陳沖,蔣嬋娟,徐兵峰,朱永,徐開達,胡申威

(1.浙江省海洋科學院 杭州 310007;2.浙江省海洋水產研究所 農業(yè)部重點漁場漁業(yè)資源科學觀測實驗站浙江省海洋漁業(yè)資源可持續(xù)利用技術研究重點實驗室 舟山 316021;3.平湖市農業(yè)農村局 平湖 314000)

0 引言

隨著海洋信息化進程的推進,浙江省各級海洋管理部門對于海洋空間相關數(shù)據的實時、直觀展示和分析的需求日漸強烈。浙江省海洋技術中心開展了海洋空間資源“一張圖”綜合監(jiān)管平臺搭建,初步解決了海洋空間資源數(shù)據匯交、采集、更新、積累、整合、利用、挖掘等問題,發(fā)揮了空間數(shù)據在海洋資源形勢分析、資源監(jiān)測監(jiān)管、輔助決策支持及社會化服務的重要作用。

近年來,隨著海洋空間資源監(jiān)管業(yè)務方向持續(xù)優(yōu)化調整,各類多源異構數(shù)據不斷增加,已建成的“一張圖”系統(tǒng)冗余度逐漸增大。一方面,各類規(guī)劃、監(jiān)視監(jiān)測、分析評價數(shù)據簡單匯集,缺乏深層次融合應用,部分業(yè)務模塊發(fā)生數(shù)據矛盾與沖突現(xiàn)象,嚴重影響一張圖平臺用戶體驗;另一方面,目前仍有大量涉海數(shù)據仍分布于各職能部門,研究單位及相關企業(yè),數(shù)據煙囪現(xiàn)象依然嚴重[1],且由于數(shù)據結構多維、接口標準復雜等問題,數(shù)據整合難度極大。

國內外專家學者對于系統(tǒng)構建已經提出了分布式架構、去中心化、區(qū)塊鏈等諸多先進理論[2],為數(shù)據平臺建設提供了豐富技術指引。但尚未有學者應用物理學的熵增理論對系統(tǒng)平臺的發(fā)生、發(fā)展、衰退、消亡做過分析。本研究首次以熵增理論為指引,分析系統(tǒng)存在問題,提出初步解決思路,以期為類似系統(tǒng)平臺的布局與開發(fā)提供參考。

1 熵增理論溯源

1.1 克勞修斯熵

熵的概念最早由德國物理學家克勞修斯于1865年提出,具體定義為:在一個可逆過程中,輸入熱量相對于溫度的變化率,即d S=d Q/T。初始值到末端值的熵變?yōu)閇3]。勞克修斯熵理論指出,在孤立系統(tǒng)中,熵總是增大或者不變,不可能朝低熵的狀態(tài)發(fā)展,換句話說,系統(tǒng)不可能自發(fā)由無序變得有序。

1.2 玻爾茲曼熵

1877 年,玻爾茲曼提出熵的統(tǒng)計物理學解釋[4]。他證明了系統(tǒng)的宏觀物理性質,可以認為是所有可能微觀狀態(tài)的等概率統(tǒng)計平均值。他提出了著名的玻爾茲曼公式,根據這個公式,可以將熵看作是一個系統(tǒng)“混亂程度”的度量,因為一個系統(tǒng)越混亂,可以視為微觀狀態(tài)分布越均勻。

熵的統(tǒng)計學角度解釋,使人們對熵增定律有了更直觀的理解。假設有9個水分子,滴入杯子后可能占據的空間的上部和下部(圖1)。圖1A 和圖1J中,水分子全部集中于一側,只有一種可能,情況很簡單。但圖E 和圖F 中,一側4個水分子,另一側5個水分子,有C49和C59=126種排列組合,混亂程度最高,表現(xiàn)為出現(xiàn)此情況的可能性最大,即熵值最大。

1.3 香農熵

1948年,香農將熵的概念引入到信道通信過程中,開創(chuàng)了“信息論”這門學科。香農的信息熵本質上是對司空見慣的“不確定現(xiàn)象”的數(shù)學化度量[5]。受香農的啟發(fā),熵脫離了物理學的束縛,逐漸在其他諸多領域大放異彩。

