高复先：信息工程的理论与实践对我国信息化建设的作用

火锅加华子

文章来源：本文是高复先教授2006年9月23日在中国系统工程学会信息系统工程专业委员会第七届年会暨江苏省系统工程学会信息系统工程专业委员会首届年会上所作的主题报告。论文发表于《南京邮电大学学报》第8卷，2006增刊。
同志们，上午好！
我很高兴接受大会组委会的安排，向大家汇报我们在信息工程的理论引进、创新发展和实践研发等方面的工作情况，并提出对信息系统工程领域研究和开发工作的建议。
上世纪80年代产生的信息工程方法论（Information Engineering Methodology，IEM），我们于1986年开始引进、消化、吸收、创新和普及推广。近20年来的理论研究、应用开发和教育培训工作，尤其是近十年来将我们的研究成果用于推进国民经济和社会信息化的实践，使我们深深体会到，信息工程方法论是指导信息化工作的一种科学的主流方法论，而该方法论的核心——信息资源规划，则是政务信息化、企业信息化、教育信息化和军事信息化等领域的基础工程。
信息工程的产生与发展
信息工程（Information Engineering，IE）的诞生，也像其它学科的出现一样，有它自己的特殊原因和动力。上世纪70年代末，以美国为代表的一些发达国家，经历了计算机在数据处理领域应用的初级阶段，因为出现的问题比较多，詹姆斯·马丁(James Martin)将这一时期称为“数据处理危机”时期。正是为了解决“数据处理危机”问题，在有关数据模型理论和数据实体分析方法的基础上,詹姆斯·马丁于1981年出版了《信息工程》（Information Engineering）专著三卷集，提出了信息工程的概念、原理和方法，勾画了一幅建造大型复杂信息系统所需要的一整套方法和工具的宏伟图景。
约翰·柯林斯(John Collins)在为《信息工程》专著所写的序言中，为“信息工程”所下的定义是:“信息工程作为一个学科要比软件工程更为广泛,它包括了为建立基于当代数据库系统的计算机化企业所必需的所有相关的学科。”从这一定义中可以看出这样三个基本点：①信息工程的基础是当代的数据库系统；②信息工程的目标是建立计算机化的管理系统；③信息工程的范围是广泛的，是多种技术、多种学科的综合。这自然要联系到软件工程，马丁认为，软件工程仅仅是关于计算机软件的规范说明、设计和编制程序的学科，实际上是信息工程的一个组成部分。
1982年詹姆斯·马丁编著出版了《总体数据规划方法论》（Strategic Data-Planning Methodologies）一书，对信息工程的基础理论和奠基性工作——总体数据规划方法——从理论上到具体做法上详加阐述。这时，一整套自顶向下规划（Top—Down Planning）和自底向上设计（Bottom—Up Design）的信息系统建设的方法论，已经形成。
又经过几年的实践和深入研究，詹姆斯·马丁于上世纪80年代中期出版了《信息系统宣言》（An Information Systems Manifesto）一书，对信息工程的理论与方法加以补充和发展，特别是关于“自动化的自动化”思想，关于最终用户与信息中心的关系，以及用户在应用开发中应处于恰当位置的思想，都有充分的发挥。他向与信息工程有关的各类人员，从企业领导到程序员，从计算机制造商到软件公司，以“宣言”（Manifesto）式的忠告，提出了转变思维和工作内容的建议，实际上这是一系列关于建设高效率、高质量的复杂信息系统的经验总结（参见高复先《信息化IRP之路—文集1996-2006》附录A1）。到此，可以认为信息工程作为一个学科已经形成了，它是一整套建立“计算机化企业”的理论与方法。用信息工程方法指导，成功地开发了越来越多的信息系统，逐渐引起了人们的注意。
到1993年，詹姆斯·马丁将信息工程与面向对象方法相融合，提出了“面向对象信息工程”(OOIE)的理论与方法。OOIE将全企业范围的大型信息系统开发工作划分为四个阶段：企业规划、业务域分析、系统设计、建造。这是一种从全企业范围的规划到业务域分析、系统设计，然后再进行建造的较严谨的开发方法论，其技术关键是集成化的元库（Repository）和基于它的I-CASE工具组，正是这套工具支持了面向对象分析、设计与实现，建立可重用类库和进行开发人员的工作协调。
