决策系统.docx
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决策系统
中国教育科学研究院
教育决策模拟系统
技术方案
二零一三年四月
一、项目概况
1、项目背景
十八大报告要指出：
努力办好人民满意的教育。
教育是中华民族振兴和社会进步的基石。
要坚持教育优先发展。
面对前所未有的机遇和挑战，必须清醒地认识到，教育还不完全适应经济社会发展和人民群众接受良好教育的要求。
教育发展的任务十分繁重，深化教育改革的要求更加迫切。
教育发展还不平衡，优质教育资源不足与人民群众强烈的“上好学”需求之间的矛盾突出；素质教育推进还没有得到根本突破，人才培养质量总体水平还不够高；教育体制机制改革亟待深化，教育发展的动力和活力不足；教育与经济社会联动发展的格局有待进一步完善；解决教育改革和发展中人民群众关心的突出问题面临诸多困难，推进教育公平的任务仍然艰巨。
大力提高教育现代化水平，是时代发展的要求，是人民群众的呼声。
要按照面向现代化、面向世界、面向未来的要求，适应社会主义初级阶段的基本国情，适应国家及首都发展的需要，坚持育人为本，以优先发展为保障，以统筹协调为重点，以优质育人为核心，以改革创新为动力，全面实施素质教育，有力地促进首都教育事业科学发展，努力建成公平、优质、创新、开放的教育体系，满足人民群众对教育的需求，推进创新型城市建设。
与国外相比，我国教育事业从其构成的制度层次与作用类型的共同影响分析，仍然处于比较低的层次和不完善的资源配置结构，由于信息化手段还相对落后，主要表现为以下几个方面：
（一）教育发展不平衡。
教育发展的不平衡制约了经济社会的全面、协调、可持续发展。
其不平衡性主要体现在以下几个方面：
（1）教育的区域发展不平衡。
中西部教育落后于东部教育。
由于投入不足，中、西部教育在教育发展水平、“两基”普及、师资力量、校舍建设以及家庭教育支出等方面都落后于东部。
（2）教育的城乡发展不平衡。
从城乡对比来看，近年来全国预算教育经费约60%用于义务教育，其中投入农村义务教育的只有35%左右。
教育的群体发展不平衡。
社会的不同群体在教育上拥有完全不同的教育资源，相对来说，弱势群体接受优质教育资源的机会比较少，尤其是农村的女童、城市的外来民工子女、特殊教育系统的残疾、弱智人群等，在教育上处于相对不利的地位。
（二）家庭收入情况影响教育水平。
普通高中和普通高校盲目扩招和无序招生，中小学校、大中专院校乱收费、高收费，一些中小学被拍卖，一些作为教育公共资源的名牌中小学为了高收费的目的还出现了所谓的国有民办，双轨制的“公费生”与“自费生”等等问题，都打着“教育产业化”的旗号纷纷出笼。
而根据有关资料，贫困人群中均有40%一50%的人提到家里穷是因为“家里有孩子要读书”，在中国农村的家庭中，子女教育所用的开支占了家庭收入的32.6%；而在城市和小城镇家庭中，这个指数分别为25.9%和23.3%。
教育花费成为城乡居民致贫的首要原因，而“缺乏知识和技能”是城乡居民挣不到钱的主要原因之一“教育的基本功能之一，就是缩小贫富差距，促进社会平等……如果教育反而扩大社会差距，那就是背离了教育的初衷。
”
（三）教育经费投入不足，教育发展不平衡。
教育的总体投入不够，教育的投入制约了高等教育的质量提高和可持续发展。
国家对教育投入少，造成素质低，导致科技力量薄弱，创造发明存量少，影响国家科技发展水平，国家因此而贫穷，更无力增加对教育的投入，形成恶性循环。
在这个循环链条中，国家对教育的投入是根本。
（四）教育发展基础较差，人力资源总体水平较低。
我国教育发展的基础较差，学校教育存在高中和高校教师总量不足、农村义务教育教师素质偏低、贫困地区农村中小学生辍学等突出问题。
农村的义务教育总体水平比较落后，农民的子女不能接受优质教育，学习的内容严重与社会实际脱离，教师的水平比较低，教育的基本实施也不能得到保证，人才培养规模还不能很好的满足人才强国的战略需要。
