一種基于事件處理的信息交換方法的研究

許 斌，蔡鴻明

0 引言

目前，隨著信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展以及企業(yè)信息化的強(qiáng)烈需求以及物聯(lián)網(wǎng)[1]的發(fā)展，在制造企業(yè)中，各種應(yīng)用系統(tǒng)層出不窮，包括物料管理系統(tǒng)（MMS）、客戶關(guān)系系統(tǒng)（CRM）、制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）等，大量信息隨之產(chǎn)生，在多變的市場(chǎng)環(huán)境以及生產(chǎn)環(huán)境中，針對(duì)制造企業(yè)中信息源多樣并離散的特性，以及普遍存在的軟硬件信息交換問(wèn)題，能夠提供更靈活、有效的信息交換方式，成為當(dāng)今研究的一個(gè)方向。

目前比較常見的做法是使用基于服務(wù)的ESB（Enterprise Service Bus）的方式實(shí)現(xiàn)信息交換，ESB 是SOA 架構(gòu)中的消息傳輸中介，通過(guò)這個(gè)中介，每個(gè)組件可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的消息傳輸方式進(jìn)行交互[2][3]。使用ESB 進(jìn)行信息交換的本質(zhì)是事件驅(qū)動(dòng)的處理方式，在通過(guò)復(fù)雜事件處理[4]來(lái)實(shí)現(xiàn)信息系統(tǒng)方面已有一些研究。早期的方式有基于ECA 規(guī)則[5]實(shí)現(xiàn)的主動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)，其中，數(shù)據(jù)庫(kù)的操作被用作組合事件。目前，該領(lǐng)域的相關(guān)研究向集合語(yǔ)義捕獲事件的方向轉(zhuǎn)變，SnoopIB 提供對(duì)信息處理和交換的上下文支持[6]。除了主動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)，更多的研究集中在復(fù)雜事件處理系統(tǒng)上。NextCEP提出了一種分布式復(fù)雜事件處理系統(tǒng)[7]，它使用一種語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)基于規(guī)則的模式檢測(cè)。

雖然使用ESB進(jìn)行信息交換的方案是目前研究的主流，但其僅支持對(duì)企業(yè)中已有的服務(wù)進(jìn)行信息交換，而在制造企業(yè)中大量存在的機(jī)械設(shè)備以及傳感器等難以轉(zhuǎn)化為服務(wù)。在事件處理方面，雖然上面提到的研究能夠解決各自領(lǐng)域的一些問(wèn)題，但依然存在不足，比如應(yīng)用領(lǐng)域的限制以及面對(duì)多變環(huán)境的可擴(kuò)展性問(wèn)題。

綜上所述，對(duì)于制造企業(yè)中應(yīng)用系統(tǒng)中對(duì)信息交換實(shí)時(shí)性和有效性的要求，特別是對(duì)軟硬件信息交換的支持，已有的信息交換方式并不能滿足需求。本文提出一種基于事件處理的信息交換方法。首先，為了異構(gòu)信息交換以及事件處理的需要，信息需要從異構(gòu)信息源抽取、解析并轉(zhuǎn)化生成為格式統(tǒng)一的事件；其次，依據(jù)基于ECA 設(shè)計(jì)的規(guī)則，事件被篩選和處理，對(duì)原始的信息得到處理和加工；最后，通過(guò)事件推送的方式，將事件推送的指定的組件中，實(shí)現(xiàn)信息交換。

1 基于事件處理的信息交換框架

為了保證信息交換過(guò)程的動(dòng)態(tài)性，并提供對(duì)多源信息交換的支持變化，本文提出一種基于事件處理的信息交換框架，如圖1所示：

圖1 基于規(guī)則事件驅(qū)動(dòng)的信息交換框架

整個(gè)框架的主要模塊可以分為兩個(gè)部分：信息獲取以及解析、基于事件處理的信息交換。

⑴信息獲取以及解析，通過(guò)不同的通信方式獲取信息，并定制信息解析模塊對(duì)異構(gòu)信息進(jìn)行解析。

⑵基于事件處理的信息交換階段，包含基于規(guī)則的事件處理過(guò)程，其中處理規(guī)則的模型定義也包含在本模塊內(nèi)。

對(duì)于不同的信息源，通過(guò)解析器解析生成事件實(shí)例，接著基于規(guī)則執(zhí)行事件處理，最后展現(xiàn)出來(lái)達(dá)到信息交換的效果。其中事件提醒，可以使用用戶自定義的展現(xiàn)方式進(jìn)行展現(xiàn)，本文案例基于制造企業(yè)中生產(chǎn)車間的實(shí)際情況使用現(xiàn)場(chǎng)圖的方式進(jìn)行展現(xiàn)。

