孫彩萍， 王 維*， 何立環(huán)， 馬廣文， 羅向林， 但漢平， 張順輝

1.中國環(huán)境科學(xué)研究院環(huán)境信息研究所， 北京 100012 2.中國環(huán)境監(jiān)測總站， 北京 100012 3.中興儀器(深圳)有限公司， 廣東 深圳 518004

20世紀(jì)90年代以來，隨著信息化技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)據(jù)共享研究成為熱點(diǎn)，并成為科學(xué)數(shù)據(jù)管理的重要議題. 隨著《科學(xué)數(shù)據(jù)管理辦法》的發(fā)布及實(shí)施，作為國家戰(zhàn)略資源，對科學(xué)數(shù)據(jù)的管理和使用通過立法進(jìn)行明確. 國內(nèi)大氣環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域數(shù)據(jù)資源豐富，但受困于部門條塊分割管理和煙囪式系統(tǒng)建設(shè)模式，數(shù)據(jù)呈碎片化、孤島化，并且存在一數(shù)多源、一源多數(shù)的普遍現(xiàn)象[1]. 2017年大氣重污染成因與治理攻關(guān)項(xiàng)目(簡稱“大氣攻關(guān)項(xiàng)目”)啟動(dòng)，該項(xiàng)目針對京津冀及周邊地區(qū)秋冬季大氣重污染成因、重點(diǎn)行業(yè)和污染物排放管控技術(shù)等難題開展集中攻關(guān). 在實(shí)施方案中強(qiáng)化資源整合與共享，建立大氣環(huán)境科學(xué)綜合數(shù)據(jù)采集共享平臺，對科學(xué)數(shù)據(jù)實(shí)施統(tǒng)一質(zhì)量控制、統(tǒng)一管理，解決科學(xué)數(shù)據(jù)共享和管理難的問題. 目前，國內(nèi)對環(huán)境數(shù)據(jù)共享的研究多集中在監(jiān)測數(shù)據(jù)[2-3]，大數(shù)據(jù)共享研究主要聚焦在系統(tǒng)架構(gòu)[4-6]、技術(shù)選型[7-9]、功能設(shè)計(jì)[10-11]等，在共享領(lǐng)域理論建設(shè)和實(shí)踐上尚處于探索階段. 國內(nèi)生態(tài)環(huán)境信息化領(lǐng)域已經(jīng)建立多級技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范體系，在共享平臺建設(shè)上，HJ 718—2014《環(huán)境信息共享互聯(lián)互通平臺總體框架技術(shù)規(guī)范》[12]基于《電子政務(wù)信息共享互聯(lián)互通平臺技術(shù)指南》編寫，側(cè)重軟件工程標(biāo)準(zhǔn)化定義，環(huán)境業(yè)務(wù)屬性不強(qiáng)且缺乏共享應(yīng)用績效內(nèi)容. 為此，該研究基于國外成熟方法論和先進(jìn)的數(shù)據(jù)管理思想開展探索性研究，建立大氣科學(xué)數(shù)據(jù)共享技術(shù)路線，并用于大氣數(shù)據(jù)采集與共享平臺的建設(shè)，以期實(shí)現(xiàn)大氣攻關(guān)項(xiàng)目數(shù)據(jù)共享和統(tǒng)一管理的創(chuàng)新目標(biāo).

1 研究方法

大氣攻關(guān)項(xiàng)目以京津冀及周邊地區(qū)“2+26”城市、汾渭平原為研究區(qū)域，面向大氣重污染形成三大因素——污染排放、氣象條件和區(qū)域傳輸開展系統(tǒng)研究. 因此，大氣環(huán)境科學(xué)綜合數(shù)據(jù)采集與共享平臺(簡稱“大氣共享平臺”)一方面要完成集天空地立體觀測[13]、實(shí)驗(yàn)室檢測、污染排放、氣象數(shù)據(jù)、模型模擬數(shù)據(jù)、環(huán)境健康數(shù)據(jù)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的綜合采集、歸一管理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)層面共享；另一方面，通過對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行多層級業(yè)務(wù)聚合，綜合應(yīng)用GIS、多源數(shù)據(jù)融合、可視化等技術(shù)，進(jìn)行業(yè)務(wù)建模、二次數(shù)據(jù)產(chǎn)品開發(fā)，提供實(shí)時(shí)交互數(shù)據(jù)分析，推動(dòng)科研進(jìn)程，優(yōu)化管理決策.

