曲海成，張鈞萍，陳雨時

（1.哈爾濱工業(yè)大學 信息工程系，哈爾濱 150001；2.遼寧工程技術大學 軟件學院，遼寧 葫蘆島 125105）

0 引 言

隨著中國空間技術的快速發(fā)展，我國已經具備了強大的對地觀測數據區(qū)長獲取能力，如何對這些海量遙感影像數據進行有效管理，進一步發(fā)揮遙感衛(wèi)星在國民經濟發(fā)展、災害預報與評估、科學研究領域的作用，一直是遙感衛(wèi)星數據應用領域的熱點問題［1－2］。多源遙感資源協同調度服務系統(tǒng)也是在這一背景下提出的。目前遙感衛(wèi)星數據應用系統(tǒng)多基于C／S結構，應用于特定的遙感數據領域，系統(tǒng)可移植性和靈活性不高，關鍵數據保密性處理級別不夠高，達不到快速響應和處理軍民共享遙感數據的實際需求［3－4］。為此，提出了集群環(huán)境下，基于JEE6框架、引入 Web服務和柔性分布式工作流技術的多源遙感協同調度軟件系統(tǒng)架構，來解決快速共享海量遙感數據服務過程中存在的軟件系統(tǒng)架構缺陷問題［5－7］。下面就按照軟件工程中的模型驅動體系架構理論，分業(yè)務需求、體系結構、軟件設計和軟件實現幾部分來闡述多層次遙感資源協同調度軟件架構的設計與實現。

1 系統(tǒng)需求

1.1 系統(tǒng)功能需求

目前，衛(wèi)星遙感技術與地面勘測、航空遙感一起，形成了全方位、立體化的對地觀測體系，具有多頻率、全天候、高精度、高效、快速的特點［2］。然而，在實際遙感數據應用處理過程中仍面臨以下問題。

1.1.1 海量遙感數據的快速組織與查詢［8］

系統(tǒng)處理的數據有這么幾個特點：要處理的遙感資源數據量大，達到PB量級；數據中心分布在不同區(qū)域，數據格式不統(tǒng)一，且這些數據由不同體系結構的管理系統(tǒng)管理；客戶端請求數據量大，很難滿足在客戶端瀏覽器下進行三維顯示的需求。這些特點都給目前遙感數據處理提出了新的問題，即在現有硬件和網絡環(huán)境下，如何解決分布式異構海量遙感數據的存儲和快速檢索問題。

1.1.2 要處理的業(yè)務流程越來越復雜

原有系統(tǒng)業(yè)務流程處理一般都是固定流程設計，很難隨著應用需求的變化進行調整。當前軟件系統(tǒng)需要滿足客戶、調度中心、規(guī)劃中心和數據資源中心之間的實時數據交互功能?？蛻粢詾g覽器模式提交的數據請求，然后經過數據加密和過濾技術到達調度中心，進行數據請求分析和負載均衡處理，再進行快速數據檢索，對檢索結果進行安全后處理再通過瀏覽器返回給客戶；當已有數據不滿足用戶需求時，調度中心需要將數據請求發(fā)送到數據規(guī)劃中心，然后自動協調客戶、規(guī)劃中心和數據資源中心3者之間的數據和請求交互；當出現緊急任務時，監(jiān)控中心能夠實時改變系統(tǒng)運行狀態(tài)，協調規(guī)劃中心和數據中心對用戶的數據請求快速做出反應。上述復雜業(yè)務流程僅靠狀態(tài)控制和一般工作流技術解決不了。

上述問題是軟件系統(tǒng)必須解決的關鍵問題，還有其他一些問題如系統(tǒng)運行在基于Unix系統(tǒng)的集群環(huán)境下和監(jiān)控端實時顯示調度信息、數據交互的安全性等［9－10］，這些問題都給系統(tǒng)軟件架構提出了新的要求。

1.2 系統(tǒng)功能結構

經過大量實地考察和專家論證，結合目前先進的軟件開發(fā)及管理經驗，給出了軍民共享多源遙感資源協同調度服務系統(tǒng)主要功能實現框圖，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能框圖