劳动力文化程度总体偏低，国民受教育的年限较短，高中以上比例较小等问题亟待解决。
（五）能力结构不能适应产业结构，创新教育薄弱。
随着产业结构的优化和升级，我国现代化建设急需大批的信息化、复合创新型人才以及大量高素质的劳动者，对人才职业素质和专业技能培养提出了挑战。
目前第一产业人力资源过多，需要向第二产业和第三产业进行转移，大量农民工进入到第二产业或第三产业。
第二产业要合理调整内部结构，进行企业体制改革，大量失业人员需要再就业。
在这一过程中，需要对传统产业和体制改革富余人员进行教育培训，培养相应的技能，调整人才能级结构，以适应新的岗位需求。
（六）公共教育服务有待进一步完善。
我国自改革开放以来，经济建设获得了持续高速的发展，但教育公共服务的发展还不适应经济社会发展的迫切要求和广大人民群众日益增长的教育需求。
在有关教育公共服务的供给形式、公共财政性教育投入、义务教育普及、教育质量提高、职业技术教育发展、教育服务市场的公平竞争和自由选择、教育公共服务的监管与绩效评估以及教育的公平性等方面，都需要进一步深化改革。
（七）与国外其他国家教育的比较不充分。
我国的教育事业发展统计数据在描述我国教育发展的有关情况时，并没有通过指标来阐明当前我国的人口、经济和社会发展的有关背景状况，并且我国的教育事业发展统计公报并未借鉴联合国教科文组织制定的《国际教育标准分类法》。
从而使我们无法将我国的教育发展同其他国家的教育发展相比较、借鉴。
2、项目意义
（1）建立教育决策模拟系统，将有效促进教育事业科研试验环境平台建设，使科研人员及时利用仿真技术研究和试验教育科研领域中的相关理论，构建相关政策和制度，从而为重大项目研究、宏观调控、政策制定和政府决策提供有效支撑，同时，该系统将会填补我国在教育决策支持方面的空白，将会对教育事业重大问题的研究和决策起到十分重要的作用。
（2）有利于促进国家教育政策制定和决策的科学有效。
在当前教育工作新情况新问题不断出现、突发事件时有发生的新形势下，尽快建立起教育事业发展决策系统，能够预先对教育事业工作中的情况和问题进行仿真模拟和量化分析研究，建立模型和预案，及时提出解决的办法，更好地满足政府决策的需要。
（3）有利于促进科研成果的转化和教育科研创新体系的建立。
建立教育事业发展决策系统可以将现有的科研成果转化成各种可供重复利用的方法、模型和工具，同时可带动教育事业理论研究、研究方法和技术的进步，促进人才队伍的培养，逐步形成良性发展的科技创新体系。
二、系统现状分析
1、总述
近年来，我国已在教育管理、教学和科研等信息化建设中取得了比较大的成就，中国教育科学研究院的科技基础条件也取得明显成效，先后建立了科研网络信息平台、网络会员调查平台、教育经济社会数据库、教育数据地图数据库、教育舆情监测系统等信息化平台，使我院的教育科学研究和信息化水平大大提高。
但是，目前的教育管理、教学、科研等信息系统平台和与教育决策模拟系统建设要求相比，仍然存在以下问题：
（1）缺少教育决策模拟系统所需的统一数据资源平台
目前，各系统互为独立，缺乏整体协调；数据资源不足与浪费现象并存，数据深层次挖掘不充分，没有发挥数据的整体效能；没有将教育数据与经济社会数据相关联。
（2）缺少教育决策模拟系统运行所需的软硬件支撑平台
目前，各系统及科研平台虽然有一定的硬件设备支撑，但这些硬件设备老旧，设备性能低，且平台相互独立，不能协同工作，仅能满足其自身系统的运算需求，这远远不能满足整个教育决策模拟系统的海量数据处理、分析和高复杂度模型运算的数据处理需求。
（3）缺少教育决策模拟系统的模型分析及模型应用平台
目前，国内在教育决策支持方面的建设基本空白，本项目的重点即为建设教育决策模拟系统的模型分析和模型应用平台，为政府和教育部门进行教育问题的研究、教育政策制定和教育决策提供科学依据。