1.1 大氣環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)共享框架

數(shù)據(jù)共享是大氣共享平臺建設(shè)的首要目標(biāo)，是數(shù)據(jù)應(yīng)用的重要內(nèi)容. 美國電子政務(wù)共享框架(Federal Enterprise Architecture Framework，F(xiàn)EA)是美國電子政務(wù)共享框架，是美國電子政務(wù)頂層設(shè)計(jì)——聯(lián)邦總體架構(gòu)的方法論和集成工具，迄今已經(jīng)有10余年的發(fā)展歷史，并于2013年發(fā)布了最新版. FEA框架由綜合參考模型(Consolidated Reference Model，CRM，見圖1)和協(xié)作計(jì)劃方法論(Collaborative Planning Methodology，CPM)兩大部分組成，通過提供通用、標(biāo)準(zhǔn)化的參考模型及組件工具，對政府和部門間信息化生產(chǎn)和共享效果提供監(jiān)管、評估[14]. 與HJ 718—2014、國內(nèi)共享技術(shù)指南以及主流框架參考模型[15-16]相比，F(xiàn)EA框架方法論面向共享績效考核，通過自頂向下的電子政務(wù)設(shè)計(jì)和統(tǒng)籌管理，指導(dǎo)將政府戰(zhàn)略目標(biāo)轉(zhuǎn)化為機(jī)構(gòu)目標(biāo)，進(jìn)而細(xì)化電子政務(wù)工程. 在實(shí)踐路線上，F(xiàn)EA框架提出通過建立全局公共數(shù)據(jù)目錄體系、數(shù)據(jù)資產(chǎn)清單制度(見圖1)、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)現(xiàn)和共享. 大氣共享平臺數(shù)據(jù)呈海量多源異構(gòu)特征，參考FEA框架中的數(shù)據(jù)參考模型(Data Reference Model，DRM)及其應(yīng)用特點(diǎn)[17]，面向科研，聚焦機(jī)構(gòu)和跨部門的信息互操作性和共享挑戰(zhàn)，該研究提出以數(shù)據(jù)資產(chǎn)發(fā)現(xiàn)—數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化—共享業(yè)務(wù)敏捷處理作為數(shù)據(jù)共享建設(shè)路徑[18]. 大氣共享平臺從4個(gè)維度建立共享框架：①對數(shù)據(jù)資源實(shí)行域—主題—專題—資源目錄管理模式；②通過元數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)注冊等功能，建立數(shù)據(jù)生產(chǎn)方和使用方的雙向數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)和共享機(jī)制；③基于FEA框架數(shù)據(jù)類目業(yè)務(wù)化、資源化原則，定位于數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)路徑設(shè)計(jì)，建立面向業(yè)務(wù)和共享考核的大氣環(huán)境數(shù)據(jù)分類體系和資源目錄；④參照FEA框架中數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化原則，從元數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)元素、數(shù)據(jù)表、數(shù)據(jù)集進(jìn)行統(tǒng)一建模，以滿足多源異構(gòu)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、交換、共享的要求.

圖1 FEA框架中CRM模型組成及數(shù)據(jù)資產(chǎn)清單編制路徑Fig.1 CRM model composition and compilation path of data asset list based on FEA framework

1.2 大氣環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中臺策略

數(shù)據(jù)中臺(middle platform)是國內(nèi)近年來解決企業(yè)級數(shù)據(jù)資源應(yīng)用的有效方案，為多部門、多業(yè)務(wù)協(xié)同應(yīng)用提供了穩(wěn)定技術(shù)框架，在數(shù)字化轉(zhuǎn)型、敏捷業(yè)務(wù)響應(yīng)中發(fā)揮了關(guān)鍵作用[19-21]. 數(shù)據(jù)中臺通過對海量數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集、計(jì)算、存儲(chǔ)，制定數(shù)據(jù)管理規(guī)范，形成標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)，構(gòu)建數(shù)據(jù)資產(chǎn)庫，通過“共享”和“復(fù)用”，提供一致的、高可用的大數(shù)據(jù)服務(wù)，響應(yīng)業(yè)務(wù)敏捷發(fā)展需求，促進(jìn)業(yè)務(wù)創(chuàng)新. 數(shù)據(jù)中臺在頂層規(guī)劃上要求面向業(yè)務(wù)全局，實(shí)施上要求執(zhí)行統(tǒng)一數(shù)據(jù)、統(tǒng)一建模、統(tǒng)一質(zhì)量、統(tǒng)一服務(wù)的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，在強(qiáng)調(diào)統(tǒng)一規(guī)劃的數(shù)據(jù)治理能力上，滿足數(shù)據(jù)共享、復(fù)用、響應(yīng)業(yè)務(wù)需求的三大特點(diǎn)[18]. 綜上，數(shù)據(jù)中臺的特點(diǎn)一方面是強(qiáng)調(diào)通過數(shù)據(jù)治理建立包括數(shù)據(jù)質(zhì)量體系在內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)化體系；另一方面是通過重構(gòu)業(yè)務(wù)指標(biāo)體系建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一服務(wù). 數(shù)據(jù)應(yīng)用是數(shù)據(jù)共享的有機(jī)延伸. 為進(jìn)一步增加數(shù)據(jù)的信息熵和附加值，該研究采用企業(yè)級數(shù)據(jù)敏捷業(yè)務(wù)應(yīng)用的數(shù)據(jù)中臺思想，利用大氣數(shù)據(jù)采集與共享平臺的海量數(shù)據(jù)，以PM2.5管控為主線，從業(yè)務(wù)維度、時(shí)間維度、指標(biāo)維度、區(qū)域維度、表達(dá)形式維度、算法維度建立數(shù)據(jù)立方體，進(jìn)行主題分析建模、指標(biāo)聚合、專題庫建設(shè). 面向精細(xì)化管理需求和科研業(yè)務(wù)的統(tǒng)一應(yīng)用，基于商業(yè)智能(BI)全套解決方案，提供交互式GIS服務(wù)和線上評估分析工具，建立環(huán)境空氣、氣象、組分、污染源四類主題15個(gè)專題的業(yè)務(wù)化服務(wù)，并以地圖、雷達(dá)圖、玫瑰圖、曲線圖等多種可視化方式展現(xiàn)；同時(shí)，主題分析可以根據(jù)用戶權(quán)限需求進(jìn)行靈活的分區(qū)分時(shí)配置，分區(qū)有區(qū)域、省(直轄市)、城市等尺度，分時(shí)有實(shí)況(24 h)、日、月、季度、采暖期非采暖期、年等. 通過主題分析及可視化等標(biāo)準(zhǔn)化的業(yè)務(wù)服務(wù)，全景、客觀地展示京津冀和汾渭平原區(qū)域空氣質(zhì)量及其影響因素的實(shí)時(shí)及趨勢變化，準(zhǔn)確反映大氣攻關(guān)項(xiàng)目研究成果和藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)對區(qū)域空氣質(zhì)量改善的顯著作用.