从信息工程（IE）到面向对象信息工程(OOIE)的发展期间，许多政务、企业、经济和军事等信息系统的开发，均得益于其理论指导而获得成功，实际上，信息工程方法论（IEM）已经成为国际上信息系统建设的主流方法论之一（参见高复先《信息化IRP之路—文集1996-2006》附录A2）。
信息工程的引进与创新
我们自1986年开始学习詹姆斯·马丁的信息工程理论，1989年将他的关于信息工程的几本主要著作（Information Engineering，Strategic Data-Planning Methodologies，Application Development Without Programmers，An Information Systems Manifesto）进行编译，出版了《信息工程与总体数据规划》（人民交通出版社1989年版，1990年重印），系统地介绍了信息工程的理论方法。
我们总结的信息工程的基本原理有三条：1、所有信息系统的开发都应该是以数据为中心，不应该是以处理为中心；2、数据结构应该是稳定的，而业务流程是多变的；3、最终用户必须真正参加信息系统的开发。
我们在引进学习詹姆斯·马丁的信息工程的同时，又引进学习了威廉·德雷尔(William Durell)的数据管理（Data Administration,DA）理论与实践经验。他的名言是：没有卓有成效的数据管理，就没有成功高效的数据处理，更建立不起来全组织的计算机信息系统。他认为，早期的计算机信息系统开发，缺乏关于数据结构的设计和管理方面的科学方法，直到近十年（指上世纪80年代），才对这些问题加以认真地考虑。信息系统设计人员了解和掌握数据标准，就像建筑设计师了解和掌握建筑材料标准一样重要，否则，是设计不好信息系统的。为了有效地制定和实施数据标准，威廉·德雷尔提出了一些重要的原则：数据标准的制定要从实际出发，要以共同看法为基础；数据标准要简明易懂，切实可行；标准必须加以宣传推广，而不是靠强迫命令；管理部门保障标准的执行，有纠正违背标准的办法；标准应该逐渐地制定出来，不要企图把所有的数据标准一次搞完；数据管理的最重要的标准是一致性标准——数据命名、数据属性、数据设计和数据使用的一致性。企业要实现计算机化管理，必须设立数据管理部门，选聘培养数据管理人员，通过技术支持、制度保障和工作人员的努力，才能逐步实现全企业的标准化数据管理。
1994年我们获得了国家自然基金支持，进行了“信息系统集成的理论和工具的研究”的专项研究工作。我们对信息资源规划的定义是：对全组织信息的采集、处理、传输和利用的全面规划。我们提出的具有易操作性的信息资源规划的工程化方法，由两个阶段——需求分析与系统建模，三个模型——功能模型、数据模型和系统体系结构模型组成；在信息资源规划过程中，进行数据标准化，建立统一的信息资源管理(IRM)基础标准。为支持全部的信息资源规划过程，我们研制了一套软件支持工具IRP2000，该工具软件被科技部授予2000年“国家级火炬计划项目”。
2002年4月清华大学出版社出版了我们的专著《信息资源规划——信息化建设基础工程》，这是我们十几年来理论与实践的总结。我国信息经济学家乌家培教授在为该书写的序言中说，本书强调进行业务流程重组的同时搞好数据管理、规划信息资源，则更能使信息系统发挥效益，也有利于信息技术真正起到作用，而不至于使用在信息技术上的投资掉入“黑洞”。国务院信息化办公室赵小凡司长在为该书写的序言中写道：“本书提出了基于信息资源规划的整体解决方案，具有探索性和开创性，必将对加速我国信息资源的开发利用，对建立我国信息资源指标体系，对推进国家信息化，产生积极深远的影响。”
我们对信息工程方法论的创新，主要有：
1、总结了主题数据库的特征
马丁用了几部著作中的大量篇幅来阐述主题数据库(Subject Data Bases)的概念、特征和优越性。为了推广主题数据库的思想方法，并具有可操作性，我们总结的主题数据库特征是：
