大數(shù)據(jù)驅(qū)動的生物安全情報(bào)系統(tǒng)：一個理論框架*

李順求 王淵潔,3 王 秉,3

(1. 中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院 長沙 410083;2. 中南大學(xué)安全理論創(chuàng)新與促進(jìn)研究中心 長沙 410083;3.中南大學(xué)安全科學(xué)與應(yīng)急管理研究中心 長沙 410083)

0 引 言

一般而言，生物安全事件涉及突發(fā)新發(fā)傳染病(如新型肺炎疫情)、生物入侵、農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)基因生物、農(nóng)用化學(xué)品、新型生物技術(shù)、實(shí)驗(yàn)室生物泄露、生物恐怖襲擊和生物武器威脅事件等[1]。隨著生物科技的迅速發(fā)展和全球化進(jìn)程的加快，各種生物安全事件層出不窮，生物安全問題已成為全世界與全人類所面臨的重大威脅之一[2]。正因如此，從維護(hù)國家長治久安的高度，我國將生物安全納入國家安全體系，以期提高國家生物安全治理能力[3]。從安全科學(xué)(包括安全情報(bào)學(xué))視角來看，生物安全是自然科學(xué)與社會科學(xué)的交叉內(nèi)容，生物安全治理離不開生物安全情報(bào)的支撐[4]。加之人類已步入大數(shù)據(jù)時代，生物安全數(shù)據(jù)正在海量遞增。生物安全大數(shù)據(jù)作為獲取生物安全情報(bào)的寶貴資源，對國家生物安全治理具有深遠(yuǎn)影響[5]。劉光宇等[6]認(rèn)為，我國應(yīng)圍繞生物安全治理的情報(bào)需求，在情報(bào)工作中引入大數(shù)據(jù)、人工智能、云計(jì)算等前沿新興技術(shù)的集成應(yīng)用，加強(qiáng)生物安全數(shù)據(jù)庫等關(guān)鍵領(lǐng)域和生物監(jiān)測等核心技術(shù)的研發(fā)。在生物安全大數(shù)據(jù)中，海量的生物安全數(shù)據(jù)龐博繁雜，有價(jià)值的生物安全情報(bào)常常被埋沒在無用的生物安全數(shù)據(jù)中。因此，大數(shù)據(jù)驅(qū)動的生物安全情報(bào)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注“如何將生物安全數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為生物安全信息，進(jìn)而最終轉(zhuǎn)化為生物安全情報(bào)”。遺憾的是，在實(shí)際生物安全治理中，生物安全情報(bào)的綜合集成是一項(xiàng)繁雜重復(fù)的任務(wù)，安全情報(bào)人員很難高效地將生物安全數(shù)據(jù)分辨、提取并轉(zhuǎn)化為生物安全情報(bào)，承擔(dān)繁重具體事務(wù)的部門也缺乏得心應(yīng)手的信息化工具，往往會出現(xiàn)人力不足與大量事務(wù)依賴人力的問題，相關(guān)決策者也缺少一個能夠綜合各種專家意見并獲取生物安全情報(bào)的平臺。因此，大數(shù)據(jù)背景下的生物安全情報(bào)系統(tǒng)建設(shè)研究意義重大。

目前，在情報(bào)系統(tǒng)研究方面，尚未有專門針對生物安全情報(bào)系統(tǒng)的研究，研究主要集中在公安情報(bào)系統(tǒng)與競爭情報(bào)系統(tǒng)研究方面。例如，種輝新等[7]提出城市競爭情報(bào)系統(tǒng)建設(shè)的基本要求，倡導(dǎo)應(yīng)將云計(jì)算的技術(shù)與理念引入城市競爭情報(bào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)營；林挺[8]基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)設(shè)計(jì)公安情報(bào)系統(tǒng)；史新[9]面向汽車制造企業(yè)戰(zhàn)略管理設(shè)計(jì)企業(yè)競爭情報(bào)系統(tǒng)模型。同時，目前尚未有關(guān)于大數(shù)據(jù)驅(qū)動的情報(bào)系統(tǒng)方面的研究。因此，在當(dāng)今大數(shù)據(jù)時代，亟需在情報(bào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究的一定基礎(chǔ)上開展大數(shù)據(jù)驅(qū)動的生物安全情報(bào)系統(tǒng)建設(shè)研究。鑒于此，本文從理論層面出發(fā)，借鑒已有的相關(guān)情報(bào)系統(tǒng)(如公安情報(bào)系統(tǒng))研究成果，面向生物安全治理，構(gòu)建大數(shù)據(jù)驅(qū)動的生物安全情報(bào)系統(tǒng)模型框架，以期為搭建生物安全情報(bào)系統(tǒng)提供一定的理論依據(jù)與方法指導(dǎo)，進(jìn)而推進(jìn)大數(shù)據(jù)環(huán)境下情報(bào)主導(dǎo)的生物安全治理工作，提升國家生物安全治理的能力與水平。同時，本文研究對其他領(lǐng)域的大數(shù)據(jù)驅(qū)動的情報(bào)系統(tǒng)建設(shè)也有一定借鑒意義。

