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论智慧城市基于SOA的资源集成框架
2016-03-08 11:02点击:来源: 未知

论智慧城市基于SOA的资源集成框架

新加坡新电子系统(顾问)有限公司  李林教授 (2016.02)

文摘:本文作者李林教授在新加坡信息工程研究院高级访问学者期间,曾对新加坡“智慧岛”框架体系结构进行了理论性研究和系统工程实践。现将研究成果整理为《论智慧城市基于SOA的资源集成框架》。本文论述的重点是智慧城市基于SOA的框架行为描述、信息系统共享策略、信息系统集成架构与特点。讨论了智慧城市基于SOA框架与军事信息栅格SOA框架之间的借鉴性、一致性和创新性。本文系《新型智慧城市标杆市建设指南》之四。

关键词:智慧城市、军事信息栅格、全生命周期、资源共享、系统集成、框架体系结构、总体技术框架、知识体系、建设体系、平台结构、数据库结构、互联互通互操作、信息孤岛、重复建设、联合作战体系(C4ISR)、全球信息栅格(GIG)。

 

1. 智慧城市框架体系结构概述

1.1 智慧城市框架体系结构概念

智慧城市框架体系结构技术是构成智慧城市开放性复杂巨系统工程的关键和核心技术。它是智慧城市顶层规划的重要内容,是确定智慧城市总体技术框架,知识与建设体系,平台与数据结构,平台、数据库、应用系统的组成,各组成部分之间的关系以及系统工程设计与发展的指南和标准,它对智慧城市规划与设计和实现具有指导性和规范及约束的作用。借鉴目前军事信息栅格框架体系结构技术应用,将是智慧城市开放性复杂巨系统建设的核心技术应用。在军事信息栅格框架体系结构及支撑技术的研究基础上,制定智慧城市总体技术框架、知识与建设体系、平台与数据库结构及相关领域的发展规划,大力推进智慧城市框架体系结构的开发与应用。

1.1.1 智慧城市框架体系结构基本概念

智慧城市框架体系结构理念、思路与策略,就是以信息技术为支撑,以智慧城市网络融合与安全中心、大数据中心、管理与运行中心和一、二级平台建设为中心,以智慧城市现代化科学的综合管理和便捷与有效的民生服务为目标,大力促进政府信息化、城市信息化、社会信息化、企业信息化。建立起智慧城市基础数据管理与存储中心和各级信息平台及各级数据库的智慧城市顶层规划模式。结合智慧城市规划、交通、道路、地下管网、环境、绿化、经济、人口、街道、社区、企业、金融、旅游、商业等各种数据形成一体化统一的云计算与云数据中心,建设智慧城市级的信息互联互通和数据共享交换的超级信息化系统,建立起智慧城市综合社会管理和公共服务要素的城市级一级平台、行业级二级平台和业务级三级平台及应用系统,如:智慧政务平台、智慧民生平台、智慧管理平台、智慧产业平台等。

智慧城市采用面向服务的技术架构SOA Service Oriented Architecture,使用广泛接受的标准(如XML和SOAP)和松耦合设计模式,基于SOA的技术架构和开放标准将有利于整合来自相关系统的信息资源,并对将来与新建第三方系统平台,应用和信息资源进行整合提供手段,构建易于扩展可伸缩的弹性的信息平台与应用系统。

 

图:智慧城市总体技术框架图

智慧城市总体技术框架分别为六个层面,共十一个方面的内容

1网络层:包括互联网电子政务外网、无线网络、物联网。

2)设施层:包括云平台、云数据、应用软件、信息与数据机房、基础设施、其他设备等。

3)云数据资源存储层包括应用数据库、主题数据库、大数据库。

4)共享组件及中间件层(虚拟服务层):主要由两个层次构成,包括支撑共享组件层和基于SOA架构基础中间件支撑组件由七个部分组成:数据交换组件、统一认证组件、门户组件、系统管理组件、资源管理组件分析(OLAP展现组件