• 面向业务主题建立数据库(不是面向单证、报表建立数据库)；
• 强调信息的共建共享(不是信息私有或部门所有)；
• 数据要一次一处地输入系统(不是多次多处输入)；
• 一个主题数据库由一个或多个基本表(Base Table)组成，基本表具有原子性（表中的数据项是数据元素）、演绎性（可由表中的数据生成全部输出数据）和规范性（表中数据满足三范式要求）。
以主题数据库为主的数据环境，是高档次的数据环境。建立高档次数据环境是实现系统集成的根本保证，为此，就要进行总体数据规划。
2、提出了信息资源管理基础标准
在我们引进马丁的主题数据库概念和方法的同时，吸收了霍顿(F.W.Horton)的信息资源管理(Information Resources Management，IRM)的理论，结合威廉·德雷尔在数据管理标准化方面的研究成果，提出了信息资源管理（IRM）基础标准——决定信息系统质量的、因而也是进行信息资源开发利用的最基本的标准：
• 数据元素（Data Elements）作为最小的不可再分的信息单位，需要在全组织内统一命名、统一标识和保持一致性；
• 信息分类编码（Information Classifying and Coding）在全组织内统一编码规则、使用统一的码表，并且按ABC三种类型编码对象来统一管理；
• 用户视图（User Views）是最终用户对数据实体的看法，即单证、报表、帐册和屏幕界面等，需要统一的标准化的管理；
• 概念数据库(Conceptual Database)是最终用户对数据存储的看法，反映用户的综合性信息需求，需要总体把握；
• 逻辑数据库(Logical Database)是系统分析设计人员的观点，是对概念数据库的进一步分解和细化，由一组规范化的基本表(Base Table)组成的。
3、提出了数据环境改造的任务与策略方法
在信息资源规划的过程中进行上述数据标准化工作，以改造旧数据结构、建立主题数据库为主要目标，重新组织数据，形成高档次的数据环境。
4、研制了软件支持工具，突出了信息资源元库的作用
上述数据标准化工作和数据环境改造工作，必须有软件工具的支持，而该软件工具的核心，就是信息资源元库（Information Resources Repository,IRR）。
5、提出了基于信息资源规划的信息工程整体解决方案
在信息资源规划的基础上，以信息资源规划方案为指导、控制和协调机制，实施通信-计算机网络工程、数据库工程和应用软件工程，有序、稳步地进行信息化建设。
2004年科技部中国技术市场管理促进中心召开了以乌家培为组长、周宏仁为副组长的专家组评议会，对上述整合信息资源、基于信息资源规划的大型信息系统顶层设计技术方法进行评审，专家组评审意见认为，此项技术成果对解决目前我国企业信息化和电子政务建设中信息资源整合的难点问题，提供了有效的工具和方法，对信息资源共享及合理利用，推动我国信息化的发展进程具有重要意义。2005年《中国信息界》第20～24期以封面标题“中国信息化趋势报告”连载发表了我们的《信息资源整合技术报告》（参见高复先《信息化IRP之路—文集1996-2006》）。
信息资源规划对信息工程成功的保障作用
山东海化集团自1995年组建后相继开发了若干管理信息系统、生产监控和集散型控制系统。但是，各个信息系统是面向具体业务和部门的；数据库是按手工报表建立的，数据流程大多是模拟手工业务流程，信息编码随意。因而，已建的信息系统之间难以实现信息共享，形成了若干大大小小的“信息孤岛”，不仅为系统集成造成了困难，也大大制约了山东海化集团信息化建设的发展。
面对数据环境的瓶颈问题，集团公司领导在研讨《山东海化集团“十五”及2010年发展规划》时，虚心听取专家意见，形成共识，决定用二至三年的时间，完成两期工程：一期建立基础信息标准，建设基础数据库，开发基础应用软件；二期建设集成化、网络化的管理信息系统，开展电子商务。首先进行覆盖集团管理层的信息资源规划工作，即建立信息标准、优化重组现有信息资源，着重解决复杂、混乱的数据环境问题，为实现集团信息化的跨越式发展奠定基础。