1 相關(guān)基本概念

1.1生物安全大數(shù)據(jù)生物安全大數(shù)據(jù)是指與生物安全相關(guān)的所有數(shù)據(jù)，具有大數(shù)據(jù)的一般特征[10]。工作人員可通過相關(guān)工具和技術(shù)收集、分析和整合生物安全大數(shù)據(jù)，對生物安全狀態(tài)進(jìn)行科學(xué)描述。如圖1所示，生物安全大數(shù)據(jù)來源一般包括：各類生物實(shí)驗(yàn)室、生物安全檢測技術(shù)、動植物疫情、國家生物資源、生物武器與恐怖襲擊、人類遺傳基因、農(nóng)業(yè)生物安全事件、生物性公共衛(wèi)生安全事件、生物安全法律法規(guī)和生物安全研究成果等。生物安全大數(shù)據(jù)主要涉及生態(tài)類生物安全數(shù)據(jù)、資源類生物安全數(shù)據(jù)、科技類生物安全數(shù)據(jù)、軍事類生物安全數(shù)據(jù)、信息類生物安全數(shù)據(jù)、經(jīng)濟(jì)類生物安全數(shù)據(jù)、社會類生物安全數(shù)據(jù)與其他生物安全數(shù)據(jù)等[4]。

圖1 生物安全大數(shù)據(jù)及其來源

1.2生物安全情報(bào)系統(tǒng)生物安全情報(bào)是指在大量生物安全信息(包括生物安全大數(shù)據(jù))中經(jīng)分析和提煉出的直接面向和服務(wù)于生物安全治理的一切生物安全信息，對生物安全治理具有重要價(jià)值和影響作用[4]。生物安全情報(bào)系統(tǒng)可將分散的生物安全大數(shù)據(jù)進(jìn)行充分整合，生產(chǎn)出成熟的生物安全情報(bào)并投入應(yīng)用，以此滿足安全情報(bào)部門在大量生物安全信息(包括生物安全大數(shù)據(jù))中進(jìn)行精細(xì)化比對分析的需求，有助于決策者對生物安全局勢進(jìn)行研判?？梢?，其本質(zhì)是大數(shù)據(jù)驅(qū)動的一套安全情報(bào)分析系統(tǒng)。一般而言，生物安全情報(bào)系統(tǒng)需要滿足7個設(shè)計(jì)原則，分別為戰(zhàn)略性、安全保密、知識融合、穩(wěn)定可靠、貢獻(xiàn)量化、對象匹配和可升級改進(jìn)，具體內(nèi)涵如表1所示。

表1 生物安全情報(bào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則及內(nèi)涵

2 大數(shù)據(jù)驅(qū)動的生物安全情報(bào)系統(tǒng)模型構(gòu)建框架

2.1大數(shù)據(jù)驅(qū)動的生物安全情報(bào)系統(tǒng)的特點(diǎn)生物安全情報(bào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究應(yīng)當(dāng)緊跟科學(xué)技術(shù)發(fā)展的步伐，隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的不斷發(fā)展，大數(shù)據(jù)應(yīng)作為生物安全情報(bào)系統(tǒng)的底層驅(qū)動力。本文結(jié)合前人研究[14-17]，總結(jié)出大數(shù)據(jù)驅(qū)動的生物安全情報(bào)系統(tǒng)的特點(diǎn)(尤其是數(shù)據(jù)層)如表2所示。

表2 大數(shù)據(jù)驅(qū)動的生物安全情報(bào)系統(tǒng)的特點(diǎn)

由表2可知，大數(shù)據(jù)驅(qū)動的生物安全情報(bào)系統(tǒng)具備以下特點(diǎn)：第一，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)更加豐富和多樣化；第二，系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的處理模式更加先進(jìn)和全面；第三，系統(tǒng)的規(guī)模更加龐大，應(yīng)用的領(lǐng)域更加廣泛，融合程度更高。

