前兆數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中設(shè)備資源統(tǒng)一管理

龐晶源，李雪梅，王 楠，李承雪

（吉林省地震局，長春 130117）

0 引言

中國地震前兆臺網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)主要用于滿足地震行業(yè)內(nèi)設(shè)備與數(shù)據(jù)資源共享、互聯(lián)互通、協(xié)同工作的需求。由于地震行業(yè)中設(shè)備資源具有異構(gòu)性、分布性與自治性等特點［1］，因此在前兆數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)建設(shè)過程中迫切需要一個有效的統(tǒng)一設(shè)備資源管理機制，以滿足設(shè)備資源共享和協(xié)同工作的需求，從而建立完善的面向地震行業(yè)特點的管理平臺。

目前已經(jīng)開展了大量針對設(shè)備資源管理系統(tǒng)的研究［2－4］，但是這些研究主要集中在設(shè)備靜態(tài)信息的管理，即設(shè)備的基本信息和靜態(tài)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計管理上，而對設(shè)備的運行狀態(tài)、設(shè)備業(yè)務(wù)功能的實現(xiàn)方式、動態(tài)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的綜合處理等各種動態(tài)信息的深層管理研究較少，更無法滿足對設(shè)備實現(xiàn)遠程監(jiān)視、控制的需求。而在當(dāng)前的地震行業(yè)內(nèi)部更缺乏有效統(tǒng)一的設(shè)備管理手段，因此急需一種新的設(shè)備管理系統(tǒng)來滿足人們對設(shè)備管理日益增長的需求。為此，本文對前兆數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中的設(shè)備資源管理系統(tǒng)進行了深入研究。

1 需求分析

1.1 設(shè)備資源特點

除了具備價值含量大、技術(shù)含量高、更新速度快等一般性特點以外，前兆數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中的設(shè)備資源還具有以下特點：

（1）自治性：前兆數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的設(shè)備資源的管理權(quán)限完全在于各個省、區(qū)域的地震局和地震臺站，每個所有者獨立自主的管理自己的資源，隨時可能撤銷對自己資源的共享。

（2）異構(gòu)性：在實際環(huán)境中，設(shè)備資源響應(yīng)命令的性能不一致，返回的數(shù)據(jù)格式不一致，設(shè)備所在的網(wǎng)絡(luò)條件狀況不一致，設(shè)備層接入系統(tǒng)的時間和空間也具有不一致性。

（3）海量數(shù)據(jù)：每天的全國數(shù)據(jù)量可達到3GB。

（4）遠程監(jiān)控：整個國家地震數(shù)字臺網(wǎng)的拓撲是四層的超樹結(jié)構(gòu)，即父節(jié)點可以訪問非直接子節(jié)點。設(shè)備資源處于最底層，對于各個節(jié)點來說，需要進行遠程的控制訪問。

（5）協(xié)作性：設(shè)備屬于不同的學(xué)科，同一學(xué)科的設(shè)備處于不同的地理位置，需要這些設(shè)備的協(xié)作，才能完成某些業(yè)務(wù)功能。

1.2 設(shè)計目標

為滿足前述的特點，前兆數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中的設(shè)備資源管理系統(tǒng)的主要設(shè)計目標是：

（1）將設(shè)備資源轉(zhuǎn)化成為一種位置透明的統(tǒng)一的資源，使得用戶在任何地方都可以通過網(wǎng)絡(luò)透明地、方便地使用設(shè)備資源，而不需要知道設(shè)備資源的具體地理位置。

