基于頂層設計方法的生態環境大數據總體框架研究

胡 昊，徐富春，韓季奇，尚 屹，張孟奇*

（生態環境部信息中心，北京 100029）

大數據的發展已經成為當今社會發展的重要領域，大數據戰略上升為國家戰略。近年來，國務院、各部委、各地方陸續出臺和實施了與大數據相關的各項政策文件、專項、行動計劃等。大數據正從概念和理論逐漸走向應用和落地，大數據正在成為促進政府管理轉型的新動力、經濟發展的新動能。但大數據如何實施、如何落地、如何在行業中發揮真正的價值仍存在眾多的難點。

1969年，IBM（國際商業機器公司，International Business Machines Corporation）的研究員Niklaus Wirth提出采用“自頂向下逐步求精、分而治之”的原則進行大型程序設計，即從需要解決的問題出發，自頂向下將復雜問題逐步分解成一系列相對獨立的子問題，每個子問題可以再進一步分解，直到問題簡單到可以很容易地解決[1]。隨后該概念被西方國家廣泛用于軍事和社會學領域，甚至成為政府統籌制定國家發展戰略的重要分析方法[2-6]。本文通過對頂層設計方法的研究，提出了生態環境大數據頂層設計的總體框架。

大數據、云計算、物聯網等信息技術的迅速發展促進了政府管理模式的變革，推動了政府管理現代化的進程，同時也對政府管理提出了巨大的挑戰[7,8]。信息化面臨的主要問題已從孤立、個體轉向整體、共性，需要從全局角度統籌規劃；以需求為驅動的信息化建設雖然大大加快了信息化建設和實施的速度[9]，但也帶來了應用協同、數據共享和可擴展性差等方面的問題；“重實施、輕規劃，重技術、輕管理”的普遍誤區使得信息化建設缺乏清晰的主線。尤其是在高度重視共享、協同、融合和集約化的大數據時代，上述問題所帶來的影響將更加凸顯，運用科學、合理的頂層設計顯得尤為重要。

1 頂層設計的理念

1.1 頂層設計的基本概念和特征

頂層設計是一種有目標和有計劃的創作行為，是銜接價值理念和操作實踐的藍圖[1]，即運用理念一致、架構統一、共享協同、標準化的系統論方法[6]，從全局的角度出發，對任務涉及的各方面、各層次、各要素統籌規劃，集中有效資源，高效、快捷地實現既定目標。頂層設計必須具備以下特征：一是要對影響業務全局性、整體性的內容進行明確闡述，避免所屬單位依據自身理解來開展信息化工作；二是要從業務的視角梳理系統邊界以及從組織的維度加以明確，同時要建立各部分間的關聯關系、匹配共性，實現互聯互通、業務協同和資源共享；三是對跨組織、跨業務領域的大型、綜合性系統的技術架構要定義清晰、規范統一，明確技術標準；四是要制定清晰、明確、可行的實施路徑；五是要有制度保障，確保頂層設計的貫徹實施。

1.2 頂層設計的原則

大數據是大型、復雜的綜合性信息工程，在理論、應用、技術層面尚有不確定性，還需開展大量的探索和實踐工作，在設計時必須遵循現有的實際情況，因地制宜、因勢利導地開展設計工作。

承前啟后，統籌全局。需要考慮與現有信息化設施的銜接問題，還需要兼顧如何適應未來的新理念、新技術，確保可持續發展，同時還要適應相關單位的需求。

實用適用，創新發展。要堅持實用性和適用性原則，以滿足業務要求為核心，以應用驅動為導向，同時鼓勵創新應用。

廣泛調研，精準對標。在設計理念、技術路線選擇、應用場景設計等方面，需要開展大量的調研和行業對標，積極吸納成功經驗，結合業務特點和行業現狀。

注重運維，持續優化。在設計時需要打破傳統的以項目為核心的建設模式，注重建立大數據的長效機制，不以完成建設為任務，應以促進業務發展為目標，加強建設后的運行維護和持續改進，適應不斷變化的業務發展需要。

