資源環境領域大數據的研究與資助分析

吳剛

（國家自然科學基金委員會管理科學部，北京 100085）

資源環境領域大數據的研究與資助分析

吳剛

（國家自然科學基金委員會管理科學部，北京 100085）

摘 要大數據研究和應用已引起學術界的廣泛研究興趣，本文從區域大氣污染防治與污染物減排研究、資源與能源市場復雜性研究、智能電網的大數據研究、資源開發利用的大數據管理研究、全球氣候變化與溫室氣體減排研究等5個方面，梳理了資源環境領域大數據的主要研究方向，介紹了國家自然科學基金重大研究計劃“大數據驅動的管理與決策研究”2015年度項目申請與資助情況，以及該重大研究計劃的核心科學問題，以期對資源環境領域大數據的研究與申請提供信息參考。

關鍵詞大數據；資源管理；環境問題

責任作者： 吳剛（1977—），男，管理學博士，研究員，國家自然科學基金委員會管理科學部，主要研究方向為能源經濟環境政策、基金項目管理研究。

引言

大數據作為互聯網、云計算、物聯網、移動計算之后IT產業又一次顛覆性的技術變革，已經在政府公共管理、醫療服務、零售業、制造業、以及資源環境等領域得到了廣泛應用，并產生了巨大的社會價值和產業空間[1]。2015年9月，國務院新出臺了《促進大數據發展行動綱要》，旨在推動大數據的發展和應用，建立經濟運行新機制，打造社會治理新模式。

“大數據”這一術語從2008年開始在科技領域中 出現。目前，大數據研究和應用已引起學術界的廣泛研究興趣[1]。2008年和2011年，《Nature》與《Science》雜志分別出版專刊“Big Data: Science in the Petabyte Era”和“Dealing with Data”，從互聯網技術、互聯網經濟學、超級計算、環境科學、生物醫藥等多個方面討論大數據處理和應用專題[2,3]。世界各國政府也高度重視大數據領域的研究和探索，并從國家戰略的層面推出研究規劃以應對其帶來的挑戰。

2012年3月，美國奧巴馬政府投資2億美元啟動“大數據研究和發展計劃”，致力于提高從大型復雜數據集中提取知識和觀點的能力，并服務于能源、健康、金融和信息技術等領域的高科技企業；2012 年7月，日本推出“新ICT戰略研究計劃”，其中重點關注“大數據應用”。同年，美國國家科學基金會（NSF）與國家衛生研究院（NIH）聯合推出“促進大數據科學與工程的核心技術”項目，旨在促進對大規模數據集進行管理、分析、可視化并從中提取有用信息的核心科學技術的發展。2015年7月，中國國家自然科學基金委員會投入1.6億元人民幣啟動了“大數據驅動的管理與決策研究”重大研究計劃項目，執行期限2016—2023年，該項目由管理科學部牽頭、信息科學部、數理科學部和醫學科學部參與，多個科學部共同完成。

雖然大數據研究已在全球范圍內成為熱點和焦點，但是目前國內外資源環境領域大數據相關的研究仍處于起步階段，面向資源環境的大數據管理與應用研究則更是剛剛興起。

1 資源環境大數據面臨的問題與主要研究方向

1.1 區域大氣污染防治與污染物減排研究

改革開放以來，我國高消耗、高排放和高污染的粗放型發展模式，帶來經濟持續快速發展的同時，也造成了嚴重的生態環境污染。據《2014中國環境公報》顯示，全國161個開展空氣質量新標準監測的地級及以上城市中，空氣質量達標的城市比例僅為9.9%。2014年我國的中東部大部分地區被霧霾籠罩，特別是京津冀、長三角、珠三角城市群的區域成為“重災區”。各級政府紛紛出臺大氣污染防治政策與規劃，2012年環境保護部、國家發展與改革委員會、財政部聯合印發《重點區域大氣污染防治“十二五”規劃》的通知（環發〔2012〕130號）；國務院于2013 年9月12日發布了《關于印發大氣污染防治行動計劃的通知》。為響應國家大氣污染防治行動計劃，從2015年1月1日開始，全國338個地級及以上城市共1436個監測點已全部開展空氣質量監測，并建立全國城市空氣質量實時發布平臺，向社會發布實時數據。