（2）屏蔽行業(yè)中各種不同設(shè)備的異構(gòu)性，將設(shè)備資源轉(zhuǎn)化成為一種標準的資源供用戶使用。

2 系統(tǒng)框架

2.1 設(shè)備資源管理系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

為了達到上述的設(shè)計目標，設(shè)備資源管理系統(tǒng)被劃分為4個層次：

（1）設(shè)備資源層（Resource Layer）：由多個地理上分布的設(shè)備組成，這些設(shè)備存在著不同程度的異構(gòu)性。

（2）適配器層（Adapter Layer）：完成與設(shè)備資源的直接通信，通過對所發(fā)送的命令和設(shè)備返回的結(jié)果作相應(yīng)的映射，將異構(gòu)的設(shè)備資源，轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一的虛擬設(shè)備，向上層提供統(tǒng)一的接口，從而屏蔽了設(shè)備資源對中間件層和業(yè)務(wù)層的異構(gòu)性。

（3）中間件層（Middle Layer）：負責(zé)接收從用戶接口層中發(fā)送的服務(wù)調(diào)用請求，由調(diào)度器根據(jù)命令隊列和結(jié)果隊列返回的信息，將請求服務(wù)中的命令發(fā)送給適配器進行執(zhí)行，將執(zhí)行成功后的結(jié)果返回給用戶接口層。

（4）業(yè)務(wù)層（Business Layer）：為用戶提供相應(yīng)的業(yè)務(wù)交互接口，并完成對多用戶的并發(fā)訪問任務(wù)，進行優(yōu)化和結(jié)果的分發(fā)處理。

2.2 設(shè)備資源管理系統(tǒng)業(yè)務(wù)層體系結(jié)構(gòu)

設(shè)備資源管理系統(tǒng)的業(yè)務(wù)層的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 設(shè)備資源管理系統(tǒng)業(yè)務(wù)層體系結(jié)構(gòu)圖

（1）設(shè)備資源管理系統(tǒng)的門戶：該門戶是用戶與系統(tǒng)的接口，分為設(shè)備管理，設(shè)備監(jiān)控，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)采集、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)服務(wù)和系統(tǒng)管理5個功能模塊。本文實現(xiàn)了基于B／S 的門戶，實現(xiàn)了對設(shè)備的統(tǒng)一管理，提高了工作人員的工作效率。

（2）處理層核心模塊：主要包括元數(shù)據(jù)訪問模塊，并發(fā)任務(wù)管理模塊等，第4 節(jié)將重點介紹該模塊。

（3）數(shù)據(jù)訪問層：通過中間件調(diào)用模塊實現(xiàn)對中間件所提供的服務(wù)的調(diào)用，通過數(shù)據(jù)資源調(diào)用實現(xiàn)對數(shù)據(jù)資源的訪問［5］。

3 業(yè)務(wù)層核心模塊的設(shè)計與實現(xiàn)

用戶通過業(yè)務(wù)層所提供的頁面接口，發(fā)送相應(yīng)的業(yè)務(wù)請求，業(yè)務(wù)層經(jīng)過優(yōu)化處理后，將任務(wù)請求以XML文件的形式發(fā)送給中間件來調(diào)用中間件所提供的服務(wù)。當(dāng)中間件執(zhí)行完相應(yīng)的服務(wù)后，會將結(jié)果返回給業(yè)務(wù)層，業(yè)務(wù)層將結(jié)果與之前的任務(wù)請求進行映射后，對結(jié)果進行處理和分發(fā)，從而完成了用戶對設(shè)備的一次業(yè)務(wù)操作。通過這種方式，使得用戶可以高效、透明的對設(shè)備進行訪問操作，使得系統(tǒng)具有擴展性，當(dāng)有新的業(yè)務(wù)功能添加時，用戶只需要通過業(yè)務(wù)層提供的接口，就可以完成操作。為此，業(yè)務(wù)層中主要有以下4個核心模塊：元數(shù)據(jù)訪問模塊、并發(fā)訪問管理模塊、結(jié)果處理模塊以及系統(tǒng)管理模塊。

3.1 元數(shù)據(jù)訪問模塊

該模塊的主要功能是通過對元數(shù)據(jù)庫UUID的查詢，實現(xiàn)對設(shè)備和中間件描述的查詢和定位，可完成相關(guān)設(shè)備業(yè)務(wù)請求的中間件［5］。

