宋 坤,周智海

(國家海洋技術(shù)中心 天津 300112)

基于SOA的海洋環(huán)境觀測集成系統(tǒng)框架研究*

宋 坤,周智海

(國家海洋技術(shù)中心 天津 300112)

針對海洋環(huán)境觀測集成系統(tǒng)面臨的分布式異構(gòu)環(huán)境下的動態(tài)集成、計算密集與數(shù)據(jù)密集等問題,結(jié)合 “十五”“十一五”海洋 “863”計劃的成果,文章引入面向服務的軟件體系結(jié)構(gòu) (SOA)的設計理念,提出了一種基于面向服務架構(gòu)的分布式開發(fā)集成系統(tǒng)框架。整個框架主要由基礎(chǔ)平臺、數(shù)據(jù)層、組件層、服務層和應用層等組成。各層內(nèi)部采用面向?qū)ο蟮姆椒ㄟM行設計,各層相對獨立,層間的耦合性比較小,服務層包含了所有分布式子系統(tǒng)的服務抽象和封裝,以服務的方式供應用層使用,開放性好、可重用性強,開發(fā)效率高。采用該框架的系統(tǒng)可以在分布式環(huán)境中應用,解決了海洋環(huán)境觀測集成系統(tǒng)分布式異構(gòu)環(huán)境的動態(tài)集成,同時系統(tǒng)的一些子模塊可以高效地加以復用、修改,以滿足不斷增加的應用需求。

系統(tǒng)工程;海洋環(huán)境觀測集成系統(tǒng);面向服務的軟件體系結(jié)構(gòu)(SOA);服務

1 引言

海洋環(huán)境觀測集成系統(tǒng)通過遙感衛(wèi)星、巡航飛機、監(jiān)測船、各類浮標、潛標、海床基、水下觀測站、岸/平臺基海洋觀測站、雷達站及其他可利用的觀測系統(tǒng),實現(xiàn)對海洋環(huán)境的立體、實時、長期觀測和信息處理,形成實測、預報、評估、統(tǒng)計分析等信息產(chǎn)品,并通過互聯(lián)網(wǎng)、專線等方式,為有關(guān)部門及用戶提供多種形式的信息服務。隨著信息網(wǎng)絡的普及,IT技術(shù)和海洋觀測技術(shù)等的發(fā)展,海洋環(huán)境觀測集成系統(tǒng)必將成為異構(gòu)信息及應用動態(tài)集成和數(shù)據(jù)密集型系統(tǒng)[1]。

海洋環(huán)境觀測集成系統(tǒng)需要集成幾十個觀測站點、海區(qū)業(yè)務中心、國家業(yè)務中心、信息服務及應用中心等,參與開發(fā)的有幾十家科研單位。這就造成應用系統(tǒng)開發(fā)語言、部署平臺、通信協(xié)議等可能不同。如何實現(xiàn)這些應用系統(tǒng)與資源的無縫連接,這就需要一個支持分布式海洋觀測應用集成的框架。一方面使得處于異構(gòu)環(huán)境、分布存放的海洋觀測應用和數(shù)據(jù)能夠靈活、快速地整合、擴展;另一方面,也是為了滿足用戶對海洋觀測不斷增加的應用需求,并能為用戶快速、準確的提供信息服務。

2 SOA和Web Service

面向服務的軟件體系結(jié)構(gòu)(service-oriented architecture,SOA)概念由Gartner公司在1996年首次提出,是基于 “軟件變服務”思想提出的一種新的解決軟件重用和應用基礎(chǔ)的方案[2]。作為一個組件模型,SOA提供了一種方法,通過這種方法在構(gòu)建分布式系統(tǒng)時,可以將應用程序的不同功能單元作為服務提供給終端用戶應用程序或其他服務。而這些服務通過之間定義良好的接口和契約聯(lián)系起來。這使得構(gòu)建在各種這樣的系統(tǒng)中的服務可以以一種統(tǒng)一和通用的方式進行交換。SOA的特性是 “服務的封裝”“服務的重用”和 “服務的互動”,服務是從業(yè)務流程的角度看待技術(shù)的。其根本目標是解決 “信息孤島”的問題,并提供隨需要變化的服務[3]。

