基于SOA的云計(jì)算流域模擬模型集成架構(gòu)的研究

劉海燕+劉曉民+史寶會(huì)+萬(wàn)崢

摘要：針對(duì)現(xiàn)有流域模型集成系統(tǒng)接口不統(tǒng)一，系統(tǒng)與模型之間集成困難，缺乏通用性和可擴(kuò)展性等問(wèn)題，采用SOA與云計(jì)算技術(shù)，構(gòu)建了一個(gè)開(kāi)放的、可擴(kuò)展的、可共享的水利模擬模型集成架構(gòu)。在該架構(gòu)中，借鑒SOA的設(shè)計(jì)思想，將云服務(wù)系統(tǒng)的各項(xiàng)業(yè)務(wù)分解為顆粒度不同的服務(wù)，各子功能封裝為標(biāo)準(zhǔn)的web服務(wù)。采用SOA典型的模塊性特征，將流域模擬模型的集成架構(gòu)分為客戶端、云服務(wù)平臺(tái)、云計(jì)算應(yīng)用程序接口層、模型管理服務(wù)層、云服務(wù)管理層、物理資源層，使得集成模型的各應(yīng)用系統(tǒng)的服務(wù)來(lái)源于各層。該架構(gòu)增強(qiáng)了水利專業(yè)模型平臺(tái)的開(kāi)放性、用戶交互性以及平臺(tái)的通用性。

關(guān)鍵詞：云計(jì)算；流域模擬模型；面向服務(wù)的架構(gòu)；架構(gòu)；Webservice

中圖分類號(hào)：P334；G353.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-1683（2017）03-0020-05

Abstract：The interfaces of the existing integration systems of digital watershed simulation models are not uniform.The integration is difficult between integration systems and models.The system lacks versatility and scalability.To solve the problems mentioned above，this paper built an open，scalable，and shareable integration architecture for digital watershed simulation models by using SOA and cloud computing technologies.In this architecture，the various transactions in the cloud service system were decomposed into services of different granularities，and the sub-functions were packaged as standard web services.Taking advantage of the typical modularity feature of SOA，the integrated architecture was divided into client layer，cloud service platform，cloud computing application interface layer，model management service layer，cloud service management layer，and physical resources layer.The application system services of the integrated model originated from these layers.This architecture enhanced the openness，interactivity and versatility of water conservancy model platforms.

Key words：cloud computing；digital watershed simulation model；service oriented architecture；architecture；Webservice

水利數(shù)學(xué)模型在水管理和水利工程建設(shè)中廣泛地應(yīng)用，發(fā)揮著重要的作用。隨著水利模擬對(duì)象越來(lái)越復(fù)雜，需將不同過(guò)程、不同要素、不同尺度的水利相關(guān)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行耦合集成，用以描述水資源系統(tǒng)變化，表達(dá)水運(yùn)動(dòng)的物理過(guò)程和水信息流通過(guò)程。然而，當(dāng)前已有的多模型集成應(yīng)用涉及問(wèn)題多，難度大，主要體現(xiàn)在3個(gè)方面：（1）大多數(shù)模型系統(tǒng)是針對(duì)具體的應(yīng)用背景而研制的，模型集成系統(tǒng)缺乏對(duì)各單項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行有規(guī)劃的整合，運(yùn)行需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與格式各異，導(dǎo)致模型的可重用性差，難以對(duì)外提供模型服務(wù)[1]；（2）隨著計(jì)算量的劇增，高性能的計(jì)算資源的要求不斷提高，導(dǎo)致軟硬件的購(gòu)置費(fèi)與系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)增加； （3）模型集成系統(tǒng)缺乏系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)造成模型平臺(tái)的靈活性和可擴(kuò)展性較差，同時(shí)，模型集成系統(tǒng)缺乏對(duì)各單項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行有規(guī)劃的整合，使得系統(tǒng)缺乏通用性和系統(tǒng)性[2]。這些均阻礙了模型集成系統(tǒng)的發(fā)展。

