J2EE云存儲環(huán)境下電動汽車信息管理系統(tǒng)的研究

羅國富，段 瑞，劉小娟，楊文超

LUO Guo-fu,DUAN Rui,LIU Xiao-juan,YANG Wen-chao

（鄭州輕工業(yè)學(xué)院 機電工程學(xué)院，鄭州 450002）

0 引言

現(xiàn)代企業(yè)的競爭很大程度上是信息的競爭，企業(yè)要想從眾多的競爭者中間脫穎而出需要一套完善、穩(wěn)定的信息管理系統(tǒng)。所以，為了更好地了解和改進電動汽車的綜合性能，實現(xiàn)與國家新能源汽車遠程管理系統(tǒng)有效對接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，提供對車輛狀態(tài)進行實時監(jiān)控的技術(shù)支持，電動汽車信息管理系統(tǒng)勢在必行[1]。

J2EE(Java 2 Platform Enterprise Edition)作為目前最成熟、最具影響力的技術(shù)架構(gòu)模型，在事務(wù)管理、兼容性、穩(wěn)定的可用性、組件的多實例管理等方面提供了強大的支持。文獻[2]提出了基于J2EE五層體系結(jié)構(gòu)的Web開發(fā)框架，在經(jīng)典四層架構(gòu)的業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)庫層間增加了數(shù)據(jù)持久層，并集成Struts和Hibernate實現(xiàn)J2EE分層架構(gòu)，構(gòu)建了更為有效的松耦合多層次Web開發(fā)模型。但利用EJB實現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯層，開發(fā)難度大、成本高。文獻[3]利用Struts、Spring和Hibernate開源框架技術(shù)進行系統(tǒng)的開發(fā)，整個系統(tǒng)遵循MVC的架構(gòu)模式,降低了系統(tǒng)的耦合,增加了系統(tǒng)的靈活性，提高了系統(tǒng)的可擴展性和可維護性。文獻[6]介紹了利用SQL Azure 數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)存儲，實現(xiàn)了異質(zhì)群組、協(xié)同工作流等技術(shù)，并運用實例驗證了云數(shù)據(jù)庫的高擴展性、高可用性等特點，但利用。NET進行應(yīng)用程序的開發(fā)，在多系統(tǒng)整合和系統(tǒng)延展性方面遠遠不及J2EE。因此，利用J2EE框架技術(shù)和SQL Azure分別進行應(yīng)用程序及數(shù)據(jù)庫的設(shè)計，能縮短開發(fā)周期，節(jié)約成本，最終實現(xiàn)系統(tǒng)的高效開發(fā)。

本文提出一種J2EE云存儲環(huán)境下電動汽車信息管理系統(tǒng)的設(shè)計方法，運用SQL Azure云數(shù)據(jù)庫技術(shù)將數(shù)據(jù)存儲在云端，提高了數(shù)據(jù)庫的可擴展性，大大降低了管理維護的難度。

1 電動汽車信息管理系統(tǒng)(EVMIS)分析

1.1 概述

新能源汽車運營管理平臺包括門戶網(wǎng)站建設(shè)、立體化網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)、信息管理系統(tǒng)四個方面。

1）門戶網(wǎng)站建設(shè)由前臺頁面展示和后臺CMS內(nèi)容管理系統(tǒng)組成，并集成信息管理系統(tǒng),在網(wǎng)站首頁提供用戶登錄入口和相關(guān)查詢。

2）立體化網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)由車載端、數(shù)據(jù)服務(wù)器、用戶終端及公共資源(包括衛(wèi)星、GPRS/CDMA基站、以太網(wǎng)等)組成。通過該系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳與采集。

3）數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)分析兩大模塊。車載終端從GPS接收機解析的各種能夠反映目標(biāo)的地理信息和車輛狀態(tài)信息合成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)包通過GPRS上傳到數(shù)據(jù)服務(wù)器。接著數(shù)據(jù)服務(wù)器將車輛的狀態(tài)數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，并對所采集到的數(shù)據(jù)進行離線統(tǒng)計、分析和管理，對新能源汽車運行參數(shù)進行按試驗工況或時段統(tǒng)計和分析，對汽車運行過程中的各種數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，并對以上數(shù)據(jù)進行曲線圖分析和比較，將最終得到的車輛狀態(tài)顯示到WEB頁面,供用戶查看。

