（交通信息工程及控制专业论文）基于网格概念构建海事信息服务的研究.pdf

中文摘要 摘要 随着经济的飞速增长，我国的水上交通运输事业也取得了长足的进步与发展，如何 更好更方便地对船舶交通实施管理已经成为人们普遍关注的问题。但是目前我国海事领 域使用的一系列信息系统，如船舶交通管理系统、全球海上遇险和安全系统、船舶搜救 系统等等，相互之间基本不能进行数据交换，形成了一个个信息孤岛。这不利于人们充 分利用这些系统的综合优势，给管理也带来了不便。但是，鉴于这些海事信息系统的异 构性、分布性、动态性以及处理的复杂性等等，人们要想构建一个体系融合这些系统， 实现信息的共享又不是一件很容易的事情。 近年来，网格技术开始受到了越来越多的关注，并开始在一些领域得以应用。网格 的目的就是要消除资源孤岛，实现资源的高度共享，使网络上的资源得以充分的利用。 在本文中，笔者借鉴网格的概念及应用，结合海事信息系统的现况，针对网格在海事信 息服务中的应用从需求、可行性以及影响三个方面进行了分析。之后提出了海事信息网 格的概念，在开放网格服务体系结构的基础上设计了海事信息网格的体系结构、重要组 成节点，并对其中所需的关键技术进行了分析。 鉴于海事信息网格的构建是一项很庞大的工程，从现实角度考虑，我们将其缩影， 将网格服务的概念在船舶交通管理系统的设计中进行了体现。本文在设计的过程中，从 信息的采集、处理以及应用三个方面出发，首先结合设计的海事信息网格的体系结构， 提出了蘧向信息的多层分布式的v t s 系统结构；其次结合系统内流通信息的种类及特 点对系统的信息平台的结构以及通信机制进行了设计；最后对系统的数据库结构及表格 等进行了设计。在设计完成之后，本文通过m f c 对主要软件进行了实现，并通过实验 对系统平台进行了测试。 关键词：海事信息网格；船舶交通管理系统；信息平台 英文摘要 t h es t u d yo fm a r i t i m ei n f o r m a t i o ns e r v i c ec o n s t r u c t i o nb a s e do ng r i d a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to ft h ee c o n o m y , t h em a r i t i m et r a f f i co fo u rc o u n t r ym a k e sa f a s tp r o g r e s si nr e c e n ty e a r s h o wt om a k et h em a n a g e m e n to ft h es h i p p i n gm o r ee x p e d i e n t l y b e c o m e saq u e s t i o na t t r a c t i n gp e o p l e sa t t e n t i o n h o w e v e r , t h ei n f o r m a t i o ns y s t e m sn o wu s e d i nt h en a t i o n a lm a r i t i m ef i e l d , s u c ha st h ev t s ，g m d s s ，r e s o l es y s t e ma n ds oo n , c o u l dn o t c h a n g ei n f o r m a t i o nb e t w e e ne a c ho t h e r , a n dt h e ya r e i s o l a t e df r o mo t h e r s i tg o e sa g a i n s tt h e u s eo f t h eg e n e r a la d v a n t a g e so f t h o s es y s t e m s ，a n dm a k e st h em a n a g e m e n tn o t8 0c o n v e n i e n t h o w e v e r , a c c o r d i n gt ot h es y s t e m s c h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sd i f f e r e n tc o n s t r u c t i o n , d i s t r i b u t e d ， d y n a m i c , d i 伍c u l tf o rt r e a t m e n ta n ds oo n , i t sn o ta l le a s yw o r kf o ru st oc o n s t r u c taw h o l e s y s t e mi n o s c u l a t i n ga l lt h es y s t e m st os h a r et h ei n f o r m a t i o n r e c e n t l y , t h eg a db e c o m e sp o p u l a ra n db e g i n st ob eu s e di nm a n y r i e l & t h ea i mo fi ti s t oe l i m i n a t et h ei s o l a t e dr e s o u r c e s ，m a k et h er e s o u r c e so p e na n dc a nb es u f f i c i e n t l yu s e d a c c o r d i n gt ot h ec o n c e p ta n du s eo ft h eg a d ，c o m b i n g 砸t t it h es i t u a t i o no ft h em a r i t i m e i n f o r m a t i o ns y s t e m s ，i nt h i sp a p e rt h ea u t h o rc a r r i e st h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h eu s eo fg r i di n m a r i t i m ef r o mt h r e ea s p e c t s ，f o ri n s t a n c e , t h er e q u e s t , f e a s i b i l i t ya n da f f e c t a n dt h e n , t h e a u t h o rg i v e so u tt h ec o n c e p to ft h em a r i t i m eg a d ，d e s i g n st h ea r c h i t e c t u r ea n di m p o r