1.4 耗散結構

根據熵增定律,自然界一切過程都是向熵增加的方向發(fā)展,從有序到無序,最終走向寂滅。但生命的演化過程卻與此相反,無序狀態(tài)的無機物生成有機物,再生成單細胞生物,繼而進化到多細胞生物。從高度無序發(fā)展到高度有序,體現(xiàn)了熵減的過程。為解決這一理論矛盾,比利時科學家普里高津在研究非平衡熱力學過程中提出耗散結構,也叫自組織理論。他指出,遠離平衡態(tài)的非線性開放系統(tǒng),通過與外界交換物質和能量,在系統(tǒng)內某個參量的變化達到一定閾值時,通過漲落,可能在一定的條件下形成一種新的穩(wěn)定的有序結構。

圖1 熵增的統(tǒng)計學圖示

2 “一張圖”平臺現(xiàn)狀

平臺依照橫向模式建設,劃分為IAAS(基礎設施層)、DAAS(數(shù)據資源中心)、PAAS(平臺服務層)、SPAAS(應用平臺服務層)、SAAS(應用層);通過數(shù)據中心建設,對各類信息數(shù)據進行梳理,分類管理。對于現(xiàn)有其他信息系統(tǒng),數(shù)據中心采用階梯式的整合策略,提供從數(shù)據、接口、門戶等多個層次的整合模式(圖2)。

平臺初步搭建了海洋空間資源核心數(shù)據庫,整理入庫歷史調查資料、基礎地理空間數(shù)據數(shù)百萬條;建成地理信息展示平臺,實現(xiàn)了浙江省海洋空間資源專題圖展示、查詢、量測、統(tǒng)計以及專題圖層疊加分析等功能,彌補了浙江省海洋空間資源數(shù)據綜合管理、展示平臺的缺失。

平臺實現(xiàn)了與海域動態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)、海域使用權管理系統(tǒng)的初步對接,通過該平臺,可提供基于“海域動管專網”的基礎底圖集成調用功能,目前,已為部署于專網內的“海域使用權管理系統(tǒng)”“海洋經濟評估模型與GIS系統(tǒng)”“海洋功能區(qū)劃管理系統(tǒng)”提供了基礎底圖服務,減少了業(yè)務應用系統(tǒng)的重復建設。

圖2 一張圖系統(tǒng)平臺構架

為更好保障海量空間資源數(shù)據集成展示,對部分網絡設備作了必要更新升級。該平臺除了已具備基本的地理信息展示、數(shù)據查詢和統(tǒng)計等功能外,也已具備部分業(yè)務的分析決策支撐能力。如:“一張圖”系統(tǒng)針對海域使用權審批需要,增加用海分析功能,以系統(tǒng)內多部門、多類型數(shù)據(高清遙感影像、用海信息、海島信息、海底電纜管道、海岸線類型、涉海規(guī)劃等)為支撐,結合GIS平臺空間分析能力,實現(xiàn)對用海項目審批的輔助分析。

該平臺因其專題豐富、底圖精確,在海洋綜合管理中發(fā)揮了重要作用,海洋管理相關行政處室、業(yè)務單位均在使用,已成為省局海域和無居民海島使用項目審核委員會會議的必備系統(tǒng)。

3 應用熵增定律對平臺預警分析

“一張圖”平臺設計思路以應用需求為牽引,基于嚴格的頂層設計、逐層分解、分項實施、集成應用。但建成后由于外部形勢的變化,面臨著業(yè)務流程再造、業(yè)務體系重構,在監(jiān)視監(jiān)測、規(guī)范規(guī)劃、權屬管理、有償使用等子業(yè)務有層出不窮的新的應用需求,這些需求往往是基于系統(tǒng)建成后自下而上的涌現(xiàn),受到系統(tǒng)框架的限制,這些涌現(xiàn)性需求往往難以得到滿足,系統(tǒng)需要不斷升級改造,甚至推倒重建。系統(tǒng)建設有序性和應用需求無序性之間的矛盾難以解決。

