移動(dòng)實(shí)時(shí)協(xié)同標(biāo)繪系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張立生

（河北經(jīng)貿(mào)大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院，河北石家莊 050051）

移動(dòng)實(shí)時(shí)協(xié)同標(biāo)繪系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張立生

（河北經(jīng)貿(mào)大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院，河北石家莊 050051）

傳統(tǒng)的標(biāo)繪系統(tǒng)都是基于固定的單機(jī)設(shè)備，不能滿(mǎn)足用戶(hù)的隨時(shí)隨地的實(shí)時(shí)標(biāo)繪需求。針對(duì)此現(xiàn)狀，本文針對(duì)移動(dòng)計(jì)算環(huán)境的特點(diǎn)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了具有高度實(shí)時(shí)性的移動(dòng)實(shí)時(shí)協(xié)同標(biāo)繪系統(tǒng)，并引入?yún)f(xié)同感知、并發(fā)控制等技術(shù)，使得該系統(tǒng)充分適用于高度動(dòng)態(tài)的移動(dòng)協(xié)同環(huán)境。由于本系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)地圖標(biāo)繪、協(xié)作交流等功能，因此本系統(tǒng)可以用于緊急情況的協(xié)同部署、調(diào)度指揮以及作戰(zhàn)指揮中的部署及態(tài)勢(shì)分析工作，同時(shí)在其他協(xié)同繪圖領(lǐng)域也有著應(yīng)用前景。

實(shí)時(shí)標(biāo)繪；協(xié)同感知；移動(dòng)協(xié)同標(biāo)繪；協(xié)同部署

目前，協(xié)同標(biāo)繪系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于軍事、科研、教育、醫(yī)療等領(lǐng)域。但是，傳統(tǒng)的標(biāo)繪系統(tǒng)都是基于有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)或單用戶(hù)模式，不能滿(mǎn)足多用戶(hù)的隨時(shí)隨地的實(shí)時(shí)標(biāo)繪需求。

符合移動(dòng)用戶(hù)需求的移動(dòng)實(shí)時(shí)協(xié)同標(biāo)繪系統(tǒng)應(yīng)該具有以下特點(diǎn)：

（1）分布式：移動(dòng)實(shí)時(shí)協(xié)同標(biāo)繪系統(tǒng)中客戶(hù)端用戶(hù)的載體是手持設(shè)備，在地理位置上往往分布在不同的區(qū)域，保證這些用戶(hù)隨時(shí)隨地訪(fǎng)問(wèn)系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)作；（2）實(shí)時(shí)性：系統(tǒng)中的服務(wù)器一直處于開(kāi)啟狀態(tài)，等待客戶(hù)端的連接，并隨時(shí)接收己經(jīng)連接的移動(dòng)客戶(hù)端發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)以及對(duì)處理消息的轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)有三個(gè)以上終端參與時(shí)，通過(guò)服務(wù)器的轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)現(xiàn)它們之間的實(shí)時(shí)交流；（3）簡(jiǎn)易交互：針對(duì)手機(jī)用戶(hù)，而目前多數(shù)手機(jī)進(jìn)行交互需靠鍵盤(pán)輸入，因此移動(dòng)用戶(hù)只能通過(guò)完成基本圖形的繪制，以完成協(xié)作；（4）感知性：協(xié)作用戶(hù)能夠?qū)f(xié)作中其他用戶(hù)的行為進(jìn)行感知，以便于協(xié)作效率的提高；（5）多用戶(hù)性：協(xié)作任務(wù)的完成需要多個(gè)移動(dòng)用戶(hù)的參與，因此界面需要具有多用戶(hù)性，數(shù)據(jù)的共享及操作都具有多用戶(hù)性。

本文將在系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)、服務(wù)器端設(shè)計(jì)、客戶(hù)端設(shè)計(jì)及關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行闡述，并對(duì)相關(guān)技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)的構(gòu)建集無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)于一體，移動(dòng)客戶(hù)端（包括手機(jī)、PDA、筆記本等）通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)（CDMA、GPRS等）向有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的服務(wù)器端發(fā)送數(shù)據(jù)和請(qǐng)求而進(jìn)行通信。