為解決上述問(wèn)題，很多學(xué)者在模型組件、模型集成方面做了大量的研究。在文獻(xiàn)[3-5]中，應(yīng)用組件和Web service技術(shù)及面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)（SOA）對(duì)模塊進(jìn)行封裝并發(fā)布服務(wù)，形成洪水預(yù)報(bào)模型組件庫(kù)；2005年歐洲推出了數(shù)學(xué)模型接口標(biāo)準(zhǔn)化OpenMI系統(tǒng)。文獻(xiàn)[1]以一維水動(dòng)力學(xué)模型為例，提出了基于云計(jì)算的模型集成方法和調(diào)度模式。文獻(xiàn)[6]基于云計(jì)算，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了包括門(mén)戶網(wǎng)站、模型參數(shù)自動(dòng)優(yōu)選服務(wù)與實(shí)時(shí)流域洪水預(yù)報(bào)服務(wù)的流溪河模型云服務(wù)平臺(tái)。文獻(xiàn)[7]提出了基于Hadoop的水文云計(jì)算平臺(tái)。文獻(xiàn)[8]將SWAT-DEG模型作為云服務(wù)進(jìn)行了開(kāi)發(fā)，提高了系統(tǒng)的可訪問(wèn)性和可擴(kuò)展性。文獻(xiàn)[9]提出了基于云計(jì)算的水文模擬平臺(tái)。文獻(xiàn)[10]基于亞馬遜云開(kāi)發(fā)和實(shí)現(xiàn)了高性能計(jì)算環(huán)境并將水文參數(shù)估算應(yīng)用到該環(huán)境中。以上的研究為多模型集成提供了一種新的思路，尤其是云服務(wù)模式，對(duì)解決模型集成系統(tǒng)存在的數(shù)據(jù)接口、模型重用性和軟件系統(tǒng)的擴(kuò)展性、服務(wù)模式方面的問(wèn)題提供了新的解決方法。

因此，在本文中，利用云計(jì)算充足的計(jì)算資源，借鑒SOA設(shè)計(jì)的思想，針對(duì)水利模型軟件集成系統(tǒng)存在的問(wèn)題，基于云計(jì)算模式和SOA技術(shù)，構(gòu)建一個(gè)開(kāi)放的、可擴(kuò)展的、可共享的水利模擬模型集成框架，將數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為水資源領(lǐng)域的云服務(wù)，方便使用者通過(guò)手機(jī)或者移動(dòng)設(shè)備（如計(jì)算機(jī)）輸入模型參數(shù)后，驅(qū)動(dòng)云端的流域模型，將計(jì)算結(jié)果返回給使用者，對(duì)流域的動(dòng)態(tài)隨時(shí)隨地進(jìn)行監(jiān)控和高效管理。

1 SOA與云計(jì)算

SOA（Service Oriented Architecture，面向服務(wù)的架構(gòu)）是一種軟件架構(gòu)，服務(wù)之間通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的接口進(jìn)行通訊，主要特征包括服務(wù)的可復(fù)用性、服務(wù)是松耦合的、服務(wù)是可組合的、服務(wù)是動(dòng)態(tài)的等[11]。在SOA的體系架構(gòu)中，主要由服務(wù)提供者、服務(wù)消費(fèi)者、服務(wù)注冊(cè)中心三個(gè)參與者和服務(wù)的發(fā)布、查找、綁定三種操作組成[12]。架構(gòu)圖如圖1所示。

云計(jì)算的關(guān)鍵特征是按需提供服務(wù)，能夠向各種應(yīng)用提供所需的服務(wù)，其架構(gòu)主要由IAAS（基礎(chǔ)設(shè)施既服務(wù)）、PAAS平臺(tái)即服務(wù)）、SAAS（軟件即服務(wù)），而SOA是一個(gè)組件模型，它將依靠各服務(wù)之間定義良好的接口和契約的應(yīng)用程序聯(lián)系起來(lái)[13-14]。將云計(jì)算與SOA緊密結(jié)合起來(lái)，二者互相聯(lián)系，互相補(bǔ)充。

2 平臺(tái)框架設(shè)計(jì)

在本文中，借鑒SOA的設(shè)計(jì)思想，將云服務(wù)系統(tǒng)的各項(xiàng)業(yè)務(wù)分解為顆粒度不同的服務(wù)，各子功能封裝為標(biāo)準(zhǔn)的Web服務(wù)，并采用SOA典型的模塊性特征，將流域模擬模型的集成架構(gòu)分層設(shè)計(jì)，使得集成模型的各應(yīng)用系統(tǒng)的服務(wù)來(lái)源于各層，每層由一些基本模塊組成，每層之間以及各模塊之間彼此相關(guān)。同時(shí)，根據(jù)流域模型的結(jié)構(gòu)組成，基于SOA的云計(jì)算模式的流域模擬模型的系統(tǒng)總體框架該架構(gòu)自頂向下共分為6層：客戶端、云服務(wù)平臺(tái)、云計(jì)算應(yīng)用程序接口層、模型管理服務(wù)層、云服務(wù)管理層、物理資源層。如圖2所示。