熵增定律規(guī)定了在一個封閉的系統(tǒng)內,自然界一切事物均會隨著時間的流逝而走向混亂和無序,系統(tǒng)熵總是趨向于最大化。

浙江省海洋空間資源“一張圖”綜合監(jiān)管平臺也將隨著數(shù)據類型、數(shù)據量、業(yè)務功能模塊和調用量的增加,逐漸趨向碎片化,越來越混亂無序,最終無法維護和擴展,并導致系統(tǒng)的崩潰、下線或重構。同時,由于“一張圖”系統(tǒng)在海域動態(tài)監(jiān)管專網運行,處于相對封閉環(huán)境,與外界信息交換緩慢,將加速到達無序平衡態(tài)的進程。

4 耗散結構理論對系統(tǒng)平臺建設的啟示

耗散結構理論包含4項基本要素,分別是遠離平衡態(tài)、非線性作用、開放系統(tǒng)和漲落,它使得系統(tǒng)避免走向混合無序和寂滅。“一張圖”軟件系統(tǒng)平臺是諸多系統(tǒng)的一種,應用耗散結構對標分析,可以為系統(tǒng)建設、平臺搭建提供有效理論指引。

4.1 遠離平衡態(tài)

平衡態(tài)指系統(tǒng)各處可測的宏觀物理性質均勻的狀態(tài),此時系統(tǒng)內部熵值最大,同時體現(xiàn)在系統(tǒng)活力最低[6]。平衡態(tài)猶如一片沙漠,生命在這里歸于靜寂;非平衡態(tài)如同一片熱帶雨林,有參天大樹也有蕨類植物,不同空間層次有各自的生命特征,組成完善的生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)往復、生生不息。

“一張圖”平臺系統(tǒng)應破除以往過分依靠頂層設計的建設理念,努力打造“雨林生態(tài)圈”,借鑒航天工程“復雜巨系統(tǒng)”的思想精髓[7]。錢學森將系統(tǒng)定義為“由相互作用和相互依賴的若干組成部分結合成的,具有特定功能的有機整體,而且這個‘系統(tǒng)’本身又是它所從屬的一個更大系統(tǒng)的組成部分”[8]。錢學森的定義體現(xiàn)了整體與部分的唯物辯證關系,強調了要素與要素、系統(tǒng)與要素、系統(tǒng)與環(huán)境的相互關系。具體地講,“一張圖”平臺應預留足夠的“戰(zhàn)略發(fā)展空間”,允許甚至放任自下而上的自組織不斷涌現(xiàn),并給予各個自組織充分的基礎支撐,使得各個自組織自我演化,自我適應,找到它與其他要素、與系統(tǒng)、與環(huán)境新的適應之道。

4.2 非線性作用

各要素之間并非一一對應的正相關或者簡單疊加關系,而是隨機進行的相互作用。對于“一張圖”平臺而言,各個要素之間不應該僅僅滿足于單純的疊加展示功能,相同要素對不同對象、不同的要素對相同對象,都應該發(fā)生不同的深層次的化學反應。例如,海岸線利用情況、海域使用狀況、海島開發(fā)利用狀況等數(shù)據的有機結合,可以科學地進行資源環(huán)境承載能力監(jiān)測預警評價,同時也能開展海洋空間資源資產清查;海域使用狀況數(shù)據和海洋經濟數(shù)據相結合,可以開展海域使用后評估工作。系統(tǒng)平臺內部的非線性作用主要體現(xiàn)在數(shù)據的深度挖掘和應用,以及尚未預測到的新的能級反應。

4.3 開放系統(tǒng)

開放系統(tǒng)是指與外界環(huán)境存在持續(xù)物質、能量、信息交換的系統(tǒng)。例如,人體就是一個開放系統(tǒng),通過從外界攝取營養(yǎng)物質并轉化為自身物質的同化作用和自身部分物質被氧化分解并排出代謝廢物的異化作用,完成自身與環(huán)境之間物質和能量的交換。