在典型的移動(dòng)計(jì)算模型中，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)無(wú)線(xiàn)單元（Wireless Cell）中都有若干個(gè)MU（Mobile Unit，移動(dòng)單元），在MSS（Mobile Support Station，移動(dòng)基站）的支持下與有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信接口與有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的服務(wù)器端進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。其中，同一無(wú)線(xiàn)單元中的MU可以互相進(jìn)行通信，不同無(wú)線(xiàn)單元中的MU也可以互相進(jìn)行通信，從而對(duì)應(yīng)用系統(tǒng)的分布式提供了支持。

系統(tǒng)采用C／S架構(gòu)體系進(jìn)行構(gòu)建，因此，將系統(tǒng)劃分為移動(dòng)客戶(hù)端和服務(wù)器端兩部分?？蛻?hù)端分為協(xié)同標(biāo)繪和協(xié)作交流兩大模塊，其中協(xié)同標(biāo)繪支持最簡(jiǎn)單的草圖繪制和基于加載地圖的標(biāo)繪，協(xié)作群組內(nèi)的用戶(hù)對(duì)標(biāo)繪內(nèi)容進(jìn)行屏幕共享；協(xié)作交流模塊提供協(xié)作群組內(nèi)的用戶(hù)進(jìn)行信息共享和實(shí)時(shí)交流的功能，從而達(dá)到提高實(shí)時(shí)協(xié)作效率的目的。服務(wù)器端主要完成對(duì)客戶(hù)端協(xié)作的支持和協(xié)調(diào)，包括對(duì)協(xié)作交流的管理、用戶(hù)信息的管理、協(xié)作信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控、協(xié)作時(shí)發(fā)言權(quán)控制、并發(fā)操作的相應(yīng)控制策略支持、對(duì)標(biāo)繪圖形的控制等功能模塊，這些模塊通過(guò)操作數(shù)據(jù)庫(kù)完成對(duì)移動(dòng)客戶(hù)端的請(qǐng)求進(jìn)行相應(yīng)的處理。

移動(dòng)客戶(hù)端登錄系統(tǒng)后，在協(xié)作組內(nèi)和其他成員間進(jìn)行協(xié)作，在服務(wù)器端為每個(gè)協(xié)作組開(kāi)啟一個(gè)線(xiàn)程進(jìn)行偵聽(tīng)及處理，多個(gè)管理線(xiàn)程（圖1中的Work Group Admin）由線(xiàn)程池統(tǒng)一管理?？蛻?hù)端和服務(wù)器端的通信是通過(guò)消息的形式來(lái)完成，從而大大減少了在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。整個(gè)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵問(wèn)題的實(shí)現(xiàn)

2.1 多用戶(hù)實(shí)時(shí)協(xié)作通信及信息共享的實(shí)現(xiàn)

移動(dòng)實(shí)時(shí)協(xié)同標(biāo)繪系統(tǒng)中采用了“多線(xiàn)程”技術(shù)，在協(xié)同標(biāo)繪系統(tǒng)中服務(wù)器端始終運(yùn)行著多個(gè)管理線(xiàn)程，處理用戶(hù)的各種請(qǐng)求。將每一個(gè)正在協(xié)作的協(xié)作組看作一個(gè)整體，服務(wù)器端為每一個(gè)協(xié)作組啟動(dòng)一個(gè)“組”管理線(xiàn)程，由“組”管理線(xiàn)程負(fù)責(zé)維護(hù)共享數(shù)據(jù)，并把結(jié)果以消息的形式轉(zhuǎn)發(fā)給所有協(xié)作組內(nèi)協(xié)作的用戶(hù)，用戶(hù)根據(jù)收到的消息進(jìn)行具體的響應(yīng)操作。除了組管理線(xiàn)程，客戶(hù)端還存在一個(gè)與服務(wù)器交互的線(xiàn)程，它將用戶(hù)輸入的數(shù)據(jù)和本身邏輯產(chǎn)生的控制信息傳送給服務(wù)器，同時(shí)接收服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)來(lái)的其他用戶(hù)的數(shù)據(jù)和控制信息，再根據(jù)這些數(shù)據(jù)和控制信息完成相應(yīng)的操作。