2 信息抽取與事件生成

2.1 事件模型定義

Luckham 指出事件就是系統(tǒng)中活動(dòng)的記錄[4]。對(duì)于單一活動(dòng)來(lái)說(shuō)，需要描述的包括活動(dòng)的標(biāo)示信息，活動(dòng)包括自發(fā)發(fā)生的活動(dòng)，同時(shí)也存在因?yàn)槟承┗顒?dòng)的觸發(fā)而被動(dòng)產(chǎn)生的活動(dòng)，即對(duì)應(yīng)于簡(jiǎn)單事件與復(fù)雜事件，針對(duì)這兩種不同的情況，使用一個(gè)表示類型的參數(shù)表示不同的類型，對(duì)應(yīng)于由其他活動(dòng)觸發(fā)的活動(dòng)，其執(zhí)行以其他活動(dòng)的產(chǎn)生的信息作為參考，即對(duì)應(yīng)于事件的輸入，同時(shí)將活動(dòng)所產(chǎn)生的結(jié)果作為事件的輸出，這個(gè)結(jié)果必定與活動(dòng)一一對(duì)應(yīng)?；谝陨系姆治觯疚慕o出關(guān)于事件模型的定義。

定義1 事件模型 EM=＜ED,EI,EO,ET,T＞

其中ED 表示事件資源的標(biāo)識(shí)，記錄每個(gè)事件資源特有的標(biāo)識(shí)信息；EI 表示事件的輸入，記錄復(fù)雜事件的輸入信息；EO 表示事件的輸出，記錄復(fù)雜事件的輸出信息；ET表示事件的類型，有簡(jiǎn)單事件以及復(fù)雜事件兩種類型；T 代表時(shí)間戳，記錄事件發(fā)生的時(shí)間。

定義2 事件標(biāo)識(shí)ED=＜EId,EName,ELocation,EDescription＞

其中EId 是事件的唯一標(biāo)示；EName 表示事件的名稱；ELocation 表示事件的位置信息；EDescription 表示事件的描述信息，用文本形式描述其特性。

定義3 事件資源信息體EM=＜ EId,Attrs,T＞

事件資源信息體包含事件資源的主體信息，包括其唯一的標(biāo)識(shí)EId，信息集Attrs，時(shí)間戳T，其中信息集Attrs 中包含一系列屬性，事件處理過(guò)程中的參數(shù)都包含于其中。

事件的輸入EI 以及事件的輸出EO 均以事件資源信息體為主要信息載體。事件的輸出EO，即表示該事件資源的一些特性，與該資源的屬性相關(guān)，另一方面，對(duì)于簡(jiǎn)單事件來(lái)說(shuō)，其事件的輸入EI 為空，而對(duì)于復(fù)雜事件來(lái)說(shuō)，其輸入可以包含多個(gè)事件，這些輸入的事件信息均與那些事件的輸出相對(duì)應(yīng)。

ET 代表事件類型，由簡(jiǎn)單事件和復(fù)雜事件兩種類型。

T 表示事件的觸發(fā)時(shí)間，為了系統(tǒng)處理的一致性，在系統(tǒng)內(nèi)使用統(tǒng)一的方式進(jìn)行時(shí)間錄入。

2.2 事件實(shí)例生成

在生成事件實(shí)例之前，需要在系統(tǒng)中注冊(cè)所需要使用的事件源，即是根據(jù)上文中事件資源的定義建立事件資源的過(guò)程，針對(duì)簡(jiǎn)單事件和復(fù)雜事件存在兩種不同的注冊(cè)方式：

⑴簡(jiǎn)單事件直接來(lái)源于各個(gè)不同的事件源，其資源的定義只需要根據(jù)能夠接受到的信息內(nèi)容給出信息體的結(jié)構(gòu)以及其資源標(biāo)識(shí)信息。