對元數(shù)據(jù)的狀態(tài)查詢分為設(shè)備描述查詢和中間件描述查詢。對設(shè)備的元數(shù)據(jù)查詢主要應(yīng)用于當(dāng)系統(tǒng)查詢設(shè)備的屬性時，元數(shù)據(jù)訪問模塊會對元數(shù)據(jù)庫進行查詢，將解析后的設(shè)備的元數(shù)據(jù)描述返回調(diào)用模塊。

中間件描述信息的查詢則用于對中間件定位使用。當(dāng)用戶發(fā)送任務(wù)請求時，處理層需要通過元數(shù)據(jù)訪問為此任務(wù)進行中間件定位，并將選擇的中間件的信息返回給并發(fā)訪問管理模塊，使其調(diào)用此中間件的相關(guān)服務(wù)來完成用戶的請求。

3.2 并發(fā)訪問管理模塊

本系統(tǒng)具有多視圖的需求，為了保證對每個用戶的訪問操作，系統(tǒng)都能夠做到及時、準確的響應(yīng)，并且對同時進行的相同操作，給予相同的結(jié)果，本文對多用戶并發(fā)任務(wù)的分發(fā)和結(jié)果的優(yōu)化進行了深入研究，主要分為3個過程：任務(wù)解析、任務(wù)優(yōu)化和任務(wù)分發(fā)。

3.2.1 任務(wù)解析

任務(wù)解析子模塊所完成的主要功能是解析用戶通過網(wǎng)頁傳輸過來的命令請求，根據(jù)其中的信息解析出請求業(yè)務(wù)和執(zhí)行的設(shè)備［6］，為用戶所請求的任務(wù)注冊，并將其注冊ID 返回。其工作流程如圖2所示：

圖2 任務(wù)解析模塊

任務(wù)解析模塊接收從網(wǎng)頁上傳輸過來的任務(wù)命令，首先對任務(wù)命令進行驗證，包括語法格式驗證和語義驗證。其中語法驗證的主要任務(wù)是驗證傳輸過來的任務(wù)命令是否滿足預(yù)先定義的命令格式；語義驗證主要是完成命令語義方面的檢查；最后對任務(wù)命令進行解析，從中得出所請求的服務(wù)和要執(zhí)行的設(shè)備ID。

3.2.2 任務(wù)優(yōu)化

任務(wù)優(yōu)化子模塊所完成的主要功能是對任務(wù)解析模塊發(fā)送的任務(wù)請求進行任務(wù)匹配，并根據(jù)匹配結(jié)果對任務(wù)進行不同的處理，從而完成任務(wù)的優(yōu)化。圖3是任務(wù)優(yōu)化子模塊的流程圖：

圖3 任務(wù)優(yōu)化子模塊的流程圖

（1）任務(wù)解析模塊將經(jīng)過解析的任務(wù)請求信息發(fā)送給任務(wù)匹配子模塊，其任務(wù)請求信息包括設(shè)備ID，任務(wù)請求名稱。如圖3步驟1所示。

（2）任務(wù)匹配模塊根據(jù)任務(wù)請求信息中的設(shè)備ID 和任務(wù)請求名稱進行查詢?nèi)蝿?wù)執(zhí)行信息緩沖，查找是否具有相同的任務(wù)請求。任務(wù)執(zhí)行信息緩沖是系統(tǒng)為業(yè)務(wù)層中的任務(wù)請求分配的緩沖區(qū)。其中包括已經(jīng)執(zhí)行完畢的任務(wù)、正在執(zhí)行的任務(wù)和即將執(zhí)行的任務(wù)的相關(guān)信息，包括設(shè)備ID、任務(wù)請求名稱、任務(wù)執(zhí)行ID 和任務(wù)執(zhí)行情況。如圖3步驟2、3所示。