在共享空間中，為了實(shí)現(xiàn)協(xié)同標(biāo)繪時(shí)的信息共享而又避免在網(wǎng)絡(luò)中傳輸大量的數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)采用消息的形式實(shí)現(xiàn)。每個(gè)移動(dòng)客戶(hù)端都存有基本圖元，在繪制和操作（如拖動(dòng)、修改、刪除等）圖元時(shí)可直接從本地進(jìn)行調(diào)用，只需將相應(yīng)的操作以消息的形式（包含操作、圖元、位置等參數(shù)信息）轉(zhuǎn)發(fā)給服務(wù)器端的組管理線(xiàn)程，該線(xiàn)程完成相應(yīng)處理后將操作結(jié)果轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)作組內(nèi)的其他協(xié)作用戶(hù)，其他用戶(hù)接收到該消息后只需調(diào)用本地基本圖元根據(jù)消息中的參數(shù)信息進(jìn)行相應(yīng)的更新即可。

2.2 協(xié)同感知的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)對(duì)協(xié)同感知的實(shí)現(xiàn)通過(guò)對(duì)協(xié)作成員的加入／退出的感知、協(xié)作組創(chuàng)建者的感知和對(duì)用戶(hù)操作的感知。

客戶(hù)端通過(guò)在線(xiàn)用戶(hù)列表以及加入退出消息的顯示來(lái)完成對(duì)成員在協(xié)作組內(nèi)行為的感知。當(dāng)用戶(hù)加入?yún)f(xié)作時(shí)，在線(xiàn)列表顯示加入?yún)f(xié)作所有用戶(hù)的名稱(chēng)并在協(xié)作信息顯示區(qū)域顯示用戶(hù)加入信息。當(dāng)用戶(hù)退出時(shí)，用戶(hù)列表中不再出現(xiàn)該退出用戶(hù)信息，同時(shí)在協(xié)作信息區(qū)域顯示用戶(hù)退出信息。用戶(hù)還可以通過(guò)協(xié)作用戶(hù)在線(xiàn)列表查看所有用戶(hù)信息，包括圖像信息和其他數(shù)據(jù)信息。

系統(tǒng)中協(xié)作組的創(chuàng)建者具有較高的權(quán)限，通過(guò)創(chuàng)建協(xié)作組的用戶(hù)始終顯示在成員的最前列來(lái)實(shí)現(xiàn)該感知功能。而對(duì)用戶(hù)操作的感知，是通過(guò)在實(shí)時(shí)協(xié)作信息顯示區(qū)域，顯示當(dāng)前操作是由哪個(gè)用戶(hù)來(lái)進(jìn)行而實(shí)現(xiàn)。

2.3 并發(fā)控制問(wèn)題的實(shí)現(xiàn)

移動(dòng)實(shí)時(shí)協(xié)同標(biāo)繪系統(tǒng)支持多用戶(hù)實(shí)時(shí)協(xié)同工作，則不可避免地要發(fā)生多用戶(hù)的并發(fā)操作，也帶來(lái)了多用戶(hù)間的協(xié)作沖突。而移動(dòng)終端用戶(hù)之間使用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸共享信息，因移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的自身不穩(wěn)定性，以及時(shí)延和傳輸?shù)牟豢煽啃?，再加上多用?hù)協(xié)同之間的人為因素，都給移動(dòng)協(xié)同帶來(lái)了很?chē)?yán)峻的問(wèn)題。

對(duì)數(shù)據(jù)加鎖是保證數(shù)據(jù)一致性的常用手段，可分為“樂(lè)觀鎖”和“悲觀鎖”。前者是基于用戶(hù)對(duì)共享對(duì)象的操作較少發(fā)生沖突，以申請(qǐng)鎖的行為一般都會(huì)成功為前提。用戶(hù)發(fā)出請(qǐng)求后立即獲得實(shí)驗(yàn)鎖，并可立即對(duì)共享對(duì)象進(jìn)行操作。而后者必須確認(rèn)加鎖成功后才能進(jìn)一步執(zhí)行其它操作?！皹?lè)觀鎖”的響應(yīng)時(shí)間很短，而“悲觀鎖”不利于交互操作。