統一標準，強化安全。采用統一的標準規范體系，注重標準的落地實施，減少由于平臺、標準的不統一所造成的系統間互聯互通的障礙；高度重視系統安全。

強化服務，減少強制。強化服務能力，注重關鍵環節的管控，盡量減少所謂的強制要求，避免面面俱到的技術管理模式，將建設重點由技術驅動轉變為應用驅動。

1.3 頂層設計的方法

結合生態環境領域實際情況，把握大數據時代特征，圍繞生態環境大數據的主要目標，以系統、多視角的方法，進行全面的框架設計，達到統一架構、共享資源、規范業務的目的。

掌握現狀。詳細梳理現有的業務現狀和信息化現狀，包括自身存在的痛點、難點問題和外部期望的熱點、重點問題。

明確目標。明確期望借助大數據解決的實際業務問題、達到的預期目標以及信息化建設的主要指標，目標的設定要明確、合理，具有可實施性。

設計架構。借鑒成熟的體系結構方法（Zachman、TOGAF、FEA[7]-[9]等），基于調研分析成果，設計業務架構、應用架構、數據架構、技術架構，形成有機聯動的信息化架構資產。

制定路線。劃定實現目標的清晰、合理的實施步驟和進度、資金安排，將主要目標的實現細分為階段性目標。

強化基礎。在技術架構設計時，對基礎性、綜合性的平臺進行專題設計，強化基礎平臺建設，為實現業務目標做好技術儲備，形成公共信息服務，避免因信息化基礎不牢而增加業務目標的實現難度。

長遠管控。為了保證頂層設計能被貫徹落實，需要具有完善的工作機制和組織保障，并設定強有力的管控機制，通過制度將頂層設計的執行固化，不能隨意地超越和偏離原有路線。

頂層設計方法如圖1所示。通過對業務現狀和信息化現狀的分析，設定目標，設計并分析架構后通過一定手段實現業務、技術架構對數據架構和應用架構進行補充和完善，明確實施步驟后規定進度安排及資金安排，實現業務、信息化的改進和優化。

圖1 頂層設計方法

1.4 大數據頂層設計與信息化頂層設計的關系

計算機應用于一個組織的管理中，一般要經歷從初級到不斷成熟的成長過程，圖2的諾蘭模型可以幫助管理人員解釋成長階段的含義以及企業的成長階段對信息技術的意義。諾蘭模型的六個階段分別是初始階段、普及階段、控制階段、整合階段、數據管理階段和成熟階段。任何組織在實現以計算機為基礎的信息系統時都必須從一個階段發展到下一個階段，不能實現跳躍式發展。

圖2 諾蘭模型

諾蘭模型是一種逐步發展成熟的模型。1947年，美國管理信息系統專家諾蘭和吉布森（Nolan，Gibson）提出一個理解信息技術的使用與管理的模型，稱為成長階段模型（stages of growth model）[10]。他們又于1979年，在經過實踐進一步驗證和完善后，將其調整為六階段論，分為初始階段、普及階段、控制階段、整合階段、數據管理階段和成熟階段。其中數據管理階段的特點是：組織的數據量顯著增長并且成為組織的重要資源，基本實現資源整合、信息共享，信息資源規劃和利用效率顯著提高；成熟階段的特點是：信息化建設已經滿足組織各層次的需要，從簡單的事物處理轉變為支持高效管理的決策，把信息化與管理過程結合，提升組織的競爭力和發展潛力。

通過諾蘭模型可以很清晰地看出，早在20世紀70年代，數據在信息化中的作用就已經得到了信息化從業人員的共識，并將其納入信息化的發展階段中。大數據建設覆蓋了諾蘭模型的第四、五、六階段，甚至在其上可以衍生出第七階段，即大數據階段。諾蘭模型總結了信息化發展的一般規律，指出模型中各個階段都是不能跳躍的，只有做好了前序階段的工作，才能有效地實施大數據戰略。大數據的頂層設計可以說是信息化頂層設計的一種升華，大數據建設本質依然是信息化，只是在目標層面上更加關注數據的價值和作用，更加重視數據改善和變革業務的能力。大數據頂層設計就是要重新梳理目前信息化工作的問題，以新的視角重新規劃設計的目標。

2 業務架構設計

2.1 設計方法

業務架構設計是整個頂層設計的核心部分，業務架構設計的目標是：掌握了解業務部門當前和未來的信息化需求，設定頂層設計的總體目標；明確系統間關系，解決業務流程銜接不暢問題，促進系統間的互聯互通；明確業務歸屬、系統邊界和責任分工，避免需求的重復提出和重復建設。