1.3 關(guān)鍵技術(shù)

建立標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)采集流程和數(shù)據(jù)源評估方法，保證入庫數(shù)據(jù)在業(yè)務(wù)屬性、合規(guī)性、科學(xué)性、完整性、采集技術(shù)等方面達(dá)到科研和國家科學(xué)數(shù)據(jù)管理政策的要求. 關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)是如何保持?jǐn)?shù)據(jù)的一致性和完整性. 數(shù)據(jù)強(qiáng)調(diào)雙向一致，一是保證平臺端接入的數(shù)據(jù)內(nèi)容與邏輯要與數(shù)據(jù)源端保持一致，二是數(shù)據(jù)接入后通過ETL (抽取、轉(zhuǎn)換、加載)符合平臺端的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、索引、加工策略. 因此，需要平臺端開發(fā)動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)字典、主鍵、數(shù)據(jù)描述等映射機(jī)制. 數(shù)據(jù)完整性缺失是海量數(shù)據(jù)匯交的常見問題，解決方案是針對不同接入方式開發(fā)數(shù)據(jù)完整性預(yù)警和數(shù)據(jù)補(bǔ)錄機(jī)制. 數(shù)據(jù)采集包括外場手工數(shù)據(jù)、在線監(jiān)測數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)三大類，對不同類型數(shù)據(jù)的采集流程、技術(shù)要求、接口文檔等進(jìn)行相應(yīng)規(guī)范，確定匯交數(shù)據(jù)種類、格式、頻次，通過定制任務(wù)對接日志來實(shí)時(shí)監(jiān)控匯交數(shù)據(jù)的質(zhì)量和數(shù)量.

建立數(shù)據(jù)質(zhì)控標(biāo)準(zhǔn)化流程，保障數(shù)據(jù)共享質(zhì)量. 關(guān)鍵技術(shù)是建立線上數(shù)據(jù)質(zhì)控流程，實(shí)現(xiàn)入庫自動(dòng)化、質(zhì)控智能化、展示多樣化. 該研究通過制定數(shù)據(jù)審核及質(zhì)量控制規(guī)則，開發(fā)算法組合，建立數(shù)據(jù)源評估—系統(tǒng)質(zhì)控—業(yè)務(wù)質(zhì)控—人工審核—質(zhì)控結(jié)果推送流程(見圖2). 質(zhì)控結(jié)果通過Web端標(biāo)紅告警、接口和郵件推送等多種形式共享和反饋. 對多源或?qū)傩韵嗤臉I(yè)務(wù)數(shù)據(jù)集進(jìn)行邏輯歸一、整合，形成歸一化業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)集.

圖2 大氣數(shù)據(jù)采集與共享平臺質(zhì)控流程及主要內(nèi)容Fig.2 Quality control process and contents of atmospheric environmental scientific data collection and sharing platform

建立面向全體科研人員的數(shù)據(jù)安全共享機(jī)制. 關(guān)鍵技術(shù)是準(zhǔn)確刻畫共享邊界，在遵循分級管理、安全可控、充分利用的數(shù)據(jù)共享原則下，制定數(shù)據(jù)使用授權(quán)框架，確定數(shù)據(jù)共享版權(quán)保障體系及組成各方的責(zé)任與權(quán)利[18]. 建立線上共享審批流程，分級、分權(quán)限提供數(shù)據(jù)共享；為響應(yīng)精細(xì)化數(shù)據(jù)分析需求，提供數(shù)據(jù)接口、中間庫和查詢下載等多種共享途徑.

圖3 大氣數(shù)據(jù)采集與共享平臺系統(tǒng)架構(gòu)Fig.3 System architecture of atmospheric environmental scientific data collection and sharing platform

2 平臺建設(shè)

2.1 設(shè)計(jì)原則

大氣共享平臺是一個(gè)高可用的數(shù)據(jù)采集和共享平臺，設(shè)計(jì)原則體現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)性、業(yè)務(wù)性、擴(kuò)展性、復(fù)用性、靈活性、安全性等. 標(biāo)準(zhǔn)化原則貫穿到數(shù)據(jù)采集、組織、編碼、質(zhì)控、傳輸、匯交、共享、發(fā)布全環(huán)節(jié). 不同于其他共享平臺的研發(fā)建設(shè)，大氣共享平臺突出定位是在大氣攻關(guān)項(xiàng)目運(yùn)行期間，為整個(gè)項(xiàng)目組保障多維度、多時(shí)段的大數(shù)據(jù)支撐，為此，采用邊研發(fā)、邊采集、邊共享的迭代開發(fā)模式，以業(yè)務(wù)化運(yùn)行作為重要評估指標(biāo)，突出解決數(shù)據(jù)同步、實(shí)時(shí)發(fā)布、實(shí)時(shí)響應(yīng)等問題. 大氣共享平臺建設(shè)的核心是數(shù)據(jù)的接入和應(yīng)用. 采用異構(gòu)化數(shù)據(jù)接入方案Webservice，根據(jù)對接入數(shù)據(jù)種類和大小的評估，分別選用接口、中間庫、FTP等接入方式；根據(jù)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，采用ETL工具對數(shù)據(jù)進(jìn)行融合. 為滿足多源異構(gòu)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用需求，建立可動(dòng)態(tài)配置的元數(shù)據(jù)管理和資源目錄庫，靈活配置數(shù)據(jù)、文件和圖表展示，控制不同用戶的數(shù)據(jù)權(quán)限，保證數(shù)據(jù)應(yīng)用安全等；在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面，通過分庫分區(qū)方式，提升系統(tǒng)訪問效率. 通過采用接口隔離原則和組合聚合復(fù)用原則，達(dá)到避免接口污染，提高靈活性，提供定制服務(wù)和實(shí)現(xiàn)高內(nèi)聚等復(fù)用性目的.