2.2大數(shù)據(jù)驅(qū)動的生物安全情報(bào)系統(tǒng)模型生物安全情報(bào)系統(tǒng)作為整個生物安全體系的重要組成，其構(gòu)建思路是以生物安全大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以生物安全情報(bào)生命周期為運(yùn)行路線，以系統(tǒng)展現(xiàn)層、應(yīng)用層與數(shù)據(jù)層3個層面為框架構(gòu)建而成。該系統(tǒng)主要目標(biāo)是運(yùn)用大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)與方法，使生物安全情報(bào)的獲取與應(yīng)用更加智能化與精準(zhǔn)化，使生物安全情報(bào)的業(yè)務(wù)流程更加順暢，進(jìn)而使得生物安全決策及應(yīng)急指揮更為有效?；谏鲜稣J(rèn)識，構(gòu)建大數(shù)據(jù)驅(qū)動的生物安全情報(bào)系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 大數(shù)據(jù)驅(qū)動的生物安全情報(bào)系統(tǒng)

3 大數(shù)據(jù)驅(qū)動的生物安全情報(bào)系統(tǒng)模型解析

3.1系統(tǒng)展現(xiàn)層展現(xiàn)層主要面向前臺用戶使用，在生物安全情報(bào)系統(tǒng)中作為“橋梁”連接各類用戶與系統(tǒng)中各類生物安全資源和應(yīng)用功能。用戶通過“生物安全情報(bào)系統(tǒng)門戶”進(jìn)入系統(tǒng)進(jìn)行訪問操作。展現(xiàn)層可保障該人機(jī)交互界面(系統(tǒng)門戶)具有友好、美觀、方便快捷、便于操作和易于學(xué)習(xí)等特點(diǎn)，為用戶提供最高效的服務(wù)。如表3所示，展現(xiàn)層所面向的用戶種類包括生物安全情報(bào)搜集人員、生物安全情報(bào)分析人員、生物安全情報(bào)生產(chǎn)人員及生物安全情報(bào)應(yīng)用人員，展現(xiàn)層可對不同的用戶提供對應(yīng)的服務(wù)界面，完成相應(yīng)的流程。

表3 展現(xiàn)層所面向的用戶種類及相應(yīng)流程

3.2系統(tǒng)應(yīng)用層應(yīng)用層主要面向邏輯關(guān)系，是圍繞生物安全情報(bào)系統(tǒng)的應(yīng)用功能來進(jìn)行構(gòu)建的，主要以數(shù)據(jù)層為基礎(chǔ)，服務(wù)于展現(xiàn)層，是二者之間的一個過渡層級。應(yīng)用層分為前臺交互模塊和后臺分析模塊兩部分(見圖2)，并分別完成各自不同的任務(wù)需求。前臺交互模塊應(yīng)用主要包括“生物安全數(shù)據(jù)獲取模塊”“人工評估專家審核模塊”與“生物安全情報(bào)簽發(fā)模塊”；后臺交互模塊應(yīng)用主要包括“生物安全數(shù)據(jù)處理模塊”“生物安全信息整合模塊”與“系統(tǒng)平臺內(nèi)部管理模塊”，兩個系統(tǒng)既相對獨(dú)立又密不可分，同時兼顧系統(tǒng)的高效實(shí)用性與安全科學(xué)性。應(yīng)用模塊的具體功能如圖3所示。

圖3 生物安全情報(bào)系統(tǒng)應(yīng)用模塊的具體功能

在圖3中，生物安全情報(bào)系統(tǒng)功能應(yīng)用模塊主要由6個部分組成，每個模塊具體內(nèi)涵及功能如下所述：

a.生物安全數(shù)據(jù)獲取模塊。該模塊主要用于對各領(lǐng)域生物安全數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳(可通過其他平臺導(dǎo)入或人工錄入)，并對其進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)。同時，可利用模塊內(nèi)置搜索引擎對生物安全歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索，以便隨時查詢各類所需的生物安全數(shù)據(jù)。

b.生物安全數(shù)據(jù)處理模塊。該模塊是將從各生物機(jī)構(gòu)系統(tǒng)平臺、生物研究單位及其他途徑搜集的原始安全數(shù)據(jù)通過抽取和導(dǎo)入等方式完成數(shù)據(jù)清洗與轉(zhuǎn)化，使之成為符合生物安全情報(bào)分析需要的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)[8]。此外，在得到標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)的同時，也可為建立數(shù)據(jù)倉庫提供重要基礎(chǔ)。