SOA是一種架構(gòu)模型,而Web Service是SOA最流行的一種實現(xiàn)方法[4]。其提供了一種分布式的計算技術(shù),可以讓地理上分布在不同區(qū)域的計算機和設備一起工作。使用Web Service,通過松散的服務捆綁集合形式,能夠快速低代價地開發(fā)、發(fā)布和動態(tài)綁定應用。將傳統(tǒng)的對象集成與開放的、靈活的Web服務整合在一起。系統(tǒng)只需要以服務的形式出現(xiàn);而選擇與該系統(tǒng)交互的其他系統(tǒng)只需要發(fā)現(xiàn)那些服務,并且在運行時或設計時與這些服務綁定,就可以使用服務了[5]。

Web Service中共有3種服務角色:服務提供者(service provider)、服務請求者(service requester)和服務注冊(service registry)。服務提供者在服務注冊中發(fā)布自己的服務,并且對使用自身服務的請求進行響應。服務請求者在需要某項服務的時候,利用服務注冊查找所需要的服務,然后就可以以一種對服務請求者透明的方式使用該服務。服務注冊連接服務請求者和服務提供者。對服務提供者發(fā)布的服務進行注冊,并且響應服務請求者的服務搜索請求。服務提供者和服務請求者通過消息進行通訊。Web Service中的3種角色以及它們之間的關(guān)系見圖1。

圖1 Web Service中的3種角色及關(guān)系

3 海洋環(huán)境觀測集成系統(tǒng)功能需求

基于目前國內(nèi)外海洋環(huán)境觀測集成系統(tǒng)的研究進展,該系統(tǒng)主要包括以下四大功能。

3.1 海洋環(huán)境數(shù)據(jù)獲取

針對海洋權(quán)益維護、防災減災、生態(tài)保護、資源開發(fā)、海上工程與航運以及國防建設對海洋環(huán)境觀測數(shù)據(jù)和海洋監(jiān)視信息的總體需求,開展新型與智能化海洋環(huán)境要素多平臺傳感與數(shù)據(jù)獲取技術(shù)、多平臺遙感監(jiān)測與監(jiān)視應用技術(shù)、移動目標探測與識別技術(shù)、數(shù)據(jù)通信與鏈路等技術(shù)的研究與開發(fā),建立天基 (監(jiān)測、監(jiān)視衛(wèi)星)、空基 (巡航飛機、無人機)、海岸/海島基 (海洋觀測站、雷達站、監(jiān)測車)、海面及水下 (船舶、浮標、潛標)、海床基 (水下觀測站、水下水聲探測陣、潛器)相配套的海洋環(huán)境立體觀測監(jiān)視平臺體系,形成海洋環(huán)境立體觀測監(jiān)視能力,獲取我國管轄海域及其西北太平海洋環(huán)境要素同步、實時、長期、連續(xù)觀測數(shù)據(jù)和海洋監(jiān)視動態(tài)信息。

3.2 數(shù)據(jù)通信與管理

利用Internet網(wǎng)絡通信標準和系列技術(shù),構(gòu)建海洋環(huán)境立體觀測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡,實現(xiàn)對海洋環(huán)境立體觀測數(shù)據(jù)、信息產(chǎn)品和狀態(tài)信息等的接收、集成、規(guī)范化存儲管理和實時傳輸。

3.3 信息處理與服務

針對獲取的海洋動力和生態(tài)環(huán)境觀測實時、準實時、歷史、業(yè)務指導及其他可利用數(shù)據(jù),采用成熟的海洋環(huán)境數(shù)據(jù)處理方法及模式,完成觀測數(shù)據(jù)處理、分析、質(zhì)量控制等,建立分布式開放型海洋動力和生態(tài)環(huán)境觀測實時數(shù)據(jù)庫、延時數(shù)據(jù)庫,并以此為基礎(chǔ)開展實測、統(tǒng)計分析、同化融合和預警預報等信息產(chǎn)品的制作,建立信息產(chǎn)品庫,為防災減災、資源開發(fā)、海洋維權(quán)等提供數(shù)據(jù)和信息產(chǎn)品服務。

