引言

经济的快速发展使得环境污染问题日益加剧，加强环境保护成为政府工作的重点内容之一^[1]。随着经济结构调整的持续推进，工业污染源状况在不断变化，给环保工作带来新挑战。政府工作报告明确指出，改革生态环境保护管理体制，建立和完善严格监管所有污染物排放的环境保护管理制度。这对环境保护提出了明确要求，同时也确定了环境保护的阶段性任务和工作要求。环境数据采集是环境保护工作的基础和根本工作，也是进行监管和行政执法的依据。各级政府对数据采集工作历来重视，在信息化建设方面，各部门建立了相应的信息管理系统，以满足自身业务管理的需要^[2]，如污染源自动监控系统、排污收费管理系统、排污总量业务系统、环境质量分析系统。

然而由于地域、经济、工业水平以及业务需求的差异，各地政府对统计内容和标准存在较大不同。例如，重金属和石化产业，其统计内容具有显著差异，不同地区的部分指标甚至是缺失的。即使对于相同的统计指标，东部地区和中西部地区对环保数据的要求与标准也是不同的。此外，各级政府在建设环保信息系统时，由于目标、功能的差异，不同系统之间的数据和信息具有明显差异。这导致了环保信息系统之间信息分散、条块分割，造成数据无法统一，各种机制体制运行不顺畅。同时妨碍了环保信息的整合与共享，无法实现通盘监控管理和有效决策。由于环保工作的特殊性，未来环境监测管理将呈现全国一盘棋，并形成中央统一督查环境保护工作的特点。环保信息化建设应当考虑对数据的整合与共享，实现环境保护综合管理和综合决策^[3]。但是盲目新建信息系统，不考虑原有系统的兼容和地区的差异性，极易造成重复建设和资源浪费^[4]。因此，整合独立分散的业务应用系统，强化业务数据的整合分析应用，实现环保数据的统一性，又兼容原有系统的差异性，已成为进一步推进环保信息化建设的关键。

环保信息化建设是一项复杂的系统工程，结合我国环境管理与信息化发展的现状，本文提出1NM1信息化理论模型及其系统架构，以解决多年来由于分置、分割的网络或系统造成的“异构性”大、平台多、数据统一性差等问题^[5]。通过对多层级的节点管理功能，实现不同层级之间的业务和数据的访问控制，并通过SOA架构中的ESB功能来解决不同系统之间业务整合，消除特定节点中N个业务之间的耦合问题。目前，该系统已在北京、深圳、青岛、长春等城市推广实施，并取得了良好的应用效果。

1 1NM1总体框架设计

我国环保系统各层级可分为环保部（国家级）、环保厅（省级）、环保局（市县级）。环保部负责制定各项环保政策与指导各地环保工作，并对各地环保工作进行管理考核、监督。各地环保部门是属地管理，因本地行业分布和污染形态的不同而具有明显的地域差异。因此既有国家统一管理和考核的要求，又兼具地方特色业务的需要。另外，在同级机构内部，又存在业务之间的职能区别（如环评和监察），形成在层级上差异管理的特点。结合这些特点，本文从顶层设计角度提出了1NM1信息化理论模型及其系统架构。

1NM1信息化理论模型是一种在多层级、多部门体系中实施信息化建设的模式。1NM1中的第一个1表示平台的统一性，这是达到数据唯一性的方法或途径；第二个1表示数据的唯一性，是信息化目标；M为层级数，是信息化高度；N为某层级部门数，即业务或应用，是信息化边界或宽度。

1NM1模型用来描述并指导在一个具有M个层级，每个层级又有N个部门，且层级和部门之间各具特色的组织中如何建设遵循统一平台、统一标准的统一化信息平台。该模型将信息化中不同业务之间的关系分为横向扰动（N个部门）和纵向扰动（M个层级），每个层级和每个部门之间具有相对的独立性，且按照各自的业务需求进行建设。具体结构如图 1所示。

