技术与市场 ２０１４年第２１卷第７期 创新与实践 大数据下的实验室研究 梁祥炎 ，莫晓静 （１．广西大学公共管理学院，广西南宁５３００００；２．广西大学政治学院，广西南宁５３００００） 摘要：大数据近年来引起各领域的广泛关注，大数据毋庸置疑将对各方面产生重大影响。实验室作为科学研究的阵地 现有诸多不足，必定会受大数据冲击。大数据是实验室研究工具的创新，能有效反映实验室研究动态，寻找内部深层次 规律，对实验室研究进行有效感知。大数据打破人认识及思维局限，实现实验室研究的协同创新及社会化，使实验室研 究减少不必要的实验，实现实验的可预测。鉴于大数据对实验室研究的重要性，我们要提高实验研究人员对信息数据的 主动性和敏感性，创新实验室研究方式和方法，培养实验室大数据人才，增强实验室研究的合作，加强实验室大数据的硬 件设施建设，完善相关制度。 关键词：大数据；实验室；研究 ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６—８５５４．２０１４．０７．００３ ０ 引言 同时，在海量的数据信息中具有高价值的数据信息却很少，比 如实验过程中的视频拍摄，在２４ ｈ连续拍摄的过程中，对实验 大数据在目前还没有一个准确的定义，一般是指海量信 息，数据量巨大。大数据主要具有四个基本特征：数据量庞大、 能够供分析作用有价值的信息往往只有极短的时间，只有十几 分钟甚至几秒。当然，在我们平时实验中我们需要建立大量对 照实验，通过这些大量的对照实验去探索真正对实验结果起作 用的因素，到最后我们会发现真正对实验有作用因素的只是很 少的部分。 １．３ 实验研究人员对数据分析技术不熟悉，数据处理耗时长 类型繁多、价值高但其密度低、实时速度快。首先数据规模已 经从ＧＢ到ＰＢ，再到ＥＢ和ｚＢ的程度。这些数据来源主要有 数据库、网络，以及日常生活工作以及科研。其次，数据的种类 结构化和半结构化数据以及非结构化数据，结构化数据其主要 来源各种数据库，这类数据占总体比例较小，处理方便。半结 构和非结构化数据占的比例较大，如视频图片、电子邮件、音 在实验室研究中，各种要素之间存在错综复杂的联系，特 别是进入到大数据时代，就单从数据的角度来说，我们就要面 乐，地理位置等这些信息都是半结构及非结构数据，随着信息 技术的发展，非结构化数据还有进一步增大的趋势。再次，大 数据以数据流的形式快速地产生，高价值的信息分布在海量的 信息当中，需要有效地分析和挖掘。最后，经过挖掘分析后的 数据具有极大的价值，这些高价值的信息可以进行预测和决 策。 对各种各样繁多的科研信息，它们复杂地相互作用在一起，很 难用简单、传统的方法进行描述和统计。原始数据的混乱，让 实验室研究人员不得不花大量的时间和精力进行数据的整理、 分析、汇总以及文献资料查阅和筛选。在现有的实验室研究 中，以现在技术手段也只能对规模较小的数据信息进行分析， 并且使用数据分析的仪器设备也仅限于特定学科的实验，数据 分析技术使用不广泛，不为实验室研究人员熟悉。 １．４ 实验室研究面临若干大数据问题 １ 实验室研究存在的不足 １．１ 实验室研究中实验重复，研究效率低下 在科学研究中我们常受传统的线性思维影响，认为有确定 的原因就会有确定的结果，但在实验室研究中，实验总是受到 多方面的影响。在实验室研究因受到实验室人、仪器设备、试 剂外部环境的影响，实验总会呈现一一个动态发展的过程，实验 并不按原来预定的轨道发展，在实验中出现的各种不同的现象 和结果实验室研究人员其实并不清楚，他们更多的是愿意通过 在大数据时代，如何从海量数据挖掘和分析有效信息，并 具有智能化分析等特点，就目前来说，要实现这一目标，还有很 多未解决的问题，比如数据的存储，各数据库及中心怎么有效 地连接起来实现信息共享，以及如何在技术上实现数据自身智 能化分析。