一種地理信息服務(wù)聚合軟件框架的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉建川，楊 軍，甘 泉，譚明建

(四川省基礎(chǔ)地理信息中心，四川成都610041)

一種地理信息服務(wù)聚合軟件框架的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉建川，楊 軍，甘 泉，譚明建

(四川省基礎(chǔ)地理信息中心，四川成都610041)

在分析國(guó)內(nèi)外GIS服務(wù)聚合的研究狀況和地理信息公共服務(wù)平臺(tái)發(fā)展趨勢(shì)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種面向服務(wù)群的地理信息服務(wù)聚合軟件框架。并在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)聚合服務(wù)質(zhì)量評(píng)價(jià)模型，該模型實(shí)現(xiàn)了GIS元服務(wù)質(zhì)量的動(dòng)態(tài)記錄和評(píng)價(jià)，可有效支持GIS服務(wù)聚合流程的執(zhí)行、監(jiān)控及服務(wù)選擇等操作，提高聚合后的地理信息服務(wù)的健壯性。該軟件框架已廣泛應(yīng)用于四川省地理信息公共服務(wù)平臺(tái)和多個(gè)數(shù)字城市地理空間框架建設(shè)中，并聚合了天地圖、ArcGIS、SuperMAP、MapGIS、NewMAP等多種格式的地理信息服務(wù)，驗(yàn)證了該軟件框架的實(shí)用性。

GIS;服務(wù)聚合;服務(wù)群;軟件框架;服務(wù)質(zhì)量;評(píng)價(jià)模型

一、引 言

目前，國(guó)家、省、市地理信息公共服務(wù)平臺(tái)正在有條不紊地建設(shè)中，如何將國(guó)家、省、市分布式的地理信息服務(wù)聚合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)三級(jí)縱向互聯(lián)互通，是目前公共服務(wù)平臺(tái)研究的熱點(diǎn)。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，國(guó)家公共服務(wù)平臺(tái)(天地圖)采用的是以GeoGlobe作為基礎(chǔ)的GIS軟件，而各省、市由于自身建設(shè)基礎(chǔ)和條件的不同，采用了各種各樣的基礎(chǔ)GIS軟件，如ArcGIS、SuperMap、MapGIS、NewMap等，而這些軟件所使用的數(shù)據(jù)、服務(wù)接口和對(duì)服務(wù)的管理方式也都有著自己的特點(diǎn)。與普通Web服務(wù)不同，這些異構(gòu)的GIS服務(wù)面向的是復(fù)雜的分布式空間處理功能與分布式空間數(shù)據(jù)，因此，具有計(jì)算密集和數(shù)據(jù)密集等特點(diǎn)。GIS服務(wù)聚合應(yīng)用中各個(gè)組件服務(wù)的任何異常和錯(cuò)誤都可能造成聚合流程執(zhí)行的失敗，從而造成計(jì)算資源的極大浪費(fèi)。

基于此，本文通過(guò)將各種相同功能的地理信息服務(wù)劃歸為一個(gè)地理信息服務(wù)群，設(shè)計(jì)了基于地理信息服務(wù)群的地理信息服務(wù)聚合軟件框架。該軟件框架首先通過(guò)服務(wù)接口的方式將服務(wù)聚合流程模型與服務(wù)發(fā)布和管理模型分離，服務(wù)聚合流程模型通過(guò)不同的服務(wù)群采用自適應(yīng)的方式進(jìn)行服務(wù)聚合;其次采用統(tǒng)一的服務(wù)發(fā)布和管理模型發(fā)布服務(wù)，用戶無(wú)需了解該聚合服務(wù)是哪幾種底層元服務(wù)聚合而成，只需要一個(gè)URL地址就能調(diào)用該地理信息服務(wù);然后對(duì)地理信息服務(wù)的質(zhì)量評(píng)價(jià)模型進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，從服務(wù)本身、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和服務(wù)消費(fèi)者3個(gè)層次出發(fā)對(duì)元服務(wù)的服務(wù)質(zhì)量(quality of service，QoS)進(jìn)行描述和記錄，并通過(guò)服務(wù)質(zhì)量評(píng)價(jià)模型實(shí)時(shí)向聚合服務(wù)引擎提供最優(yōu)的元服務(wù)，從而保證了聚合服務(wù)的健壯性;最后通過(guò)具體的實(shí)例說(shuō)明該軟件框架是有效的。