山东海化集团信息资源规划工作从2001年4月开始，经过两个多月，形成了《海化集团信息资源规划方案》，并紧接着按该方案进行数据环境改造和集成化的应用开发。2001年9月和2002年8月，国家经贸委经济信息中心和化工部信息中心，两次在山东海化集团主持召开了信息资源规划项目评审和后续工程实施战略研讨会。专家组认为：山东海化集团的信息资源规划工作抓的及时，方法科学，成果显著，为海化集团信息化建设打下了良好的基础，对全国化工行业的信息资源规划工作起到了示范作用，达到了国内领先水平。一期工程较好地满足了海化部分核心业务和管理需求，不仅在经营中发挥了作用，而且大大推进了集团信息标准建设和数据环境的提升，抓住了企业信息化的核心需求，为全面推行集团信息化奠定了坚实基础。后续实施策略以落实、优化信息资源规划方案，推行五个基本标准为纲，并以此指导、控制和协调后续项目实施务实、可行。
2003年以来，我们先后负责和参与合作完成了河北省电子政务信息资源规划试点、深圳市财政信息资源规划、中国广东核电集团岭东核电工程管理信息资源规划、福州港和秦皇岛港信息资源规划、中国运载火箭技术研究院首都航天机械厂信息资源规划和中国人民解放军总装备部军械局信息资源规划等，使我们和客户都深刻地体会到，信息资源规划（IRP）确实是政务信息化、企业信息化和军事信息化的基础工程，是实施信息化工程的先导和成功保障。
在我们面向社会各类客户做信息资源规划的咨询服务时，经常被问道：信息资源规划如何与系统集成相衔接，信息资源规划的成果能否有效地用到后续的应用开发上？搞信息资源规划是否增加了额外的系统开发时间？2004年我们完成的天津港生产调度系统信息资源规划与集成化开发项目，可以很好地回答类似的问题。天津港全港光纤主干网的建成、整个网络系统升级之后，迫切需要整合提升运行多年的分散的业务系统。我们的实施方案是用3个月时间进行信息资源规划，用3个月时间完成数据环境改造，用6个月时间进行集成化的新调度系统的应用软件开发，年内见实效。实际上，在统一规划、改造升级的数据环境上的应用开发仅用了4个月，2004年4月1日系统上线，供500个网络用户(船代、码头、计划、两级调度、统计、引航、轮驳、堆场、物流中心、海关和港监等）联机使用，支持实时性可视化生产调度管理（参见图1、图2），整个系统投产两年半以来稳定可靠，没有做过任何修改维护。与类似应用系统开发相比，本项目开发速度之快、应用效果之佳，几乎是很少见的，有不少业内人士认为这是一个奇迹，可以称得上又好又快。这充分说明，信息资源规划在新一轮信息化建设中的切实可靠的保障作用。



图1. 天津港生产调度系统-交接班子系统概览



图2. 天津港生产调度系统-交接班子系统-一公司在港船

与天津港这个案例形成能鲜明对照的是一家大型科研单位的信息化建设，他们为了建设管理信息系统和电子政务系统整合的统一平台，也搞了“信息资源规划”，但没有强调搞好内部和内外数据流分析，没有建立全域信息资源管理基础标准和稳定的数据模型，后续几年的项目实施仍然是“Net+ERP”的做法，所以效果不好，与领导的要求和最初的愿望差距很大。还有一家高校，投以巨资建起了国际一流的校园网平台，但教学、科研和后勤等领域的信息资源开发利用水平很落后，各种应用系统仍然分散开发、孤立运行，信息中心提出的信息资源规划方案得不到领导的理解和支持，整个信息化建设实际上是处于停顿状态。
信息工程的发展机遇
中共中央办公厅、国务院办公厅《2006-2020年国家信息化发展战略》（中办发[2006]11号）指出：“经过多年的发展，我国信息化发展已具备了一定基础，进入了全方位、多层次推进的新阶段。抓住机遇，迎接挑战，适应转变经济增长方式、全面建设小康社会的需要，更新发展理念，破解发展难题，创新发展模式，大力推进信息化发展，已成为我国经济社会发展新阶段重要而紧迫的战略任务。”国务院信息化工作办公室《国家电子政务总体框架》（国信[2006]2号）具体规定了“十一五”期间，要围绕优先支持的业务，以政务信息资源开发利用为主线，以政务信息资源目录体系与交换体系为支撑，兼顾中央和地方的信息需求，统筹规划应用系统建设，重点是完善已建应用系统，强化已建系统的应用，推动互联互通和信息共享，支持部门间业务协同的电子政务建设任务。国信办专家披露，“十五”期间我国电子政务投资了1000亿，“十一五”期间我国电子政务总投资估计超过2000亿。保证国民经济和社会信息化工程的成功建设，应该成为我们信息系统工程专业委员会义不容辞的职责，是我们学会组织和同仁施展才干、创立业绩的最好时机。为此，我们对学会的今后活动开展提出两点建议：