大氣污染數據同時具有空間性和時間性兩個特征，隨著地理信息系統（GIS）、遙感（GS）和全球定位系統（GPS）等技術的發展，大氣污染數據逐漸呈現出復雜的時間和空間關系，而且數據量非常大，如環境監測數據、經濟統計數據、氣象數據、交通流量數據等。傳統的數據分析方法處理大氣污染的時空數據面臨較多困難和局限。因此，大氣污染的時空數據分析一直是國內外的研究難點和熱點。

區域大氣污染防治與污染物減排研究，主要涉及大氣污染物的動態時空演進過程建模與分析、大氣污染時空數據的挖掘與分析、區域大氣污染聯防聯控機制與對策、大氣污染監測與預警研究、區域大氣污染治理模式研究、極端氣象災害應急管理研究、以及二氧化硫等污染物減排策略研究等領域和方向。

1.2 資源與能源市場的復雜性研究

中東地區持續動蕩的局勢和復雜的國際地緣政治關系變化，進一步加劇了國際資源與能源市場的復雜性，重要資源與能源價格的波動，對社會經濟產生較大影響，尤其是國際油價“過山車”式的劇烈波動，使得國際能源市場成為大數據研究分析的新熱點。石油期貨市場的快速發展使得石油的金融屬性不斷凸顯，石油已經成為新的金融投資載體，石油市場的復雜性與石油金融已經成為新的研究領域。但是與傳統的金融市場相比，石油市場有其獨特的復雜性特征和規律，石油市場更易受到地緣政治因素的影響，這使得石油市場的系統性風險更大。2011 年的利比亞戰爭，對全球金融市場的影響很微弱，但對石油市場的影響巨大，導致油價劇烈波動，市場風險加大，這一特點能夠反映Web 數據的傳染效應和對市場情緒的影響。

國內外關于資源與能源市場復雜性研究，主要集中在市場風險測度與風險管理理論、基于Web數據的風險分析與預測理論、不同資源物價指數的測算、物價指數與其他經濟指標的關系研究、以及物價指數的波動與溢出效應等方面。

大數據背景下，凸顯了信息競爭和網絡優勢的重要地位，高頻監測與交易、復雜的地緣政治關系變化、市場輿情分析等成為引領石油貿易的新因素。針對復雜多變的國際能源市場，國內外學者對于市場經濟條件下的能源價格指數行為分析進行了深入、持續的研究，研究的焦點集中在能源價格波動與預測，能源價格的經濟與金融溢出效應這三個方面。運用方法包括財富最大方法、數理統計方法、博弈論方法、計量經濟學方法以及組合預測方法等。

1.3 智能電網的大數據研究

電力作為社會經濟發展和人民生活最密切的能源，電網蘊含了巨大的數據資源，據估算，電網的運行、管理、用戶、計量、資產等方面的數據已達到20PB，大數據為智能電網的發展和運營提供了全景性視角和綜合性分析方法。智能電網實現了各類分布式能源、新能源、各種儲能系統、以及需求側系統的接入，并借助信息通信系統對其進行綜合集成，實施高效的管理與決策。借助大數據分析技術，對電網運行的實時數據和歷史數據進行深層挖掘分析，實現對電網運行的最優管理與決策，提高智能電網的經濟性、安全性與可靠性[4]。

近年來，智能電網大數據已經得到了國內外的廣泛關注，自2008 年開始，美國電力研究協會（EPRI）、美國能源信息署（EIA）等機構，法國、德國等電力公司，先后圍繞發電、輸電、配電、用電以及基于電網信息的政府管理與決策等領域的智能電網大數據問題開展了大量的實證研究和示范應用。國際電工委員會（IEC）研究并發布一系列統一的信息模型標準和接口標準，為電網大數據的流通共享與信息交換奠定了基礎。國內的一些專業機構和高校也開展了智能電網大數據理論和技術研究。

智能電網大數據研究主要集中在電網系統的故障預測技術、故障診斷分析技術、電網系統的大數據故障診斷分析與預測建模、智能電網的需求側管理與決策研究、智能電網的大數據挖掘與分析技術、智能電網運行狀態的監測與預警研究等領域和研究方向。