c.生物安全信息整合模塊。該模塊根據(jù)不同的應(yīng)用需求選擇相應(yīng)的算法，通過量化手段進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘和安全模擬實(shí)驗(yàn)，將各類生物安全信息的語義描述與數(shù)值演化模型等作為特征，融合安全知識獲得生物安全信息片段[18]，并對預(yù)處理完畢的標(biāo)準(zhǔn)化安全數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研判，給出量化結(jié)果的診斷與描述，形成定量生物安全信息。

d.人工評估專家審核模塊。該模塊主要是生物安全專家對定量生物安全信息進(jìn)行評估審核，最終通過審核的內(nèi)容(即生成的生物安全情報(bào)產(chǎn)品)可進(jìn)行下一步簽發(fā)工作，等待生物安全情報(bào)責(zé)任人對生物安全情報(bào)進(jìn)行認(rèn)領(lǐng)。若審核沒有通過，則該分析結(jié)果將會被退回上一步的生物安全信息整合模塊，進(jìn)行重新修改驗(yàn)證，反復(fù)多次，直至通過評估審核。

e.生物安全情報(bào)簽發(fā)模塊。安全情報(bào)責(zé)任人通過該模塊完成對生物安全情報(bào)的審核確認(rèn)工作，確認(rèn)審核無誤后，將該生物安全情報(bào)產(chǎn)品認(rèn)領(lǐng)。此后，生物安全情報(bào)產(chǎn)品將被給呈遞給相關(guān)安全決策者，安全決策者可根據(jù)生物安全情報(bào)產(chǎn)品中的建議做出決斷，進(jìn)而指導(dǎo)生物安全治理的具體工作。

f.系統(tǒng)平臺內(nèi)部管理系統(tǒng)。此模塊主要由生物安全情報(bào)系統(tǒng)的技術(shù)人員進(jìn)行管理維護(hù)。該模塊對系統(tǒng)用戶進(jìn)行資料維護(hù)與權(quán)限管理等操作，具備接收情報(bào)效果反饋等功能，同時可對系統(tǒng)生成的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)查詢，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)運(yùn)行情況的實(shí)時掌握，確保系統(tǒng)安全規(guī)范地運(yùn)行和使用[8]。

3.3系統(tǒng)數(shù)據(jù)層數(shù)據(jù)層面向數(shù)據(jù)支撐，生物安全數(shù)據(jù)在生物安全情報(bào)系統(tǒng)中主要用于為生物安全決策制定過程提供所有類型數(shù)據(jù)的支持。在生物安全數(shù)據(jù)積累過程中，由于生物世界與人類社會之間具有復(fù)合性與交織性的特點(diǎn)[19]，因此，從“場域安全”理論(場域安全是指與安全關(guān)聯(lián)，具有特定活動性質(zhì)且沒有危險(xiǎn)或威脅的關(guān)系狀態(tài)[20])看，生物安全數(shù)據(jù)同樣需要根據(jù)不同場域類型存儲在相對應(yīng)模塊中，便于進(jìn)行下一步的數(shù)據(jù)處理工作。因此，在生物安全情報(bào)系統(tǒng)構(gòu)建中，后臺技術(shù)人員需根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)不同生物安全數(shù)據(jù)存儲模型?；谏锇踩膱鲇蝾愋蛣澐諿19]，構(gòu)建“生物安全數(shù)據(jù)存儲模型”如圖4所示。

圖4 生物安全數(shù)據(jù)存儲模型

此外，數(shù)據(jù)層主要是由生物安全數(shù)據(jù)庫群、生物安全信息庫群和生物安全情報(bào)庫群組成，依據(jù)“數(shù)據(jù)—信息—情報(bào)”三角轉(zhuǎn)化模式[21]，可得到三者之間的關(guān)系：“情報(bào)=信息+人工加工[22-23]，信息=數(shù)據(jù)+技術(shù)加工[4]”。因此，數(shù)據(jù)層中包括以下兩個轉(zhuǎn)化過程：