一、加强信息工程方法论的宣传和推广工作，积极参加信息化工程实践，在实践中执行基于信息资源规划的技术路线。信息工程方法论（IEM）的创新发展，给出了用信息工程的新思路解决传统的软件工程局限性的有效办法。传统的软件工程（SE）按“瀑布模型”进行开发——对一项具体的应用开发任务，开发人员首先做“需求分析”和“概要设计”，然后一步步自上而下“逐步求解”，好像瀑布一样向下流；由于不能保证每一步都没有问题，所以，必须有反向的“迭代修正”。对每一个程序模块的测试，不通过的就要回头修改程序编码，有时需要修改设计说明书。当一组关联紧密的程序分别测试都通过，但联合测试不通过时，就是“概要设计”的系统性问题了，这种修改的代价就会很高了。最糟糕的是，由于用户没有参加、或很肤浅地参加了“需求分析”，对系统要“做什么”的问题，直到“用户验收”时才看明白，认为开发方提交的不是他所需要的，大麻烦就来了——修改或重新做“需求分析”吧！修改“概要设计”和“需求分析”，都是“大跨度迭代风险”，是软件工程无法避免的（如图3右）。



图3. 开发信息系统的两种方法论的对照

面向对象信息工程（OOIE）将信息系统的开发分为四个阶段，顶层的两个阶段是基于信息资源规划的总体设计，底层的两个阶段是系统设计实现（如图3左）。基于信息资源规划的总体设计，有科学的理论指导，有整套的标准规范和工具支持（如前面所述），对数据侧面的工作做到逻辑数据库（由基本表构成的稳定的数据结构）设计的大部分，对操作侧面的工作做到程序模块（数据存取关系与处理逻辑）描述，这样，就为系统的快速、高质量的设计实现打好了坚实的基础。这里有一个关键性的变革：软件工程的“需求分析”和“概要设计”基本上是IT人员用较短的时间（一般是两三周，最多不超过一个月）完成的；而信息工程的信息资源规划，则是业务人员与IT人员合作，充分发挥业务人员的主动性，用两三个月的时间，在统一的规范标准和工具支持下完成的。信息工程方法论完全避免了软件工程的“大跨度迭代风险”，前面举出的天津港的实例，就是很好的证明。
二、发挥学会优势，搞好高校信息工程课程体系建设，积极开展社会化的信息资源规划技术培训，为信息化建设培训高级的复合型人才。我们信息系统工程专业委员会，是系统工程大师钱学森同志亲自筹划成立的中国系统工程学会的二级学会，曾经有过辉煌，目前又面临新的发展机遇。我们的很多会员，身处高等学府，从事教学、科研和领导工作。《关于加强信息资源开发利用工作的若干意见》（中办发[2004]34号）指出：“加强高等院校信息资源开发利用相关学科和专业建设，将信息资源管理等课程纳入教学计划。发挥各类教育培训体系作用，积极开展信息资源开发利用相关人员的知识与技能培训。”我们建议，高等院校的计算机信息学科和管理科学学科，都可以在本科生和硕士生教学中，加入信息工程的内容，进而建立信息工程课程体系。这种课程体系建设，将带动师生直接参与推进国民经济和社会信息化的宏大事业，肯定会出人才、出科研成果、出经济效益。马丁曾对一些大学教授说，别教那些过时的旧东西，教学方向的确定要适应未来真实世界的需要，做好当前问题的咨询服务，与产业相联接而获得稳定的发展，研究资金也就会源源不断，研究成果不断扩大。
我们更多的学会同仁，是在信息化建设的第一线，或者是政府部门、企事业单位信息化工作骨干，或者是信息化负责人、信息主管（CIO）。学会应该为这些同志创造一些培训学习的机会、交流研讨的平台，并通过我们的会员带动更多的关心信息化建设的人们，把信息系统工程专业委员会办成一所社会化的培养信息化高级复合型人才的大学校。
谢谢大家！