楊 辰 ,劉 展,魏合龍,李 曼,郭加樹(shù),孫記紅,李益文

(1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所/國(guó)土資源部、廣西壯族自治區(qū)巖溶動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西 桂林 541004;2.中國(guó)石油大學(xué)(華東),山東 青島 266580;3.青島海洋地質(zhì)研究所,山東 青島 266071)

在全球陸地資源日益緊張和環(huán)境不斷惡化的今天,海洋成為沿海國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱[1],因此對(duì)海洋地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)產(chǎn)生大量的應(yīng)用需求。由于工作分區(qū)部署,海洋地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)由各個(gè)調(diào)查單位獨(dú)自管理,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在傳統(tǒng)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中,這就導(dǎo)致了海洋地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)存在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不一致、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性小、信息孤島、數(shù)據(jù)難以共享、利用率低等問(wèn)題[2],如何對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的組織并提供高效的數(shù)據(jù)服務(wù),是信息化建設(shè)需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。目前,國(guó)外面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型應(yīng)用已趨于成熟,最典型的是 POSC(Petrotechnical Open Standards Consortium)組織的 Epicentre數(shù)據(jù)模型,國(guó)內(nèi)宋瑋等人[3]進(jìn)行了面向?qū)ο髸r(shí)空數(shù)據(jù)模型的研究;徐翠玲等人[4]設(shè)計(jì)了面向?qū)ο蟮臄?shù)字地質(zhì)圖數(shù)據(jù)模型。海洋地質(zhì)調(diào)查領(lǐng)域戴勤奮等[5]提出了區(qū)域海洋地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)模型,馮斌等人[6]設(shè)計(jì)的海洋地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng),孫記紅等人[7]設(shè)計(jì)了海洋油氣勘探鉆錄測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái),并構(gòu)建了海洋油氣勘探鉆錄測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù),但這些都是基于關(guān)系數(shù)據(jù)模型的,數(shù)據(jù)的管理應(yīng)用僅局限于單個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù),數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性低、共享差,還沒(méi)有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)集成服務(wù)系統(tǒng)。

本文通過(guò)研究 Epicentre數(shù)據(jù)模型,采用面向?qū)ο蟮姆椒ㄔO(shè)計(jì)統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型,建立海洋地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái),集成各海洋地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)海洋地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)的共享服務(wù)。

1 平臺(tái)框架設(shè)計(jì)

海洋地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)分布存儲(chǔ)在各調(diào)查單位的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中,由各單位獨(dú)立管理使用,設(shè)計(jì)面向?qū)ο蟮慕y(tǒng)一邏輯實(shí)現(xiàn)海洋地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)的集成。為方便專業(yè)人員獲取數(shù)據(jù),設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)模型,為用戶提供以業(yè)務(wù)活動(dòng)為單元的數(shù)據(jù),并提供相應(yīng)的應(yīng)用方法?；谝陨戏治?如圖1所示,本文提出了“三層”體系結(jié)構(gòu)的海洋地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)的設(shè)計(jì)框架。

圖1 海洋地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)體系架構(gòu)Fig.1 The system architecture of marine geological survey data services platform

1.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)層

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)層以單個(gè)海洋地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)庫(kù)為基本單位,建立海洋地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)訪問(wèn)接口,以服務(wù)的方式對(duì)外發(fā)布,在集成管理層統(tǒng)一管理。

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為存儲(chǔ)在各調(diào)查單位的海洋地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)。海洋地質(zhì)調(diào)查是海洋沉積、海洋地貌和海底構(gòu)造調(diào)查的統(tǒng)稱。海洋地質(zhì)調(diào)查內(nèi)容主要包括地球物理調(diào)查、地質(zhì)取樣、原位測(cè)試觀測(cè)、樣品測(cè)試分析、研究等[8],包括地球物理調(diào)查數(shù)據(jù)、海底地形調(diào)查數(shù)據(jù)、樣品分析數(shù)據(jù)、海洋鉆井?dāng)?shù)據(jù)、海岸帶環(huán)境地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)及衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)等[5-6]。