1.4 資源開發利用的大數據管理研究

金屬礦產、煤炭、石油、天然氣等資源的開發利用是一項復雜的系統工程，生產過程中面臨很多不確定的安全隱患和惡劣的生產環境。我國每年都會發生多起資源開發利用過程中的重大安全生產事故，造成人員傷亡和經濟損失的同時，油氣等安全生產事故還會造成嚴重的生態環境破壞。隨著機械化和信息化生產線的大量使用，數字化礦山和數字化油氣田越來越多，我國資源開發利用過程中的大數據分析研究也開始起步。發達國家礦產資源開發利用的機械化水平較高，很多大型機械裝備都裝有芯片，大大提高了礦山和油氣田的數字化程度，開展了大量的數字化礦山管理和大數據分析研究。

礦產資源開發利用的大數據研究主要涉及資源安全生產監測與預警研究、基于大數據的資源開發流程的優化與決策研究、數字化礦山生產事故的智能預測與預警系統、基于大數據分析的一體化數字化礦山管理系統等領域和研究方向。

1.5 全球氣候變化與溫室氣體減排研究

近年來，全球氣候變化已成為國際社會與學術界共同關注的熱點問題，氣候變化研究是一個涉及氣象與大氣科學、地球科學、環境科學、管理科學、以及經濟學等多學科交叉的領域。氣候變化及其引發的極端災害事件，對農業、水資源、人居環境和健康等已造成諸多不利影響，國際上氣候變化研究的熱潮始于1992年《聯合國氣候變化框架公約》發布之后，1997年《京都議定書》的簽訂，引起了各簽約國、易受氣候變化影響的小島國家、碳排放大國的政府和學術界對氣候變化領域研究的重視，一些國際組織和研究機構的學者從政策、技術、建模等不同領域和方向開展了大量的研究。2009年我國提出到2020年單位GDP的二氧化碳排放比2005年下降40%～45%的減排目標，一時間氣候變化問題成為我國政府和學術界共同關注的熱點問題，國家發展和改革委員會、科技部、環境保護部、中國科學院等部門紛紛啟動了一批關于氣候變化與碳減排政策的科技專項，國家自然科學基金委員會在氣候變化領域資助的項目數量也大幅增加。

全球氣候變化與溫室氣體減排領域的研究，主要集中在氣候變化影響與適應的綜合評估研究、氣候變化政策建模、碳減排策略與政策、碳排放權分配方案與碳價、碳減排的經濟影響與碳稅、國際貿易隱含碳測算、低碳技術綜合評價等領域和研究方向。

除了上述幾個比較大的研究領域之外，資源環境領域的大數據研究還涉及水資源的資源優化配置管理、區域水資源沖突管理（如南水北調）、區域水資源污染監測與治理、污染物泄漏的監測與治理等領域。

2 大數據驅動的管理與決策研究的申請與資助情況

為了推動我國大數據的基礎研究和應用基礎研究的發展，促進大數據研究更好的為社會經濟發展服務，國家自然科學基金委員會于2015年7月正式啟動了重大研究計劃“大數據驅動的管理與決策研究”。該重大研究計劃以大數據驅動的管理與決策為研究對象，充分發揮管理、信息、數理、醫學等多學科合作研究的優勢，著重研究大數據驅動的管理與決策理論范式、大數據資源治理機制與管理、大數據管理與決策價值分析與發現、大數據分析方法與支撐技術，并圍繞總體目標集成相關研究成果。希望通過該重大研究計劃的執行，使我國在大數據驅動的管理與決策研究相關領域躋身國際前列，為國家在相關領域的管理決策和智庫建設提供支持。

2015年該重大研究計劃共收到395份申請書（培育項目347項，重點支持項目48項），研究領域涉及管理、信息、數理、醫學等6個科學部，如圖1所示。經過同行評議和會議評審，該重大研究計劃2015年度共資助了3項重點支持項目（面向管理決策的非結構化大數據分析方法與關鍵技術、金融大數據統計學習理論與方法及在互聯網金融中的應用、基于大數據的MSM艾滋病管理和決策范式研究）、25項培育項目，平均資助率7.08%，資助的項目主要集中在公共管理、大數據挖掘的理論方法與分析技術、醫療健康、商務和金融等領域，大數據共享與治理技術領域資助的項目最少，詳細的分布情況如圖2所示。