在海量数据面前如何有效挖掘其背后的科学规律 及现象，去支持科学家协同地对某些具体现象进行大范围的研 实验重复地操作，达到已经确定好的实验现象的实验结果。这 种为了达到确定结果而重复的实验研究其实耗费了科研人员 大量不必要的时间和精力，机械性的实验重复使得实验室研究 显得枯燥乏味、缺乏创新能力、实验成果不明显，导致实验室研 究的效率偏低。 １．２ 实验室研究中价值高的有效信息少 究，利用可靠充分的数据信息提高实验室研究洞察力和决策 力；利用大数据技术创新实验室研究工具和方法，如何储存运 用和挖掘有价值数据为实验室研究提供信息和技术支持以及 数据智能跟上感知能力等问题是摆在我们广大科研人员面前 急需解决的难题。 实验室研究中产生的数据量大，而有用信息很少。在实验 室研究中，有学术数据库，各种电子交流平台，实验研究人员每 天所做的实验描述，数据的记录分析，实验的拍摄，实验的模拟 仿真都会形成数据的源头，它能在短时间内产生巨大的数据。 而现在实验室研究往往缺乏对这些数据的管理和储存。与此 ２大数据对实验室研究的影响 ２．１ 能反映实验室研究动态，寻找内部深层次的规律 实验室是科研的前沿阵地，数据运用最充分。比如利用学 术数据库进行相关文献资料的查阅；使用电子技术对实验做统 计分析，模拟仿真。与此同时，实验室每天都会产生大量的数 ７ 创新与实践 ＴＥＣＨＮ０Ｌ０ＧＹ ＡＮＤ ＭＡＲＫＥＴ 据。实验拍摄照片视频，记录实验的图文资料，以及实验发表 的论文都会形成海量的数据信息。这些数据详细地描述了实 验的具体变化过程，它体现出了研究人员的研究思维观念，集 中反映出了科研的动态走向及其发展规律。海量的数据为科 学实验室研究提供了更加具体的层面，它不仅只停留在现象的 描述及结果数据的记录上。大数据是实验研究工具的进步，它 果，根据实验的发生发展规律、实验的影响因素及其方法，可以 预测实验的发展方向。 ３实验室研究应对大数据的策略 ３．Ｉ提高对信息数据的主动性和敏感性，创新实验室研究方 式和方法 首先需要提高实验室研究者对信息数据的主动性及敏感 性，在实验室研究中主动通过国内外的数据平台、数据中心以 通过事物的数据信息分析，透过事物的现象深入到本质，去寻 求科学背后发生的发展规律。 ２．２ 能对实验室研究进行有效感知 实验室是一个复杂系统，实验室中是由人、数据、实验对 及相关的数据信息网络搜索分析科研信息数据，了解外部科研 信息以及研究对本实验有价值的数据信息协助本实验室的研 究。同时，实验室研究人员在做实验的过程中要主动地保留储 存和认真地分析相关的实验信息数据，对实验过程中的某些有 象、仪器设备、气候、温度、社会背景等多种因素相互作用在一 起的，它处于一种动态的发展之中，不能用传统的、单一的、不 变的、均匀的线性思维，认为有确定的原因就会有确定的结果， 任何一个微小因素的变化都会对实验产生极大的波动，产生不 确定的结果。 在大数据时代，尽管是微小的变化，数据自身能在短期内 对相关数据资料进行分析，从中找出实验的演化、内部的组成 联系及相互作用、现象关系，从而敏感地察觉到实验内在的变 化发展。它弥补了实验研究人员大脑思考的缺陷，提升了实验 室研究的能力，缩短了实验研究的周期，使科技产品的更新换 代缩短了。 ２．３ 打破人的思维局限，实现实验室研究协同创新及社会化 人的认识常倾向于简单静态线性化、局部化、机体分割化， 思维定势形象常规化。大数据背景时代下，实验研究人员处理 和思考科研问题可以实现复杂化、整体化、动态非线性化，运用 抽象、纵横向、非常规、定量定性等多种思维的综合形式。实验 室科研人员在大数据下，可以将所需的实验研究有效信息放在 数据信息库中心、文献库网络交流平台进行有效的提取，扩展 为相关数据信息之间的分析检验，在数据信息之间进行知识实 验。实验室研究人员利用数据信息的多样复杂性综合分析实 验，数据信息的开放，使得不同领域不同专业学科之间的实验 室研究，可以实行协同研究和创新。 