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

大氣共享平臺系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示，包括基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)采集和匯交層、資源目錄層、數(shù)據(jù)治理層、數(shù)據(jù)應(yīng)用層、用戶層等. 平臺由三大系統(tǒng)組成，分別為現(xiàn)場監(jiān)測人員使用的手工監(jiān)測系統(tǒng)、科研和管理人員使用的數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)以及面向公眾的發(fā)布系統(tǒng)，構(gòu)建了大氣環(huán)境數(shù)據(jù)采集、匯交、治理、共享、宣傳的良性循環(huán)鏈路. 實(shí)現(xiàn)由環(huán)境監(jiān)測人員、科研人員、管理人員和公眾等角色組成的數(shù)據(jù)多級循環(huán)和社會(huì)化服務(wù).

2.3 模塊和算法

在GIS分析和數(shù)據(jù)主題產(chǎn)品中，引入的算法包括空氣質(zhì)量算法，如AQI、空氣質(zhì)量分指數(shù)算法；國密算法，如SM2、SM3；區(qū)域污染空間模擬分析，如克里金插值算法；數(shù)據(jù)質(zhì)量控制算法(見表1)，如電荷平衡算法、PM2.5質(zhì)量濃度加和比算法、碳組分關(guān)系判斷算法等；氣象條件分析，如城市小時(shí)氣象數(shù)據(jù)算法、日氣象數(shù)據(jù)算法等.

表1 數(shù)據(jù)質(zhì)控算法

大氣共享平臺的主要功能模塊如表2所示，主要包括登陸頁、平臺首頁、資源目錄、數(shù)據(jù)服務(wù)、主題分析、地圖服務(wù)、業(yè)務(wù)系統(tǒng)、元數(shù)據(jù)管理、系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)總覽等. 資源目錄模塊提供標(biāo)準(zhǔn)化目錄服務(wù)，是數(shù)據(jù)共享入口；數(shù)據(jù)服務(wù)提供實(shí)時(shí)雙向服務(wù)，包括數(shù)據(jù)下載、數(shù)據(jù)上傳，內(nèi)置數(shù)據(jù)申請審批和反饋功能；主題分析可提供以PM2.5管控為核心的4個(gè)主題15個(gè)專題的數(shù)據(jù)產(chǎn)品，提供實(shí)時(shí)交互服務(wù)，結(jié)果可下載；地圖服務(wù)可提供區(qū)域污染模擬、城市排名、點(diǎn)位分布與查詢、排放數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)展示等功能；業(yè)務(wù)系統(tǒng)目前已經(jīng)接入該平臺開發(fā)的手工監(jiān)測管理系統(tǒng)以及其他課題組開發(fā)的5個(gè)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)分析系統(tǒng); 系統(tǒng)管理包括日志、用戶、元數(shù)據(jù)等項(xiàng)，為平穩(wěn)運(yùn)行提供安全保障. 2020年4月大氣共享平臺通過中國軟件評測中心CSTC的軟件產(chǎn)品性能鑒定測試.

表2 大氣數(shù)據(jù)采集與共享平臺主要功能模塊

3 數(shù)據(jù)共享及實(shí)現(xiàn)

大氣共享平臺建立多渠道數(shù)據(jù)共享服務(wù)，包括數(shù)據(jù)共享、二次數(shù)據(jù)產(chǎn)品、信息發(fā)布和空氣質(zhì)量管理APP等.

3.1 建立標(biāo)準(zhǔn)化資源目錄

大氣共享平臺整合全社會(huì)的數(shù)據(jù)資源，數(shù)據(jù)呈海量多源異構(gòu)特征，傳統(tǒng)分類體系的應(yīng)用存在局限，根據(jù)業(yè)務(wù)需求，開發(fā)面向業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)和共享考核的分類體系[22-23]. 遵循HJT 417—2007《環(huán)境信息分類與代碼》分類框架[24]，采用分面分類法建立大氣環(huán)境數(shù)據(jù)資源分類體系[25]. 與HJT 417—2007相比，大氣環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)分類體系新增3個(gè)二級類目、4個(gè)三級類目、7個(gè)4級類目，豐富了HJT 417—2007下6個(gè)類目的信息. 解決了大氣環(huán)境數(shù)據(jù)存在的來源廣、類型雜、規(guī)模小、分類難的難題，為構(gòu)建規(guī)范化、歸一化的標(biāo)準(zhǔn)大氣綜合數(shù)據(jù)集，以及數(shù)據(jù)采集與共享平臺數(shù)據(jù)的規(guī)范管理、匯交與共享奠定基礎(chǔ). 在此結(jié)果上，形成大氣共享平臺標(biāo)準(zhǔn)化目錄，結(jié)果如表3所示.