開放是耗散結構得以存在的核心要素,所有封閉系統(tǒng)最終只能由于熵增而走向寂滅。這一理論對“一張圖”系統(tǒng)平臺建設有極大啟示,受限于海洋資源數(shù)據的敏感性,目前該平臺布設于海域動態(tài)專網,與互聯(lián)網物理隔絕。系統(tǒng)使用和數(shù)據交換極為不便,據統(tǒng)計,平臺日均活躍人數(shù)不超過10人,80%以上的系統(tǒng)功能極少使用。

國家層面已經將數(shù)據要素提升到和土地、勞動力等傳統(tǒng)生產要素同等重要的地位[9]。近日,中共中央、國務院發(fā)布的《關于構建更加完善的要素市場化配置體制機制的意見》中指出“優(yōu)化經濟治理基礎數(shù)據庫,加快推動各地區(qū)各部門間數(shù)據共享交換”。下一步應按照國家政策部署,結合國家和省里相關定密部門的要求,爭取將非涉密數(shù)據和應用模塊集成到省智慧海洋大數(shù)據中心或省政府服務網,努力做到應公開盡公開。通過依托于一個開放創(chuàng)新的數(shù)據服務平臺上,對內融合生態(tài)評估、生態(tài)修復、海洋公園等各類涉海數(shù)據,對外吸納各兄弟單位的海域使用論證,用海用島價值評估等涉海數(shù)據,對上對接自然資源部、國家海洋信息中心、國家海洋技術中心乃至國外先進科研機構涉海數(shù)據,對下吸收市縣自身關于用海審批,招拍掛、竣工驗收等各類數(shù)據。逐步形成海洋資源數(shù)據體系,通過系統(tǒng)內各類要素的非線性作用,產生1+1＞2的疊加效應,助力海洋經濟提速增效高質量發(fā)展。

4.4 漲落效應

子系統(tǒng)可測的宏觀量無時無刻不隨著時間變化而圍繞其均值上下浮動。例如,海岸線定義為平均大潮高潮時水陸分界的痕跡線,這條痕跡線隨著潮水漲落和風引起的增水-減水作用而時刻變動。所以,實際的海岸線是無數(shù)條痕跡線的集合。

在開放系統(tǒng)的非平衡態(tài)中,由于內部要素非線性作用,微小的變化可能產生蝴蝶效應,引發(fā)極大的風暴。對于系統(tǒng)平臺,一方面應積極更新維護,進行持續(xù)的物質和信息交換,通過對系統(tǒng)做功,降低系統(tǒng)熵值,防范化解可能引發(fā)的重大風險;另一方面應杜絕系統(tǒng)資源的平均分配,摒棄追求大而全的思路,對于曾經發(fā)揮作用但已經不適應新形勢新要求的業(yè)務功能果斷砍除,降低平臺冗余度[10]。對于由于國家政策、管理需求或一線客戶實際應用而產生的需求應充分重視,配置優(yōu)質資源,打造新的核心功能和應用。做到單點突破、以點成線、以線成面,最終形成新的業(yè)務生態(tài)鏈和業(yè)務生態(tài)體系[11]。通過周而復始的持續(xù)演化實現(xiàn)平臺的最優(yōu)貢獻。

根據耗散結構在系統(tǒng)平臺的應用,借鑒華為活力引擎模型表現(xiàn)形式,繪制“一張圖”系統(tǒng)平臺建設理念模型(圖3)。

圖3 “一張圖”系統(tǒng)平臺建設理念模型

5 結語

根據熱力學第二定律,所有封閉系統(tǒng)最終都將走向混亂程度最大的平衡態(tài)而衰亡。耗散結構是破解這一難題的關鍵理論,通過耗散結構4個關鍵要素的分析,海洋空間資源“一張圖”綜合監(jiān)管平臺應通過走開放式路線獲取與外部環(huán)境的物質和信息的交換,通過促進要素之間產生非線性關系而進行數(shù)據深度挖掘,通過遠離平衡態(tài)保持系統(tǒng)內部乃至系統(tǒng)本身的自組織生長[12],通過漲落效應實現(xiàn)資源優(yōu)化配置并保持系統(tǒng)活力。最終使得系統(tǒng)平臺實現(xiàn)“雨林生態(tài)圈”的自組織生產模式,從而破解頂層設計有限性與應用需求無限性之間的矛盾。