熵增理論對(duì)海洋空間資源“一張圖”綜合監(jiān)管平臺(tái)系統(tǒng)建設(shè)的啟示

陳沖,蔣嬋娟,徐兵峰,朱永,徐開達(dá),胡申威

(1.浙江省海洋科學(xué)院 杭州 310007;2.浙江省海洋水產(chǎn)研究所 農(nóng)業(yè)部重點(diǎn)漁場漁業(yè)資源科學(xué)觀測實(shí)驗(yàn)站浙江省海洋漁業(yè)資源可持續(xù)利用技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 舟山 316021;3.平湖市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局 平湖 314000)

0 引言

隨著海洋信息化進(jìn)程的推進(jìn),浙江省各級(jí)海洋管理部門對(duì)于海洋空間相關(guān)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、直觀展示和分析的需求日漸強(qiáng)烈。浙江省海洋技術(shù)中心開展了海洋空間資源“一張圖”綜合監(jiān)管平臺(tái)搭建,初步解決了海洋空間資源數(shù)據(jù)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(jù)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(huì)化服務(wù)的重要作用。

近年來,隨著海洋空間資源監(jiān)管業(yè)務(wù)方向持續(xù)優(yōu)化調(diào)整,各類多源異構(gòu)數(shù)據(jù)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(píng)價(jià)數(shù)據(jù)簡單匯集,缺乏深層次融合應(yīng)用,部分業(yè)務(wù)模塊發(fā)生數(shù)據(jù)矛盾與沖突現(xiàn)象,嚴(yán)重影響一張圖平臺(tái)用戶體驗(yàn);另一方面,目前仍有大量涉海數(shù)據(jù)仍分布于各職能部門,研究單位及相關(guān)企業(yè),數(shù)據(jù)煙囪現(xiàn)象依然嚴(yán)重[1],且由于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)多維、接口標(biāo)準(zhǔn)復(fù)雜等問題,數(shù)據(jù)整合難度極大。

國內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)于系統(tǒng)構(gòu)建已經(jīng)提出了分布式架構(gòu)、去中心化、區(qū)塊鏈等諸多先進(jìn)理論[2],為數(shù)據(jù)平臺(tái)建設(shè)提供了豐富技術(shù)指引。但尚未有學(xué)者應(yīng)用物理學(xué)的熵增理論對(duì)系統(tǒng)平臺(tái)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(tái)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(xué)家克勞修斯于1865年提出,具體定義為:在一個(gè)可逆過程中,輸入熱量相對(duì)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(jì)物理學(xué)解釋[4]。他證明了系統(tǒng)的宏觀物理性質(zhì),可以認(rèn)為是所有可能微觀狀態(tài)的等概率統(tǒng)計(jì)平均值。他提出了著名的玻爾茲曼公式,根據(jù)這個(gè)公式,可以將熵看作是一個(gè)系統(tǒng)“混亂程度”的度量,因?yàn)橐粋€(gè)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(jì)學(xué)角度解釋,使人們對(duì)熵增定律有了更直觀的理解。假設(shè)有9個(gè)水分子,滴入杯子后可能占據(jù)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(cè),只有一種可能,情況很簡單。但圖E 和圖F 中,一側(cè)4個(gè)水分子,另一側(cè)5個(gè)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(nóng)熵

1948年,香農(nóng)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(xué)科。香農(nóng)的信息熵本質(zhì)上是對(duì)司空見慣的“不確定現(xiàn)象”的數(shù)學(xué)化度量[5]。受香農(nóng)的啟發(fā),熵脫離了物理學(xué)的束縛,逐漸在其他諸多領(lǐng)域大放異彩。

1.4 耗散結(jié)構(gòu)

根據(jù)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(jī)物生成有機(jī)物,再生成單細(xì)胞生物,繼而進(jìn)化到多細(xì)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(shí)科學(xué)家普里高津在研究非平衡熱力學(xué)過程中提出耗散結(jié)構(gòu),也叫自組織理論。他指出,遠(yuǎn)離平衡態(tài)的非線性開放系統(tǒng),通過與外界交換物質(zhì)和能量,在系統(tǒng)內(nèi)某個(gè)參量的變化達(dá)到一定閾值時(shí),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(jié)構(gòu)。