業務架構設計分為五個階段：一是劃分業務域。從宏觀上對業務進行劃分，形成相對獨立的業務領域，一般情況下應在組織架構的基礎上進行劃分。二是梳理業務流程。描述業務功能所屬的流程與子流程，包含每個業務中包括的業務活動/子流程，每個活動的先后關系，從一個活動跳轉到另一個活動的條件、每個活動的責任主體（角色或組織單元）、每個活動的類型（如人工、系統等）等。三是確定業務活動。業務活動指具體的業務步驟、輸入/輸出信息。業務規則、每個活動的責任主體。對業務信息的操作以及涉及的非功能性需求。四是明確業務角色和業務信息，明確所涉及的收集本項目涉及的組織單元和角色，形成組織單元清單和角色清單；收集涉及的所有業務信息，如表單、報表、文檔等業務信息，以及這些業務信息的內容和校驗規則。在完成業務架構的基礎上開展應用架構設計，應用架構描述了業務應用劃分、應用組件構成，業務應用與業務能力、業務流程之間的關系，業務應用間及業務應用內部各部分間的集成關系，業務應用部署模式等內容。

2.2 生態環境大數據業務域劃分

根據《國民經濟和社會發展第十三個五年規劃綱要》的總體設計，“十三五”期間生態環境保護工作思路主要體現在以下方面：以提高環境質量為核心；實行最嚴格的環境保護制度；打好大氣、水、土壤污染防治三大戰役；環境管理向系統化、科學化、法治化、精細化、信息化“五化”轉變。

根據以上要求，結合生態環境大數據的總體目標和環境保護部門的“三定”方案，共分為環境監管、科學決策和對外服務三大業務域，其中環境監管包括環境質量管理、自然生態管理、污染源管理、核與輻射管理、環境管理等；科學決策域包括形勢分析、危機處理、綜合分析、預測預警和整體評估等；對外服務包括國際合作、宣傳教育、行政審批、信息公開和舉報投訴等。

根據生態環境大數據的頂層設計，對環境保護領域的業務劃分如圖3所示。

2.3 生態環境大數據頂層設計總體框架

根據國內外成熟的架構設計理論，生態環境大數據頂層設計的總體架構基本分為五大體系：大數據創新應用及技術保障體系、工作機制保障體系、標準規范體系、安全運維體系和數據資源整合共享體系。總體框架圖如圖4所示。

2.3.1 引領：工作機制保障體系

大數據建設的工作機制保障體系主要包括組織協調、項目審批和績效考核等方面。大數據是一個全新的治理理念，強調信息的融合和共享，傳統的金字塔式的縱向管理結構將向強調橫向傳播的網絡式模式傾斜[11]，需要建立業務部門和信息化部門共同參與、高效集中的權威管理部門，協調推進大數據規劃、建設、運行、共享等環節。加強項目審批制度的建設，一是嚴格把控項目立項審批，對信息化基礎設施和通用性應用軟件的建設原則上不予審批；對使用范圍小、頻度低、僅以服務個別部門司局或處室的項目原則上不予審批；重點支持以重點業務領域為管理、服務對象的綜合性應用項目建設。二是實行項目代建[12]，審批部門做決策、應用部門提需求，代建部門進行項目建設實施，代建部門既對審批部門負責，又要滿足應用部門需要，保證項目在建設上規范統一、資金使用高效安全。加強對項目的評估和審計，在應用效能、用戶滿意度、資源共享、業務協同等方面對項目進行綜合評估，評估結果要與獎懲措施相結合,并建立相應的激勵約束機制。

2.3.2 制約：標準規范體系

生態環境大數據標準規范體系的主要目標是實現應用、平臺的標準化設計、開發和運維，實現數據的標準化使用，由技術標準、管理標準和工作標準三大部分構成。其中，技術標準包括數據編碼、傳輸交換、服務、圖示表達四類[13]。數據編碼規范信息或數據的分類、編碼和表達，主要用于解決信息語義一致性問題；傳輸交換規范解決同級或上下級間數據的傳輸和交換；服務用于規范公共服務平臺、產品的輸入輸出方法和集成方法；圖示表達用于生態環境領域相關對象、要素等的規范化表達，避免因表達形式不同而造成理解差異。管理標準規范大數據項目的管理流程，由項目規劃、建設、運維、安全、績效考核等組成。工作標準由工作制度標準、崗位工作標準、工作流程、應急處置標準構成。同時，在標準規范的實施過程中，需要建立有效的抓手促使標準規范落地，尤其是技術類標準規范，不可能依靠手工工作逐條審核，只能依靠具有約束性質的統一平臺，利用技術手段約束和監督標準規范落地。