表3 大氣環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)資源目錄

3.2 建立多源異構(gòu)海量數(shù)據(jù)集

綜合數(shù)據(jù)集包括環(huán)境空氣質(zhì)量、PM2.5組分、氣象、工業(yè)企業(yè)、排放數(shù)據(jù)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、研究成果等11大類數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)7.5億條，非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)66萬個(gè)文件，數(shù)據(jù)總量4.3 TB. 數(shù)據(jù)最早始于2015年，小時(shí)日更新數(shù)據(jù)總量占比在90%以上. 實(shí)現(xiàn)了以京津冀及周邊“2+26”城市和汾渭平原11城市為主的國家級、省級、市級共818空氣質(zhì)量監(jiān)測站點(diǎn)、269個(gè)顆粒物組分站點(diǎn)、364個(gè)氣象站點(diǎn)、54個(gè)雷達(dá)站點(diǎn)、3萬余家工業(yè)企業(yè)、50多萬個(gè)排口實(shí)時(shí)排放等數(shù)據(jù)的互連互通. 通過元數(shù)據(jù)和分類體系，建立多源歸一的標(biāo)準(zhǔn)化綜合數(shù)據(jù)集39個(gè)，向外提供標(biāo)準(zhǔn)化接口調(diào)用和數(shù)據(jù)共享申請服務(wù). 共享數(shù)據(jù)及指標(biāo)類型如表4所示. 由表4可見：環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)可提供空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)、空氣質(zhì)量等級、首要污染物和6項(xiàng)常規(guī)污染物的濃度；PM2.5組分?jǐn)?shù)據(jù)可提供碳組分、水溶性離子、無機(jī)元素、單顆粒質(zhì)譜四大類共上百種組分的質(zhì)量濃度和數(shù)濃度；污染源排放數(shù)據(jù)中含有區(qū)域排放管控的重點(diǎn)——高架源，可提供企業(yè)、排口、廢氣及實(shí)時(shí)排放濃度等；氣象數(shù)據(jù)可提供溫度、相對濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓、降水量和最大預(yù)報(bào)時(shí)效為168 h的氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)；污染源解析數(shù)據(jù)包括區(qū)域來源解析、行業(yè)來源解析預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，可預(yù)則未來24～120 h不同城市和不同行業(yè)對PM2.5的貢獻(xiàn). 在66萬個(gè)成果文件中，覆蓋了大氣攻關(guān)項(xiàng)目研究成果、“2+26”城市精細(xì)化大氣污染源排放清單、環(huán)境監(jiān)測激光雷達(dá)文件、法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)、模擬文件和多媒體文件等，較好地滿足京津冀地區(qū)當(dāng)前復(fù)合型大氣污染決策的數(shù)據(jù)需要.

3.3 主題分析產(chǎn)品與可視化

大氣共享平臺可提供環(huán)境空氣、氣象、組分、污染源四大類主題15個(gè)專題服務(wù). 環(huán)境空氣主題下設(shè)區(qū)域空氣質(zhì)量實(shí)況、環(huán)境空氣質(zhì)量分析、多城市時(shí)序變化、多城市同期對比、多因子時(shí)序變化、單城市同比變化等6個(gè)專題. 分析指標(biāo)包括AQI、6種污染物(PM10、PM2.5、SO2、NO2、CO、O3)質(zhì)量濃度、ρ(PM2.5)ρ(PM10)、ρ(SO2)ρ(NO2)等特征值. 基于39個(gè)城市的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、800多個(gè)監(jiān)測站點(diǎn)的實(shí)測數(shù)據(jù)，采用克里金空間插值算法和統(tǒng)計(jì)方法等，實(shí)時(shí)展示研究區(qū)域、多城市和單個(gè)城市的空氣質(zhì)量歷史變化、同期對比、實(shí)況反映等，2017—2019年P(guān)M2.5污染演變結(jié)果如圖4所示. 由圖4可見，2017—2019年，ρ(PM2.5)平均降幅達(dá)12.98 μgm3，最大降幅為25.70 μgm3.

組分分析主要包括組分趨勢、城市對比分析，通過揭示組分差異及趨勢，助力大氣污染防控的精準(zhǔn)施策.該主題下有單城市同比、多城市對比和單顆粒質(zhì)譜等3個(gè)專題，分析指標(biāo)包括ρ(OC)、ρ(EC)、ρ(SO42-)、ρ(NO3-)、ρ(Cl-)、ρ(NH4+)、ρ(SO42-)ρ(NO3-)、ρ(OC)ρ(EC)、SOR、NOR. 組分主題分析具有以下特點(diǎn)：①提供目標(biāo)區(qū)域的PM2.5濃度同步變化；②增加特征比值，如ρ(SO42-)ρ(NO3-)、ρ(OC)ρ(EC)、SOR、NOR等，反映組分中化學(xué)特性及對污染潛勢的影響.

表4 大氣環(huán)境科學(xué)綜合數(shù)據(jù)集及主要指標(biāo)

圖4 京津冀和汾渭平原2017—2019年P(guān)M2.5污染演變Fig.4 PM2.5 improvement trend in Beijing-Tianjin-Hebei and Fenwei Plain from 2017 to 2019

污染源分析主要包括工業(yè)源統(tǒng)計(jì)、行業(yè)統(tǒng)計(jì)、燃料統(tǒng)計(jì). 工業(yè)源分為10類，分別為玻璃、水泥、石油化工、溶劑使用、鋼鐵冶煉、焦化、火電及其他發(fā)電、電力熱力生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)、其他. 行業(yè)類型分為十大行業(yè)，分別為制造業(yè)，電力熱力燃?xì)饧八a(chǎn)和供應(yīng)業(yè)，采礦業(yè)，交通運(yùn)輸，倉儲(chǔ)和郵政業(yè)，農(nóng)、林、牧、漁業(yè)，住宿和餐飲業(yè)，水利、環(huán)境和公共設(shè)施管理業(yè)，建筑業(yè)，居民服務(wù)、修理和其他服務(wù)業(yè). 對燃料進(jìn)行大類統(tǒng)計(jì)，將數(shù)萬家企業(yè)的700余種燃料統(tǒng)一歸為煤炭、電力、石油及其制品、天然氣及其制品、可再生能源、新能源六大類，進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)和展示.