系統(tǒng)主要通過調度中心實現客戶與不同遙感資源中心之間的信息交互，即：客戶通過門戶網站提交數據訂單請求到調度中心，調度中心根據數據請求的狀態(tài)和資源服務器的負載情況進行調度。如果有客戶請求的數據，則對授權用戶提供數據下載服務；如果沒有數據需要生產，則將請求提交給任務規(guī)劃部門進行規(guī)劃，然后將規(guī)劃方案提交數據生產部門進行生產，最后將生產好的數據提交給調度中心，調度中心通知用戶下載。系統(tǒng)涉及客戶、調度中心、規(guī)劃中心、第三方資源數據中心之間的復雜數據交互過程。

新的軟件系統(tǒng)架構要求具有開放性和靈活性，能與其他異構系統(tǒng)進行無縫數據交互，且能夠實現并行處理大規(guī)模數據的能力。為此，軟件系統(tǒng)中引入面向服務架構和分布式工作流技術，來解決上述問題。

2 Web服務與協同工作流技術

2.1 Web服務技術

Web服務技術是一項獨立于應用程序開發(fā)平臺、具有松耦合特性并且滿足一系列Web協議標準的計算機技術［11］。Web服務技術為基于Internet／Intranet分布式系統(tǒng)的資源共享和功能集成提供靈活解決方案。它通過精確定義的接口來提供相關服務，屏蔽了實現服務具體的開發(fā)平臺和程序設計語言，使得客戶不用關心服務內部實現細節(jié)，只需要提供相應的參數，就能夠獲得需要的數據；另外Web服務采用開放的標準進行數據描述、傳輸和交換，對關鍵數據，方便加入第三方組件進行加密和過濾處理。對本系統(tǒng)而言，采用Web服務技術無疑是最佳選擇。因為調度系統(tǒng)與網站、規(guī)劃中心和數據中心之間都是異構系統(tǒng)平臺，且物理上分別部署在不同區(qū)域，采用基于SOA架構的軟件系統(tǒng)，統(tǒng)一了交互數據的格式，便于異構系統(tǒng)之間數據交互。

2.2 面向服務的分布式協同工作流技術

傳統(tǒng)的工作流技術不能在不同的系統(tǒng)之間進行有效地集成，或者使得集成后的業(yè)務流程變得非常復雜。而面向服務架構則可以很好地解決業(yè)務流程無法集成的問題，它可以根據系統(tǒng)的需求，通過網絡對松散耦合的粗粒度應用組件服務進行分布式部署、組合和使用。因此，根據分布式工作流技術的特點以及面向服務的特性，將分布式工作流技術與面向服務相結合，提出基于SOA架構的分布式工作流模型，以適應開放、分布、異構、動態(tài)的遙感數據處理的復雜應用需求［12－13］。

3 多源遙感資源協同調度系統(tǒng)架構設計

3.1 四層架構理論模型

圖2 四層架構設計方案

目前，處理海量遙感數據的系統(tǒng)多采用3層結構，即應用層、邏輯層和數據層。這種結構特點是系統(tǒng)結構相對簡單，實現起來相對容易，各層間耦合度較大，一般用于局域網范圍內，適合處理集中式數據?，F系統(tǒng)要求：1）本地數據中心實時獲取異地數據中心的數據，滿足客戶通過瀏覽器和其他客戶端獲取空間數據；2）同時要求調度系統(tǒng)支持異地異構數據交互，并進行數據安全驗證；3）通過客戶端實時監(jiān)控系統(tǒng)運行狀態(tài)和任務交互情況。上述要求在三層結構下無法同時滿足，基于此，提出四層架構設計方案（如圖2所示），即在三層方案基礎上，增加支撐層。支撐層主要是框架和組件層，通過采用第三方成熟框架和組件，進一步劃分邏輯層和數據層之間的界限，邏輯層不直接與數據交互，通過支撐層獲得數據。這樣設計可降低邏輯層和數據層之間的耦合度，便于對異構海量數據的存取，同時，采用框架組件設計，便于系統(tǒng)更新和移植。