2.3.3 核心：大數據創新應用及技術保障體系

圖3 生態環境大數據頂層設計業務域劃分

圖4 生態環境大數據頂層設計總體框架

大數據創新應用及技術保障體系分為基礎設施層、數據資源層、統一應用集成服務框架和大數據應用層四個層面，設計的基本出發點是“集而不中、統而不一、分而不散”。基礎設施層主要包括云計算資源池（計算及存儲資源）、網絡環境（內網、專網和互聯網）以及物聯網感知層（自動監測/監控設備），設計上應以集中管理、集中使用為出發點，利用先進的信息化技術對早期分散建設的機房、網絡、軟硬件等基礎設施統一管理、統一調度，用技術手段屏蔽空間和技術上的差異，將空間上不集中的和技術路線上有差異的基礎軟硬件設施納入集中管理和使用。數據資源層包括環境質量、生態環境、污染源、核與輻射和環境管理等基礎數據集和在此基礎上抽取形成的綜合分析和交換共享數據集，以及與外部進行數據交換的接入組件，設計上數據資源層應遵循“分而不散”的原則，即核心數據集中存儲、一般數據分散存儲、各類數據統一應用。核心數據在縱向上實現自下向上的集中，建設國家級的生態環境數據資源中心；橫向上實現各業務部門的數據聯動，一數一源、一數多用，避免數據的重復采集和口徑不一，以用促質，以數據的多角度應用，促進數據質量提高。一般數據以本地存儲為主，向上匯聚各類統計、分析結果，以其提煉出的數據產品為核心數據。統一應用集成服務框架是應用系統建設、運行和集成整合的基礎性平臺，應用系統的規劃、設計、開發、應用及運行維護應在統一的思路和架構下逐步開展，運用統而不一的設計理念，利用統一的基礎平臺，在訪問、用戶、認證、審計、接入、服務、運維、數據交換和共享、基礎空間信息、檢索查詢、數據代碼等具有共性的信息化基礎設施層面實現統一建設和應用，統一管控應用系統并提供統一的集成整合服務，利用一體化平臺實現標準落地、集中應用、統一管理、綜合服務，為業務協同和數據共享提供基礎平臺。大數據應用層分為協同應用和集成應用兩類，協同應用以服務生態環境保護業務領域或綜合性管理工作為主要目標，以專業性、綜合性的應用系統為主體，杜絕“小散亂”的應用系統建設模式；集成應用以服務決策管理和統一對外服務為主，集成各類業務數據和信息，從宏觀角度進行生態環境形勢綜合研判、環境政策措施制定和評估、環境風險預測預警、重點工作會商評估等工作，并以“一站式”窗口向社會公眾提供行政審批、信息公開、監督舉報、國際合作等服務。

2.3.4 保障：安全運維保障體系

大數據環境下，安全體系除通用的技術體系、組織體系和管理體系外，主要分為云平臺安全、數據安全、接口安全以及利用大數據技術實行安全防御。云平臺是大數據的主要承載設施，基礎設施層安全以云平臺安全為主。數據安全主要解決數據采集、傳輸、存儲、使用、共享過程中以及隱私數據保護所帶來的安全問題；接口安全主要解決數據在不同的提供方、接收方之間的數據接口面臨的安全問題。同時，安全管理中也可以用大數據技術開展安全方面的大數據分析和挖掘，提高安全防護水平。

大數據時代的運維工作與傳統運維工作有較大的不同。傳統運維工作基本上以信息化部門為主，以基礎設施和應用系統的正常運行為主要目標，大數據背景下，運維工作的整體目標除強調傳統運行工作外，更加重視數據的運維。數據運維主要包括數據質量管理、數據資源管理、業務級支撐等內容。數據質量管理強調業務部門和信息化部門的共同參與、協同輔助，主要有兩部分內容：一是業務部門的數據質量控制，包括業務數據含義與規則制定和數據的及時性、完整性、準確性的審查；二是信息化部門的數據質量統計，定期或動態地對各個業務系統的數據進行質量統計，并及時通知管理部門。數據資源管理主要包括數據資源總體/ 分類統計、數據字典和元數據、統一編碼和資源目錄的管理和動態更新等。業務級支撐是數據運維的核心目標，運維團隊要了解各系統的核心功能，掌握業務流程和制度，用大數據方法進行數據統計和分析，促進業務協同并開展績效考核。