- 数据交换组件提供了数据适配器、数据组件、路由管理、配置工具等应用服务支撑服务

统一认证组件提供了身份管理、认证管理、日志管理、登录管理等支撑服务

门户组件提供门户网站模板、内容管理、展现组件、协同办公应用服务支撑

报表组件:提供了,报表定制、统计分析、展现管理、报表管理等报表工具的应用支撑

系统管理组件提供了权限管理,日志管理、配置管理、接口管理等系统管理的应用支撑

资源管理组件:提供了数据分类、目录管理、标准管理、编码管理、元数据等应用支撑服务。

- 分析(OLAP展现组件:提供模型管理、模型构建、展现组件、数据连接等应用支撑服务。

5)基于SOA架构基础中间件包括MOM、J2EE、LDAP、PORTAL、等基础运行支撑环境。

6)平台及系统应用层:由城市级一级平台、行业级二级平台、应用级三级系统组成。

7)展现层:提供了智慧城市统一平台应用门户(含APP),为用户进行信息查询和信息互动提供统一的入口和展示。

8)标准与规范层:标准与规范层包含了系统的标准规范体系内容。

9) 法律法规及标准规范体系:法律法规及标准规范体系贯彻于整个体系架构,是整个项目建设的基础,并指导其他平台系统的建设。

10) 管理及运营维护体系:是智慧城市“一级平台”的两个支柱之一,贯穿于整个体系架构各层的建设过程中,并指导其他平台系统的建设。

11) 安全体系:智慧城市技术框架的安全规范,并指导其他平台系统的建设。

1.1.2 军事信息栅格框架体系结构基本概念

“军事信息栅格框架体系结构”,是指军事技术和信息系统的组成的框架、体系、结构及相互之间的关系,是指导军事系统规划与设计和发展的原则。“军事信息栅格框架体系结构”是用于规范框架体系结构设计的指南,是规范化描述框架体系结构的方法。美军的“军事信息栅格框架体系结构”规定采用作战、系统和技术三种视图的方法,即通过格式化的图形和文本把作战需求(任务)、系统构成和技术标准完整清晰地描述出来,这些图形和文本叫做体系结构产品,每种视图又由若干个产品构成。军事信息栅格框架体系结构技术是用于开发体系结构产品和设计工具、知识库及相关参考资料和用于验证评估体系结构产品的技术总称。

多年来,世界各国军事强国尤其是美国通过建立高效的管理机制,及时总结经验教训,不断深化军事信息栅格框架体系结构技术理论的研究,大力推广军事信息化框架体系结构设计方法的应用,使得框架体系结构设计方法更加科学和完善,通过实战逐渐成熟和系统化,开发工具更加实用和高效,军事信息栅格框架体系结构的设计效率和水平不断提高。

代战争的特点是网络化、信息化、数据化、自动化、智能化、集成化科技的综合应用。面对信息化战场并赢得战争的胜利,必须建立一体化的信息化联合作战指挥体系。信息化联合作战指挥作战体系分别由:中央(国防部)级信息化作战指挥与展现一级平台、战区(兵团)信息化联合作战通讯集成二级平台、战场(作战单元)武器协同控制与互操作三级平台。实现“网络互联、信息互通数据共享、武器协同”。在未来信息化战争中争取主动和先机,进而赢得战场的胜利。美军信息化军队应用于实战的C4ISR(指挥、控制、计算机与情报、监视、侦察)一体化信息化联合作战指挥平台是信息化应用于联合作战指挥的一个成功案例

 

图:军事信息化体系(C4ISR参考框架图)

美军信息化联合作战指挥体系(C4ISR),具有以下特点:

1)网络融合:网络融合是信息化联合作战指挥体系的重要支撑,其建设的目标就是要实现天(无线)、地(有线)、空(卫星),即互联网、作战信息专网(包括:无线通讯专网、有线通讯专网)、集群通讯网、武器协同控制网、卫星通讯及监测网,通过信息化联合作战通讯集成二级平台,实现天地空网络之间互联互通和通信设施之间的无缝连接。

2)信息交互在现代信息化战场上,信息瞬息万变,情报、监视、侦察的信息采集、交互、综合、分析、共享、统一身份认证、GIS地图标绘、可视化展现等是实现各军兵种之间,集团作战组织中军、师、旅、团之间联合协同作战指挥的基础平台。中央(国防部)级信息化作战指挥一级平台,通过采用系统集成、信息集成、软件集成、应用集成等现代信息化的整体应用方能实现。

3)武器协同:在现代信息化战场,充分共享武器和作战设施资源,即武器协同是现代信息化作战的重要手段,是现代信息化、网络化、数据化、自动化、智能化、集成化技术的综合应用。以美军信息化军队未来作战的战略,就是以单兵、无人控制火器、无人移动作战单元、多武器协同为信息化战场作战体系。信息化战场以单兵信息化头盔为单兵作战平台,通过信息化战场武器协同控制三级平台的支撑,实现战场端到端的信息共享、战场实时通讯、战场实时监控图像显示、作战指挥调度,战场武器协同等一体化集成功能。有效控制战场态势,协同打击敌方目标。

信息化战场武器协同实时控制与互操作三级平台,必须建立在“信息化作战指挥与展现一级平台”和“综合网络与联合通信二级平台”的基础上。通过“一级平台”的网络互联、信息互通、数据共享、武器协同,汇集作战信息和监视与侦察数据,并进行战场态势实时分析与展现、作战地理空间地图(3DGIS+BIM+VR+VA)可视化实时标绘、统一身份认证、战场态势实时视频监控图像管理、作战应急指挥预案管理等;通过“二级平台”天地空通信一体化的互联互通和通信设施的无缝连接,方能实现“三级平台”协同作战单兵、移动作战单元、飞行器(无人机)、作战坦克、舰艇、地对地、地对空、空对地、空对空导弹、巡航飞弹、火炮群等之间的远程指挥调度和集中攻击敌方战略或战术目标。

美军将信息化战场武器协同作为远程遥控和实时打击的重要手段。具了解目前信息化武器协同控制的实时性已经达到毫微秒级,这对于控制战场态势至关重要,同时这也是信息化战场武器协同控制的难点。