⑵復(fù)雜事件來(lái)自于系統(tǒng)中事件處理，并且系統(tǒng)中事件處理是基于規(guī)則完成，那么復(fù)雜事件資源與規(guī)則對(duì)應(yīng)，定義復(fù)雜事件資源需要選定對(duì)應(yīng)的規(guī)則，并且選擇一些事件作為其輸入，而其輸出則由規(guī)則給出，并不需要在事件資源定義時(shí)給出。

信息的抽取與解析：事件有多種不同的事件源，即可以來(lái)自于企業(yè)中應(yīng)用系統(tǒng)的操作，也可以來(lái)自于連入系統(tǒng)的各種設(shè)備，對(duì)于不同的信息源有不同的信息抽取和解析方式，其抽取和解析過(guò)程，如圖2所示：

圖2 信息解析與轉(zhuǎn)化

在信息解析完成之后，通過(guò)事件的唯一標(biāo)示與定義的事件相關(guān)聯(lián)，并且將產(chǎn)生的實(shí)例保存在事件池中，同時(shí)將日志記錄于系統(tǒng)中。

3 基于事件處理的信息交換

3.1 規(guī)則定義與構(gòu)建

在事件處理領(lǐng)域使用ECA 規(guī)則描述事件觸發(fā)規(guī)則以及處理過(guò)程。一個(gè)ECA 規(guī)則包含事件、條件和動(dòng)作。其主要形式如下：

表示規(guī)則的觸發(fā)情況，condition 是用戶自定義函數(shù)的布爾集合，action 給出了處理過(guò)程。

本文提出了可擴(kuò)展的規(guī)則模型，定義如下：

定義 4 用于事件處理的可擴(kuò)展規(guī)則 XR=＜XRId,XRName,OnEvent.,Condition,Action,Priority,Type＞

其中XRId 唯一標(biāo)示一個(gè)規(guī)則；XRName 表示規(guī)則名；OnEvent 表示規(guī)則的觸發(fā)情況，其值為事件標(biāo)識(shí)的集合，集合中的事件發(fā)生都可以觸發(fā)規(guī)則；Condition 表示規(guī)則觸發(fā)之后需要驗(yàn)證的條件；Action 表示條件滿足后的動(dòng)作；Priority 代表事件處理的優(yōu)先級(jí)；Type 代表規(guī)則類型，主要有兩種類型，一種是消耗型規(guī)則，即觸發(fā)的事件需要從事件池中移除，另一種是非消耗型規(guī)則，與消耗型相反，不會(huì)將事件從事件池中移除。

條件（Condition）主要用于檢驗(yàn)事件中屬性集合以及執(zhí)行過(guò)程中全局變量的值是否滿足一定規(guī)則，用于判斷條件真假的操作符主要包括兩種，如圖1所示：

表1 條件操作符

關(guān)系操作符（RO）和邏輯操作符（LO），其中關(guān)系操作符主要用于比對(duì)事件的屬性情況，邏輯操作符則用于條件的邏輯拼接，如下給出操作符定義：

動(dòng)作（Action）表示當(dāng)規(guī)則觸發(fā)時(shí)滿足執(zhí)行條件需要進(jìn)行的處理，本文中Action 主要用于計(jì)算與該規(guī)則對(duì)應(yīng)的復(fù)雜事件的輸出屬性集。

3.2 基于規(guī)則的事件處理

基于規(guī)則的事件處理被設(shè)計(jì)用于信息交換。事件處理的過(guò)程主要包括事件檢測(cè)和事件處理。過(guò)程，如圖3所示：

圖3 基于規(guī)則事件處理流程圖

⑴在系統(tǒng)中實(shí)時(shí)進(jìn)行事件檢測(cè)，首先需要確定觸發(fā)的規(guī)則。為了更快速的進(jìn)行觸發(fā)規(guī)則的篩選，在規(guī)則編輯完成進(jìn)入規(guī)則庫(kù)后，同時(shí)維護(hù)事件-規(guī)則的關(guān)系表，即當(dāng)該事件發(fā)生時(shí)，可以通過(guò)該對(duì)應(yīng)關(guān)系表迅速找到以該事件為觸發(fā)的規(guī)則集。