2.3.5 基礎：數據資源整合共享體系

數據資源整合共享體系是實現生態環境大數據應用的基礎。數據資源整合共享體系的核心內容是數據治理（data governance）[14]，即以實現數據標準化為目標，通過組織、管理和技術相結合，實現全面、高效的數據管理。組織上需要建立戰略層、管理層和執行層三個層次，戰略層負責制定數據治理的目標和規劃等，解決數據治理過程中各部門的權、責、利問題；管理層負責制定跨部門的協作流程和管理辦法，以及工作計劃和考核辦法等，落實戰略層提出的決策和要求；執行層通過運用技術手段，把數據治理目標轉化為具體行動。管理上需要建立相關的數據標準、管控機制、績效評估、安全管理制度等。數據規范通過制定跨部門、跨系統的語義規則，解決數據管理生命周期中的語義沖突問題；管控機制使相關人員明確在數據產生、存儲、應用整個生命周期包含的工作內容和工作流程；績效評估通過建立量化的考核機制、設定考核目標和定期公開考核結果，推動數據問責機制的落實；安全管理包括數據生成及傳輸、數據存儲、數據處理及應用、數據銷毀四個方面，安全管理制度主要用來規范日常工作中安全地使用數據，并且指導技術人員如何實施數據安全工作。技術上數據治理涵蓋了從前端業務應用系統、后端業務數據庫到終端的數據分析，從源頭到終端再回到源頭形成一個閉環的負反饋系統，包括元數據管理、主數據管理、數據倉庫、大數據技術、數據總線技術等，主要目的是通過技術手段建立統一的數據視圖、承載相關流程，同時支持監控預警、故障處理、知識總結、評估優化等管控工作。

3 總體框架的落地

總體框架的設計不是科研課題而是實踐問題，不能落地的設計是沒有任何價值的，設計沒有絕對的對與錯，重要的是各方能夠遵循總體框架并不斷地修正和完善，堅定不移地沿著制定的方法、路線實施。

3.1 實行“壟斷主義”+“聯邦制”的管控模式

Information politics[15]一文研究了信息管理的五種模式：“技術空想主義”“無政府主義”“封建主義”“壟斷主義”和“聯邦制”，并從信息的完整性、存取保障、質量和管理效果等方面進行了綜合評價，“聯邦制”獲得了最高的評價。“聯邦制”的管控模式強調信息部門與業務部門在職責明確的前提下共同參與。信息部門側重于信息標準化、信息基礎架構、信息系統建設、信息系統運行維護等工作；業務部門側重于提出業務需求，反饋業務發展變化。壟斷主義是指領導個人決策，是在信息部門或業務部門一方過于強勢，偏離既定路線之后，能堅定地執行總體框架。只有兩者結合，才能統籌信息化和業務發展規劃，發揮協力優勢。

3.2 制定合理的工程項目

總體框架的最終著力點是工程項目，項目是落實總體框架最直接的手段，這就要求立項審批部門必須是框架管控的第一責任人，對于不遵循框架甚至游離于框架之外的項目一定要在立項階段堅決杜絕。確定工程實施的關鍵路徑，對基礎設施、基礎性平臺、試點應用等優先安排資源、壓縮建設時間；制定年度工程目標、實施計劃和驗收標準，確保工程的有序推進。

3.3 注重橫縱關系的協調

總體框架設計是一項全局性的工作，覆蓋的是生態環境保護全領域，涉及多級機構，各級單位對頂層設計的了解程度、接受程度和信息化建設水平差異較大，管理模式、技術架構等存在多樣性，會給框架的推廣帶來難度，故在框架的推廣實施過程中需要建立一種合理的橫縱協調機制，將框架設計的理念、路線層層傳遞，確保框架層層落地。

4 結論

生態環境大數據是在生態環境保護研究和實踐工作中采用大數據技術或大數據思想對傳統生態環境保護工作進行改革、擴展和深化的新興交叉學科，其最重要的作用是讓決策者更加注重數據的價值，把大數據的理念、方法與環境管理有機融合，通過大數據引發對信息化的重視，以大數據帶動信息化的整體發展。本文對生態環境大數據總體框架進行了初步的研究和探討，希望能對生態環境大數據建設起到參考作用。