目前美军在C4ISR的基础上,正在进一步研发新一代的“全球信息栅格”信息化联合作战指挥体系(GIG)。GIG可以实现互联网上所有资源,包括网络、计算、存储、数据、信息、平台、软件、知识、专家等资源的互联互通,消除信息孤岛和资源独岛,实现网络虚拟环境上的资源共享和武器协同。

1.2 智慧城市框架体系结构设计意义与作用

智慧城市框架体系结构设计涉及一个城市中的政府、管理、民生、经济的各领域、各行业、各业务、各应用的方方面面,通过现代云计算、物联网、大数据、无线通信、自动化、智能化等高新科技,整合城市所涉及的综合管理与公共服务信息与数据资源,包括地理环境、基础设施、自然资源、社会资源、经济资源、教育资源、旅游资源和人文资源等,以数字化的形式进行采集和获取,通过智慧城市大平台和大数据进行统一的存储、优化、管理、展现、应用。实现城市综合管理和公共服务信息的互联互通、数据共享交换、业务功能协同。智慧城市内涵和要素涉及自然、经济、社会、人文、科技、系统、工程等各个学科领域,同时智慧城市建设具有全局性、长期性、可行性、先进性、可持续性、动态性、开放性、稳定性的特性。

智慧城市框架体系结构设计对智慧城市建设的重要意义和关键性、必要性体现在以下方面。

1.2.1 智慧城市规划与建设的蓝图

智慧城市框架体系结构是智慧城市规划和建设的有效办法,在智慧城市顶层规划阶段,通过框架体系结构可以极大地指导、规范、约束智慧城市所涉及各行业、各业务、各要素之间的网络互联、信息互通、数据共享和业务协同。全局系统化地的满足智慧城市的需求、功能、任务,从而为智慧城市信息平台和应用系统的专项规划与工程设计奠定一个坚实的基础。同时,框架体系结构是认识已建现有信息系统的最佳途径,将已建系统相关被集成的数据、信息、应用,通过框架体系结构,可以从各自的功能需求的角度对现有系统进行全面充分地认识和选择正确集成的策略。框架体系结构是指导智慧城市平台系统进行演化的最佳手段,通过框架体系结构可以有效地对平台系统的演化进行规划,使得智慧城市平台系统在随时间和技术进步而进行演进的同时,其总体性能满足可持续发展的需求。因此框架体系结构在智慧城市建设过程中,既起到了指导新平台系统规划与设计蓝图的作用。又发挥了对已有平台系统可集成的策略与方法的作用。

1.2.2 智慧城市网络互联与信息互通

智慧城市规划与建设的核心是网络互联、信息互通、数据共享、业务协同。智慧城市是一个开放性复杂巨系统工程,信息化的程度越来越高、功能结构日趋复杂、新信息平台和新应用系统不断涌现,解决平台系统间的互联互通互操作是至关重要的问题。智慧城市互联互通互操作要求所有新建平台系统要实现数据与信息无障碍的流动。通过框架体系结构产品提供的统一、一致的体系建设“蓝图”,可以明确平台系统之间的互联互通的关系。智慧城市框架体系结构是根据智慧城市建设的理念、思路、策略构造出来的,描述了网络层、基础设施层、数据资源层、共享组件层、平台层、应用层之间相互关联和集成应用之间的关系,提供框架体系结构之间统一的互联互通标准和通讯接口规范,为实现平台系统之间的互联互通和业务功能的协同提供了根本的保障。因此,框架体系结构作为智慧城市建设顶层规划,依据任务需求,统筹和明确智慧城市整个框架、体系、结构之间的层级、分类、互联的关系。从而确保智慧城市涉及政府、管理、民生、经济网络互联、信息互通、数据共享、业务协同。

1.2.3 智慧城市避免重复建设的重要措施

由于智慧城市顶层规划缺乏框架体系结构设计,因此造成智慧城市信息系统大多处于各自为阵“信息孤岛”的状态。各独立的信息系统都追求系统的完备性,这就难免在建设过程中造成重复建设,造成大量资源的浪费,而且各系统之间的业务信息无法互联互通,系统标准化程度很低。为了彻底解决智慧城市信息系统标准化程度低、业务功能和数据资源严重重复、缺乏有效协同的机制等问题,应以智慧城市框架体系结构设计为手段,提供框架体系结构描述业务主要的任务、系统所需功能、系统之间的关系以及各专业信息平台及业务系统所采取的技术标准等,如:信息类型、信息流动、用户类型、访问方式类型等。明确专业平台及业务系统中诸要素之间的关系,理顺业务共性和个性化的流程,掌握好“共性”与“个性”之间的逻辑关系,没有“共性”,也就没有“个性”,系统之间存在着非常重要的“共性”的关联关系,在基于“共性”的基础上,解决好各自系统“个性”的问题,这就需要把信息平台和应用系统的业务与功能进行梳理。平台是“共性”的、基本的,可以通过统一开发、部署来建设,而“个性”的应用则要依据各实际的业务与功能需求、从最迫切需要解决的问题入手,定制开发各自的业务应用系统。从而避免“共性”与“个性”的重复与叠加,系统之间无法互联互通的弊端。通过智慧城市框架体系结构的顶层规划,可以有效地避免了平台与系统之间的重复建设,框架体系结构将对智慧城市各专业信息平台和业务应用系统的建设进行统一规划设计、统一标准、统一开发,统一部署,实现了系统建设的完备性,又避免了重复投资带来的资源浪费。