⑵在規(guī)則觸發(fā)之后，需要對(duì)規(guī)則的條件進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證的過(guò)程基于活動(dòng)的事件實(shí)例以及 全局參數(shù)，對(duì)規(guī)則中定義的條件進(jìn)行驗(yàn)證。本文基于RETE 算法提出了一個(gè)檢測(cè)算法，用于檢測(cè)規(guī)則的條件是否被滿足，該算法偽代碼如下：

該算法將觸發(fā)事件和規(guī)則文件作為輸入，檢驗(yàn)規(guī)則是否被觸發(fā)，如果能夠被觸發(fā)則通過(guò)對(duì)條件節(jié)點(diǎn)的逐個(gè)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)對(duì)規(guī)則的檢測(cè)，最終獲得其條件是否滿足的真值或假值。

⑶在規(guī)則的條件被驗(yàn)證為真時(shí)，該規(guī)則即被判定為需要執(zhí)行。此時(shí)，基于該規(guī)則的事件處理被推送至執(zhí)行隊(duì)列中，該執(zhí)行隊(duì)列使用基于優(yōu)先級(jí)的隊(duì)列表示，當(dāng)一個(gè)新的事件處理需求被推送至執(zhí)行隊(duì)列時(shí)，系統(tǒng)會(huì)基于規(guī)則優(yōu)先級(jí)選擇合適的位置，插入新的規(guī)則等待執(zhí)行。

3.3 信息展現(xiàn)

通過(guò)事件處理，能夠?qū)亩鄠€(gè)信息源接收的信息以事件的形式進(jìn)行交換。在本文中，所有的信息都通過(guò)事件的形式進(jìn)行展現(xiàn)，基于事件驅(qū)動(dòng)的方式進(jìn)行信息推送。

經(jīng)過(guò)事件處理之后，系統(tǒng)中存在包括簡(jiǎn)單事件以及復(fù)雜事件等大量事件，使用事件推送的方式，根據(jù)用戶定義展現(xiàn)界面進(jìn)行展現(xiàn)，在展現(xiàn)界面中的各元素，可以通過(guò)事件訂閱的方式綁定相應(yīng)的事件，將事件與界面中組件相互映射，一旦事件實(shí)例發(fā)布時(shí)，偵聽該事件的元素就會(huì)得到相應(yīng)并更新，主要過(guò)程如下：

⑴展現(xiàn)層組件通過(guò)事件提醒模塊訂閱事件，當(dāng)訂閱成功后，組件與其訂閱的事件之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)訂閱信息管理模塊保存并管理。

⑵同時(shí)基于消息中間件的消息傳輸機(jī)制，在與該事件一一對(duì)應(yīng)的消息隊(duì)列中增加該組件，將該組件與消息隊(duì)列進(jìn)行綁定，當(dāng)有消息到達(dá)時(shí)隨即被推至該組件。

⑶經(jīng)過(guò)事件處理后產(chǎn)生的事件后，事件的輸出部分作為消息加入消息中間件中特定的消息隊(duì)列，并實(shí)時(shí)的推送至組件，比如通過(guò)與界面元素綁定，能夠?qū)崟r(shí)地通過(guò)界面更新展現(xiàn)交換的信息。

4 實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證

本文以某生產(chǎn)車間的監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)基于事件的信息交換方法進(jìn)行驗(yàn)證。在車間中，存在大量的設(shè)備，這些設(shè)備通過(guò)PLC 可以與車間的設(shè)備進(jìn)行信息傳輸，獲取設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。為了獲取車間生產(chǎn)執(zhí)行的實(shí)時(shí)狀態(tài)，主要功能為一個(gè)可用于監(jiān)視的車間執(zhí)行狀態(tài)現(xiàn)場(chǎng)圖。設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)，如圖4所示：

圖4 應(yīng)用系統(tǒng)架構(gòu)