（3）任務(wù)匹配模塊將任務(wù)請求信息和匹配結(jié)果發(fā)送到任務(wù)合并模塊，進行任務(wù)的優(yōu)化。如圖3步驟4所示。

（4）任務(wù)合并模塊根據(jù)所接收的匹配結(jié)果對任務(wù)進行不同的處理。共有2種匹配結(jié)果。①如果在任務(wù)匹配中找到了相同的任務(wù)，則將此任務(wù)請求的注冊ID 和任務(wù)執(zhí)行ID 進行映射，并寫入映射文件中，其任務(wù)請求將不會發(fā)送到命令隊列中；②如果匹配的結(jié)果是沒有相同的任務(wù)，則系統(tǒng)為此任務(wù)請求分配新的任務(wù)執(zhí)行ID，同時將任務(wù)注冊ID 與此任務(wù)執(zhí)行ID 的映射寫入映射文件中，并將此任務(wù)的相關(guān)信息寫入任務(wù)執(zhí)行信息緩沖，包括任務(wù)執(zhí)行ID、任務(wù)請求名稱、設(shè)備ID 和“待發(fā)送”的任務(wù)執(zhí)行情況。如圖3步驟5、6、7所示。

3.2.3 任務(wù)分發(fā)

任務(wù)分發(fā)模塊的主要功能是為命令對隊列中的任務(wù)請求選擇適合的中間件，并根據(jù)任務(wù)調(diào)用中間件所提供的服務(wù)，達到將任務(wù)分發(fā)的目的。圖4為 任務(wù)分發(fā)模塊的原理圖。

圖4 任務(wù)分發(fā)模塊原理圖

（1）Runner不斷的向任務(wù)命令隊列請求任務(wù)請求，如果當(dāng)前系統(tǒng)中沒有任務(wù)請求需要分發(fā)，Runner線程將被阻塞，直到有新的任務(wù)請求需要被分發(fā)，否則Runner線程將從任務(wù)命令隊列中取出該任務(wù)請求。

（2）MiddleChoose負責(zé)為即將分發(fā)的任務(wù)請求選擇定位適合的中間件，進行服務(wù)的調(diào)用，并向XMLGenerator提供中間件的相關(guān)信息。

（3）XMlGenerator負責(zé)生成向中間件所發(fā)送的服務(wù)調(diào)用的XML文件。

（4）MiddleAccess在接收到XML 文件之后，將會派生一個新的線程來將XML 文件發(fā)送給中間件，與此同時，將任務(wù)執(zhí)行信息緩沖的相應(yīng)任務(wù)的任務(wù)執(zhí)行情況更新為“已發(fā)送”。

3.3 結(jié)果處理模塊

結(jié)果處理模塊負責(zé)將中間件返回的結(jié)果數(shù)據(jù)分發(fā)給發(fā)送該任務(wù)請求的用戶，同時還需要按照用戶的要求對結(jié)果數(shù)據(jù)進行處理，例如有些數(shù)據(jù)需要統(tǒng)計入庫等。圖5為業(yè)務(wù)層中結(jié)果處理模塊的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖。

（1）Listening Threads 負責(zé)監(jiān)聽是否有中間件向業(yè)務(wù)層發(fā)送包含結(jié)果的XML 文件，如果監(jiān)聽到這樣的XML 文件，則將XML 文件轉(zhuǎn)發(fā)到XML Parse模塊中進行解析。

（2）XML Parse將接收到的XML 文件進行解析，其解析的信息包括任務(wù)執(zhí)行ID、任務(wù)名稱、執(zhí)行結(jié)果和相應(yīng)的返回結(jié)果字符串。

圖5 結(jié)果分發(fā)模塊實現(xiàn)示意圖

（3）Result Location根據(jù)任務(wù)執(zhí)行ID，通過查詢?nèi)蝿?wù)優(yōu)化時生成的映射文件，將結(jié)果與任務(wù)注冊ID 進行一一對應(yīng)，為每個結(jié)果找到其對應(yīng)的任務(wù)請求，并將對應(yīng)的任務(wù)注冊ID 轉(zhuǎn)發(fā)給Result Send。