 

2. 智慧城市基于SOA的资源集成框架

 

智慧城市建设的理念、思路和策略,通过其框架体系结构来加以描述。实际上框架体系结构是智慧城市分别对框架、体系、结构的统称,在智慧城市框架体系结构三者之间,“框架”系指智慧城市建设的总体技术框架,即总体构架、技术路线和实施路径。由总体技术框架导出智慧城市建设的知识和建设两大逻辑与物理的支撑体系,在遵循智慧城市框架体系的指导目标、规范原则和约束条件下,制定网络互联、信息互通、数据共享、业务协同的大平台、大数据、大网络的结构构成。因此,“框架”是智慧城市建设理念、思路和策略的顶层之“顶”,重中之“重”,众策之“首”。为此我们在讨论智慧城市框架体系结构设计时,必须首先讨论智慧城市的总体技术框架。在本文中结合美军“军事信息栅格”(C4ISR/GIG)的框架体系结构进行智慧城市框架体系结构的研究、借鉴和应用。

2.1 基于SOA的资源集成框架的概念

军事信息化的建设、应用和发展是智慧城市信息化建设、应用和发展军转民最好的教课书和可借鉴的思路与策略。对于军事信息化的研究和学习,借鉴于智慧城市的技术框架、体系、平台、系统的思路、策略、规划、设计、建设、应用是大有帮助、大有好处。本文作者在其智慧城市专著中提出的智慧城市总体技术框架和美军“军事信息栅格”框架体系结构在原则上,特别在基于SOA的资源集成框架,以及“资源共享策略”和“资源集成架构与方法”的概念、思路、策略是完全一致的(注:本文作者在新加坡长期从事信息系统集成研究高级访问学者,对C4ISR/GIG军事信息栅格有一定的学习和研究)。

基于SOA的资源集成框架其基本核心内容是信息系统集成中的“资源共享策略”和“资源共享架构与方法”。资源共享策略实际上是指资源共享的接口,即定义如何将资源以一种通用接口的方式接入到一体化信息系统平台中来。资源共享接口是信息系统集成架构中的重要部分,解决了如何接入资源,但在其上层还要对这些资源提供有效的发现以及管理的机制。在资源共享接口定义的基础上,进一步提出了智慧城市信息系统集成的总的架构和实施的方法。结合美军“军事信息栅格”信息系统共享策略与集成架构和实施方法,对智慧城市基于SOA框架的行为描述、信息系统共享策略、信息系统集成架构与实施方法进行介绍和探讨。

2.2 基于SOA的框架行为描述

根据“军事信息栅格”框架行为描述:“栅格是为多个个人、组织及资源的动态集合中提供灵活、安全、协同的资源共享的一种框架”军事信息系统集成实际上是该框架的一个具体实例,其中动态集合包括全军的作战单元、不同的作战组织以及不同的信息系统资源,目的则是为作战单元、作战组织提供信息资源共享的平台。

“军事信息栅格”框架行为描述与智慧城市框架理念、思路、策略是一致的,其目的也是为智慧城市政府、管理、民生、经济建立一个信息资源共享的公共信息一级平台。

2.1.1 基于SOA框架物理资源描述

根据“军事信息栅格”框架行为描述的最终目的是实现互联网上所有资源的共享与集成。物理资源包括网络资源、计算资源、存储资源、软件资源和监控设备和传感器资源等。所有物理资源的集合,可以表示为接入“军事信息栅格”的各种资源的子集合。每个资源可以通过资源标示、资源描述、QoS性能描述、资源使用权限。

“军事信息栅格”框架行为描述的最终目的与智慧城市框架行为目的是一致的,其目的也是为智慧城市实现互联网上所有资源的共享与集成。物理资源包括网络资源、计算资源、存储资源、软件资源和监控设备和传感器资源等。

2.1.2 基于SOA框架虚拟资源描述

虚拟资源是“军事信息栅格”技术描述中的核心,物理资源通过栅格核心中间件WSRF被包装成服务部署到相应的资源上,形成了所有资源类组成的整个“资源池”。之所以叫做虚拟资源,是因为其中的资源并不是真正的物理资源,而是虚拟资源到物理资源的一个映射。一般来说,一个虚拟资源对应于物理资源中的一类资源。

“军事信息栅格”框架行为描述中关于“虚拟资源”的技术描述与智慧城市框架行描述关于“共享组件和中间件层”的描述是一致的,将物理资源通过“共享组件和中间件”被包装成服务部署到相应的资源上,形成了所有资源类组成的整个“虚拟资源服务层”,为上层专业信息二级平台提供标准的数据和资源的应用服务。