根據(jù)用戶(hù)在等待請(qǐng)求的批準(zhǔn)期間的行為方式，“樂(lè)觀鎖”又被分為“全樂(lè)觀鎖”和“半樂(lè)觀鎖”兩種?！叭珮?lè)觀鎖”也即普通意義上的樂(lè)觀鎖，在等待期間繼續(xù)執(zhí)行其他操作，因此請(qǐng)求不成功時(shí)要撤消一系列操作，這樣會(huì)使用戶(hù)屏幕內(nèi)容恢復(fù)到多個(gè)操作之前顯示的內(nèi)容，視覺(jué)上會(huì)使用戶(hù)有不連續(xù)的感覺(jué)。而“半樂(lè)觀鎖”在申請(qǐng)后獲批準(zhǔn)前不再進(jìn)行其它操作，故若請(qǐng)求失敗時(shí)僅需撤消當(dāng)前操作。本系統(tǒng)采用“半樂(lè)觀鎖”來(lái)解決并發(fā)沖突問(wèn)題，其算法描述如下：

2.4 消息協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

圖1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)中，客戶(hù)端與服務(wù)器間的通信是通過(guò)一系列的消息來(lái)完成的。在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)條件的限制下，為了提高系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，將共享對(duì)象復(fù)制到各用戶(hù)本地，各用戶(hù)對(duì)共享對(duì)象的操作以消息的形式通知其他協(xié)作用戶(hù)，其他用戶(hù)在接收到消息后在本地執(zhí)行相應(yīng)操作，從而保持各用戶(hù)端共享對(duì)象的一致性和達(dá)到用戶(hù)間相互感應(yīng)的目的。將這些信息分為兩類(lèi)：一類(lèi)是控制信息，如授權(quán)信息、在線(xiàn)用戶(hù)更新信息、用戶(hù)的登錄／退出等；另一類(lèi)是數(shù)據(jù)信息，即圖形的內(nèi)容，如標(biāo)繪中要用到的圓形、直線(xiàn)、矩形等圖元。消息中包含消息類(lèi)型，能反映出用戶(hù)的各類(lèi)操作信息。消息格式如圖2所示：

圖2 系統(tǒng)消息格式

服務(wù)器接收到消息之后，首先識(shí)別消息的類(lèi)型，然后調(diào)用消息管理模塊的消息解析方法，對(duì)消息進(jìn)行相應(yīng)處理。然而，存在多種消息類(lèi)型的條件下，如果使用switch－case語(yǔ)句或if－else語(yǔ)句來(lái)逐個(gè)判斷并處理，不但程序代碼顯得臃腫，可讀性差，若對(duì)消息進(jìn)行改動(dòng)或擴(kuò)充則很難做到代碼的一致性，因此，實(shí)現(xiàn)中采用了消息多態(tài)性的模式對(duì)每個(gè)消息進(jìn)行封裝，也即首先定義一個(gè)消息處理的接口，接口中定義消息的屬性和處理的方法handle（），每個(gè)具體的消息都實(shí)現(xiàn)該接口，相應(yīng)的處理只要重寫(xiě)消息處理方法handle（）即可。

3 系統(tǒng)的客戶(hù)端設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中，客戶(hù)端的設(shè)計(jì)盡量遵循瘦客戶(hù)端的要求，多數(shù)的邏輯處理都通過(guò)消息的形式轉(zhuǎn)發(fā)給服務(wù)器端進(jìn)行處理，只有少數(shù)的處理功能交給客戶(hù)端，比如調(diào)用程序中本地圖元進(jìn)行相應(yīng)添加、更改、刪除操作。此外，客戶(hù)端的用戶(hù)分為普通用戶(hù)和組創(chuàng)建者兩種，組創(chuàng)建者有一定的管理及處理功能，從而減輕服務(wù)器端處理所有邏輯的負(fù)擔(dān)?？蛻?hù)端的功能用例圖如圖3所示。

用戶(hù)創(chuàng)建協(xié)作組成功后，服務(wù)器端返回當(dāng)前在線(xiàn)用戶(hù)列表，創(chuàng)建者可以選擇用戶(hù)進(jìn)行召集，接收到召集消息的用戶(hù)決定是否接受邀請(qǐng)，用戶(hù)接收邀請(qǐng)后便加入到當(dāng)前協(xié)作，否則不參與此次協(xié)作。用戶(hù)加入到協(xié)作組后便可以同組內(nèi)其他協(xié)作者進(jìn)行協(xié)作，在協(xié)作工程中，創(chuàng)建者可以對(duì)組員進(jìn)行管理、對(duì)發(fā)言權(quán)進(jìn)行管理以及將管理權(quán)限移交給其他人。協(xié)作過(guò)程的活動(dòng)圖如圖4所示。

圖3 客戶(hù)端用例圖

4 系統(tǒng)的服務(wù)器端設(shè)計(jì)