在一个覆盖全国层面N×M规模的环保系统中成功实行信息化是比较复杂的。基于1NM1模型框架，本文提出一个熵值计算公式来表示整个系统信息化的不确定性程度（复杂度），具体如下：

式中：E表示整个组织信息化的熵。

M表示组织中层级的数量，层级用j表示。例如，我国在环保信息化建设中具有部、省、市、县、污染企业五个等级。

N代表层级中部门（业务）的数量，部门或业务用i表示。

C代表业务（应用）的复杂度。C_i为第i个业务的复杂度，这里可以理解为一个业务（子系统）需要处理的多少项工作（模块）。

D代表垂直扰动量。D_j为第j层级的扰动量，即上下各层级和本层级其他业务对业务i的扰动。当本层级业务没有受到任何扰动时，D_j取值为1。但在实际中本层级业务基本都会受到上下级的影响，因此其扰动量通常都大于1。

为第i个业务的累积垂直扰动量。

该熵值复杂度计算公式表明，环保系统信息化的复杂度是累积式的，而不是累和式的。累积式的复杂度说明系统信息化会有较强的扰动性，这也说明为什么在一个N×M规模的对象上成功施行信息化会比较困难。因此，为了达到数据唯一的目的，克服信息孤岛和信息烟囱带来的不利影响，必须在全系统内坚持一个统一的应用系统支撑平台。

1NM1模型的提出为建设多层级、多业务的信息化系统提供了新的思路，即基于一个统一平台建设多层级、多业务的复杂系统，统一的平台约束系统共同遵循公共的业务规则和数据，同时又为各自业务提供个性化定制的快速搭建的能力^[6]。在进行系统设计时，首先利用“紧”耦合解决内部业务需求，然后再根据外部需求利用“松”耦合解决系统与外部的关系。因此，该平台需要解决两个主要问题：一是多层级之间的级联，二是多业务之间的耦合。

（1）多层级之间的级联。即通过多层级的节点管理功能，实现不同层级之间的业务和数据访问和控制，并提供WebService、消息等多种通信手段。

（2）多业务之间的耦合。即对于特定节点中N个业务之间的耦合问题，通过SOA架构中ESB功能来解决不同系统之间的业务整合，并为新建系统提供基础的业务和数据服务。

当利用1NM1模型解决上述两个问题之后，最终形成一套自上而下（部→省→市→县→污染企业）的多级统一的总分平台，如图 2所示。

在图 2中，一部分为部、省、市的云平台，这些平台都自上而下通过节点管理功能被注册和管理，如部平台注册和管理省平台，省平台注册和管理地市平台，由此类推直到区县和污染企业。每个平台都约束自己的公共规则和数据，并整合本平台上所有的系统，而每个平台又向外提供可被其他平台调用的业务和数据服务。还有一部分为通过平台搭建的个性化的业务系统。通过这种横、纵两级平台的设计使得全组织系统使用一个平台，数据纵横上下彻底唯一，从而实现了“条”上管理和“块”上管理的融合与并存。

2 基于1NM1的环保信息系统技术实现 2.1 基于1NM1模型的云计算级联结构

环保信息系统按照“云”加“端”的总分架构进行设计，并将整个系统分为云平台和端平台两个部分。通过云平台来对本级节点各类应用的数据和业务进行整合，然后利用端平台对本级节点新应用系统进行构建。云平台处理同一层级（国家或省）的统一基础业务和数据，而端平台仅处理部门的特色业务^[7]。该系统采用JointFrame=JointCloud+JointOS的系统构架形式，形成了如图 3所示的整体级联结构。

整个系统通过云平台中的节点管理功能，形成从部、省、地市，乃至到区县的级联结构，不同节点之间通过云平台进行数据的交换和业务的连通。而从每一个节点看下去，又形成一个星状的系统结构，如图 4所示。

在该星状结构中，所有的“端”下应用都可以访问“云”上共有的或公用的数据和业务规则，并且通过“云”上的消息转发和总线能力，与其他“端”下应用或其他节点的“端”下应用进行数据交换和业务连通。第三方应用在遵循“云”接入规则的基础上（数据接入、消息转发以及服务转发等）形成一个“端”下应用。