二、GIS服務(wù)聚合軟件框架設(shè)計(jì)

1.GIS服務(wù)群描述

要完成不同地理信息服務(wù)之間的聚合，最重要的是將各種不同地理信息服務(wù)按照功能和服務(wù)范圍分成不同的地理信息服務(wù)群。所謂服務(wù)群，是指由不同服務(wù)提供商提供的，具有相同調(diào)用接口，能夠?qū)崿F(xiàn)相同功能且服務(wù)范圍相同的一組地理信息服務(wù)。

服務(wù)群可表示為一個(gè)七元組。其中，ID表示服務(wù)群的標(biāo)識(shí);Name表示服務(wù)群名稱(chēng);Description表示服務(wù)群描述;Operation表示服務(wù)群提供操作的名稱(chēng);Input表示服務(wù)群中服務(wù)的輸入?yún)?shù);Output表示服務(wù)群中服務(wù)的輸出參數(shù);Capability表示服務(wù)群中服務(wù)的能力描述(如對(duì)于空間信息數(shù)據(jù)服務(wù)，能力描述包括數(shù)據(jù)范圍、提供的數(shù)據(jù)類(lèi)型等)。

同一服務(wù)群中的服務(wù)具有相同的功能和調(diào)用接口，所不同的是各個(gè)服務(wù)網(wǎng)址和服務(wù)的QoS屬性(非功能屬性)。服務(wù)群中的每一個(gè)地理信息服務(wù)被稱(chēng)作該服務(wù)群的元服務(wù)。對(duì)于元服務(wù)的常規(guī)描述可以表示為一個(gè)八元組，即MS=(ID，Name，SGID，Description，URL，Token，Range，Qos)。其中，ID表示元服務(wù)的標(biāo)識(shí);Name表示元服務(wù)名稱(chēng); Description表示元服務(wù)描述;SGID表示元服務(wù)所屬的服務(wù)群標(biāo)識(shí);URL表示元服務(wù)的調(diào)用網(wǎng)址;Token表示元服務(wù)使用授權(quán)標(biāo)識(shí)，元服務(wù)分為公開(kāi)服務(wù)和授權(quán)服務(wù)，對(duì)于授權(quán)服務(wù)應(yīng)使用授權(quán)標(biāo)識(shí)才能使用該服務(wù);Range表示元服務(wù)的服務(wù)范圍;Qos表示對(duì)元服務(wù)的服務(wù)質(zhì)量描述，在后續(xù)會(huì)詳細(xì)論述。

2.GIS服務(wù)聚合軟件框架設(shè)計(jì)

筆者以服務(wù)群和元服務(wù)描述為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了基于服務(wù)群的GIS服務(wù)聚合軟件框架(如圖1所示)，主要分為幾個(gè)部分:異構(gòu)服務(wù)轉(zhuǎn)換模型、抽象的服務(wù)接口、服務(wù)注冊(cè)中心、聚合服務(wù)群、服務(wù)聚合流程模型。下面對(duì)這些部分作詳細(xì)介紹。

圖1 基于服務(wù)群的GIS服務(wù)聚合軟件框架圖

(1)異構(gòu)服務(wù)轉(zhuǎn)換模型

在進(jìn)行服務(wù)聚合時(shí)常常遇到的問(wèn)題是服務(wù)的接口不同，不同的軟件廠商對(duì)同一類(lèi)服務(wù)定義了不同的服務(wù)接口，如果直接對(duì)這些服務(wù)進(jìn)行聚合處理，編程難度和工作量相當(dāng)大。因此，筆者設(shè)計(jì)了異構(gòu)服務(wù)轉(zhuǎn)換模型將這些異構(gòu)的服務(wù)接口，通過(guò)一定的算法和動(dòng)態(tài)類(lèi)庫(kù)，轉(zhuǎn)換為抽象的GIS服務(wù)接口，這樣就大大簡(jiǎn)化了服務(wù)的映射過(guò)程，降低了聚合的難度。