1.2 集成管理層

集成管理層以統(tǒng)一的邏輯模型實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)的集成訪問(wèn),主要包括管理單庫(kù)數(shù)據(jù)訪問(wèn)服務(wù)、面向?qū)ο蟮慕y(tǒng)一邏輯模型管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)一訪問(wèn)接口等功能。

(1)面向?qū)ο蟮慕y(tǒng)一邏輯模型設(shè)計(jì)

采用面向?qū)ο蟮姆椒?以對(duì)象-活動(dòng)-關(guān)系為核心體系,建立涵蓋所有海洋地質(zhì)調(diào)查對(duì)象的統(tǒng)一的海洋地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)邏輯模型。

(2)數(shù)據(jù)源信息管理

主要包括數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)庫(kù)名稱、簡(jiǎn)介、對(duì)象關(guān)系映射信息、單庫(kù)數(shù)據(jù)訪問(wèn)服務(wù)接口等。

(3)統(tǒng)一數(shù)據(jù)訪問(wèn)接口設(shè)計(jì)

根據(jù)用戶發(fā)出的查詢指令,對(duì)各單庫(kù)數(shù)據(jù)訪問(wèn)服務(wù)進(jìn)行查詢?cè)L問(wèn),并將各數(shù)據(jù)訪問(wèn)服務(wù)返回的查詢結(jié)果進(jìn)行整合,提交給用戶。

1.3 平臺(tái)應(yīng)用層

平臺(tái)應(yīng)用層主要是根據(jù)集成管理層提供的統(tǒng)一數(shù)據(jù)訪問(wèn)接口,進(jìn)行基于對(duì)象和業(yè)務(wù)模型的數(shù)據(jù)可視化查詢展示、打包下載等服務(wù)。

2 關(guān)鍵技術(shù)

實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)海洋地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)庫(kù)的集成服務(wù),為用戶提供基于業(yè)務(wù)模型和對(duì)象的數(shù)據(jù)查詢,主要有以下關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 業(yè)務(wù)模型的構(gòu)建

借鑒 POSC業(yè)務(wù)模型[9]和王海平等人提出的油田業(yè)務(wù)分析與建模方法[10],本文以海洋地質(zhì)調(diào)查生命周期為主線,結(jié)合專業(yè)技術(shù)和業(yè)務(wù)管理的劃分方法,合理劃分業(yè)務(wù)域及業(yè)務(wù)活動(dòng),保證全面覆蓋海洋地質(zhì)調(diào)查業(yè)務(wù),并避免不同業(yè)務(wù)域間的業(yè)務(wù)活動(dòng)冗余,采用“業(yè)務(wù)領(lǐng)域-業(yè)務(wù)-業(yè)務(wù)流程-業(yè)務(wù)活動(dòng)”的方式對(duì)海洋地質(zhì)調(diào)查進(jìn)行業(yè)務(wù)及活動(dòng)劃分,具體流程如圖 2所示。業(yè)務(wù)模型的建立方便了用戶基于業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)查詢服務(wù),用戶不需要自己建立數(shù)據(jù)之間的關(guān)系,避免了用戶對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)不了解帶來(lái)的麻煩。

圖2 業(yè)務(wù)模型建模流程Fig.2 Modeling process of business model

2.2 面向?qū)ο蟮倪壿嬆Ｐ驮O(shè)計(jì)

采用面向?qū)ο蟮姆椒ㄔO(shè)計(jì),參考EPICENTRE數(shù)據(jù)模型,針對(duì)現(xiàn)有海洋地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù),設(shè)計(jì)覆蓋所有海洋地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)的統(tǒng)一邏輯模型。

(1)EPICENTRE數(shù)據(jù)模型

EPICENTRE數(shù)據(jù)模型是由類、實(shí)體、屬性、約束等構(gòu)成的具有層次結(jié)構(gòu)的面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型,對(duì)象-活動(dòng)-屬性-關(guān)系構(gòu)成了Epicentre數(shù)據(jù)模型的核心數(shù)據(jù)體系,如圖3所示[11]。EPICENTRE數(shù)據(jù)模型主要由活動(dòng)、特性、關(guān)心對(duì)象、關(guān)系、地質(zhì)過(guò)程、參考數(shù)據(jù)等超類構(gòu)成。