在該模型集成架構(gòu)中，將物理資源層、云服務(wù)管理層、模型管理服務(wù)層與云計(jì)算應(yīng)用程序接口層作為整個(gè)架構(gòu)的服務(wù)提供者；云服務(wù)平臺(tái)為集成架構(gòu)的服務(wù)注冊(cè)中心；客戶端作為架構(gòu)的服務(wù)消費(fèi)者。服務(wù)提供者通過(guò)云計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序接口為服務(wù)消費(fèi)者提供了云服務(wù)，并對(duì)服務(wù)注冊(cè)中心發(fā)布其服務(wù)。服務(wù)消費(fèi)者通過(guò)服務(wù)消費(fèi)者提供的一個(gè)服務(wù)進(jìn)行綁定，通過(guò)該服務(wù)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)解決方案。服務(wù)注冊(cè)中心存儲(chǔ)了各種服務(wù)的描述。服務(wù)消費(fèi)者通過(guò)云服務(wù)平臺(tái)查找所需的服務(wù)（比如：數(shù)據(jù)資源、模型服務(wù)等）。

在該架構(gòu)中，借助云服務(wù)管理層的服務(wù)集成組件，提供基于Web service技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)傳輸、服務(wù)集成、服務(wù)交互、服務(wù)安全和服務(wù)管理機(jī)制，實(shí)現(xiàn)各服務(wù)之間集中式服務(wù)注冊(cè)、發(fā)布、調(diào)用、管理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源信息共享，服務(wù)信息交換模式見(jiàn)圖3。

2.1 物理資源層

物理資源層主要由存儲(chǔ)資源、計(jì)算資源、數(shù)據(jù)資源以及其他資源等組成。該層主要為模型運(yùn)算過(guò)程中提供各種可共享的資源。其中，數(shù)據(jù)資源主要由主題數(shù)據(jù)庫(kù)、專題數(shù)據(jù)庫(kù)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)以及元數(shù)據(jù)組成。在該架構(gòu)中為了客戶端和云端調(diào)用數(shù)據(jù)的方便性，采用面向?qū)ο蟮姆椒▽?duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝。

2.2 云服務(wù)管理層與服務(wù)平臺(tái)

云服務(wù)管理層主要對(duì)云計(jì)算的資源進(jìn)行管理，該層的服務(wù)被封裝成標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)，并納入到體系進(jìn)行管理和使用。根據(jù)云服務(wù)管理層的作用可將云服務(wù)管理層分為任務(wù)管理、用戶管理、資源管理以及安全管理四部分，如圖4所示。

當(dāng)云端的客戶向云服務(wù)提供者發(fā)起資源請(qǐng)求，云服務(wù)接口層將用戶的請(qǐng)求首先發(fā)送云服務(wù)層，判斷用戶的身份、請(qǐng)求的資源以及安全認(rèn)證等。當(dāng)判斷所請(qǐng)求的是合法請(qǐng)求后，任務(wù)調(diào)度內(nèi)核將服務(wù)請(qǐng)求發(fā)給云服務(wù)提供者，檢查是否存在請(qǐng)求的資源。若存在，則查找資源所在的位置，為請(qǐng)求者分配所需的資源，在資源分配表中記錄資源分配情況，服務(wù)請(qǐng)求者和服務(wù)提供者通過(guò)該服務(wù)進(jìn)行綁定，實(shí)現(xiàn)服務(wù)之間的交互[15-16]。

在該架構(gòu)中，云服務(wù)平臺(tái)想當(dāng)于云服務(wù)的代理和控制中心，主要存儲(chǔ)各種服務(wù)的描述以及服務(wù)接口的信息，服務(wù)提供者也將自己的服務(wù)接口在該平臺(tái)進(jìn)行注冊(cè)。云服務(wù)平臺(tái)的功能主要有兩個(gè)方面：（1）客戶端的用戶根據(jù)自己的需要向云服務(wù)平臺(tái)查詢自己的服務(wù)及通過(guò)接口層使用所需的服務(wù)；（2）云服務(wù)平臺(tái)負(fù)責(zé)定期地監(jiān)控在其上注冊(cè)的服務(wù)的可用性，比如可以向服務(wù)提供者發(fā)送檢測(cè)信號(hào)，并根據(jù)返回結(jié)果在注冊(cè)中心標(biāo)記服務(wù)的狀態(tài)[17]。