按照“共性基础平台+模块化系统+组件式开发”建设思想对环保信息系统进行框架设计，从而形成整体系统化与局部模块化的有机结合。在总体架构设计中，业务应用系统的建设遵从公共基础平台的规定，并基于1NM1模型进行新应用系统的构建和已有系统的集成，同时通过多层级的级联模式进行数据的传递和业务的上传下达。通过总分架构，既适应了环保系统上级对下级的业务指导和考核，也兼顾了下级环保部门业务的独立性。

2.2 云平台结构

在云平台结构中有为“端”下应用提供业务整合的ESB总线，包括为“端”下应用提供数据交换和数据共享的数据中心，并为其他“云”节点提供业务级联和数据转发的节点管理和消息服务。云平台的整体结构如图 5所示。

在云平台结构中分为基础构件、服务总线、数据中心、通用服务组件、业务服务组件五个层次。

（1）基础构件：提供事务处理、规则管理、缓存管理、日志管理等特定领域的专门服务，为“云”上应用提供基础性服务；

（2）服务总线：具备ESB标准功能，为“云”下各种应用提供业务整合能力，同时也为“云”上下通信提供手段；

（3）数据中心：提供ETL、数据交换、数据共享等功能，为“云”下各类应用提供数据整合、数据访问、数据交换/共享的能力；

（4）通用服务组件：为“云”下应用系统的开发和运行提供在节点管理、组织机构、统一认证、消息管理、CMS（内容管理）服务等专业服务和支撑；

（5）业务组件：为“云”下应用系统提供统一污染源、代码管理、统一用户等共性的业务服务和支撑。

2.3 端平台结构

在端平台结构中，除了为快速开发所提供的基础构件（持久化、工作流、报表等），还融入了自动监控所需要的通信服务器和基础数据库，提供了与第三方接入的接口服务以及信息发布等功能^[8]。端平台的整体结构如图 6所示。

在端平台结构中分为基础构件、通用服务组件、业务服务组件、环保业务应用桌面四个层次。

（1）基础构件：提供持久化管理、事务管理、规则管理、缓存管理、安全和日志管理等特定领域的专门服务，为端平台上的应用系统提供基础性服务；

（2）通用服务组件：为端平台上应用系统的开发和运行提供数据报表、业务流程、通信服务器、组织机构、统一认证等专业服务和支撑；

（3）业务组件：为端平台上的应用系统提供基础数据库、标准规范、信息发布、第三方接入服务等业务服务和支撑；

（4）环保业务应用桌面：采用桌面的方式为端平台上的应用系统提供前端表现方式，同时提供单点登录、即时通信等前端功能。

环保信息系统以1NM1模型为总体指导框架，并采用云加端的方式进行技术实现。在遵循SOA的架构和组件化开发模式的基础上，构建多级环境监控网络、开放融合的信息化支撑平台和服务网络，完成环保信息化应用整合，统一信息化标准、规范，实现环境信息资源充分共享。通过松耦合、粗粒度的开发方式，建立统一的基础服务框架，从而适应不断变化的业务需求。

3 结束语

本文从顶层设计角度提出了一种基于1NM1模型的环保信息系统构架，并对其基本原理进行了具体说明。该系统按照“云”加“端”的总分架构方式进行实现，通过云平台处理同一层级的统一基础业务和数据，而端平台仅处理部门的特色业务。1NM1模型的提出为我国建设多层级、多业务的信息化系统提供了新的思路与方法。通过1NM1模型同时解决了多层级之间的级联以及多业务之间的耦合问题，并形成一套自上而下的多级统一的信息化平台。随着我国环境监测、监察“垂直管理”等重大生态环境体制的不断改革，环保信息系统建设也将朝着垂直化方向发展，而1NM1模型同样能够适用于这一趋势。目前，该系统已基本实现环保信息整合、数据统一、业务贯通，这为建设生态环境大数据提供了技术基础。未来将继续完善环境信息化体系框架，积极开展环保大数据方面的应用。