氣象分析提供城市尺度PM2.5及氣象條件統(tǒng)計(jì)分析，特點(diǎn)是將城市PM2.5與城市氣象條件變化進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，直觀、簡潔地展示二者間的趨勢演變；同時(shí)，提供天氣分析圖，包括天氣分析、衛(wèi)星云圖、雷達(dá)圖、降水量、風(fēng)場圖和能見度等各專題服務(wù)，為多耦合實(shí)證研究提供詳實(shí)的環(huán)境數(shù)據(jù).

3.4 大氣攻關(guān)項(xiàng)目信息發(fā)布服務(wù)

基于海量數(shù)據(jù)，建立完善的信息推送、審核和發(fā)布機(jī)制，建立以重污染信息發(fā)布平臺和空氣質(zhì)量管理APP為主的2個(gè)信息發(fā)布系統(tǒng)，進(jìn)一步延伸數(shù)據(jù)應(yīng)用，構(gòu)建大氣環(huán)境數(shù)據(jù)采集、匯交、治理、共享、宣傳的良性循環(huán)鏈路，實(shí)現(xiàn)了由科研人員、管理人員和公眾等角色組成的數(shù)據(jù)多級循環(huán)和社會(huì)化服務(wù).

大氣環(huán)境信息發(fā)布系統(tǒng)的定位是向社會(huì)公眾宣傳大氣攻關(guān)項(xiàng)目成果，提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析服務(wù). 以新聞列表、攻關(guān)介紹、成果展示、數(shù)據(jù)服務(wù)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范作為主要欄目，提供全文檢索和地圖服務(wù). 新聞主要是關(guān)聯(lián)國家大氣污染防治攻關(guān)聯(lián)合中心的新聞公眾號，及時(shí)傳遞“藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”實(shí)施、大氣攻關(guān)項(xiàng)目的政策、項(xiàng)目進(jìn)展等熱點(diǎn)輿情；成果展示則為大氣攻關(guān)項(xiàng)目的28個(gè)課題組和39個(gè)駐點(diǎn)城市組的研究成果、政策建議提供發(fā)布平臺，產(chǎn)生宣傳合力；數(shù)據(jù)服務(wù)通過數(shù)據(jù)介紹、主題分析、數(shù)據(jù)駕駛艙等欄目，一是對主要業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)集進(jìn)行介紹，包括名稱、特征字段、時(shí)間年限、覆蓋地區(qū)、共享方式等，二是通過數(shù)據(jù)駕駛艙，分析數(shù)據(jù)總量統(tǒng)計(jì)、熱點(diǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等指標(biāo)向公眾宣傳大氣攻關(guān)項(xiàng)目組對國家數(shù)據(jù)管理政策執(zhí)行的貢獻(xiàn)；主題分析則是在權(quán)限許可范圍內(nèi)，發(fā)布大氣數(shù)據(jù)采集與共享平臺上的數(shù)據(jù)可視化內(nèi)容，向社會(huì)公眾開放大氣污染現(xiàn)狀及成因的全方位分析，多角度、立體展示不同地區(qū)尺度的空氣質(zhì)量現(xiàn)狀、動(dòng)態(tài)變化、歷史趨勢，解析污染成因，并提供專家導(dǎo)讀.

空氣質(zhì)量管理APP以大氣環(huán)境科學(xué)綜合采集與共享平臺的數(shù)據(jù)高度集成與分析為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)“宣傳項(xiàng)目成果、揭示污染現(xiàn)狀、解析污染成因、助力駐點(diǎn)城市工作組”等目標(biāo). 空氣質(zhì)量管理APP以駐點(diǎn)城市組、地方政府管理人員為主要服務(wù)人群. 為宣傳大氣攻關(guān)科研成果，落實(shí)“一市一策”，空氣質(zhì)量管理APP向地方政府管理人員提供專業(yè)的大氣污染成因解讀、重污染天氣預(yù)警，服務(wù)于地方的大氣管理決策支撐. 圍繞科研人員的主要工作內(nèi)容，設(shè)立了空氣質(zhì)量現(xiàn)狀、大氣污染成因、空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)、地圖服務(wù)和互動(dòng)五大欄目. 在現(xiàn)狀中除提供空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)排名外，特別增加了各城市達(dá)標(biāo)考核評價(jià)，以回應(yīng)地方政府管理人員的關(guān)切. 提供專業(yè)圖表工具，對多種地區(qū)尺度的污染變化趨勢、特征污染物、減排控制情況進(jìn)行可視化評估. 為更好地給予地方政府支持，開設(shè)“專家解讀或駐點(diǎn)城市組報(bào)告”功能，這與大氣攻關(guān)項(xiàng)目組及各駐點(diǎn)城市組的日常工作緊密結(jié)合起來. 在地圖功能欄，率先增加了風(fēng)場、不同高度氣壓場的變化，為科研人員提供了專業(yè)的氣象影響分析工具，便于預(yù)判大氣污染的發(fā)展及擴(kuò)散趨勢. 空氣質(zhì)量管理APP除提供國家和地方2個(gè)層面的行動(dòng)計(jì)劃、大氣排放標(biāo)準(zhǔn)、法規(guī)等專業(yè)資料外，還設(shè)置了科譜欄目，以生動(dòng)形象的方式，向地方政府和公眾宣傳大氣環(huán)境領(lǐng)域知識，擴(kuò)大社會(huì)影響，凝聚共識.