具體的流程如下：

⑴信息的獲取和解析并生成事件實(shí)例，如圖5所示：

圖5 配置及處理過(guò)程

信息的獲取通過(guò)PLC 與平臺(tái)進(jìn)行SOCKET 通信獲取，事件模型中關(guān)于事件標(biāo)示的定義在下圖（圖5 第一部分）A區(qū)域給出，包括事件名稱（EName）、設(shè)備代碼（EId）等信息息的內(nèi)容以一串字符標(biāo)示，B 區(qū)域則給出了事件信息體（EM）的定義，并且給出了通信內(nèi)容與信息體屬性的映射關(guān)系。完成創(chuàng)建并保存之后，事件將以XML的格式表示并進(jìn)行保存和管理。

⑵規(guī)則的建立與復(fù)雜事件的定義（圖5 第二部分）：針對(duì)系統(tǒng)功能的需求，設(shè)計(jì)負(fù)載檢測(cè)規(guī)則，檢測(cè)設(shè)備負(fù)載是否超過(guò)既定值，當(dāng)負(fù)載過(guò)高時(shí)，生產(chǎn)監(jiān)視部分將獲取新的狀態(tài)數(shù)據(jù)并動(dòng)態(tài)更新，根據(jù)如上的規(guī)則添加頁(yè)面編輯規(guī)則，完成包括規(guī)則名稱、優(yōu)先級(jí)、觸發(fā)事件等的編輯。

⑶復(fù)雜事件創(chuàng)建（圖5 第三部分）：在規(guī)則建立完成之后，基于已有的規(guī)則，需要建立復(fù)雜事件，除了基本信息所要求的事件名事件標(biāo)示等，還需要指定其生成時(shí)所依賴的規(guī)則以及輸入事件集。

⑷信息交換與展現(xiàn)：事件“清洗機(jī)A”（接收到清洗機(jī)A的狀態(tài)信息，I）發(fā)生后，該事件所能觸發(fā)的規(guī)則將被檢驗(yàn)，若規(guī)則的條件滿足則產(chǎn)生新的事件“清洗機(jī)負(fù)載過(guò)高”（K），其以I的事件信息體作為輸入，其自身的事件信息體即輸出由規(guī)則的Action 決定。此外，通過(guò)完成界面組件與事件的綁定（圖5 第四部分）之后，當(dāng)K 產(chǎn)生時(shí)，監(jiān)控頁(yè)面就會(huì)對(duì)該元素進(jìn)行包括顏色、數(shù)據(jù)展示等方式進(jìn)行展現(xiàn)。

當(dāng)設(shè)備的運(yùn)行超過(guò)負(fù)載時(shí)，在整體現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)視圖（圖6）上通過(guò)不同的顏色進(jìn)行展現(xiàn)，同時(shí)右側(cè)表格給出最新具體的狀態(tài)信息，如圖6所示：

圖6 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控圖

本文提出的基于事件處理的信息交換方法，將多源信息以事件的形式進(jìn)行事件處理并以消息中間件推送至各組件達(dá)到信息交換的目的，從應(yīng)用范圍、擴(kuò)展性、性能以及質(zhì)量與安全指標(biāo)方面與ESB的方式以及常見的基于消息點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式進(jìn)行比較，如表2所示：

表2 與已有方法的比較

針對(duì)以上幾點(diǎn)從表中可以看出，使用基于事件處理的方法在應(yīng)用范圍與擴(kuò)展性上有較大的優(yōu)勢(shì)，主要有以下兩點(diǎn)點(diǎn)特點(diǎn):⑴使用事件表示信息，更具通用性；⑵基于規(guī)則進(jìn)行事件處理，能夠靈活的應(yīng)對(duì)多變的需求，具有較好的擴(kuò)展性。

5 小結(jié)

綜上所述，本文提出的基于事件處理的信息交換框架，首先建立事件模型，提出多源信息向事件轉(zhuǎn)化的方法，以事件描述異構(gòu)的多源信息，接著建立能夠滿足事件處理要求的規(guī)則模型，同時(shí)給出基于規(guī)則的事件處理方法，并介紹了信息交換的展現(xiàn)方法，最后通過(guò)一個(gè)制造企業(yè)中生產(chǎn)車間的監(jiān)控系統(tǒng)作為驗(yàn)證，證明了本文所提出的基于事件處理的信息交換方法是切實(shí)可行的。在接下來(lái)的工作中，主要針對(duì)性能指標(biāo)與安全指標(biāo)，對(duì)整個(gè)方法的研究體系進(jìn)行完善和改進(jìn)。

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