为解决上述问题，中国教育科学研究院建设的教育决策模拟系统，主要包含以下平台内容：
（1）教育决策模拟系统的数据资源平台
（2）教育决策模拟系统的软硬件支撑平台
（3）教育决策模拟系统的模型分析及模型应用平台
2、信息资源
现有五大业务平台（科研网络信息平台、网络会员调查平台、教育舆情监测平台、教育经济社会平台、教育数据地图平台）各平台相对独立，相互之间无法进行信息共享与业务集成，已经形成“信息孤岛”，并且各平台数据库差异很大，集中获取有效数据已非常困难。
各系统资源互为独立，缺乏整体协调，数据深层次挖掘不充分，没有发挥数据的整体效能，同时没有将教育数据与经济社会数据相关联。
从整体架构考虑，信息无疑是整个整合架构的基础，各平台的信息需要有效共享、相互协作、关键数据能够被多业务所复用、形成统一的全局数据视图、对现有的数据能够进一步分析加工，从而优化管理。
这些内容是各类具体业务应用方案能够顺利实现的一个关键，信息集成建设数据仓库，则是实现上述目标的基础。
3、硬件平台
目前，教育管理、教学和科研等信息化建设系统及科研平台虽然有一定的硬件设备支撑，这些硬件设备比较老旧，设备性能低，而且这些硬件设备平台相互独立，不能协同工作，且仅能满足其自身系统的运算需求，这远远不能满足整个教育决策模拟系统的海量数据处理、分析和高复杂度模型运算的数据处理需求。
本项目需要重新规划建设教育决策模拟系统的硬件支撑平台。
三、建设目标
1、总建设目标
教育决策模拟平台的建设目标：
打造国内领先的教育决策模拟软硬件集成平台，为教育决策模拟提供软硬件环境支撑；建立教育决策模拟专用的教育、人口、经济、社会发展综合数据资源平台，为教育决策系统提供可靠有力的数据支撑；构建教育决策模拟系统的模型分析及模型应用平台，为政府和教育部门进行教育问题的研究、教育政策制定和教育决策提供科学依据。
2、年度目标
（一）2013年目标
（1）完成教育决策模拟系统的整体框架搭建；
（2）在决策模拟系统框架下，完成现有系统的数据资源整合；
（3）完成教育决策模拟系统硬件核心平台建设；
（4）在决策模拟系统框架下，完成分区域、分城乡教育资源配置模型的开发。
（二）2014年目标
（1）在决策模拟系统框架下，完成收入分配与教育投入、教育资源投入与产出、人力资本、教育与经济结构转型、公共教育服务、教育国际比较六个模型的开发；
（2）在决策模拟系统框架下，完成信息采集系统的开发和数据仓库建设。
（三）2015年目标
（1）基于教育决策模拟系统进行数据实验、结果分析及展示；
（2）基于教育决策模拟系统进行决策仿真、政策评估，并形成预案；
（3）进行教育决策模拟系统的推广及应用。
四、建设内容
1、系统整体框架
“教育决策模拟系统”的系统总体架构如下图所示，其结构体系采用分层的模式，从下至上的分层分别是：
（1）网络层：
包括网络拓扑和布局、服务器等硬件设施、以及操作系统等基础软件平台；
（2）数据层：
是整个项目的数据仓库系统，将分为内部数据和外部数据，内部数据整合原有平台数据资源，包括科研网络信息平台数据库、网络会员调查数据库、教育舆情监测系统数据库、教育经济社会数据库和教育数据地图数据库；外部数据将包括人口数据、经济数据和社会数据等；
（3）应用支撑层：
为项目建设提供应用支撑框架和底层通用服务，以应用系统和应用构件为基础，主要由服务总线、通用报表中间件、应用服务器中间件、工作流中间件、全文检索组件、门户引擎、GIS中间件等组成；
（4）应用层：
根据教育热点问题，挖掘数据资源，建立主题分析。
对相关问题进行数据统计分析、并结合模型进行仿真；主题包括分区域教育资源配置、分城乡教育资源配置、收入分配与教育投入、教育资源投入与产出、人力资本、教育与经济结构转型、公共教育服务、教育国际比较等；
（5）用户层：
访问业务系统的最终用户，根据访问类别和职能将其划分角色。
标准管理体系与安全管理体系：