圖1 熵增的統(tǒng)計(jì)學(xué)圖示

2 “一張圖”平臺(tái)現(xiàn)狀

平臺(tái)依照橫向模式建設(shè),劃分為IAAS(基礎(chǔ)設(shè)施層)、DAAS(數(shù)據(jù)資源中心)、PAAS(平臺(tái)服務(wù)層)、SPAAS(應(yīng)用平臺(tái)服務(wù)層)、SAAS(應(yīng)用層);通過數(shù)據(jù)中心建設(shè),對(duì)各類信息數(shù)據(jù)進(jìn)行梳理,分類管理。對(duì)于現(xiàn)有其他信息系統(tǒng),數(shù)據(jù)中心采用階梯式的整合策略,提供從數(shù)據(jù)、接口、門戶等多個(gè)層次的整合模式(圖2)。

平臺(tái)初步搭建了海洋空間資源核心數(shù)據(jù)庫,整理入庫歷史調(diào)查資料、基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)數(shù)百萬條;建成地理信息展示平臺(tái),實(shí)現(xiàn)了浙江省海洋空間資源專題圖展示、查詢、量測、統(tǒng)計(jì)以及專題圖層疊加分析等功能,彌補(bǔ)了浙江省海洋空間資源數(shù)據(jù)綜合管理、展示平臺(tái)的缺失。

平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了與海域動(dòng)態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)、海域使用權(quán)管理系統(tǒng)的初步對(duì)接,通過該平臺(tái),可提供基于“海域動(dòng)管專網(wǎng)”的基礎(chǔ)底圖集成調(diào)用功能,目前,已為部署于專網(wǎng)內(nèi)的“海域使用權(quán)管理系統(tǒng)”“海洋經(jīng)濟(jì)評(píng)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(chǔ)底圖服務(wù),減少了業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的重復(fù)建設(shè)。

圖2 一張圖系統(tǒng)平臺(tái)構(gòu)架

為更好保障海量空間資源數(shù)據(jù)集成展示,對(duì)部分網(wǎng)絡(luò)設(shè)備作了必要更新升級(jí)。該平臺(tái)除了已具備基本的地理信息展示、數(shù)據(jù)查詢和統(tǒng)計(jì)等功能外,也已具備部分業(yè)務(wù)的分析決策支撐能力。如:“一張圖”系統(tǒng)針對(duì)海域使用權(quán)審批需要,增加用海分析功能,以系統(tǒng)內(nèi)多部門、多類型數(shù)據(jù)(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(jié)合GIS平臺(tái)空間分析能力,實(shí)現(xiàn)對(duì)用海項(xiàng)目審批的輔助分析。

該平臺(tái)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(guān)行政處室、業(yè)務(wù)單位均在使用,已成為省局海域和無居民海島使用項(xiàng)目審核委員會(huì)會(huì)議的必備系統(tǒng)。

3 應(yīng)用熵增定律對(duì)平臺(tái)預(yù)警分析

“一張圖”平臺(tái)設(shè)計(jì)思路以應(yīng)用需求為牽引,基于嚴(yán)格的頂層設(shè)計(jì)、逐層分解、分項(xiàng)實(shí)施、集成應(yīng)用。但建成后由于外部形勢的變化,面臨著業(yè)務(wù)流程再造、業(yè)務(wù)體系重構(gòu),在監(jiān)視監(jiān)測、規(guī)范規(guī)劃、權(quán)屬管理、有償使用等子業(yè)務(wù)有層出不窮的新的應(yīng)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(jí)改造,甚至推倒重建。系統(tǒng)建設(shè)有序性和應(yīng)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(gè)封閉的系統(tǒng)內(nèi),自然界一切事物均會(huì)隨著時(shí)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(tái)也將隨著數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)量、業(yè)務(wù)功能模塊和調(diào)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(hù)和擴(kuò)展,并導(dǎo)致系統(tǒng)的崩潰、下線或重構(gòu)。同時(shí),由于“一張圖”系統(tǒng)在海域動(dòng)態(tài)監(jiān)管專網(wǎng)運(yùn)行,處于相對(duì)封閉環(huán)境,與外界信息交換緩慢,將加速到達(dá)無序平衡態(tài)的進(jìn)程。