3.4 集成系統(tǒng)運行管理

基于海洋環(huán)境觀測集成系統(tǒng)長期業(yè)務化運行的需求,針對海洋環(huán)境觀測設備、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡及集成系統(tǒng)軟件平臺、硬件平臺的運行狀態(tài)、數(shù)據(jù)集成與處理和信息發(fā)布能力等進行狀態(tài)信息獲取、處理、實時顯示,系統(tǒng)運行狀態(tài)統(tǒng)計分析、評估等。為集成系統(tǒng)運行維護、完善升級提供基礎(chǔ)信息。

4 海洋環(huán)境觀測集成系統(tǒng)框架設計

依據(jù)海洋環(huán)境觀測集成系統(tǒng)的功能需求,結(jié)合近年來蓬勃發(fā)展的面向服務的軟件體系架構(gòu),本研究提出了一種基于SOA的分布式海洋環(huán)境觀測集成系統(tǒng)框架 (圖2)。

圖2 海洋環(huán)境觀測集成系統(tǒng)框架

該框架主要由基礎(chǔ)平臺、數(shù)據(jù)層、組件層、服務層、應用層以及標準規(guī)范與管理體系和信息安全體系等組成。各層相對獨立,層間的耦合性比較小。

基礎(chǔ)平臺主要包括海洋觀測平臺/設備、系統(tǒng)硬件平臺和軟件平臺等作為整個系統(tǒng)運行的支撐。

數(shù)據(jù)層是系統(tǒng)實現(xiàn)各種服務的數(shù)據(jù)源。

組件層包含了集成系統(tǒng)運行所需要的基本功能模塊,在組件層內(nèi)部,使用面向?qū)ο蟮脑O計方法設計每個模塊。

服務層包含可提供的各種服務的抽象,每種服務都能提供集成系統(tǒng)的某個獨立功能。各個服務所包含的組件層對象都是相互獨立的。服務層的各項服務首先需要向服務注冊中心發(fā)布,當應用層的服務使用者需要使用服務層中的某個服務時,就會向服務注冊中心查找相應的服務。查找到相應的服務后,根據(jù)獲得的地址發(fā)起連接,通過簡單對象訪問協(xié)議(simple object access protocol,SOAP),使用特定的服務參數(shù)和服務層中的服務提供者綁定,進行服務請求的發(fā)送和應答的接收,從而實現(xiàn)服務的調(diào)用。

應用層負責和用戶進行交互,并根據(jù)需要從注冊中心查找并綁定相應的服務。

4.1 基礎(chǔ)平臺

基礎(chǔ)平臺處于該系統(tǒng)框架的最底層,主要包括海洋觀測平臺,如海岸基與海島基定點海洋動力和生態(tài)環(huán)境觀測、近海海洋動力環(huán)境定點剖面觀測、高頻地波雷達海洋動力環(huán)境觀測等設備和船載海洋動力和生態(tài)環(huán)境觀測系統(tǒng)、海洋環(huán)境衛(wèi)星/航空遙感應用觀測系統(tǒng)等提供實時海洋環(huán)境觀測要素;系統(tǒng)硬件平臺如,服務器、存儲設備、工作站和網(wǎng)絡設備等為系統(tǒng)提供硬件支撐;系統(tǒng)軟件平臺如,操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫等作為應用系統(tǒng)的支持。

4.2 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層作為整個系統(tǒng)的實現(xiàn)各種服務的基礎(chǔ),為系統(tǒng)提供各類海洋信息數(shù)據(jù),包括海洋環(huán)境觀測要素實時數(shù)據(jù)庫、延時數(shù)據(jù)庫、地理信息等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、歷史資料庫、信息產(chǎn)品庫、系統(tǒng)運行狀態(tài)庫等。