3.2 四層架構方案實施

針對于上節(jié)的四層設計模式，在系統(tǒng)中四層架構具體描述如圖3所示。

圖3 四層設計的具體功能部署

這4個層次具體實現描述如下：

1）應用層以前臺網站應用為主，主要實現遙感數據訂單請求、查詢、和修改；任務規(guī)劃請求的查詢和修改；歷史數據查詢和快速視圖數據檢索等任務。

2）中間層主要是業(yè)務邏輯接口層。將各具體任務封裝成Web服務，同時構建與第三方軟件系統(tǒng)數據交互的Web服務接口。

3）支撐系統(tǒng)運行的框架和組件層。主要包括JEE6框架、分布式工作流組件、空間數據訪問組件、集群管理組件和數據加密與過濾組件等。

4）基礎數據層。這一層主要完成本地數據中心與其他分散數據中心之間的數據同步以及對支撐系統(tǒng)運行的關系數據和其他類型數據的管理。

以上4個層次的具體軟件系統(tǒng)部署情況［13］如下圖4所示。

圖4 大系統(tǒng)軟件部署圖

整個大系統(tǒng)主要涉及6個子軟件系統(tǒng)，其中系統(tǒng)1為前臺網站系統(tǒng)，2為采用基于MFC的搭建三維數據顯示系統(tǒng)，3為采用C＃語言搭建的任務規(guī)劃系統(tǒng)，5為本地數據中心采用Java GUI技術搭建，4和6分別是調度中心的服務器端和客戶端軟件系統(tǒng)。

由于規(guī)劃中心、三維顯示和各數據中心的系統(tǒng)為已有系統(tǒng)，且采用不同技術搭建，給系統(tǒng)集成帶來困難。調度中心是整個系統(tǒng)核心部分，調度中心的實現技術關系著整個系統(tǒng)的成敗。為此，調度中心服務器端采用基于JEE6框架搭建，部署Web Service服務和工作流引擎，運行到Unix服務器中；監(jiān)控端采用Java GUI設計，通過Socket接口與服務器端實時通信，監(jiān)控系統(tǒng)的運行狀態(tài)；前臺網站主要采用JSP和Ajax技術搭建，后臺支持Web服務器為Weblogic和GeoServer。

3.3 系統(tǒng)架構分析

整個大軟件系統(tǒng)比較復雜，由調度系統(tǒng)將前臺網站、規(guī)劃中心和數據中心等系統(tǒng)統(tǒng)一成一個有機整體。這一軟件系統(tǒng)架構設計，有效地實現了海量異構遙感數據的共享和快速數據服務，尤其適用于對數據安全要求較高的軍民共享遙感數據管理系統(tǒng)。這一架構先進性主要體現在以下幾個方面［14］：

1）基于應用層、功能邏輯層、功能組件支撐層和基礎數據層的多層次軟件體系結構設計，使得整體軟件結構層次清晰、功能劃分明確，系統(tǒng)結構穩(wěn)定，易于系統(tǒng)升級和擴展。

2）基于混合結構的調度系統(tǒng)，既實現了異構軟件系統(tǒng)之間的數據交互，又實現了對交互數據的實時監(jiān)控。

3）面向服務的協同分布式工作流設計，有效利用集群資源，實現對復雜業(yè)務流程的動態(tài)管理，增加了系統(tǒng)的靈活性，給異構環(huán)境下復雜數據流處理提供了可行方案。

但是系統(tǒng)整體比較復雜，配置管理起來技術難度較大；另外基于第3方組件的數據加密與過濾技術，對系統(tǒng)性能影響較大。

4 結 語

經過實驗室模擬仿真運行和真實環(huán)境試運行結果來看，本軟件系統(tǒng)架構能夠滿足多用戶對多源異構遙感數據服務的需求，有效地實現了對多源異構遙感數據的綜合處理（包括存儲、傳輸與顯示等），提高了系統(tǒng)數據訪問的安全性。系統(tǒng)在實時數據監(jiān)控、并行數據訪問能力、多模式多狀態(tài)任務流轉流程處理方面也都有不錯表現。

本文提出的軟件結構模式，可應用到面向各個應用部門用戶，管理和組織所有衛(wèi)星下傳的圖像數據，廣泛服務于特殊情況的減災救災、應急指揮以及常規(guī)的農、林、城市規(guī)劃等關系國計民生的各個領域，具有一定的推廣示范應用價值。

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