圖3 Epicentre數(shù)據(jù)模型核心體系Fig.3 The core system of Epicentre data model

(2)邏輯模型設(shè)計(jì)原則

設(shè)計(jì)海洋地質(zhì)調(diào)查邏輯模型時(shí),應(yīng)體現(xiàn)面向?qū)ο蟮奶攸c(diǎn)和科學(xué)的數(shù)據(jù)管理體系,同時(shí)模型具有高度的集成性,模型必須覆蓋海洋地質(zhì)調(diào)查所有領(lǐng)域的對(duì)象,這些對(duì)象不按專業(yè)進(jìn)行分割,而是按客觀世界中對(duì)象間的聯(lián)系組織,使各專業(yè)的應(yīng)用軟件都可以對(duì)該模型進(jìn)行操作,并且其數(shù)據(jù)是相互一致的,實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)用軟件在數(shù)據(jù)一級(jí)上的集成。

2.3 對(duì)象關(guān)系映射技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)向面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型的轉(zhuǎn)換,需采用ORM(Object/Relation Mapping)技術(shù)。ORM對(duì)象關(guān)系映射,將關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中表的數(shù)據(jù)映射成為對(duì)象,以對(duì)象的形式展現(xiàn),這樣開(kāi)發(fā)人員就可以把對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的操作轉(zhuǎn)化為對(duì)這些對(duì)象的操作,不需要再使用復(fù)雜的 SQL語(yǔ)句[12]。ORM 是隨著面向?qū)ο蟮能浖_(kāi)發(fā)方法發(fā)展而產(chǎn)生的。面向?qū)ο蟮拈_(kāi)發(fā)方法是當(dāng)今企業(yè)級(jí)應(yīng)用開(kāi)發(fā)環(huán)境中的主流開(kāi)發(fā)方法,關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)是企業(yè)級(jí)應(yīng)用環(huán)境中永久存放數(shù)據(jù)的主流數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)。對(duì)象和關(guān)系數(shù)據(jù)是業(yè)務(wù)實(shí)體的兩種表現(xiàn)形式,業(yè)務(wù)實(shí)體在內(nèi)存中表現(xiàn)為對(duì)象,在數(shù)據(jù)庫(kù)中表現(xiàn)為關(guān)系數(shù)據(jù)。內(nèi)存中的對(duì)象之間存在關(guān)聯(lián)和繼承關(guān)系,而在數(shù)據(jù)庫(kù)中,關(guān)系數(shù)據(jù)無(wú)法直接表達(dá)多對(duì)多關(guān)聯(lián)和繼承關(guān)系。因此,對(duì)象-關(guān)系映射(ORM)系統(tǒng)一般以中間件的形式存在,主要實(shí)現(xiàn)程序?qū)ο蟮疥P(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)的映射,映射機(jī)制如圖 4所示[13]。

圖4 ORM映射機(jī)制Fig.4 ORM mapping mechanism

2.4 分布式技術(shù)

由于海洋地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在分布式異構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)中,需采用分布式技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)各數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)的集成共享,本文所采用的分布式技術(shù)為WCF技術(shù)。

WCF的全稱為Windows Communication Foundation,是 Microsoft 基于面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)(SOA)構(gòu)建的分布式通信編程框架,是.NET框架的重要組成部分,體系結(jié)構(gòu)如圖5所示[14]。使用WCF技術(shù),程序員可以快速構(gòu)建具有跨平臺(tái)性、高可用性、安全、支持事務(wù)處理的企業(yè)級(jí)解決方案[15]。