位于整个体系架构的“两翼”，是中国教育决策模拟系统的两个支柱，贯穿于整个体系架构各层的建设过程中；
2、数据资源平台
在决策模拟系统框架下，完成现有五大平台（科研网络信息平台、网络会员调查平台、教育舆情监测平台、教育经济社会平台、教育数据地图平台）数据资源整合，建成教育资源的数据仓库。
2.1数据仓库
从业务需求和实际应用出发，对现有的数据资源和处理流程进行综合分析，以信息资源规划为标准，通过数据层面的整理提炼，整合分散在各个“信息孤岛”中的有效信息资源，形成完善的数据仓库，全面支持数据共享、统一管理和分析决策。
数据仓库中的数据是集成的，是从现有五个业务执行数据库（科研网络信息平台、网络会员调查平台、教育舆情监测平台、教育经济社会平台、教育数据地图平台）中抽取。
在各个源数据库中的操作型数据和数据仓库中的分析型数据有很大差别，数据仓库中的数据不能从原数据库中直接得到，必须经过清洗、聚集和转换。
这是建设数据仓库中非常关键而复杂的一步。
所有完成的工作有：
在各个分散的数据库系统中的源数据往往有很多重复或不一致的地方，要统一源数据中的所有矛盾之处。
得到数据仓库中的综合数据，需要将原始数据结构做一个面向应用到面向主题的转化，进行必要的数据综合和计算。
本系统提供专门的数据抽取和集成模块来完成上述工作。
数据抽取和集成工作在建立主题后进行，主要为事实表、维表和数据挖掘中间表的生成提供整合数据。
模块主要提供三个层次的功能：
数据的简单抽取和集成，数据的复杂处理和面向数据挖掘的数据预处理。
（1）数据的简单抽取和集成
在进行数据抽取工作之前，必须先注册外部数据源。
这里的外部数据源主要是各种关系型数据库，系统将数据源的详细信息注册在元数据中。
这些信息包括外部数据库的连接参数，数据表信息以及各个表中的字段信息等。
抽取数据时，以数据表为基本存储单位，抽取步骤如下：
指定数据源表及目标表。
数据源表可以是不同的多个表，目标表根据用户命名在主题中新建。
定义目标表中的字段及数据来源。
重复步骤2，直至所需的字段选取和定义完毕。
指定数据源表之间的关联，设置OrderBy和GroupBy等参数，加入其它抽取条件等。
根据以上定义，动态生成数据抽取SQL语句，从源数据库中将数据抽取到数据仓库指定主题的目标表中。
（2）数据的复杂处理
数据的简单抽取和集成功能已基本能够满足系统大部分功能，但对于各种不一致数据、错误数据以及复杂数据的集成，往往无法用一句SQL语句完成，需要进一步的工作。
所以系统提供复杂数据处理功能，以完成各种数据清洗、转换和复杂集成工作。
在数据抽取和集成模块中，用户定义并进行简单数据抽取后，可对生成的数据表进行进一步处理。
系统提供专门接口，由用户针对特殊的转换处理编写专门的SQL语句，这种处理语句可以有多句，由系统自动控制执行，经过一系列视图或临时表的转换之后，完成复杂数据处理任务。
（3）面向数据挖掘的数据预处理
如果经过前面的数据抽取和集成得到的数据仍不能满足数据挖掘的需要，需进一步做某些特殊的预处理，这时就可以在数据挖掘算法库中选择适当的算法，对数据进行深层次的处理，得到所需的数据。
如利用粗糙集算法对属性集进行约简等。
数据预处理所用的算法同样作为一种数据抽取和集成规则存入元数据中。
2.2信息采集系统
信息采集系统将对于教育经济社会数据库、网络会员调查平台、教育舆情监测系统、教育数据地图数据、科研网络信息平台，教育历史数据、宏观数据、非结构化数据进行采集。
（1）数据清洗与转换
根据接口要求实现对财政部门的数据的接收、转化、加载、处理。
接口都是通过文件的导入导出来实现，文件包括pdf、txt、xml这三种格式进行导入导出。
根据接口要求实现对监督机构的数据的接收、转化、加载、处理。
（2）非结构化信息采集
信息采集是整个系统的基础，它是整个平台系统对外提供服务的源泉，主要从各种数据源（包括互联网、数据库、文件系统、内部其他系统以及独立信息源）采集信息。