a.生物安全數(shù)據(jù)到生物安全信息的轉(zhuǎn)化。生物安全大數(shù)據(jù)庫群主要來源于龐大的生物安全數(shù)據(jù)資源，如生物安全監(jiān)測數(shù)據(jù)、動植物疫情數(shù)據(jù)、國家生物資源數(shù)據(jù)、生物武器與恐襲數(shù)據(jù)、人類遺傳基因數(shù)據(jù)、農(nóng)業(yè)生物安全數(shù)據(jù)、生物性公共衛(wèi)生安全數(shù)據(jù)、生物實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行數(shù)據(jù)、生物安全法律法規(guī)和生物安全研究成果等。系統(tǒng)對上述各生物安全業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)資源進(jìn)行搜集整合，之后再對其進(jìn)行清洗變換，最終將其導(dǎo)入各生物安全信息庫群，完成由生物安全數(shù)據(jù)到生物安全信息的轉(zhuǎn)化。生物安全信息庫群主要包括量化生物信息庫、研判工具信息庫及專家意見信息庫等。量化生物信息庫是各安全部門對生物安全數(shù)據(jù)的量化信息整合，可提供生物安全信息的內(nèi)容共享；研判工具信息庫是生物信息研判所需的數(shù)學(xué)工具或物理模型，由安全技術(shù)信息整合而成；專家意見信息庫主要是社會各領(lǐng)域的專家學(xué)者對生物安全問題提出的各種建議、意見及經(jīng)驗(yàn)性判斷等，對生物安全信息定量分析具有參考價(jià)值(見圖2)。生物安全信息庫群最終目的是為生物安全情報(bào)提供整合資源。

b.生物安全信息到生物安全情報(bào)的轉(zhuǎn)化。生物安全信息通過各領(lǐng)域生物安全專家評估審核并生成審核報(bào)告，最終轉(zhuǎn)化為成熟的生物安全情報(bào)，被儲存在對應(yīng)的情報(bào)庫中，可隨時提取使用。生物安全情報(bào)庫群包括生態(tài)類生物安全情報(bào)庫、資源類生物安全情報(bào)庫、科技類生物安全情報(bào)庫、軍事類生物安全情報(bào)庫、信息類生物安全情報(bào)庫、經(jīng)濟(jì)類生物安全情報(bào)庫、社會類生物安全情報(bào)庫等。生態(tài)類生物安全情報(bào)庫包括外來物種情報(bào)、生物多樣性情報(bào)及動植物疫情情報(bào)等；資源類生物安全情報(bào)庫包括國家生物資源情報(bào)與人類遺傳資源情報(bào)等；科技類生物安全情報(bào)庫包括生物技術(shù)情報(bào)、生物實(shí)驗(yàn)室情報(bào)與生物監(jiān)測網(wǎng)情報(bào)等；軍事類生物安全情報(bào)庫包括生物恐襲情報(bào)與生物武器情報(bào)等；信息類生物安全情報(bào)庫包括國家公民健康情報(bào)、人群異常疾病情報(bào)與聯(lián)網(wǎng)生物醫(yī)療設(shè)備情報(bào)等；經(jīng)濟(jì)類生物安全數(shù)據(jù)庫包括轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物情報(bào)與疫苗研發(fā)情報(bào)等；社會類生物安全情報(bào)庫包括生物性公共衛(wèi)生情報(bào)與生物性食品安全情報(bào)等(見圖2)。生物安全情報(bào)庫群的最終作用是為決策者提供生物安全的決策支持。

4 結(jié) 語

在大數(shù)據(jù)時代，運(yùn)用大數(shù)據(jù)驅(qū)動來獲取生物安全情報(bào)是現(xiàn)代生物安全治理的重要內(nèi)容，生物安全情報(bào)系統(tǒng)是否完善決定了決策者能否獲得可靠、科學(xué)、及時且完備的生物安全情報(bào)。因此，本文從理論層面出發(fā)，結(jié)合現(xiàn)有生物安全情報(bào)理論基礎(chǔ)與大數(shù)據(jù)技術(shù)研究成果，提出大數(shù)據(jù)驅(qū)動的生物安全情報(bào)系統(tǒng)模型的理論框架，是大數(shù)據(jù)在生物安全情報(bào)領(lǐng)域應(yīng)用的一項(xiàng)重大嘗試，旨在填補(bǔ)當(dāng)前安全情報(bào)部門在利用大數(shù)據(jù)驅(qū)動進(jìn)行生物安全情報(bào)搜集、分析、生產(chǎn)與應(yīng)用等方面中的不足與短板，為生物安全情報(bào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供一個整體理論框架，同時也為今后大數(shù)據(jù)下情報(bào)主導(dǎo)的生物安全治理工作模式向更高層次邁進(jìn)奠定一定的理論基礎(chǔ)。