此外，科学家还可以通过海量数据，数据的网络传输，数据 的分析与保存，获得超越传统的科研观察、分析能力以及超实 验能力。如在海量的科学实验研究中，我们可以通众多的数据 库保存和分析整理，形成全球化全时制的数据观察，而且可以 将基础设施、摄像设施、机器人及现场分析结合，形成海量观察 和交互的实验室，让全球的科研人员及公众参与观察及实验， 实现实验室研究的社会化，实验室研究不再仅限于实验室 内部。 ２．４可以使实验室研究减少不必要的实验，实现实验的可 预测 在大数据背景下，实验室科研人员可以直接面对海量数据 直接得到结果，甚至不用接触实验对象。在大数据时代，实验 室研究结合了所有的数据信息，其中包括相关实验的数据信 息，以及实验的外部气候、温度、环境等相关数据信息，并进行 相关的分析筛选，从而进一步确定实验方法、实验所控制的条 件进而达到相关的实验结果。避免了以往为确定实验影响因 素建立的大量不必要的对照实验，排除了外部和人为因素的干 扰而造成的实验失误，减少了实验重复的次数。实验室与数据 中心分析系统、数据库、文献资料库，利用大量的实验实例及结 ８ 重大价值的信息应及时捕获，提高数据的敏感性，以避免因错 失重要信息数据而导致对实验的误判，对出现的具有突发性、 偶然性的数据信息进行深入分析和思考，从而使其产生巨大的 科研效应。 为了确保验室的研究的时效性，找准研究的着力点，及时 确定研究的范围，从而避免实验室研究当中所做的无用功，提 高实验室研究中的针对性以及实验研究的效率。我们要创新 实验研究的方式和方法。在研究方式上，摆脱实验室研究只限 于本实验室的研究方式，应该更加关注实验室研究与实验室 外部环境的有效结合，通过大数据技术把外部的实验室信息数 据资源引进实验室，同时把实验室的内部数据信息引出实验室 外部，让世界大众都有机会参与该研究。方法上我们更加重视 数据信息的提取和挖掘，重视数据信息的作用，重视不同学科 不同专业数据信息以及它们相互之间的联系，避免实验室研究 中的方法简单性，而难以应对复杂多变的实验，从而有效提高 实验室应对能力。 ３．２培养实验室大数据人才 就目前来说，我国实验室研究大数据人才相当不足，甚至 有大部分的实验研究人员都不知道大数据是什么，更谈不上数 据技术在实验室中的应用，因此迫切需要培养实验室大数据人 才。首先在实验室科研人员中开展网络技术，统计学的专业等 数据技能的培训，提高他们在实验室研究中运用数据信息和数 据技术进行科学研究的主动性。其次，培养专业大数据技术人 才，在高校中设立相关的大数据专业或者设立相关的大数据课 程，各不同学科不同专业的实验室抽调部分的研究人员专门进 修大数据，促使实验室研究中能有相关的大数据技术人才，从 而提高实验室的大数据应用能力。 ３．３增强实验室研究的合作 当然在目前我国实验室研究中，数据的运用意识还不够 强，不同实验室之间的壁垒还存在，实验室研究的封闭依然很 严重，数据之间的共享还不存在。在此我们要进一步促进不同 专业、不同学科之间实验数据的共享，以有效地促进实验研究 的效率。在当今的科学研究中，对任意科学问题的研究，仅仅 依靠单学科、单专业是很难解决研究中所遇到的难题的，它需 要不同学科、不同专业来共同解决。所以这就需要不同专业学 科的人参与进实验室的研究，这样才能不断地促进科学的 进步。 ３．４加强实验室大数据的硬件设施建设 目前，我国实验室中，实验室数据的硬件设施相对来说比 （下转第１Ｏ页） 创新与实践 ＴＥＣＨＮｏＬｏＧＹ ＡＮＤ ＭＡＲＫＥＴ Ｖｏ１．２１，Ｎｏ．７，２０ｌ４ 多电容飞渡结构拓扑很多，工作效率高，但结构复杂，所需器件 均衡系统框图如图６所示，系统主控制框图如图７所示。 多，体积大，不利于商业化应用，所以在实际应用中宜采用单电 容飞渡均衡。 