根据用户的需求，针对不同的数据格式，采用不同的手段与方式，真正将各数据孤岛的信息采集过来，用于资源平台的整合与使用。
系统采用多种连接器，分别针对多种异构的数据源，例如互联网系统采用互联网连接器来采集数据，数据集连接器负责采集数据库的数据，此外还有Notes连接器、文件系统连接器等。
文本信息采集主要有以下特点：
自动采集，同时监控数据源变化，同步更新数据；
能够处理基本常见的所有文件格式，能够采集基本常见的所有数据源；
设计成熟，通过各数据源厂商接口认证，兼容性极强；
对采集的数据格式要求极低，能够自动分析并处理、格式化各种数据；
集成安全权限，能够从不同的数据源继承原有的安全权限设置。
网站信息采集主要对象是各级指定网站，除实现基本的信息采集之外，还需要考虑到诸如时效性、精确采集等方面需求。
依照数据仓库构造模型，结合实际应用背景：
分布式应用：
布置在各分店的软件系统，支持分店独立运转的信息系统。
通讯组件：
布置在各分店的与数据库进行数据交换的通讯管理软件。
主要功能包括：
消息监听服务、数据抽取、数据上传、数据下载、数据存储。
从本质上讲它是Web环境下的分布式数据传输系统，是在现有WebMIS系统基础上，增加C/S模式的数据传输软件和相应管理软件。
数据访问接口：
在服务器上发布的WebService接口，接收远端用户的数据访问请求，解析数据访问指令，数据访问权限识别，执行数据访问，返回执行结果。
远端用户可以通过在应用系统中添加Web引用来实现对数据访问接口中相关功能的远程调用。
操作型数据库：
支持信息系统操作运行的数据库，数据粒度较细，数据是易变的。
战略型数据库：
从操作型数据库中按照维度定义抽取的汇总性的、战略性的数据存储，数据粒度较粗，数据是稳定的。
元数据：
元数据是数据仓库中重要的结构体系组成部分，它是数据仓库的数据字典，它存储了数据仓库中各种数据的存储地点和方式、分布数据的同步策略、数据抽取规则等等。
管理和控制：
是对数据仓库中的服务和活动起协调作用的后台服务程序，它控制数据抽取、数据转换，协调向用户传递信息。
一般来说数据仓库的主要组成部分包括：
源数据、数据准备、数据存储、信息传递、元数据、管理和控制。
按照上述结构，信息系统和分布式应用包含了源数据和数据准备部分，数据存储由DBMS完成，通讯组件和数据访问接口完成信息传递，元数据与管理和控制也是上述结构中重要构件。
3、硬件平台
3.1硬件总体架构
教育决策模拟系统硬件平台总体架构图如下图所示，总体架构包括数据处理存储区域、平台支撑服务器区域和网络安全区域。
3.2数据处理存储区域
教育决策模拟系统的数据处理由一批小型机、服务器担任数据处理的主机。
数据中心的存储系统由SAN（存储区域网络）、磁盘阵列和虚拟带库、光纤交换机等设备组成。
（1）由一批小型机、服务器担任数据处理的主机来承担教育决策模拟系统的数据处理业务。
（2）教育决策模拟系统的数据存储采用SAN（存储区域网络）存储架构，整个SAN网络采用双链路冗余，两台光纤交换机冗余，其中1台通路包括光纤线或者光纤交换机出现故障均不影响使用。
（3）数据的存储由高端磁盘阵列和低端虚拟带库组成。
最重要数据库数据存放在高性能高可靠性的在线存储磁盘阵列上，性能相对低的虚拟带库用来存放相对来说不是那么重要的数据以及做备份用。
决策分析数据库共采用6台小型机服务器。
决策应用平台数据库共采用3台小型机服务器。
存储设备
在教育决策模拟系统中，数据的存储由高端磁盘阵列和低端虚拟带库组成，
本项目共采用6台存储设备用于搭建教育决策模拟系统的存储平台。
3.3平台支撑服务器区域
在教育决策模拟系统中，采用一批机架式PC服务器担任数据处理的主机来承担教育决策模拟系统的平台数据处理业务。
在教育决策模拟系统中，采用25台PC服务器来部署系统各应用平台。
3.4网络安全区域
在教育决策模拟系统中，采用以下网络安全设备。
防火墙（2台）