2.1.3 基于SOA框架有效资源描述

有效资源是“军事信息栅格”技术描述中对应于用户实际选择的资源。用户依据资源发现在虚拟资源层找出目前可用的虚拟资源,提供QoS协商完成由虚拟资源层到物理资源层的映射过程。用户可以通过访问机制请求某个虚拟服务的功能,也可以是多种虚拟服务的组合功能。栅格资源通过WSRF封装后可以将之抽象为虚拟服务,达到对之有效应用的目的。当用户发出请求时,以虚拟服务为基本单元,并与用户请求相匹配,在用户找到与之匹配的虚拟服务后,再以QoS为依据找到与之符合的实际资源。

“军事信息栅格”框架行为描述中关于“有效资源”的技术描述与智慧城市框架关于“公共信息一级平台和行业级二级平台层”的描述是一致的。对于行业级用户实际选择业务级三级平台及应用系统的服务资源时,依据资源发现通过“共享组件和中间件层”虚拟资源层的映射,找出与本行业用户所需的虚拟资源。通过统一接口和访问机制,请求业务级三级平台某个虚拟服务的功能,也可以是多种虚拟服务的组合功能,使之达到对应有效应用的目的。即当用户发出请求时,以虚拟服务为基本单元,并与用户请求相匹配,用户找到与之匹配的虚拟服务后,再以QoS为依据找到与之符合的实际服务资源。

2.2 信息系统共享策略

“军事信息栅格”通过对物理资源、虚拟资源、有效资源统一的组织管理,从而减低了系统组织管理和应用的复杂性。因此,在“军事信息栅格”信息系统集成中,通过统一的接口将底层的信息系统物理资源进行封装,可以屏蔽底层的异构性,从根本上消除“信息孤岛”所造成的信息系统之间的互联互通互操作的困难。基于什么样的接口实现屏蔽信息系统资源的目的是基于栅格技术的信息系统集成的关键。

“军事信息栅格”关于信息系统共享的策略与智慧城市信息系统共享的策略是相同的。智慧城市框架体系结构的核心就是围绕网络互联、信息互通、数据共享、业务协同,其根本的就是信息系统共享的思路和策略。其基本思路和策略就是通过统一的接口将底层的信息系统(业务级三级平台及应用系统)和物理数据资源(应用级数据库)通过“共享组件和中间件层”统一的进行封装,在数据层面上形成统一标准的共享经验数据(行业主题数据库)。将物理资源转换成虚拟数据的映射,完全屏蔽了底层系统的属性,对应于虚拟资源来讲也就不存在系统异构性的问题,从根本上消除了“信息孤岛”所造成的信息系统之间的互联互通互操作的障碍。

2.2.1 资源的注册与发现

资源的注册及监测是资源发现的基础,其主要功能是将资源接口信息、QoS相关信息、服务策略等注册到上层的资源发现模块之中,从而为底层应用提供一个全局的“资源视图”。资源注册及监测模块注册的信息是动态的信息,即能够实时地将资源动态的信息反映到上层节点,从而使得上层对底层资源的信息获取是动态的和有效的。

“军事信息栅格”的资源发现与注册是通过层次关联注册到上层的资源发现模块之中,这种结构的优势是便于管理,容易扩展,层次越高的节点其对系统的重要性也越高。因此,框架体系结构的合理性、可靠性、可扩展性是非常重要的。

智慧城市框架体系结构的资源注册和发现,是通过智慧城市框架体系结构六层之间的统一接口,实现底层网络层、设施层、数据层与高层共享组件和中间件层、平台层、应用层之间不同层次逐步的注册和发现。其高层次的注册和发现的节点是平台层及应用层。

2.2.2 资源管理

“军事信息栅格”资源管理的主要功能是提供给用户服务的需求,任务提交以及进行相关配置的接口,通过该接口管理层可以满足用户的需求并提交任务到资源上运行。资源管理的关键是统一接口的确定,即规定一个统一的接口,通过这个接口能够实现对任何资源的需求、配置以及资源的调动。军事信息系统集成中必须对QoS提供有效的保障措施,必须基于QoS对资源进行控制和管理。制定SLA服务层协议是保证服务质量的一个有效的手段。在信息系统集成中信息系统资源针对QoS要对SLA协议、签署和保障的措施。

智慧城市框架体系结构在资源管理方面,是通过智慧城市框架体系结构六层之间的数据资源层、共享组件和中间件层、一级平台支撑系统共同协同完成。提供给用户服务的需求,任务提交以及进行相关配置的统一接口。通过统一接口可以满足用户的需求并提交任务到资源上运行。资源管理的关键是统一接口的确定,即规定一个统一的接口,通过这个接口能够实现对任何资源的需求、配置以及资源的调动。