(2)抽象的服務(wù)接口

通過(guò)對(duì)地理信息服務(wù)進(jìn)行研究，對(duì)其進(jìn)行分類(lèi)，分為地圖緩存服務(wù)、地名搜索服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)分析服務(wù)、要素查詢服務(wù)、拓?fù)浞治龇?wù)等抽象接口。通過(guò)抽象接口將基礎(chǔ)GIS軟件與平臺(tái)的應(yīng)用服務(wù)接口進(jìn)行分離，使得平臺(tái)服務(wù)不依賴(lài)于具體的GIS軟件。在數(shù)字城市和公共平臺(tái)的建設(shè)過(guò)程中，可以根據(jù)需要更換任意的基礎(chǔ)GIS軟件，而平臺(tái)的二次開(kāi)發(fā)用戶使用的是平臺(tái)的服務(wù)接口，不會(huì)發(fā)現(xiàn)這些變化，不需要更改自己的業(yè)務(wù)系統(tǒng)。

(3)服務(wù)注冊(cè)中心

設(shè)計(jì)了統(tǒng)一的服務(wù)群和元服務(wù)注冊(cè)中心，用戶(管理員)可以注冊(cè)各種類(lèi)型的服務(wù)群和元服務(wù)，然后將這些描述信息統(tǒng)一使用XML語(yǔ)言的形式進(jìn)行表達(dá)，形成服務(wù)聚合的元服務(wù)描述庫(kù)。最后，通過(guò)讀取這些元服務(wù)的描述信息，將元服務(wù)加入到不同的服務(wù)群中，為服務(wù)聚合打下基礎(chǔ)。

(4)聚合服務(wù)群

將相同類(lèi)型的地理信息服務(wù)組成一個(gè)服務(wù)群，如緩存地圖服務(wù)群、地名搜索服務(wù)群、網(wǎng)絡(luò)分析服務(wù)群、要素查詢服務(wù)群、拓?fù)浞治龇?wù)群等。服務(wù)群中有一個(gè)或多個(gè)相同的GIS元服務(wù)，在服務(wù)聚合時(shí)，服務(wù)聚合模型通過(guò)對(duì)服務(wù)群中的元服務(wù)的QoS進(jìn)行查詢，從中選擇出最佳的元服務(wù)進(jìn)行聚合，從而保證了服務(wù)聚合的質(zhì)量和服務(wù)的健壯性。

(5)服務(wù)聚合流程模型

根據(jù)用戶對(duì)聚合后的服務(wù)的要求，并根據(jù)服務(wù)群的類(lèi)型，聚合出各種滿足用戶需求的地理信息服務(wù)。主要分為單一聚合服務(wù)和復(fù)合聚合服務(wù)。單一服務(wù)主要用于國(guó)家、省、市之間的基礎(chǔ)地理信息服務(wù)的聚合，如地名搜索時(shí)，以詳盡程度優(yōu)先原則，在國(guó)家層面搜索1∶5萬(wàn)的地名庫(kù)，在省服務(wù)中搜索1∶1萬(wàn)的地名庫(kù)，在市服務(wù)中搜索1∶2000、1∶500的地名庫(kù)，然后進(jìn)行綜合取舍，向用戶返回最終的結(jié)果。復(fù)合服務(wù)主要用于橫向與各政府部門(mén)之間進(jìn)行服務(wù)聚合，如省統(tǒng)計(jì)局提供了詳細(xì)的各區(qū)市縣的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，聚合服務(wù)通過(guò)流程模型，將基礎(chǔ)地理信息服務(wù)與統(tǒng)計(jì)專(zhuān)題數(shù)據(jù)服務(wù)相聚合，向用戶提供各種統(tǒng)計(jì)專(zhuān)題地圖服務(wù)。

總之，服務(wù)聚合通過(guò)具體的聚合服務(wù)流程模型設(shè)計(jì)與編程實(shí)現(xiàn)，形成具體的軟件模塊和聚合類(lèi)庫(kù)，加入到聚合服務(wù)軟件框架中，最終實(shí)現(xiàn)各種服務(wù)聚合實(shí)例。

三、聚合服務(wù)質(zhì)量評(píng)價(jià)模型設(shè)計(jì)