Ｃ１ 主控制单元控制均衡单元控制模块，完成各模组的数据通信， 并通过传感器检测整个超级电容器储能系统的充放电电压电 流和环境温度等信息，并将数据处理后经ＣＡＮ总线与外部控 制系统通信，并通过３Ｇ网络与远程监控终端通信，实现整个超 级电容器管理系统的数据管理和控制。 Ｃ２ 远程监控终端 ３Ｇ 系统电流采样 委 乍 主控制单元 ３ ２ ） 图７主控制结构框图 图３ ＢＵＣＫ—ＢＯＯＳＴ法 图４超级电容器飞渡法 ４结语 隔离ＤＣ—ＤＣ法如图５所示，通过隔离的ＤＣ—ＤＣ向电压 较低的单体超级电容器补充能量。 ３管理系统方案设计 本课题所研究的超级电容器管理系统以ＳＴＭ３２作为核心 控制器，系统具有功耗低、处理系统快等优点。通过ＣＡＮ总线 本课题所研究的超级电容器管理系统主要针对ＤＣ１０００Ｖ 与各均衡控制模块进行数据通信和控制，基于３Ｇ网络与远程 终端实现数据共享，集中实现对整个超级电容管理系统的实时 监控。 超级电容器储能系统设计，使用ＳＴＭ３２作为核心控制器。采 用隔离ＤＣ—ＤＣ均衡方案，隔离ＤＣ—ＤＣ均衡法原理图如图５ 所示。为保证超级电容器组能够可靠工作，管理系统对超级电 容组中各单体电容器电压和故障状态进行实时检测，并将检测 的上述数据及模组温度通过ＣＡＮ总线上传至上位机进行数据 参考文献： ［１］ 王永虹，徐炜，郝立平．ＳＴＭ３２系列ＡＲＭ Ｃｏｒｔｅｘ．Ｍ３微控 制器原理及实践［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社， ２００８：３１８—３３８． 存储及传输。 ［２］ 李宁．基于ＭＤＫ的ＳＴＭ３２处理器开发与应用［Ｍ］．北 京：北京航空航天大学出版社，２００８． ［３］ 盂丽囡．超级电容器串联应用中的均压问题及解决方案 ［Ｊ］．辽宁工学报，２００５，２５（６）：１—２． ［４］ 李海冬，齐智平．一种新颖的串联超级电容器组的电压均 衡方法［Ｊ］．电源系统，２００６，１３０（６）：４９９—５０３． ［５］ 李忠学，陈杰．超级电容器组件的电压均衡控制电路设计 ［Ｊ］．电子元件与材料，２００６，２５（５）：３９—４２． 作者简介： 洪光（１９７９一），男，云南昆明人，助理工程师，学士。 （上接第８页） 度，确保数据信息在开放中的安全使用。 参考文献： 较薄弱，实验室网络设施比较差，数据收集以及分析仪器相当 匮乏，一些先进的数据分析仪器也只是集中在少数国家重点实 验室中。为此，我们要加大投入加强实验室的数据硬件建设， 完善实验室的网络设施，建立数据库以及数据中心的共享平 台；淘汰老旧落后的仪器设备，购进先进的数据分析仪器，强化 实验室硬件设施，改善实验室研究环境。 ３．５完善相关制度 ［１］ 托夫勒．第三次浪潮［Ｍ］．北京：中信出版社，２００６． ［２］ 维克托・迈尔一舍恩伯格．大数据时代［Ｍ］．杭州：浙江 人民出版社．２０１２． ［３］ Ｍａｒｔｉｎ Ｋｌｕｂｅｃｋ．量化：大数据时代的企业管理［Ｍ］．北 京：人民邮电出版．２０１３． ［４］ 朱志军，闰蕾．大数据・大价值、大机遇、大变革［Ｍ］．北 京：电子工业出版社，２０１２． 实验室的大数据人才培养、研究合作以及相关的大数据网 络硬件设施建设应上升到制度层面，在制度上保障大数据技术 在实验室的充分运用，并制定相关的大数据实验室研究制度， 比如不同学科专业的实验室之间的相互协作以及数据信息交 动制度。大数据时代所有的信息都是开放的，供所有大众使 用，那么在实验室研究中，所涉及的科研信息及其成果，一旦归 ［５］ 李国杰．大数据研究：未来科技及经济社会发展的重大战 略领域——大数据的研究现状与科学思考［Ｊ］．中国科 学院院刊，２０１２（１１）． 梁祥炎，男，广西大学公共管理学院硕士研究生，科技哲学 专业。 流共享制度；各不同数据库和网络交流中心之间的数据信息流 作者简介： 人数据库，其研究成果数据信息会成为分析和挖掘的对象，为 此在大数据下，实验研究中要建立好相关的数据信息安全制 莫晓静，女，广西大学政治学院硕士研究生，思想政治教育 专业。 １０