4）信息管理系統(tǒng)通過組件化的用戶界面提供服務(wù)接口，并采用服務(wù)調(diào)用機制實現(xiàn)整車技術(shù)狀態(tài)監(jiān)控、電池技術(shù)性能分析和實時信息預(yù)測等功能。

電動汽車信息管理系統(tǒng)（EVMIS）是信息管理系統(tǒng)模塊的一個子系統(tǒng)，本文主要對EVMIS進行相關(guān)研究及設(shè)計。

1.2 系統(tǒng)功能需求分析及設(shè)計

根據(jù)數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)所提供的相關(guān)數(shù)據(jù)和圖表以及企業(yè)就該信息管理系統(tǒng)提出的實際需求，電動汽車信息管理系統(tǒng)包括用戶信息管理、汽車信息管理、電池信息管理、故障信息管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、論壇管理、新聞公告管理等七大模塊。

1）用戶信息管理模塊包括一般用戶和管理員兩種用戶，管理員有權(quán)限對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行處理。不同權(quán)限的管理員可以對這些數(shù)據(jù)進行添加、修改和刪除處理。所有用戶均可以進行信息查詢，該模塊提供用戶注冊、用戶銷戶、用戶權(quán)限分配、用戶審核等功能。

2）汽車信息管理模塊用于管理汽車相關(guān)資料，并存儲車輛信息，從而方便用戶查詢利用。該模塊包括靜態(tài)信息管理和動態(tài)信息管理兩大子模塊，靜態(tài)信息管理是為每臺車輛標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的數(shù)據(jù)檔案的管理，如車型數(shù)據(jù)等，而動態(tài)信息管理是對實時采集的整車高壓系統(tǒng)的電流及電壓、車速、電機狀態(tài)等信息進行管理。

3）電池信息管理對運營中的電池基本信息和運營情況進行管理，還包括電池廠家、電池類型以及電池組成部分的廠家和型號的維護。

4）故障信息管理模塊對汽車運行過程中所產(chǎn)生的各種故障進行統(tǒng)計，并記錄相關(guān)的現(xiàn)場解決方法，為用戶臨時解決故障問題提供方便，并為汽車開發(fā)商提供相關(guān)數(shù)據(jù)以改善其性能，增強企業(yè)競爭力。

5）數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析模塊對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的信息進行統(tǒng)計分析，去除雜亂信息，并對信息進行分門別類，生成數(shù)據(jù)表或者統(tǒng)計圖，最終對整車進行可靠性、經(jīng)濟性和可用性分析，供用戶查詢利用，以便作出決策。

6）論壇管理模塊為電動汽車信息系統(tǒng)提供學(xué)習(xí)討論平臺，論壇管理提供注冊用戶發(fā)帖和回帖，提供游客瀏覽帖子，刪除、修改帖子功能。

7）新聞公告管理模塊提供新聞公告發(fā)布平臺，管理員通過電動汽車信息系統(tǒng)后臺進行新聞公告的發(fā)布、修改、刪除。游客和注冊用戶通過首頁查詢新聞和公告，了解市場動態(tài)。

根據(jù)需求分析，電動汽車信息管理系統(tǒng)功能設(shè)計圖如圖1所示。

圖1 EVMIS總體功能設(shè)計圖

2 J2EE云計算環(huán)境下EVMIS的總體設(shè)計

本系統(tǒng)將使用當(dāng)前流行的B/S模式的體系結(jié)構(gòu)，在java2平臺上，采用J2EE框架技術(shù)來實現(xiàn)。客戶端層采用瀏覽器(Browser)向用戶提供基于WEB的顯示頁面。WEB服務(wù)器層(Web Server)采用基于J2EE的開源框架技術(shù)：Struts、Spring和Hibernate技術(shù)來實現(xiàn)。后臺數(shù)據(jù)庫服務(wù)器層(Database Server)則采用SQL Azure實現(xiàn)。

整個系統(tǒng)分為五層，分別是客戶層、表示層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)持久層和數(shù)據(jù)庫層。系統(tǒng)開發(fā)過程中將采用MVC模式，其中表示層應(yīng)用Struts框架，業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)持久層分別采用Spring框架和Hibernate框架來實現(xiàn)。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖2所示。