1.GIS元服務(wù)的QoS

QoS是描述一個(gè)產(chǎn)品或者服務(wù)滿足消費(fèi)者需求的能力，是GIS元服務(wù)能否被服務(wù)聚合實(shí)例成功使用的關(guān)鍵。如何保證為服務(wù)聚合實(shí)例提供最佳元服務(wù)，成為研究的熱點(diǎn)。

對(duì)于GIS服務(wù)，應(yīng)從服務(wù)本身(服務(wù)軟件和服務(wù)宿主)、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和服務(wù)消費(fèi)者3個(gè)方面對(duì)QoS進(jìn)行定義，可以表示為一個(gè)六元組。QoS=(Time，Cost，Reliability，Bandwidth，ServerCapability，Throughput－Capacity)。其中:

1)執(zhí)行時(shí)間(Time，T)表示從發(fā)出GIS服務(wù)調(diào)用請(qǐng)求到獲得該服務(wù)處理結(jié)果所花的時(shí)間。執(zhí)行時(shí)間是描述GIS服務(wù)的動(dòng)態(tài)性質(zhì)量的最重要的參數(shù)，它具有動(dòng)態(tài)性和不確定性的特征，受到服務(wù)器性能和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)榷喾矫娴挠绊憽?/p>

2)執(zhí)行費(fèi)用(Cost，C)表示消費(fèi)者調(diào)用GIS服務(wù)所需支付的費(fèi)用。該參數(shù)為GIS服務(wù)的靜態(tài)性參數(shù)。

3)可靠性(Reliability，R)表示GIS服務(wù)調(diào)用成功并執(zhí)行的概率。該參數(shù)是GIS服務(wù)的動(dòng)態(tài)性質(zhì)量的最重要的參數(shù)。

4)可用網(wǎng)絡(luò)帶寬(Bandwidth，B)表示GIS服務(wù)所在網(wǎng)絡(luò)的當(dāng)前可用帶寬。該參數(shù)是GIS服務(wù)的動(dòng)態(tài)性參數(shù)。

5)服務(wù)器性能(Server Capability，SC)表示服務(wù)宿主的性能信息。該參數(shù)是GIS服務(wù)的動(dòng)態(tài)性參數(shù)。

6)吞吐量(Throughput Capacity，TC)表示服務(wù)所支持的最大用戶數(shù)。該參數(shù)是GIS服務(wù)的靜態(tài)性參數(shù)。

2.聚合服務(wù)質(zhì)量評(píng)價(jià)模型實(shí)現(xiàn)機(jī)制

在服務(wù)的聚合流程模型中，為了提高聚合后的服務(wù)的健壯性和有效性，在具體的聚合服務(wù)實(shí)例運(yùn)行中，聚合服務(wù)質(zhì)量評(píng)價(jià)模型可分為聚合服務(wù)執(zhí)行前對(duì)元服務(wù)的選擇、執(zhí)行中對(duì)元服務(wù)的調(diào)用和執(zhí)行后對(duì)元服務(wù)的動(dòng)態(tài)QoS進(jìn)行實(shí)時(shí)保存等過(guò)程(如圖2所示)。

圖2 聚合服務(wù)質(zhì)量評(píng)價(jià)模型實(shí)現(xiàn)機(jī)制邏輯圖

1)在聚合服務(wù)執(zhí)行之前，聚合服務(wù)選擇引擎先在同一服務(wù)群的一組元服務(wù)中選擇最有效的元服務(wù)進(jìn)行服務(wù)聚合。

2)在聚合服務(wù)執(zhí)行中，聚合服務(wù)執(zhí)行引擎按照服務(wù)聚合流程模型調(diào)用服務(wù)群中最有效的元服務(wù)完成服務(wù)聚合操作。

3)在聚合服務(wù)執(zhí)行完成后，將所使用的元服務(wù)的最新QoS信息記錄到元服務(wù)質(zhì)量評(píng)價(jià)(QoS)數(shù)據(jù)庫(kù)中，使得在下一次服務(wù)聚合實(shí)例執(zhí)行過(guò)程中，可以根據(jù)最新的服務(wù)質(zhì)量評(píng)價(jià)(QoS)選擇服務(wù)群中的最佳元服務(wù)進(jìn)行聚合，聚合后的服務(wù)始終是使用的最佳的元服務(wù)進(jìn)行聚合操作，從而保證了聚合服務(wù)的質(zhì)量。