圖5 WCF體系結(jié)構(gòu)Fig.5 WCF system structure

WCF實(shí)際上是構(gòu)建了一個(gè)框架,這個(gè)框架實(shí)現(xiàn)了在互聯(lián)系統(tǒng)中各個(gè)應(yīng)用程序之間如何通信。使得開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)人員在構(gòu)建分布式系統(tǒng)中,無(wú)需再考慮如何去實(shí)現(xiàn)通信相關(guān)的問(wèn)題,更加關(guān)注與系統(tǒng)的業(yè)務(wù)邏輯本身。在WCF框架中,各個(gè)應(yīng)用程序之間的通信是由終結(jié)點(diǎn)(Endpoint)來(lái)實(shí)現(xiàn)的,如圖 6所示。每個(gè)終結(jié)點(diǎn)由地址(Address)、綁定(Binding)、協(xié)定(Contract)和行為(Behavior),其中 Address,Binding,Contract稱為終結(jié)點(diǎn)(Endpoint)的ABC,當(dāng)WCF發(fā)送消息時(shí),address描述了消息發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)地址,binding描述了消息的發(fā)送方式,contract則是消息的組織操作方式和消息內(nèi)容[16]。

圖6 WCF程序通信Fig.6 WCF program communication

3 平臺(tái)初步實(shí)現(xiàn)

3.1 單庫(kù)數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)現(xiàn)

單庫(kù)數(shù)據(jù)服務(wù)主要實(shí)現(xiàn)底層數(shù)據(jù)庫(kù)與統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型的關(guān)聯(lián)和基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型的對(duì)象數(shù)據(jù)訪問(wèn)接口,具體實(shí)現(xiàn)步驟如下:

(1)數(shù)據(jù)庫(kù)配置,配置數(shù)據(jù)庫(kù)連接時(shí)所需要的信息,如數(shù)據(jù)庫(kù)類型、數(shù)據(jù)庫(kù)名、用戶名、密碼以及連接字符串等,數(shù)據(jù)庫(kù)配置文件采用 XML文件定義。所需信息均采用進(jìn)行定義,如數(shù)據(jù)庫(kù)類型定義為NHibernate.Driver.OracleClientDriver。

(2)對(duì)象關(guān)系映射,建立統(tǒng)一對(duì)象模型與關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系,如對(duì)象類和數(shù)據(jù)庫(kù)表的對(duì)應(yīng)關(guān)系、表字段和類屬性名稱的對(duì)應(yīng)關(guān)系等,具體采用XML文件定義。對(duì)象與數(shù)據(jù)庫(kù)表之間的定義格式為,對(duì)象屬性和數(shù)據(jù)庫(kù)表字段之間映射的定義格式為。

(3)數(shù)據(jù)訪問(wèn)服務(wù)設(shè)計(jì),建立面向?qū)ο蟮慕y(tǒng)一數(shù)據(jù)模型與底層關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的關(guān)聯(lián)之后,設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)象的訪問(wèn)接口,具體通過(guò) string GetEntityList(string pEntityName,string strHql)和byte[]GetEntityByteValue(string strHql)函數(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢返回結(jié)果,并采用WCF技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)訪問(wèn)接口的服務(wù)模式發(fā)布。

3.2 集成管理層實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)分布式數(shù)據(jù)訪問(wèn)的關(guān)鍵是對(duì)數(shù)據(jù)服務(wù)的管理,主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)服務(wù)的注冊(cè)、查找、更新的功能,本次研究中服務(wù)基于統(tǒng)一的訪問(wèn)接口,所以對(duì)數(shù)據(jù)服務(wù)的管理主要是服務(wù)位置的管理,及服務(wù)URL地址的管理。本次研究通過(guò)緩存一個(gè)數(shù)據(jù)服務(wù)列表,實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)服務(wù)的管理,數(shù)據(jù)服務(wù)列表可以通過(guò)序列化保存到數(shù)據(jù)服務(wù)源配置文件dataProvider.config中,也可以從 dataProvider.config中反序列化為服務(wù)列表。

實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一訪問(wèn)主要是對(duì)已注冊(cè)的分布式數(shù)據(jù)訪問(wèn)接口進(jìn)行訪問(wèn),具體訪問(wèn)流程如圖7所示。通過(guò)反序列化 dataProvider.config文件,得到服務(wù)列表通過(guò) foreach (string strRemoteAddress in dataP-rovider)逐一訪問(wèn),對(duì)返回的查詢結(jié)構(gòu)進(jìn)行整理合并得到最終的查詢結(jié)果。