2.2.3 数据管理

“军事信息栅格”的数据管理的主要功能是提供对数据进行有效的访问、更新和移动的接口,通过该接口管理可以对资源进行相关的数据操作。数据管理的基本功能,包括:透明性和虚拟性,即系统隐藏底层数据资源的复杂性提供一个简单的访问方式;多维可扩展性,即系统支持数据类型的增加、数据量的扩大、数据源的增多以及操作方法的扩展等;数据定位管理,即系统为了提高数据的可用性以及数据接入的效率,需要复制多个数据副本,这时需要数据定位管理;数据接入与查询,即系统支持以一种通用的手段对虚拟化的数据进行查询、读写与更新等功能;数据的一致性与持续性,即当系统中数据改变的时候,数据相应的元数据以及数据副本要与数据保持一致。数据管理的数据类型包括:普通的数据文件,能够以普通的读写对之进行访问并且包含一些相关文件属性:数据库数据,各种类型的异构数据库,可能的关系数据库,XML数据库以及面向对象的数据库等;元数据,即关于数据的数据,为了对数据进行有效的管理往往与之相对应存在着元数据;数据服务,那么能产生数据的传感器设备或者程序也能作为一种数据服务发布。针对结构性的数据资源包括异构数据库和结构化数据,提供统一标准的数据访问接口,其目的为高层服务提供一个基础。目前基于XML的数据库的集成已经是一个成熟的技术,提高统一基于XML的映射方式访问异构数据库,可以对异构数据库进行集成。

智慧城市框架体系结构在数据管理方面,是通过智慧城市框架体系结构六层之间的数据层、共享层、一级平台支撑系统共同协同完成。提供数据管理的基本功能,数据的透明性和虚拟性。为底层数据资源的复杂性业务应用数据提供一个简单的访问方式;实现多层多节点和多维的可扩展性;即满足数据类型的增加、数据量的扩大、数据源的增多以及操作方法的扩展等。

2.2.4 安全管理

在军事信息系统集成中,安全管理的主要目的是保证资源节点的访问安全,主要包括:访问控制服务,用来保护各种资源不被非授权使用。通信安全服务,用来提供认证,数据保密性与完整性和各通信端的不可否认性服务。

军事信息系统安全管理主要目标是:

1)支持在栅格计算环境主体之间的安全通信,以防止主体假冒和数据泄密。

2)支持跨虚拟组织的安全,这样就不能采用集中管理的安全系统。

3)支持栅格计算环境中用户的单点登录,包括跨多个资源和地点的信任委托和信任的转移等。提供一系列的安全协议、安全服务、通信保密、安全SDK和命令程序。

4)安全服务认证和访问控制能够确保端到端的的消息安全传递,可以穿越中介者,并透过中继点调节消息路由;使得传输的数据可以从基础传输层中独立出来;支持多种加密技术。

5)通过安全管理策略可以调整所需安全保护的级别以满足QoS的要求,要求安全管理对客户端透明,直接由各级平台提供安全性保障。

智慧城市框架体系结构在安全管理方面,是通过智慧城市框架体系结构依据各层的功能特点提供安全管理策略。根据国家关于网络与信息安全管理与控制要求,分别制定智慧城市框架体系结构全面的安全管理,保证资源节点的访问安全,提供访问控制服务,用来保护各种资源不被非授权使用。提供通信安全服务,用来提供认证,数据保密性与完整性和各通信端的不可否认性服务。

2.3 信息系统集成架构与应用特点

军事信息系统的共享策略,通过统一的接口将底层的信息系统资源进行封装,接入到一体化信息平台之中,实现了最基本的接入功能,一体化信息平台支持对接入的系统进行组织和管理功能。通过军事信息系统的集成架构,对信息系统资源进行接入、组织和管理。军事信息系统集成平台的主要目的是能够集成军事所以的信息系统,如:GIS系统、气象系统、监测系统、决策指挥系统、数据分析系统。每个系统又包括很多子系统,每个子系统又包括许多不同功能的模块。

信息系统集成的资源十分复杂,真正的实现涵盖任何信息资源的一体化信息平台是一个系统的长期的任务。对于每个将要集成的信息系统,其自身要有一个规范化的管理机制,而该过程是一个复杂的过程。

智慧城市信息系统集成采用与军事信息系统共享完全相同的策略,智慧城市是一个开放性复杂巨系统,涉及政府、管理、民生、经济各行各业的方方面面。智慧城市框架体系结构将政府、管理、民生、经济各信息系统分解为城市级一级平台、行业级二级平台,底层业务级三级平台及应用系统,以及与平台结构对应的城市级大数据库、行业级主题数据库、业务级应用数据库。通过智慧城市各级平台及各级数据库统一规范的接口将底层的信息系统资源进行封装,通过各级平台和各级数据库汇集到城市级公共信息一级平台和城市级大数据库之中,实现了自下而上的信息采集和数据共享,实现最基本的接入功能。城市级公共信息一级平台和城市级大数据库具有对接入的各级平台和各级数据库进行组织和管理功能。通过智慧城市信息系统的集成架构,对智慧城市信息系统资源进行全面的接入、组织和管理。