2.3 模型管理服務(wù)

模型管理服務(wù)是整個(gè)架構(gòu)的核心，主要負(fù)責(zé)模型庫(kù)的管理、組件的管理、數(shù)據(jù)的管理、結(jié)果的查找等工作。從計(jì)算機(jī)建模的角度，將流域模型分為物理結(jié)構(gòu)（由模型的控制方程、參數(shù)方程、與其他模型的耦合接口組成）、輸入輸出接口（模型與模型數(shù)據(jù)集之間的關(guān)系）、用戶界面（命令行界面、圖形用戶界面、Web用戶界面等）和輔助工具（參數(shù)標(biāo)定、模型數(shù)據(jù)集制備份等工具）4個(gè)組成部分[18]。本文根據(jù)流域模型的結(jié)構(gòu)組成，將模型劃分為流域模型組件、模型構(gòu)造器以及模型更新三部分。圖5為模型管理服務(wù)組成結(jié)構(gòu)圖。

2.3.1 模型組件化服務(wù)

流域模型的組件化構(gòu)建是模型組件化的核心思想[19]。組件化構(gòu)建越優(yōu)，則組件的重用率越高，越節(jié)省資源。組件化模式可以分為多個(gè)模型共用一個(gè)或者多個(gè)組件和多個(gè)組件的組合搭建。在該集成架構(gòu)中，為提高模型的通用性和重用性，根據(jù)模型的邏輯結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)的邏輯順序，將模型進(jìn)行組件化。

流域模型塊主要由通用組件和模型組件組成。通用組件為上層數(shù)字流域模型組件的運(yùn)行提供多學(xué)科服務(wù)，主要是由數(shù)據(jù)輸入/輸出組件、數(shù)據(jù)參數(shù)處理組件、敏感性分析組件、算法組件、性能監(jiān)視與優(yōu)化組件、分布式可視化組件、語(yǔ)言互操作組件、分布式計(jì)算駕馭組件以及容錯(cuò)服務(wù)組件、組件知識(shí)庫(kù)、應(yīng)用構(gòu)建引擎組件、注冊(cè)服務(wù)組件組成。模型組件主要是根據(jù)據(jù)模型的計(jì)算過(guò)程或邏輯結(jié)構(gòu)將流域模擬模型進(jìn)行組件化，劃分后利用組件技術(shù)、Web service等技術(shù)對(duì)劃分的模塊進(jìn)行封裝。

2.3.2 模型構(gòu)造服務(wù)

模型構(gòu)造服務(wù)支持單個(gè)模型與一個(gè)易于使用的圖形用戶界面的集成和配置，同時(shí)也具備組件輸出參數(shù)為后續(xù)組件的輸入?yún)?shù)的映射能力。能對(duì)不同的模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理。通過(guò)模型構(gòu)造器集成和配置的模型很容易地傳給其他用戶或在其他計(jì)算機(jī)環(huán)境內(nèi)執(zhí)行。

2.3.3 模型更新服務(wù)

模型更新提供了對(duì)集成在框架的現(xiàn)有模塊更新和下載的功能。被分解的模型組件將模型構(gòu)件封裝在該模塊內(nèi)。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)，該框架將集成的這些模型很容易的提供給其他使用該框架的用戶使用，這些用戶通過(guò)更新中心能夠獲得和安裝這些模型。所有的模型組件可以提供附加的簽名密鑰和授權(quán)信息，以保護(hù)它們?cè)谖唇?jīng)許可的情況下被修改，確保開(kāi)發(fā)人員的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了基于SOA的云計(jì)算模式的流域模擬模型的系統(tǒng)總體架構(gòu)，并對(duì)該架構(gòu)的每一層的功能進(jìn)行了描述。該架構(gòu)借鑒了SOA的設(shè)計(jì)思想，采用云計(jì)算技術(shù)解決水利模型在數(shù)據(jù)接口、模型調(diào)用、模型交互及處理以及計(jì)算資源分配等應(yīng)用中存在的問(wèn)題，解決了多模型集成時(shí)資源共享難、計(jì)算力不足，模型集成系統(tǒng)通用性與擴(kuò)展性差等問(wèn)題。該架構(gòu)的提出為研究集眾多模型于一體，使用方便，實(shí)用性強(qiáng)的通用流域軟件系統(tǒng)是具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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