四、服務(wù)聚合的實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用

在實(shí)際工作中，筆者采用.NET Framework編程環(huán)境實(shí)現(xiàn)了該服務(wù)聚合軟件框架，并將其應(yīng)用到四川省地理信息公共服務(wù)平臺(tái)和多個(gè)數(shù)字城市建設(shè)中，驗(yàn)證了該軟件框架的有效性。

四川省地理信息公共服務(wù)平臺(tái)作為國(guó)家地理信息公共服務(wù)平臺(tái)建設(shè)的省級(jí)節(jié)點(diǎn)，首先需要與國(guó)家地理信息公共服務(wù)平臺(tái)(天地圖)之間實(shí)現(xiàn)GIS服務(wù)的聚合，然后需要與省內(nèi)的數(shù)據(jù)城市建設(shè)(信息基地)之間實(shí)現(xiàn)GIS服務(wù)聚合。在具體實(shí)現(xiàn)中，首先將天地圖服務(wù)、省平臺(tái)使用的ArcGIS服務(wù)、數(shù)字綿陽(yáng)使用的ArcGIS、數(shù)字宜賓使用的MapGIS、數(shù)字雅安使用的SuperMap等異構(gòu)GIS服務(wù)，統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為抽象的服務(wù)接口;然后按照不同的服務(wù)類(lèi)型和范圍等信息將這些GIS服務(wù)分成了不同的服務(wù)群;最后實(shí)現(xiàn)不同的服務(wù)群之間的聚合，聚合實(shí)例如圖3所示。

圖3 省平臺(tái)聚合天地圖的GIS服務(wù)

五、結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)國(guó)家地理信息公共服務(wù)平臺(tái)的建設(shè)要求和異構(gòu)GIS服務(wù)之間的聚合實(shí)際存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于服務(wù)群的地理信息服務(wù)聚合軟件框架。該軟件框架通過(guò)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)抽象服務(wù)接口的方式將異構(gòu)GIS服務(wù)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的、標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)接口，從而實(shí)現(xiàn)服務(wù)聚合模型與基礎(chǔ)GIS軟件的分離，用戶無(wú)需了解該聚合服務(wù)是哪幾種底層元服務(wù)聚合而成的，只需要一個(gè)URL地址就能調(diào)用該地理信息服務(wù)。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了聚合服務(wù)質(zhì)量評(píng)價(jià)模型的實(shí)現(xiàn)機(jī)制，從而保證了聚合后的服務(wù)的健壯性和有效性。該軟件框架已廣泛應(yīng)用于四川省地理信息公共服務(wù)平臺(tái)和多個(gè)數(shù)字城市地理空間框架建設(shè)中，驗(yàn)證了該軟件框架的實(shí)用性。

［1］ 王勇，代桂平，侯亞.信任感知的聚合動(dòng)態(tài)選擇方法［J］.計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2009，32(8):1668－1675.

［2］ 劉書(shū)雷，劉云翔，張帆，等.一種服務(wù)聚合中QoS全局最優(yōu)服務(wù)動(dòng)態(tài)選擇算法［J］.軟件學(xué)報(bào)，2007，18(3): 646－656.

［3］ 宋現(xiàn)鋒，劉軍志.OoS支持下的GIS服務(wù)鏈最優(yōu)化問(wèn)題研究［J］.電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，39(2):298－301.

［4］ ZENG Liangzhao，BENATALLAH B，DUMAS M.Quality Driven Web Service Aggregation［C］∥Proceeding of WWW.Budapest:［s.n.］，2003.

［5］ K?KSALAN M M，ZIONTS S，Multiple Criteria Decision Making in the New Millennium［M］.［S.l.］:Spinger－Verlag，2001.

［6］ YOON K.Multiple Criteria Decision Making.Lecture Notes in Economics and Mathematical Systems［M］.［S.l.］:Springer－Verlag，1981.

A Software Architecture of GIS Web Service Aggregation: Design and Realization

LIU Jianchuan，YANG Jun，GAN Quan，TAN Mingjian

0494－0911(2012)08－0065－04

P208

B

2011－08－19

劉建川(1977—)，男，四川成都人，碩士，主要研究方向?yàn)镚IS開(kāi)發(fā)和3S技術(shù)及應(yīng)用。