2.3.1 军事信息系统集成架构

军事信息系统集成架构如下图所示(摘自《军事信息栅格理论与技术》),该架构为不同信息系统标准的管理提供一个灵活的机制,能够有效的对资源进行组织和管理,同时提供互联互通、共享和协同机制保证其提供的QoS,简化不同信息资源的接入,以及如何提高系统的抗毁性和可扩展性等公共问题。军事信息系统集成的架构,采用层次化四层结构,即:资源层、接入层、管理层和应用层,以及整个架构的安全模块。安全模块对应于每个层次都具有相应的安全要求。相对于接入层实际对应于军事信息系统集成中信息系统共享策略中的安全管理模块,主要资源本身对资源接入进行访问控制,并且保障其通信安全。管理层的安全主要对全局的权限控制和管理,如统一身份认证(CA认证中心)。而对应于应用层的安全主要是各个应用对其用户的权限限制。

图:军事信息系统集成平台系统架构图

2.3.2 信息系统集成资源层

军事信息系统集成架构能够支持军事信息系统集成中任何信息资源,为其提供一个有效的管理和发现机制。信息系统集成资源层从整体上可以分为三类:信息设备资源、信息处理资源和数据资源。

1)数据资源是信息化处理平台的基础,其中数据主要是静态数据。包括地图数据、气象数据、兵力分布数据以及后勤保障数据等。各种数据的存储方式各不相同,有的数据存储于数据库之中,有的数据以文件目录进行组织。数据库可能包括:mySQL、Postgresql、Oracle等。文件系统可能是:Fat32、NTTS、EXT2和EXT3等。

2)信息设备资源的功能是提供基本的动态信息,但是与数据资源相比,其提供主要是动态的实时信息。其集成的信息设备可能是雷达设备、卫星设备和频谱监测设备。这些设备自身有其控制和管理模块,接入一体化信息平台后能够以一种标准的格式提供数据流服务。

3)信息处理资源实际上是对上述的数据资源和信息设备资源产生的数据进行分析和处理。其从本质上来说是数据密集型计算,这些资源能够提供接口调用数据的分析和处理的能力。

智慧城市信息系统集成架构融入到智慧城市总体技术框架中(见P3:智慧城市总体技术框架图)。对应军事信息系统集成架构的资源层,智慧城市资源层分别由网络层、设施层、数据资源层构成。网络层实现互联网、政务外网、视频专网、物联网、无线网的互联。设施层实现信息与数据的互联、汇集、分类、清洗、抽取。数据资源层实现多级分时数据、实时数据、多媒体数据,涵盖政府管理、行政管理、民生服务、经济企业的各个领域、各行业、各业务的数据集合。涉及政府行政数据、城市管理数据、民生服务数据、企业经济数据。从政府行政管理数据共享的角度,涉及政府管理与政务、城市监控与管理、社会民生服务、公共服务、商业服务、企业经济等信息与数据,以及保证城市常态和非常态(应急)下运行的基本数据挖掘、分析、汇集、共享、交换的功能。

2.3.3 信息系统集成接入层

军事信息系统集成架构接入层的主要目的是在资源层的资源上部署通用的服务,将底层的信息的信息系统资源进行封装,可以屏蔽底层资源的异构性,从根本上消除信息孤岛造成的信息系统的互联互通互操作的问题。对于资源层中的数据资源,可以通过共享策略中数据管理服务对其进行封装和组织管理。对于信息设备资源以及信息处理资源,则可以通过资源管理服务来封装,由于不同功能的资源其接口的调用也各不相同,可以通过资源注册与发现服务将本地资源的调用接口以及服务质量相关信息注册到上层的资源发现模块之中,使用户发现和调用。

智慧城市信息系统集成架构对应军事信息系统集成架构的接入层,智慧城市接入层主要由共享组件与中间件层构成。共享组件与中间件层起到数据资源层与专业平台应用层之间信息与数据标准化封装的作用,以满足各专业平台应用层的信息与数据的调用和组织管理。共享组件与中间层可以采用统一开发的方式,并根据城市级公共信息一级平台与行业级二级平台、业务级三级平台互联互通和数据共享交换的要求,将统一开发的共享组件与中间件部署在各专业平台接入层中。

共享组件及中间件层(虚拟服务层):主要由两个层次构成,包括支撑共享组件层和基于SOA架构基础中间件。支撑组件由七个部分组成:数据交换组件、统一认证组件、门户组件、系统管理组件、资源管理组件分析(OLAP展现组件。基于SOA架构基础中间件包括MOM、J2EE、LDAP、PORTAL等基础运行环境。

2.3.4 信息系统集成管理层

军事信息系统集成架构管理层用于对底层的各种资源进行管理与分类的功能,提供透明的访问资源和有效的发现资源,主要包括以下两个模块:

1)资源监视与发现,该模块采用一种灵活的、可扩展的以及抗摧毁的架构支持对服务元数据进行分类管理,对服务的描述进行标准化;能够根据用户请求将其与目前系统中资源相匹配,支持多种匹配能力,包括功能匹配和基于QoS的服务协同的匹配等功能,匹配后将用户映射到具体的资源上去,同时能够提供面向客户端的语言规范,使得用户能够方便的进行调用和查询。

2)QoS保障的资源协同与管理。该模块能够有效的支持客户端和资源提供者的服务质量的协同。基于SLA对QoS进行保障,能够提供协同、签署和动态部署SLA合同的功能,能够根据用户的请求,协同多个资源来满足用户的要求;该模块还提供用户的语言规范,以方便用户调用该模块完成复杂任务。

智慧城市信息系统集成架构对应军事信息系统集成架构的管理层,智慧城市管理层功能主要由共享组件与中间件层来完成。实现对底层的各种资源进行管理与分类,以及资源监视与发现和QoS保障的资源协同与管理的功能。考虑到军事信息系统集成架构中的接入层和管理层都属于信息系统集成的共性功能,同时也考虑到智慧城市是一个矩阵型多平台和多数据库的框架体系结构,因此将共性组件和中间件作为一个共性软件包进行统一开发、统一部署、统一应用,可以大大降低重复开发和重复部署的费用和成本。

2.3.5 信息系统集成应用层

军事信息系统集成架构应用层主要针对各种不同的情况开发的具体应用,它需要提供应用及集成中间件、具体应用及用户接口。应用是直接面向指挥员提供服务。由于底层的基础平台将资源提供的功能进行了封装,因此对于应用的开发只需要关注应用本身的逻辑功能,对于应用本身所需的底层服务,可以直接通过底层基础设施提供的接口获取,这样在很大程度上避免重复开发底层的资源浪费。

智慧城市信息系统集成架构对应军事信息系统集成架构的应用层而言,智慧城市应用层由平台层(城市级一级平台、行业级二级平台)和应用展现层构成。其实现功能与军事信息系统集成架构中应用层功能完全一致。智慧城市应用层与军事信息系统集成应用层功能的不同点是将应用和中间件进行了分离,使得应用专注于任务和功能,而将中间件部署在虚拟层(共享组件和中间件层),以便于统一的信息与服务的虚拟封装,以及共性软件程序的统一开发和调用。智慧城市应用层是直接面向城市的各级管理者(市长、区县领导)提供信息与服务。底层的业务级三级平台和其应用系统功能已经通过虚拟层进行了标准化的封装,因此对于行业级专业平台的开发只需要关注其行业级管理和服务的逻辑功能就好。对于各行业底层的业务应用本身所需的底层服务,可以直接通过底层业务级三级平台和其应用系统基础设施提供的互联互通接口获取,这样在很大程度上避免了重复开发底层的资源浪费。

2.3.6 智慧城市基于SOA的资源集成应用特点

智慧城市基于SOA的资源集成架构融于智慧城市框架体系结构之中。智慧城市基于SOA的资源集成架构借鉴了军事信息系统框架体系结构(C4ISR+GIG)。并创新的将军事信息系统集成四层架构提升为六层结构,以满足智慧城市框架体系结构属矩阵型多平台多数据库和多重应用的开放性复杂巨系统规划设计的需求。特别注重智慧城市整个框架体系结构设计中的网络互联、信息互通、数据共性、业务协同,同时强调了统一规划、统一标准、统一开发、统一部署、统一应用的原则,将消除“信息孤岛”和避免重复建设作为智慧城市项目实施的根本要求。

智慧城市基于SOA的资源集成具有以下特点:

1)采用分层结构模式:智慧城市资源集成架构,采用分层集成的模式,从满足整体需求出发,根据系统建设的设计原则和技术路线,采用SOA面向应用、面向服务、面向数据的系统架构设计方法作指导,重点是共享组件与中间层和平台层的设计创新。协同集成架构将以系统业务服务为核心,形成智慧城市系统集成架构中各层级之间的信息互联互通、数据共享交换、业务功能协同。

2)统一框架结构易于扩展和部署:智慧城市资源集成架构采用统一组件结构,简化了应用服务的结构,避免了因为存在不同异构的应用服务所可能引起的不易集成的可能性。采用统一的组件结构封装底层的应用服务,使得将来容易增加新的应用。采用统一开发的标准接口,易于高层应用服务通过标准接口调用底层应用服务,降低重复开发成本,保证新应用的兼容性和集成性。

3)统一大数据易于利用:智慧城市资源集成架构基于城市级公共信息一级平台和城市级大数据库,以及行业级二级平台及主题数据库的分布式集成模式,为相关决策提供一体化的信息与数据的支撑,满足智慧城市全面社会管理和民生公共服务的需求。

以上提出的智慧城市信息系统集成及信息平台结构与数据库结构(见P3:智慧城市总体技术框架图)只是资源接入和组织管理的一个框架,而真正的实现信息一体化平台和大数据库的建设是一个系统工程,需要很长的一段路要走,需要多个集成商、组织和研究机构的共同努力来完成。

注:该文章是《智慧城市系列论文》(李林教授)之三

 


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