3.3 數(shù)據(jù)查詢展示

圖7 統(tǒng)一數(shù)據(jù)查詢?cè)L問(wèn)流程Fig.7 Unified data query access processes

為了方便專業(yè)人員的使用,本平臺(tái)設(shè)計(jì)了海洋地質(zhì)調(diào)查業(yè)務(wù)模型。海洋地質(zhì)調(diào)查業(yè)務(wù)模型是根據(jù)海洋地質(zhì)調(diào)查規(guī)范和現(xiàn)有海洋地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)庫(kù),對(duì)海洋地質(zhì)調(diào)查所涉及的業(yè)務(wù)進(jìn)行規(guī)劃化、統(tǒng)一化、結(jié)構(gòu)化、標(biāo)準(zhǔn)化整理得到的,涵蓋所有海洋地質(zhì)調(diào)查業(yè)務(wù),為海洋地質(zhì)調(diào)查業(yè)務(wù)人員提供數(shù)據(jù)服務(wù)的應(yīng)用模型。根據(jù)業(yè)務(wù)劃分流程,分析海洋地質(zhì)調(diào)查業(yè)務(wù),得到海洋地質(zhì)調(diào)查業(yè)務(wù)模型,以海洋地質(zhì)調(diào)查中取樣及樣品分析業(yè)務(wù)域?yàn)槔?其業(yè)務(wù)結(jié)構(gòu)如圖8所示。

用戶可以按自己需求選擇業(yè)務(wù),如果需要精確查詢,可以有條件地查詢業(yè)務(wù)數(shù)據(jù),如圖9是調(diào)用統(tǒng)一數(shù)據(jù)服務(wù)接口開(kāi)發(fā)的業(yè)務(wù)的條件查詢窗口,可以設(shè)置多種查詢條件篩選所需業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本平臺(tái)采用的面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型作為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型,與傳統(tǒng)的關(guān)系數(shù)據(jù)模型相比,具有繼承性、易用性和可維護(hù)性好等優(yōu)點(diǎn)。平臺(tái)用戶不需知道數(shù)據(jù)的來(lái)源,不需要了解具體的數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu),直接根據(jù)所熟悉的業(yè)務(wù)或?qū)ο筇崛?shù)據(jù),提高了數(shù)據(jù)的共享性、易用性。另外本平臺(tái)具有良好的可擴(kuò)展性和穩(wěn)定性,方便基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的使用,底層數(shù)據(jù)庫(kù)中如果有新的數(shù)據(jù)單元加入,無(wú)需改變平臺(tái)程序架構(gòu),只需對(duì)統(tǒng)一模型進(jìn)行擴(kuò)充,對(duì)上層應(yīng)用沒(méi)有影響。

圖8 海洋地質(zhì)調(diào)查取樣及樣品分析業(yè)務(wù)模型結(jié)構(gòu)Fig.8 Structure of Marine Geological Survey sampling and sample analysis business model

圖9 業(yè)務(wù)條件查詢窗口Fig.9 Query Business Data by conditions

圖10 業(yè)務(wù)查詢結(jié)果展示Fig.10 Results of business query

文中所設(shè)計(jì)的海洋地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)所有功能模塊均采用服務(wù)的方式構(gòu)建,用戶根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求既可以訪問(wèn)單庫(kù)數(shù)據(jù)查詢服務(wù)接口,也可以使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)訪問(wèn)接口,為以后應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)使用提供了便利。目前平臺(tái)還有一些不足,有待進(jìn)一步完善。如統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型建設(shè)尚不完善,目前只完成了部分建模,需要全面分析各相關(guān)單位的數(shù)據(jù)庫(kù)擴(kuò)充完善;平臺(tái)的查詢效率可以繼續(xù)優(yōu)化提高,查詢方式更加多元化,使用戶的使用更加方便。

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