4.3 組件層

組件層包含了系統(tǒng)運行所需要的基本功能模塊。在該層內(nèi)部,使用面向?qū)ο蟮姆椒ㄔO計每個模塊。各模塊內(nèi)部包含一些相關(guān)的對象,這些對象互相通信、協(xié)作共同完成對外提供的服務。如,數(shù)據(jù)分析和處理模塊,完成觀測數(shù)據(jù)數(shù)碼轉(zhuǎn)換、質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)分類等標準化和規(guī)范化處理,形成相互關(guān)聯(lián)的四維時空數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)訪問模塊,可以依據(jù)提交的服務從數(shù)據(jù)層中獲取需要的數(shù)據(jù),并將返回的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為需要格式或根據(jù)服務的要求將處理后的數(shù)據(jù)錄入至相應的數(shù)據(jù)庫,提供服務與數(shù)據(jù)層之間的接口;數(shù)據(jù)交互模塊,根據(jù)服務的要求和定義的傳輸流程實現(xiàn)各類觀測數(shù)據(jù)和信息產(chǎn)品的傳輸和存儲管理等。

4.4 服務層

服務層包含可提供的各種服務的抽象和封裝。每個服務完成系統(tǒng)的某項獨立的功能,以服務的形式提供給高層使用。每個服務都通過組織和協(xié)調(diào)組件層中相應的功能模塊,來向應用層提供粗粒度的、較大規(guī)模的數(shù)據(jù)獲取分析、信息發(fā)布、預警預報、輔助決策等功能。應用層通過從服務注冊中心查找所需要的所有服務的地址和參數(shù)后,通過特定的服務參數(shù),使用服務層提供的功能。

4.5 應用層

應用層負責用戶和系統(tǒng)的交互,為用戶提供人性化的操作和展示界面[6]。應用層主要包括:可視化用戶界面、瀏覽器、移動應用等。其中,可視化用戶界面為用戶提供C/S架構(gòu)的直觀、形象的系統(tǒng)操作和展示方式;瀏覽器通過互聯(lián)網(wǎng)等,實現(xiàn)對系統(tǒng)的遠程操作、使用;移動應用是借助互聯(lián)網(wǎng)和無線網(wǎng)絡將對集成系統(tǒng)使用擴展到智能手機或PDA上,使處于移動狀態(tài)的用戶可以隨時隨地通過手機上網(wǎng)方式及時獲取數(shù)據(jù)、信息等。

5 總結(jié)

隨著我國沿海地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展和國家綜合實力的增強,對區(qū)域乃至全國性海洋環(huán)境觀測和信息服務能力建設的需求逐年增加。依據(jù)SOA體系結(jié)構(gòu)模型的基本特征,本研究引入SOA的設計理念提出了一種基于面向服務架構(gòu)的開放式海洋環(huán)境觀測集成系統(tǒng)的框架。采用這種框架的系統(tǒng)可以在分布式環(huán)境中應用,解決了海洋環(huán)境觀測集成系統(tǒng)分布式異構(gòu)環(huán)境的動態(tài)集成。同時系統(tǒng)的一些子模塊可以高效地加以重復用、修改,以滿足不斷增加的應用需求。

[1] 周智海.海洋環(huán)境監(jiān)測和信息服務集成系統(tǒng)規(guī)范化設計考慮[J].氣象水文海洋儀器,2004(3):1-8.

[2] 黃小慶,關(guān)維德,周宇,等.面向服務架構(gòu)中的服務分類及其應用[J].計算機集成制造系統(tǒng),2009,15 (9):1844-1853.

[3] 陳俊杰,苑小軍.面向服務架構(gòu)(SOA)與系統(tǒng)集成[J].中國高新技術(shù)企業(yè),2008(11):131-134.

[4] 苗春雨,史美林,姜進磊.基于Web服務的消息中問件系統(tǒng)[J].通信學報,2006,27(11):96-100.

[5] 陳啟祥,楊軍.面向服務的軟件架構(gòu)SOA及其支撐技術(shù)的研究[J].湖北工業(yè)大學學報,2005,20 (4):38-41.

[6]KENNETH E K,JULIE E K.系統(tǒng)分析與設計[M].施平安,郝清賦,譯.北京:機械工業(yè)出版社, 2010:

417-444.

國家高技術(shù)研究發(fā)展技術(shù) (“863”計劃) “南海海洋動力環(huán)境數(shù)據(jù)集成與應用技術(shù)系統(tǒng)開發(fā)”項目(2008AA09A404).