入侵检测（1台）
防毒墙（2台）
核心交换机（2台）
应用负载均衡设备（2台）
链路负载均衡设备（2台）
4、模型分析及模型应用平台
4.1城乡教育资源配置
（一）建设目标
近年来，我国综合经济实力持续攀升、财政收入快速增长、各项社会事业健康发展，为教育的发展创造了良好的经济社会条件。
我国教育事业规模扩大，各级各类教育取得显著进展；教育结构进一步优化，教育服务发展的能力增强；教育的对外开放程度逐步加强。
但是，目前我国的教育发展还面临一些突出问题，主要是人民群众对教育投入、教育收费、应试教育、高考移民、择校风等问题反映强烈，城乡之间之间教育发展差距突出，贫困家庭子女、进城务工就业农民和流动人口子女等上学难问题没有完全解决，这些问题在很大程度上属于教育公平问题。
教育的不公平发展破坏了社会公平，也有可能危及社会的安定和可持续发展，以致影响社会稳定，阻碍社会的文明进步。
因而，如何实现教育公平关系到社会公平的实现及和谐社会的构建。
本模型着重解决以下几个问题：
（1）流动人口子女受教育问题
本模型的输出指标为人口自然变动情况（出生人口总数、死亡人口总数、出生率、死亡率、自然增长率）和人口机械变动情况（城乡净迁移人口数、净迁移率）再由上述数据推算其他重要指标。
（2）城乡教育资源合理配置问题
通过输入不同时间的教育、人口、经济等指标，模拟出城乡小学、初中、高中、大学的学校数量，师生比，学校资产，校舍情况等的合理配置方案。
（二）模型研究
指标体系结构如下所示：
运用系统动力学方法、人口预测方法、劳动力相关方法观点来分析预测教育不公平的问题。
根据SD的理论、方法分析实际系统，建立起概念与定量模型一体化的SD模型，借助于计算机模拟技术，进行定性与定量地研究社会、经济系统问题，并根据模拟结果调整政策以求最佳决策。
可以说SD模型就是实际系统的实验室，特别对非线性的复杂的大系统，更加体现出它的优越性。
我们希望以SD为工具通过定性与定量的研究为政府决策提供参考和依据，促进经济快速持续的发展。
分析教育的问题很重要的一个模块是人口。
基础人口数据预测在不考虑家庭结构的情况下，测算分城乡、分性别、分年龄的人口变动趋势，通过预测城乡转移人口，进行开放式的人口预测。
基础人口数据预测实现对人口自然变动情况（出生人口总数、死亡人口总数、出生率、死亡率、自然增长率）、人口机械变动情况（城乡净迁移人口数、净迁移率）的预测。
再由上述数据推算其他重要的人口指标，如人口总数、育龄妇女人口总数、老年人口总数、劳动力人口总数、老年人口比重、人口抚养比、年龄中位数等，从而实现快速、便捷地人口信息查询、监测和研究。
基础人口数据预测的总体框架分为三大部分，第一部分通过对人口期望预期寿命水平和死亡模式的设定，实现对人口死亡情况的预测；第二部分是通过设定生育水平和生育模式，实现对人口出生情况的预测；第三部分是迁移人口预测。
并对政策调整进行模拟分析。
基础人口数据预测模块的功能图如下所示：
根据基础人口数据预测模块的功能需求，可将其分为人口死亡情况预测、人口出生情况预测和迁移人口预测三个模块。
对于这个模块，利用系统动力学模型，将教育和人口联系起来。
系统动力学示意图：
4.2区域教育资源配置服务
（一）建设目标
改革开放以来，我国经济政策便倾向于东部沿海地区，这便无形中导致了教育投入的差距。
由于西部经济发展水平低，自然对教育投入相对较低，加上西部地区地理环境差，恶劣艰苦的生活条件，所以在吸引人才上自然处于一种不利的位置。
我国教育投资主要由地方政府自主支配，西部本身贫穷，自然在办学条件、师资力量等方面无法与东部相提并论。
显而易见，培养出来的学生素质也与东部相差甚远。
同时家庭用于教育的投入更为有限，对于温饱尚不能解决的家庭对教育的投资本身就是一种奢望。
因此，不同区域的教育存在很大差异。
本模型主要解决以下问题：
（1）流动人口子女异地高考问题；
本模型的输出指标为
升级会员 