同樣的問題出現?」

成功建置鴛鴦湖觀測網

2004年,中央研究院植物所、國網中心、農委會林業試驗所和美國國家科學基金會、美國威斯康辛大學、加州大學聖地牙哥分校等機構,共同組成國際合作團隊進行湖泊代謝研究。位在臺灣北部的鴛鴦湖是計畫研究的湖泊之一,林博士是代表國網中心參與這個團隊的科學家。由於鴛鴦湖是個無電力、缺日照、多雨量、極易造成電子儀器損壞的地方,為完成「裝設的感測器群仍具備智慧與溝通能力,並能自行獨立生存」的目標,林博士決定在鴛鴦湖區建置「生態格網」。

在此之前,美方人員已把測量氣象資料、水溫和溶氧量的各種無線感測器設計在一個浮標裡。林博士把這個浮標裝設在鴛鴦湖中央,讓感測器接收的資料能夠順利傳回資料中心,並利用「生態格網」讓鴛鴦湖觀測網與威斯康辛北溫湖觀測網連線,還連結加州大學聖地牙哥分校與國網路中心電腦裡的各種資源,以便與中央研究院合作研究。

湖泊與珊瑚礁生態觀測網

由於建置鴛鴦湖觀測網的工程相當成功,在國際間引起很大迴響,林博士便與他的國際伙伴聯手推動全球性的生態觀測網。也因此,原本區域性的鴛鴦湖觀測網在2005年3月提升成為一個稱為「全球湖泊生態觀測網」的國際性組織,如今全球已有28個湖泊加入連結,而且全世界第一流的湖泊專家都已成為這個組織的會員。

現在他們正以湖泊代謝中「每日湖泊溶氧量」為基準參數,進行全球湖泊代謝的比較分析。而鴛鴦湖觀測網的成果,也被美國知名期刊《生物科學》(Bioscience)選為2005年7月的封面主題而大篇幅報導。至此,鴛鴦湖成為國際上一個應用生態格網進行生態研究的著名範例。

另外一個與全球湖泊生態觀測網同時成立的「全球珊瑚礁生態觀測網」,也是林博士催生的重要國際性組織。珊瑚社群有生、有死,有消、有長,它們對環境極為敏感,只要環境發生些許變化就很難存活,因此是觀察氣候變遷的很好指標。珊瑚礁素有「海中熱帶雨林」之稱,是地球海洋生態系中生物多樣性最豐富的地區,也是地球生態環境中極重要的世界。以前因為觀測工具與技術的局限,人類對珊瑚礁生態的了解相當有限,格網技術出現後,為珊瑚礁生態研究領域帶來莫大鼓舞。

格網是下一代的網際網路

格網強調的是一個開放的世界,在格網平臺上可以很容易溝通,也可以取得深入且透明化的資訊,因此被視為下一代的網際網路。現行的網際網路雖然包含Flash等動態程式,但在本質上是靜態的。可是格網從一開始就設計成動態的高效能型態,主要在整合網路上的各種不同資源,如人的資源、軟體資源、計算資源、儲存資料資源、無線網路資源、設備儀器資源等,以達到「透過大量頻寬網路,使用大量資料,進行大量計算」的功能。

安全是格網的核心目標之一。因為要做到跨中心、跨國際結合,使得分散各地的大型計算總機能夠彼此分享、溝通,就要降低電腦進入障礙。若要降低電腦進入障礙,令大型總機能夠自動認證、溝通,就要建立信任機制,而要建立信任機制就得做好安全防護。

又因為要使用大量資料,電腦主機的儲存設備必須很大,例如墾丁海底觀測網使用的大型主機容量就達1012 G到1015 G。因為要大量計算,網路頻寬就必須夠大,若要取得足夠頻寬,就需利用光纖網路傳輸,這是國網中心在結合臺灣全島頻寬建立「臺灣知識格網」以前,要先推動「架設環島光纖網路」的原因。

觀測格網是格網平臺中的重要模組之一,主要是透過各項觀測及感測儀器,整合與處理龐大的資料,以便延伸格網的應用。在應用上除了提供長期生態研究使用之外,還可應用在如遠距科學的大型高能電子顯微鏡觀察、地震實驗震動平臺、農業觀察和災害資訊管理上,對科學研究與民生社會有重大貢獻。能夠肯定的是,未來會有更多各種不同模組的格網平臺研發出來。而格網也像所有先進科技的發展過程一樣,發展前期會以科學研究為主,之後就會進入一般人的生活,成為人人都有機會使用的先進科技工具。

【行政院95年傑出科技貢獻獎得獎人專訪】
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