4 數(shù)據(jù)共享效果

4.1 數(shù)據(jù)共享統(tǒng)計(jì)

大氣共享平臺于2018年2月上線后，作為大氣攻關(guān)項(xiàng)目的數(shù)據(jù)樞紐，向大氣攻關(guān)項(xiàng)目的28個(gè)課題組、39個(gè)城市組、200多家科研機(jī)構(gòu)、2 000 多名科研人員提供一站式的數(shù)據(jù)共享服務(wù). 2019年9月，為進(jìn)一步落實(shí)大氣攻關(guān)項(xiàng)目科研成果與研究數(shù)據(jù)的全面共享，大氣數(shù)據(jù)平臺向北京市、天津市、河北省、山西省、山東省、河南省、陜西省生態(tài)環(huán)境廳(局)及京津冀及周邊地區(qū)“2+26”城市、汾渭平原11城市開通大氣環(huán)境綜合數(shù)據(jù)共享服務(wù). 2019年9月起為生態(tài)環(huán)境部重污染應(yīng)急提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù). 自2020年起，大氣共享平臺為中韓環(huán)境合作中心及當(dāng)年夏季啟動(dòng)的《臭氧污染成因與防控專項(xiàng)研究》提供大數(shù)據(jù)支撐；同時(shí)，大氣數(shù)據(jù)采集與共享平臺還為國家其他重大專項(xiàng)提供數(shù)據(jù)定制服務(wù). 大氣共享平臺建立賬號總數(shù)500多個(gè)，機(jī)構(gòu)類賬號110個(gè).

截至2020年3月，大氣共享平臺累計(jì)向各課題組共享104個(gè)數(shù)據(jù)接口，完成47萬次調(diào)用；用戶登陸7萬余次，查詢數(shù)據(jù)下載22萬次；實(shí)現(xiàn)累計(jì)21億條數(shù)據(jù)、2萬個(gè)文件的數(shù)據(jù)共享，數(shù)據(jù)共享總量達(dá)到670 GB. 在結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)共享排名中，課題組、城市組、管理機(jī)構(gòu)和地方政府共享總量分別為16×108、5×108、4×106和7×104條. 在使用習(xí)慣統(tǒng)計(jì)中，下載數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)總量為 9 145×104條，占共享總量的5%.

4.2 數(shù)據(jù)使用排名

大氣數(shù)據(jù)采集與共享平臺提供十一大類數(shù)據(jù)的共享服務(wù). 對結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)分別以數(shù)據(jù)總量和接口調(diào)用次數(shù)評估各類數(shù)據(jù)使用排名，居前4位的分別是PM2.5組分?jǐn)?shù)據(jù)、空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)、污染源排放數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)，分別調(diào)用為28.3×104、8.9×104、5.5×104、4.6×104次；從共享的數(shù)據(jù)量上，居前4位的分別是氣象數(shù)據(jù)、污染源排放數(shù)據(jù)、空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)、PM2.5組分?jǐn)?shù)據(jù)，分別為9.0×108、8.6×108、2.1×108、1.3×108條. 二者排序不一致的原因是氣象數(shù)據(jù)和污染源排放數(shù)據(jù)量較大，2個(gè)數(shù)據(jù)集分別為1.9×108、4.6×108條. 在2019年9月—2020年5月，污染源排放數(shù)據(jù)共享量和調(diào)用次數(shù)均呈顯著增長，特別是在國慶節(jié)、春節(jié)和重污染期間，調(diào)用增長非常明顯.

4.3 共享應(yīng)用評估

大氣數(shù)據(jù)采集與共享平臺通過建立標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)資源目錄、二次主題分析產(chǎn)品、多端信息發(fā)布和多要素?cái)?shù)據(jù)共享評價(jià)指標(biāo)，以有效提高數(shù)據(jù)資源使用效率、提升資源服務(wù)能力和水平，支撐大氣攻關(guān)項(xiàng)目的重大研究活動(dòng). 大氣共享平臺對大氣攻關(guān)項(xiàng)目的數(shù)據(jù)支撐應(yīng)用體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：①為大氣攻關(guān)項(xiàng)目各業(yè)務(wù)平臺運(yùn)行、模型模擬、清單核查提供數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)；②保障污染成因分析、源清單編制與審核、環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)評估、“散亂污”企業(yè)集群公里級動(dòng)態(tài)網(wǎng)格監(jiān)管大數(shù)據(jù)應(yīng)用支持，為分析重污染成因，制定對應(yīng)管控措施，提升大氣環(huán)境決策能力提供有力支撐；③為“一市一策”和重污染天氣應(yīng)急提供決策依據(jù)，在跟蹤城市重污染成因解讀及污染特征分析方面發(fā)揮重要作用，以圖形和報(bào)表的形式報(bào)送業(yè)務(wù)部門，為其提供準(zhǔn)確可靠的決策依據(jù).

大氣共享平臺還為國家重污染應(yīng)急和重大節(jié)日保障提供大數(shù)據(jù)保障. 2019年9月25日—10月3日，京津冀及周邊地區(qū)氣象條件長時(shí)間持續(xù)不利，“2+26”城市先后發(fā)布重污染天氣預(yù)警，啟動(dòng)應(yīng)急響應(yīng). 大氣共享平臺按照科研數(shù)據(jù)要求開展定制服務(wù)，保障數(shù)據(jù)的質(zhì)量和實(shí)時(shí)性，持續(xù)跟蹤分析污染過程，為“2+26”城市應(yīng)急減排效果分析評估提供數(shù)據(jù)服務(wù).