4 耗散結(jié)構(gòu)理論對(duì)系統(tǒng)平臺(tái)建設(shè)的啟示

耗散結(jié)構(gòu)理論包含4項(xiàng)基本要素,分別是遠(yuǎn)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?！耙粡垐D”軟件系統(tǒng)平臺(tái)是諸多系統(tǒng)的一種,應(yīng)用耗散結(jié)構(gòu)對(duì)標(biāo)分析,可以為系統(tǒng)建設(shè)、平臺(tái)搭建提供有效理論指引。

4.1 遠(yuǎn)離平衡態(tài)

平衡態(tài)指系統(tǒng)各處可測的宏觀物理性質(zhì)均勻的狀態(tài),此時(shí)系統(tǒng)內(nèi)部熵值最大,同時(shí)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(fù)、生生不息。

“一張圖”平臺(tái)系統(tǒng)應(yīng)破除以往過分依靠頂層設(shè)計(jì)的建設(shè)理念,努力打造“雨林生態(tài)圈”,借鑒航天工程“復(fù)雜巨系統(tǒng)”的思想精髓[7]。錢學(xué)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(jié)合成的,具有特定功能的有機(jī)整體,而且這個(gè)‘系統(tǒng)’本身又是它所從屬的一個(gè)更大系統(tǒng)的組成部分”[8]。錢學(xué)森的定義體現(xiàn)了整體與部分的唯物辯證關(guān)系,強(qiáng)調(diào)了要素與要素、系統(tǒng)與要素、系統(tǒng)與環(huán)境的相互關(guān)系。具體地講,“一張圖”平臺(tái)應(yīng)預(yù)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(gè)自組織充分的基礎(chǔ)支撐,使得各個(gè)自組織自我演化,自我適應(yīng),找到它與其他要素、與系統(tǒng)、與環(huán)境新的適應(yīng)之道。

4.2 非線性作用

各要素之間并非一一對(duì)應(yīng)的正相關(guān)或者簡單疊加關(guān)系,而是隨機(jī)進(jìn)行的相互作用。對(duì)于“一張圖”平臺(tái)而言,各個(gè)要素之間不應(yīng)該僅僅滿足于單純的疊加展示功能,相同要素對(duì)不同對(duì)象、不同的要素對(duì)相同對(duì)象,都應(yīng)該發(fā)生不同的深層次的化學(xué)反應(yīng)。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(jù)的有機(jī)結(jié)合,可以科學(xué)地進(jìn)行資源環(huán)境承載能力監(jiān)測預(yù)警評(píng)價(jià),同時(shí)也能開展海洋空間資源資產(chǎn)清查;海域使用狀況數(shù)據(jù)和海洋經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)相結(jié)合,可以開展海域使用后評(píng)估工作。系統(tǒng)平臺(tái)內(nèi)部的非線性作用主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)的深度挖掘和應(yīng)用,以及尚未預(yù)測到的新的能級(jí)反應(yīng)。

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(zhì)、能量、信息交換的系統(tǒng)。例如,人體就是一個(gè)開放系統(tǒng),通過從外界攝取營養(yǎng)物質(zhì)并轉(zhuǎn)化為自身物質(zhì)的同化作用和自身部分物質(zhì)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(zhì)和能量的交換。