該重大研究計劃在公共管理的資源環境領域申請了21項培育項目，約占申請量的5.3%，研究方向涉及大氣污染防治、能源市場風險管理、溫室氣體減排、智能電網、污染物泄漏監控與管理、環境治理與保護、以及水資源管理等7個研究領域，詳細如圖3所示。資源環境領域有3項培育項目獲得資助（支持應急決策的氣象災害大數據融合的方法研究、大數據驅動下石油市場微觀機理與風險管理范式研究、基于大數據的微觀宏觀行為綜合分析），資助率14.3%，主要是研究氣象災害與大氣污染的應急管理、國際石油市場風險管理和能源市場復雜性等公共管理問題。

圖1 重大研究計劃“大數據驅動的管理與決策研究”各學部項目申請情況（項目數）

圖2 重大研究計劃“大數據驅動的管理與決策研究”資助項目的領域分布（項目數）

圖3 重大研究計劃“大數據驅動的管理與決策研究”資源環境領域申請項目分布（項目數）

3 大數據驅動的管理與決策研究的主要科學問題

資源環境管理是國家自然科學基金委員會管理科學部一個比較大的研究領域，每年資助的面上項目、青年基金項目和地區基金等自由探索項目幾十項，研究方向也涵蓋了本文中所列出的所有領域，隨著大數據的興起，越來越多的項目利用大數據分析方法開展資源環境管理研究。因此，資源環境領域的大數據研究主要是應用研究，對應于重大研究計劃“大數據驅動的管理與決策研究”4個典型示范應用領域的公共管理研究。

該項目是國家自然科學基金委員會在大數據領域設立的第一個重大研究計劃項目，針對國內外大數據環境下管理與決策基礎理論及其應用領域研究與發展的現狀和進一步發展所面臨的挑戰，面向國家重大戰略需求，本著有限目標的原則，該重大研究計劃重點圍繞管理與決策范式轉型機理與理論、大數據資源協同管理與治理機制設計和領域導向的大數據價值發現理論與方法三個關鍵科學問題展開。同時，在公共管理、商務、金融和醫療健康等領域開展典型示范應用研究，總體結構如圖4所示。

圖4 重大研究計劃“大數據驅動的管理與決策研究”總體結構

4 結語

改革開放以來，我國經濟的持續快速發展，給資源環境的可持續發展帶來了嚴峻的挑戰，隨著工業化和信息化進程的推進，通過開展資源環境領域大數據的研究，基于大數據的全景式管理模式將有助于緩解資源環境對我國經濟持續快速發展的約束，同時將有利于實現資源環境的可持續發展，優化管理路徑。

參考文獻

[1] 徐宗本等. 大數據驅動的管理與決策前沿課題. 管理世界, 2014(11):158-163.

[2] Frankel, F., Reid, R. Big Data: Distilling Meaning from Data. Nature, 2008, 455(7209): 30.

[3] Science Staff, “Challenges and Opportunities”. Science, 2011, 331(6018): 692-693.

[4] 李皎. 大數據時代到來對電力行業發展提出新要求. 華北電業, 2012 (4):82-83.

Analysis of Researches and Funded Projects for the Big Data in the Field of Resource and Environment

Wu Gang
(The Department of Management Sciences of National Natural Science Foundation of China, Beijing 100085)

Abstract:The research and application of big data is attracting great attention of international academics. In this paper, the main research direction of big data in the fi eld of resource and environment was discussed, including the aspect of air pollution prevention and pollutant reduction, resource and energy market complexity, smart grid, resources exploitation and utilization, global climate change and greenhouse gas emission reduction etc. Then the application and fi nancing of the major research plan “Big Data-Driven Management and Decision Sciences Research” by the National Natural Science Foundation of China was introduced, so did its key scientific problems, aiming to provide helpful information for the studies and applications in this fi eld.

Keywords:big data; resources management; environmental problems

中圖分類號：F205;G311

文獻標識碼：A

文章編號：1674-6252(2015)06-0014-05