2.1 表示層

表示層主要處理系統(tǒng)與用戶之間的交互，接受用戶的請求和數(shù)據(jù)輸入，并將處理結(jié)果可視化輸出。該系統(tǒng)基于B/S模式，采用Struts框架技術(shù)來實現(xiàn)表示層的設(shè)計。

圖2 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

Struts框架實現(xiàn)了MVC設(shè)計模式，將Web系統(tǒng)的程序分為模型、視圖、控制器三個部分，很好的實現(xiàn)了表示層和業(yè)務(wù)層的分離。模型由業(yè)務(wù)邏輯的Java Bean或者EJB組件構(gòu)成，控制器由Action Servlet和Action來實現(xiàn)，視圖由一組JSP文件構(gòu)成。

2.2 業(yè)務(wù)邏輯層

業(yè)務(wù)邏輯層主要負責(zé)具體的業(yè)務(wù)邏輯處理。該框架以 IoC(Inversion of Control)和AOP (Aspect Oriented Programming)為基礎(chǔ)，通過基本的JavaBean 替代EJB 完成相關(guān)工作，同時Spring 框架集成了對 Hibernate 和其他 O/R mapping 數(shù)據(jù)訪問的解決方案，更是提供了對 Struts 很好的支持，控制反轉(zhuǎn) (IoC)和面向方面編程( AOP)插件式架構(gòu)有效地降低了應(yīng)用程序各層的耦合度和應(yīng)用組件之間的依賴性。

2.3 數(shù)據(jù)持久層

數(shù)據(jù)持久層由Hibernate來實現(xiàn)，應(yīng)用程序通過Hibernate提供的ORM工具進行關(guān)系數(shù)據(jù)庫與對象關(guān)聯(lián)對數(shù)據(jù)庫進行訪問，在對象和數(shù)據(jù)庫間傳遞數(shù)據(jù)，并保持兩者與映射層本身相獨立。在Hibernate 技術(shù)的實施過程中，通過創(chuàng)建持久化對象，完成持久化對象與數(shù)據(jù)庫中表字段的對應(yīng)關(guān)系，編寫配置文件，完成與數(shù)據(jù)庫的連接操作及各種參數(shù)的配置，最終定義和實現(xiàn) DAO 接口，完成具體業(yè)務(wù)。

3 SQL Azure數(shù)據(jù)庫架構(gòu)

SQL Azure是由微軟 SQL Server 2008 為主，建構(gòu)在 Windows Azure 云端操作系統(tǒng)之上，執(zhí)行云端運算的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫服務(wù),是一種云存儲的實現(xiàn)，具有高擴展性和高可用性。SQL Azure 架構(gòu)在數(shù)據(jù)中心可分為三個部份：服務(wù)提供層(Service Layer)、平臺提供層(Platform Layer)、基礎(chǔ)設(shè)施層(Infrastructure Layer)。SQL Azure體系架構(gòu)如圖3所示。

1）服務(wù)提供層向用戶提供TDS(Tabular Data Stream)協(xié)議的訪問端口，用戶通過該協(xié)議訪問SQL Azure內(nèi)部的數(shù)據(jù)。此層還提供了流量計費及用戶賬戶的配置服務(wù)。

2）平臺提供層由SQL Server Fabric、SQL Server實例和管理服務(wù)三部分組成。SQL Server Fabric是一個集成了網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器和存儲的分布式底層架構(gòu)， 用于完成數(shù)據(jù)庫的自動部署、備份、故障轉(zhuǎn)移和設(shè)置負載均衡。SQL Server實例代表了數(shù)據(jù)備份和底層的操作系統(tǒng)實例。SQL Azure 管理服務(wù)負責(zé)對每個數(shù)據(jù)庫間的數(shù)據(jù)復(fù)寫工作,保障 了SQL Azure 的基本高可用性要求。

3）基礎(chǔ)設(shè)施層提供了硬件支持和操作系統(tǒng)，以及對服務(wù)層運行時的服務(wù)管理。

圖3 SQL Azure體系架構(gòu)

4 SQL Azure云存儲實現(xiàn)示例

4.1 本地數(shù)據(jù)庫開發(fā)