通過數(shù)據(jù)采集和共享，大氣平臺銜接大氣攻關(guān)項(xiàng)目與各研究機(jī)構(gòu)、研究機(jī)構(gòu)與地方政府、課題組與城市組間的科技研發(fā)、產(chǎn)出、落地應(yīng)用等環(huán)節(jié)，打造了以數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)為紐帶的科研與業(yè)務(wù)應(yīng)用平臺. 對數(shù)據(jù)共享機(jī)制的良性探索，以及起到的大氣攻關(guān)項(xiàng)目數(shù)據(jù)樞紐作用，使大氣共享平臺受到社會(huì)廣泛關(guān)注. 2019年8月1日，生態(tài)環(huán)境部在《關(guān)于政協(xié)十三屆全國委員會(huì)第二次會(huì)議第0154號(資源環(huán)境類020號)提案答復(fù)的函》中，對大氣共享平臺的建設(shè)、應(yīng)用進(jìn)行全面介紹. 在2019年10月—2020年5月，大氣共享平臺數(shù)據(jù)匯交量增長了127%，共享量增加了30%，從科研支撐向科研、重污染應(yīng)急管理和地方共享服務(wù)并重，服務(wù)對象趨多樣化，社會(huì)影響力日益顯著.

5 結(jié)論與展望

a) 為扭轉(zhuǎn)傳統(tǒng)信息系統(tǒng)和平臺建設(shè)中普遍存在的數(shù)據(jù)共享與業(yè)務(wù)脫節(jié)的痛點(diǎn)，該研究以美國FEA框架和數(shù)據(jù)中臺作為建設(shè)方法論，以響應(yīng)科研需求和決策管理作為共享核心，通過數(shù)據(jù)共享推進(jìn)科研進(jìn)程，提高管理決策績效，實(shí)現(xiàn)空氣質(zhì)量改善目標(biāo). 在大氣數(shù)據(jù)共享建設(shè)中，始終以大氣攻關(guān)項(xiàng)目對數(shù)據(jù)多元化、精細(xì)化、精準(zhǔn)化的需求為目標(biāo)，建立科研數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)、數(shù)據(jù)共享邊界劃定、業(yè)務(wù)敏捷分析、共享績效評估技術(shù)路線，重點(diǎn)突破數(shù)據(jù)采集匯交規(guī)范化、數(shù)據(jù)治理系統(tǒng)化和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)化等關(guān)鍵問題，圍繞空氣污染現(xiàn)狀、污染組成、污染排放、污染模擬、人群健康、減排趨勢等科研需求進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、治理、分析，建立一站式數(shù)據(jù)樞紐，實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)分級、分權(quán)限共享，提供從原始數(shù)據(jù)、二次數(shù)據(jù)產(chǎn)品到多端信息發(fā)布的全方位數(shù)據(jù)共享服務(wù).

b) 大氣共享平臺已接入7.5億條、4.3 TB數(shù)據(jù)，建立39個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)集、15個(gè)專題模塊，對外提供104個(gè)數(shù)據(jù)接口，數(shù)據(jù)共享總量達(dá)到21億條，數(shù)據(jù)共享成效顯著，社會(huì)影響廣泛. 其應(yīng)用特點(diǎn)表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①面向攻關(guān)科研需求，整合全社會(huì)的數(shù)據(jù)資源，首次集成空氣質(zhì)量、污染源(含高架源)、氣象等核心業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)集，滿足污染排放、氣象條件和區(qū)域傳輸?shù)南到y(tǒng)研究；②建立標(biāo)準(zhǔn)化的大氣環(huán)境科學(xué)的分類體系、資源目錄、數(shù)據(jù)治理流程和安全審批機(jī)制，完成多源數(shù)據(jù)歸一管理、共享、復(fù)用、信息發(fā)布；③完成以PM2.5為核心的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)建模、專題庫建設(shè)，可線上實(shí)時(shí)分析不同區(qū)域尺度、不同污染要素的時(shí)空現(xiàn)狀、歷史趨勢、減排績效等，為線上評估各地空氣達(dá)標(biāo)及減排效果提供便捷工具；④通過數(shù)據(jù)駕駛艙，實(shí)時(shí)分析用戶共享行為，包括使用習(xí)慣、數(shù)據(jù)熱點(diǎn)、業(yè)務(wù)模塊熱點(diǎn)等，有助于對功能的進(jìn)一步優(yōu)化.

c) FEA是美國電子政務(wù)的頂層設(shè)計(jì)框架，數(shù)據(jù)中臺脫胎于阿里系企業(yè)的IT業(yè)務(wù)協(xié)同，二者對業(yè)務(wù)的定性不同，在使用時(shí)宜結(jié)合實(shí)際工作和業(yè)務(wù)需求. 大氣共享平臺基于數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)建模方法開展了有益探索并取得顯著的共享績效，但在廣度、深度上還需要不斷推進(jìn)，通過不斷尋求業(yè)務(wù)流程的完整、優(yōu)化和不同業(yè)務(wù)流程的協(xié)同，以提高科研和決策中的數(shù)據(jù)賦能. 此外，大氣共享平臺已經(jīng)接入大氣攻關(guān)項(xiàng)目的多個(gè)信息系統(tǒng)，未來會(huì)參照FEA框架中的應(yīng)用參考模型思想，對接大氣領(lǐng)域科研和管理業(yè)務(wù)職能，對信息系統(tǒng)及其組件、功能、基礎(chǔ)資源嘗試建立統(tǒng)一技術(shù)分類標(biāo)準(zhǔn)，探索應(yīng)用層面的標(biāo)準(zhǔn)共享. 隨著5G應(yīng)用和區(qū)塊鏈的普及，將給數(shù)據(jù)采集、傳輸、共識、確權(quán)、應(yīng)用帶來重大變革；同時(shí)，伴隨生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域數(shù)字轉(zhuǎn)型和智慧環(huán)保的迅速發(fā)展，數(shù)據(jù)共享將向以實(shí)現(xiàn)算力、算法共享的智慧中臺轉(zhuǎn)型，共享的內(nèi)容和外延會(huì)更加豐富，迫切需要在國家層面和行業(yè)層面開展頂層共享標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)和引導(dǎo).