開放是耗散結(jié)構(gòu)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(duì)“一張圖”系統(tǒng)平臺(tái)建設(shè)有極大啟示,受限于海洋資源數(shù)據(jù)的敏感性,目前該平臺(tái)布設(shè)于海域動(dòng)態(tài)專網(wǎng),與互聯(lián)網(wǎng)物理隔絕。系統(tǒng)使用和數(shù)據(jù)交換極為不便,據(jù)統(tǒng)計(jì),平臺(tái)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(jīng)將數(shù)據(jù)要素提升到和土地、勞動(dòng)力等傳統(tǒng)生產(chǎn)要素同等重要的地位[9]。近日,中共中央、國務(wù)院發(fā)布的《關(guān)于構(gòu)建更加完善的要素市場化配置體制機(jī)制的意見》中指出“優(yōu)化經(jīng)濟(jì)治理基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫,加快推動(dòng)各地區(qū)各部門間數(shù)據(jù)共享交換”。下一步應(yīng)按照國家政策部署,結(jié)合國家和省里相關(guān)定密部門的要求,爭取將非涉密數(shù)據(jù)和應(yīng)用模塊集成到省智慧海洋大數(shù)據(jù)中心或省政府服務(wù)網(wǎng),努力做到應(yīng)公開盡公開。通過依托于一個(gè)開放創(chuàng)新的數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)上,對(duì)內(nèi)融合生態(tài)評(píng)估、生態(tài)修復(fù)、海洋公園等各類涉海數(shù)據(jù),對(duì)外吸納各兄弟單位的海域使用論證,用海用島價(jià)值評(píng)估等涉海數(shù)據(jù),對(duì)上對(duì)接自然資源部、國家海洋信息中心、國家海洋技術(shù)中心乃至國外先進(jìn)科研機(jī)構(gòu)涉海數(shù)據(jù),對(duì)下吸收市縣自身關(guān)于用海審批,招拍掛、竣工驗(yàn)收等各類數(shù)據(jù)。逐步形成海洋資源數(shù)據(jù)體系,通過系統(tǒng)內(nèi)各類要素的非線性作用,產(chǎn)生1+1＞2的疊加效應(yīng),助力海洋經(jīng)濟(jì)提速增效高質(zhì)量發(fā)展。

4.4 漲落效應(yīng)

子系統(tǒng)可測的宏觀量無時(shí)無刻不隨著時(shí)間變化而圍繞其均值上下浮動(dòng)。例如,海岸線定義為平均大潮高潮時(shí)水陸分界的痕跡線,這條痕跡線隨著潮水漲落和風(fēng)引起的增水-減水作用而時(shí)刻變動(dòng)。所以,實(shí)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(nèi)部要素非線性作用,微小的變化可能產(chǎn)生蝴蝶效應(yīng),引發(fā)極大的風(fēng)暴。對(duì)于系統(tǒng)平臺(tái),一方面應(yīng)積極更新維護(hù),進(jìn)行持續(xù)的物質(zhì)和信息交換,通過對(duì)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(fēng)險(xiǎn);另一方面應(yīng)杜絕系統(tǒng)資源的平均分配,摒棄追求大而全的思路,對(duì)于曾經(jīng)發(fā)揮作用但已經(jīng)不適應(yīng)新形勢新要求的業(yè)務(wù)功能果斷砍除,降低平臺(tái)冗余度[10]。對(duì)于由于國家政策、管理需求或一線客戶實(shí)際應(yīng)用而產(chǎn)生的需求應(yīng)充分重視,配置優(yōu)質(zhì)資源,打造新的核心功能和應(yīng)用。做到單點(diǎn)突破、以點(diǎn)成線、以線成面,最終形成新的業(yè)務(wù)生態(tài)鏈和業(yè)務(wù)生態(tài)體系[11]。通過周而復(fù)始的持續(xù)演化實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的最優(yōu)貢獻(xiàn)。

根據(jù)耗散結(jié)構(gòu)在系統(tǒng)平臺(tái)的應(yīng)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(tái)建設(shè)理念模型(圖3)。

圖3 “一張圖”系統(tǒng)平臺(tái)建設(shè)理念模型

5 結(jié)語

根據(jù)熱力學(xué)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(jié)構(gòu)是破解這一難題的關(guān)鍵理論,通過耗散結(jié)構(gòu)4個(gè)關(guān)鍵要素的分析,海洋空間資源“一張圖”綜合監(jiān)管平臺(tái)應(yīng)通過走開放式路線獲取與外部環(huán)境的物質(zhì)和信息的交換,通過促進(jìn)要素之間產(chǎn)生非線性關(guān)系而進(jìn)行數(shù)據(jù)深度挖掘,通過遠(yuǎn)離平衡態(tài)保持系統(tǒng)內(nèi)部乃至系統(tǒng)本身的自組織生長[12],通過漲落效應(yīng)實(shí)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(tái)實(shí)現(xiàn)“雨林生態(tài)圈”的自組織生產(chǎn)模式,從而破解頂層設(shè)計(jì)有限性與應(yīng)用需求無限性之間的矛盾。