（4）Result Send負責(zé)結(jié)果的分發(fā)。對于直接返回瀏覽器的結(jié)果，則等待瀏覽器通過接口進行結(jié)果的傳輸；或者Result Send會主動的將結(jié)果進行發(fā)送，如寫入數(shù)據(jù)庫或數(shù)據(jù)文件。

3.4 系統(tǒng)管理模塊

系統(tǒng)權(quán)限維護，采用面向?qū)ο蟮挠脩艄芾砑夹g(shù)，即由用戶、權(quán)限和角色3個對象構(gòu)成。這里的角色是指具有明確行為準則、確定的行為方式、完成規(guī)定范圍任務(wù)的實體，角色與角色之間可以有繼承的關(guān)系；用戶是指可以操作系統(tǒng)的一個擁有具體的用戶名稱和密碼的實體對象。系統(tǒng)權(quán)限的分配是通過將權(quán)限賦給角色，再將角色分配給用戶來實現(xiàn)的，權(quán)限和用戶之間沒有直接的聯(lián)系；用戶的權(quán)限是分配給用戶的所擁有角色的所有權(quán)限的總和。

根據(jù)設(shè)備資源管理的功能需要，主要劃分了如下角色：超級用戶角色、設(shè)備管理員角色、監(jiān)控管理角色、業(yè)務(wù)管理角色、維修管理角色、數(shù)據(jù)管理角色。

4 設(shè)備資源統(tǒng)一管理模型應(yīng)用及性能測試

目前，我們提出的設(shè)備資源統(tǒng)一管理模型已經(jīng)被成功的應(yīng)用到了中國地震前兆臺網(wǎng)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中，該系統(tǒng)界面如圖6所示。

為了驗證我們提出的設(shè)備資源統(tǒng)一管理模型，我們對其進行了性能測驗。設(shè)備資源統(tǒng)一管理系統(tǒng)的實際運行環(huán)境十分復(fù)雜，但也可以通過下述參數(shù)來大致描述：請求頻率12～15個／小時，處理請求頻率20～40個／分，設(shè)備通道數(shù)目1～2個。下面是在實際項目中使用的對于中間件性能的測試用例和測試結(jié)果。

表1 設(shè)備資源統(tǒng)一管理系統(tǒng)性能測試用例和測試結(jié)果

在上述的系統(tǒng)性能測試中，通過模擬實際系統(tǒng)運行環(huán)境，多用戶頻繁進行業(yè)務(wù)功能操作，系統(tǒng)的性能沒有下降，證明設(shè)備資源管理系統(tǒng)能夠滿足一定規(guī)模的多用戶請求的并發(fā)任務(wù)處理和結(jié)果處理的能力。

本系統(tǒng)已經(jīng)在全國進行部署和運行，在實際運行環(huán)境中得到了更加全面和嚴格的測試，根據(jù)運行情況的反饋，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，各功能均可正常使用和工作。

5 結(jié)論

為了滿足設(shè)備資源共享和協(xié)同工作的需求，本文對前兆數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中的設(shè)備資源管理方法進行了深入的研究。首先，根據(jù)前兆數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中設(shè)備的實際特點，分析了系統(tǒng)的各項業(yè)務(wù)需求，提出了符合地震行業(yè)應(yīng)用特點的設(shè)備資源管理系統(tǒng)模型。其次，針對地震臺網(wǎng)中設(shè)備的異構(gòu)性，對系統(tǒng)中的信息進行了抽象和統(tǒng)一的描述，將設(shè)備資源轉(zhuǎn)化成為一種統(tǒng)一的標準資源，屏蔽各設(shè)備之間的差異，使系統(tǒng)具有可擴展性。最后，實現(xiàn)了多用戶并發(fā)任務(wù)的優(yōu)化和結(jié)果數(shù)據(jù)分發(fā)處理，從而提高了系統(tǒng)的性能。測試結(jié)果表明，本文提出的設(shè)備資源管理系統(tǒng)模型在安全性、功能以及性能等方面均已經(jīng)達到預(yù)期目標。

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