4.1.1 系統(tǒng)總體E-R圖

根據(jù)功能設(shè)計，規(guī)劃出的實體有：管理員實體、用戶實體、汽車信息實體、電池信息實體、故障信息實體、論壇實體、新聞公告實體等。

1）管理員實體屬性包括：管理員編號、管理員名稱、密碼、注冊時間、權(quán)限。

2）用戶實體屬性包括：用戶編號、用戶名、密碼、性別、聯(lián)系電話、身份證號、郵箱、注冊時間。

3）汽車信息實體屬性包括：編號、品牌、型號、廠商、出產(chǎn)年份、價格、產(chǎn)地、電動機、保修期、圖片、添加時間、添加人。

4）電池信息實體屬性包括：編號、品牌、型號、廠商、出產(chǎn)年份、價格、產(chǎn)地、體積、重量、生命周期、充換電記錄、用戶名。

5）故障信息實體屬性包括：編號、管理員名稱、用戶名、電池故障、電機故障、控制系統(tǒng)故障、處理方法、添加時間。

6）論壇實體屬性包括：編號、管理員名稱、帖子名稱、帖子內(nèi)容、發(fā)帖時間、發(fā)帖人、回復(fù)。

7）新聞公告實體屬性包括：編號、管理員名稱、標(biāo)題名稱、內(nèi)容、圖片、發(fā)布時間、發(fā)布人。

利用VISIO畫出實體關(guān)系圖（E-R圖），如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)總體E-R圖

4.1.2 創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫、表結(jié)構(gòu)及相關(guān)索引

打開SQL Server Management Studio 2008 R2，輸入Transact-SQL代碼（代碼示例如圖5所示），即可完成EVMISDB數(shù)據(jù)庫及其中數(shù)據(jù)表的創(chuàng)建操作。接著完成創(chuàng)建相關(guān)（非）聚集索引等工作，最終得到“EVMISDB”數(shù)據(jù)庫及其數(shù)據(jù)表的樹形目錄結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

4.2 向SQL Azure中遷移本地數(shù)據(jù)庫

目前將數(shù)據(jù)遷移到云數(shù)據(jù)庫中仍然是一個具有挑戰(zhàn)性的問題，特別是一些包含海量數(shù)據(jù)的科學(xué)數(shù)據(jù)庫,可能無法直接遷移到云中。因此，需要研究向云數(shù)據(jù)庫中遷移數(shù)據(jù)的有效方法。

圖5 代碼示例

圖6 樹形目錄結(jié)構(gòu)

向SQL Azure云數(shù)據(jù)庫中遷移本地數(shù)據(jù)庫，目前主要有以下三種方法或工具能夠?qū)崿F(xiàn)：1）通過生成現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫的DDL腳本及bcp實用工具將數(shù)據(jù)庫遷移到 SQL Azure；2）利用SQL Azure Sync或SQL Azure Migration Wizard等工具實現(xiàn)本地SQL Server與遠端SQL Azure之間的數(shù)據(jù)同步；3）通過數(shù)據(jù)層應(yīng)用程序DAC（Data-tier Application），我們可以將SQL Server中的數(shù)據(jù)庫的Schema提取出來，并且可以方便地將Schema部署到SQL Azure上。然而，目前DAC只能提取和部署Schema，而不能提取、部署表中的數(shù)據(jù)行。

為了保持系統(tǒng)性能最優(yōu)，數(shù)據(jù)遷移必須保證服務(wù)間斷時間盡可能短，上述方法在這點上仍有不足。而現(xiàn)在提出的數(shù)據(jù)庫之間的動態(tài)數(shù)據(jù)遷移技術(shù),可以有效地支持云數(shù)據(jù)庫環(huán)境下的動態(tài)負載均衡，實現(xiàn)資源再分配。

5 結(jié)束語

系統(tǒng)利用SQL Azure數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)，采用J2EE技術(shù)架構(gòu)系統(tǒng)框架，縮短了開發(fā)周期，同時減少了投入成本，使系統(tǒng)具有良好的可移植性、靈活性，且易維護、易管理。通過該系統(tǒng)，企業(yè)能及時、全面的了解電動汽車的市場動態(tài)及業(yè)務(wù)經(jīng)營狀況，理解車主的真實想法和電動汽車運行的相關(guān)實況，為企業(yè)制定下一步策略提供明確方向，大大提高了企業(yè)的競爭力。

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