4.1 服務(wù)器端的總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中，服務(wù)器端主要負(fù)責(zé)對(duì)不同協(xié)作組協(xié)作的協(xié)調(diào)處理和消息轉(zhuǎn)發(fā)，其中協(xié)調(diào)處理包括對(duì)不同協(xié)作組協(xié)作中的并發(fā)控制、沖突檢測(cè)、發(fā)言控制；消息轉(zhuǎn)發(fā)包括對(duì)所有處理消息及廣播消息的轉(zhuǎn)發(fā)。

系統(tǒng)中所有處理過(guò)程都是基于消息的，對(duì)客戶(hù)端的操作請(qǐng)求以消息的形式接收，經(jīng)過(guò)幾個(gè)模塊之間的協(xié)調(diào)處理完成對(duì)消息的處理，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的組內(nèi)轉(zhuǎn)發(fā)操作。

4.2 發(fā)言權(quán)控制

發(fā)言權(quán)問(wèn)題，即在同一時(shí)刻只能有一個(gè)用戶(hù)在進(jìn)行輸入操作，并保證對(duì)任意用戶(hù)的響應(yīng)是實(shí)時(shí)性的。所有無(wú)發(fā)言權(quán)的協(xié)作者可以對(duì)服務(wù)器端發(fā)出申請(qǐng)，要求得到發(fā)言權(quán)。其中，操作權(quán)限申請(qǐng)的流程如圖5所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了基于J2ME的移動(dòng)實(shí)時(shí)協(xié)同標(biāo)繪系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，重點(diǎn)闡述了系統(tǒng)構(gòu)建的主要思想，著重論述了實(shí)現(xiàn)過(guò)程中采用的關(guān)鍵技術(shù)。本文實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)協(xié)同標(biāo)繪的原型系統(tǒng)，解決了移動(dòng)協(xié)同感知、并發(fā)控制、發(fā)言控制等技術(shù)難點(diǎn)，從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了隨時(shí)隨地的多用戶(hù)實(shí)時(shí)協(xié)作。隨著對(duì)移動(dòng)實(shí)時(shí)協(xié)同標(biāo)繪系統(tǒng)的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，將會(huì)對(duì)系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)性、擴(kuò)展性、可用性等方面進(jìn)行完善。

本文設(shè)計(jì)的移動(dòng)實(shí)時(shí)協(xié)同標(biāo)繪系統(tǒng)支持多個(gè)移動(dòng)用戶(hù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的地圖標(biāo)繪、協(xié)作交流、文件傳輸?shù)炔僮?，?shí)現(xiàn)標(biāo)繪信息的交流及協(xié)同感知。因此本系統(tǒng)可以用于緊急情況的協(xié)同部署、調(diào)度指揮以及作戰(zhàn)指揮中的部署及態(tài)勢(shì)分析工作，同時(shí)在其他協(xié)同繪圖領(lǐng)域也有著應(yīng)用前景。

圖4 客戶(hù)端的活動(dòng)圖

圖5 發(fā)言權(quán)申請(qǐng)流程

［1］雒偉群，何丕廉.協(xié)同虛擬實(shí)驗(yàn)室關(guān)鍵技術(shù)的研究［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2004，21（12）：252－257.

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The design and implementation of mobile Real－time collaborative plotting system

ZHANG Li－sheng

（CollegeofInformationTechnology，HebeiUniversityofEconomicsandBusiness，ShijiazhuangHebei050051，China）

Traditional plotting systems are based on fixed stand－alone devices，which can not meet the user＇s needs of real－time plotting anytime and anywhere.In this paper designed and implemented with the characteristics of mobile computing environment，a highly collaborative mobile real－time plotting system is designed and implemented.The co－awareness，concurrency control techniques are introduced.It makes the system fully fit for highly dynamic mobile collaborative environment.Since the system has functions of real－time chart plotter，collaboration and communication，so the system can be used for deployment of emergency coordination and control，command of the deployment and operational situation analysis，at the same time it also has application prospects in other areas.

Real－time plotting；Co－awareness；Mobile Collaborative Plotting；Collaborative Deployment

TP319

：A

1001－9383（2011）03－0056－05

2011－06－30

張立生（1985－），男，河北秦皇島人，碩士研究生，研究方向：移動(dòng)計(jì)算技術(shù).