熵增理論對海洋空間資源“一張圖”綜合監管平臺系統建設的啟示

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 農業部重點漁場漁業資源科學觀測實驗站浙江省海洋漁業資源可持續利用技術研究重點實驗室 舟山 316021;3.平湖市農業農村局 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”綜合監管平臺搭建,初步解決了海洋空間資源數據匯交、采集、更新、積累、整合、利用、挖掘等問題,發揮了空間數據在海洋資源形勢分析、資源監測監管、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管業務方向持續優化調整,各類多源異構數據不斷增加,已建成的“一張圖”系統冗余度逐漸增大。一方面,各類規劃、監視監測、分析評價數據簡單匯集,缺乏深層次融合應用,部分業務模塊發生數據矛盾與沖突現象,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據仍分布于各職能部門,研究單位及相關企業,數據煙囪現象依然嚴重[1],且由于數據結構多維、接口標準復雜等問題,數據整合難度極大。

國內外專家學者對于系統構建已經提出了分布式架構、去中心化、區塊鏈等諸多先進理論[2],為數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平臺的發生、發展、衰退、消亡做過分析。本研究首次以熵增理論為指引,分析系統存在問題,提出初步解決思路,以期為類似系統平臺的布局與開發提供參考。

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為[3]。勞克修斯熵理論指出,在孤立系統中,熵總是增大或者不變,不可能朝低熵的狀態發展,換句話說,系統不可能自發由無序變得有序。

1.2 玻爾茲曼熵

1877 年,玻爾茲曼提出熵的統計物理學解釋[4]。他證明了系統的宏觀物理性質,可以認為是所有可能微觀狀態的等概率統計平均值。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“混亂程度”的度量,因為一個系統越混亂,可以視為微觀狀態分布越均勻。

熵的統計學角度解釋,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,表現為出現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“不確定現象”的數學化度量[5]。受香農的啟發,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。從高度無序發展到高度有序,體現了熵減的過程。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,遠離平衡態的非線性開放系統,通過與外界交換物質和能量,在系統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定的有序結構。

圖1 熵增的統計學圖示

2 “一張圖”平臺現狀

平臺依照橫向模式建設,劃分為IAAS(基礎設施層)、DAAS(數據資源中心)、PAAS(平臺服務層)、SPAAS(應用平臺服務層)、SAAS(應用層);通過數據中心建設,對各類信息數據進行梳理,分類管理。對于現有其他信息系統,數據中心采用階梯式的整合策略,提供從數據、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據庫,整理入庫歷史調查資料、基礎地理空間數據數百萬條;建成地理信息展示平臺,實現了浙江省海洋空間資源專題圖展示、查詢、量測、統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據綜合管理、展示平臺的缺失。

平臺實現了與海域動態監管系統、海域使用權管理系統的初步對接,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”“海洋經濟評估模型與GIS系統”“海洋功能區劃管理系統”提供了基礎底圖服務,減少了業務應用系統的重復建設。

圖2 一張圖系統平臺構架

為更好保障海量空間資源數據集成展示,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、數據查詢和統計等功能外,也已具備部分業務的分析決策支撐能力。如:“一張圖”系統針對海域使用權審批需要,增加用海分析功能,以系統內多部門、多類型數據(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、涉海規劃等)為支撐,結合GIS平臺空間分析能力,實現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揮了重要作用,海洋管理相關行政處室、業務單位均在使用,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。

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,面臨著業務流程再造、業務體系重構,在監視監測、規范規劃、權屬管理、有償使用等子業務有層出不窮的新的應用需求,這些需求往往是基于系統建成后自下而上的涌現,受到系統框架的限制,這些涌現性需求往往難以得到滿足,系統需要不斷升級改造,甚至推倒重建。系統建設有序性和應用需求無序性之間的矛盾難以解決。

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

浙江省海洋空間資源“一張圖”綜合監管平臺也將隨著數據類型、數據量、業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,并導致系統的崩潰、下線或重構。同時,由于“一張圖”系統在海域動態監管專網運行,處于相對封閉環境,與外界信息交換緩慢,將加速到達無序平衡態的進程。

4 耗散結構理論對系統平臺建設的啟示

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

4.1 遠離平衡態

平衡態指系統各處可測的宏觀物理性質均勻的狀態,此時系統內部熵值最大,同時體現在系統活力最低[6]。平衡態猶如一片沙漠,生命在這里歸于靜寂;非平衡態如同一片熱帶雨林,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,組成完善的生態系統循環往復、生生不息。

“一張圖”平臺系統應破除以往過分依靠頂層設計的建設理念,努力打造“雨林生態圈”,借鑒航天工程“復雜巨系統”的思想精髓[7]。錢學森將系統定義為“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’本身又是它所從屬的一個更大系統的組成部分”[8]。錢學森的定義體現了整體與部分的唯物辯證關系,強調了要素與要素、系統與要素、系統與環境的相互關系。具體地講,“一張圖”平臺應預留足夠的“戰略發展空間”,允許甚至放任自下而上的自組織不斷涌現,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、與環境新的適應之道。

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、海島開發利用狀況等數據的有機結合,可以科學地進行資源環境承載能力監測預警評價,同時也能開展海洋空間資源資產清查;海域使用狀況數據和海洋經濟數據相結合,可以開展海域使用后評估工作。系統平臺內部的非線性作用主要體現在數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

開放系統是指與外界環境存在持續物質、能量、信息交換的系統。例如,人體就是一個開放系統,通過從外界攝取營養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,所有封閉系統最終只能由于熵增而走向寂滅。這一理論對“一張圖”系統平臺建設有極大啟示,受限于海洋資源數據的敏感性,目前該平臺布設于海域動態專網,與互聯網物理隔絕。系統使用和數據交換極為不便,據統計,平臺日均活躍人數不超過10人,80%以上的系統功能極少使用。

國家層面已經將數據要素提升到和土地、勞動力等傳統生產要素同等重要的地位[9]。近日,中共中央、國務院發布的《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“優化經濟治理基礎數據庫,加快推動各地區各部門間數據共享交換”。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,爭取將非涉密數據和應用模塊集成到省智慧海洋大數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新的數據服務平臺上,對內融合生態評估、生態修復、海洋公園等各類涉海數據,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、竣工驗收等各類數據。逐步形成海洋資源數據體系,通過系統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展。

4.4 漲落效應

子系統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條痕跡線的集合。

在開放系統的非平衡態中,由于內部要素非線性作用,微小的變化可能產生蝴蝶效應,引發極大的風暴。對于系統平臺,一方面應積極更新維護,進行持續的物質和信息交換,通過對系統做功,降低系統熵值,防范化解可能引發的重大風險;另一方面應杜絕系統資源的平均分配,摒棄追求大而全的思路,對于曾經發揮作用但已經不適應新形勢新要求的業務功能果斷砍除,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,最終形成新的業務生態鏈和業務生態體系[11]。通過周而復始的持續演化實現平臺的最優貢獻。

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

圖3 “一張圖”系統平臺建設理念模型

5 結語

根據熱力學第二定律,所有封閉系統最終都將走向混亂程度最大的平衡態而衰亡。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”綜合監管平臺應通過走開放式路線獲取與外部環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據深度挖掘,通過遠離平衡態保持系統內部乃至系統本身的自組織生長[12],通過漲落效應實現資源優化配置并保持系統活力。最終使得系統平臺實現“雨林生態圈”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。