t a n t n o d e so fi tb a s e do nt h eo g s aa n da n a l y s e st h ek e yt e c h n o l o g yi nu s e b ( 笼a u s et h ec o n s t r u c t i o no ft h em a r i t i m eg r i di sab i gp r o j e c t ，t a k i n gt h ef a c ti n t oa c c o u n t ， t h ea u t h o rm a k e sar e d u c t i o na n de m b o d i e st h ec o n c e p ti nt h ed e s i g no ft h ev t s i nt h e p r o c e s so ft h ed e s i g n , t h ea u t h o rt a k e so u tf r o mt h ei n f o r m a t i o n sc o l l e c t i o n ，t r a n s a c t i o na n d a p p f i c a t i o na st h r e es t e p s f i r s t l y , h eg i v e so u tt h ei n f o r m a t i o n - o r i e n t e da n dm u l t i - l a y e r d i s t r i b u t e da r c h i t e c t u r eo fv t sa c c o r d i n gt ot h ef r a m e w o r ko ft h em a r i t i m ei n f o r m a t i o ng a d s e c o n d l y ，h ed e s i g n st h es t r u c t u r ea n dc o m m u n i c a t i o nm e c h a n i s mo ft h ei n f o r m a t i o n p l a t f o r mo nt h eb a s i so f t h ek i n da n dt r a i to ft h ei n f o r m a t i o n a tl a s t , h ed e s i g n st h es t r u c t u r e a n dt a b l eo ft h es y s t e m sd a t a b a s e a f t e rt h ed e s i g n ，t h ea u t h o rm a k e su s eo ft h em f ct o p r o g r a ma n dc a r r i e so u tt h et e s to ft h es o f t w a r ea tl a s t k e yw o r d s ：m a r i t i m ei n f o r m a t i o ng r i d ；v t s ；i n f o r m a t i o np l a t f o r m 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，撰写成 姓硕士学位论文竺基王圆搔趣垒趁建连蔓值息题签的研究= = 。除论文中已经注明引 用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名孝够 僻弓月，f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、版权使 用管理办法 ，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件 和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保- 密f 1 2 ( 请在以上方框内打“ ) 做作者签名：辫导师签名：2 4 - 矽 日期： 口铲年之月7 日 基于网格概念构建海事信息服务的研究 第1 章绪论 1 1 引言 近些年伴随着经济的飞速成长，我国的水上交通运输事业也取得了长足的进步与发 展。船舶交通量的增长、大型船舶尤其是巨型油船数量的增加、船舶航速的提高、许多 灾难性事故特别是重大油船事故的发生，使得保障航行安全、防止海洋环境污染等问题， 受到了人们的极大关注。如何更好更方便地对船舶交通实施管理已经成为世界各国共同 面临的问题。众所周知，作为实施水上交通管理的主要手段之一，船舶交通管理系统在 近几十年取得了很大的发展进步，它以计算机为中心，融合了v h f 通信系统、雷达系 统、a i s 、c c t v 系统、信息传输系统和数据处理系统等为一体，采用多种信息采集和 处理技术，构成一个多功能的信息系统为船舶交通管理提供信息服务、助航服务、交通 组织服务和其他联合服务等等。它的建立减少了交通事故和环境污染的发生，提高了船 舶营运效率，带来了显著的社会效益和经济效益。 除了船舶交管系统之外，为船舶提供服务的岸基系统还有船位报告系统、岸基a i s 网络、全球海上遇险和安全系统、航标系统、船舶搜救系统、船舶溢油监测系统以及港 口和航运部门的信息系统等等。这些系统对船舶交通安全和航运生产发挥了十分重要的 作用。受系统建设目标存在差别、建设时间先后不一、主管部门各不相同等因素的影响 和相应技术条件的限制，目前这些系统彼此独立，不能相互进行数据交换，形成了一个 个信息孤岛。这样虽然在一定程度上保护了各自的信息安全，但同时却极大地约束了信 息的共享。这些系统已有或正要建立自己的信息中心，但是其信息中心往往不是一个外 向的信息集散地，而是一个内向的信息“黑洞，不能充分利用各系统的综合优势，系 统各自的功能发挥和升级改造也受到限制，难以适应信息化的发展趋势。 随着航运业的迅速发展以及其对海上交通安全保障要求的不断提高，人们希望对船 舶的管理越来越全面，越来越便捷，因此也在积极地推进海上智能交通运输系统的建设 与发展。人们希望通过建设一套全面的海上智能交通运输系统体系【3 7 】【4 7 l ，将现有的为船 舶提供服务的岸基信息系统，甚至船载信息系统融合在一起形成一个大的综合海事信息 第1 章绪论 系统，提供大范围、全方位、实时、准确、高效的信息服务，使人们对船舶交通的管理 智能化、自动化、便捷化。 然而，由于海事信息系统本身所具有的复杂性，如系统的异构性、分布性、动态性、 信息容量的海量性、内容的多样性、处理的复杂性等，决定了我们要建设海上智能运输 系统体系，实现各海事部门进行信息共享与合作存在着技术上的难度，这也成为我们构 建信息化航海的主要瓶颈。 网格技术作为一种新的技术受到了越来越多的关注，成为了当前的研究热点。因特 网技术实现了计算机之间的信息交换，而网格计算技术则试图在互联网上实现异构资源 ( 计算资源、存储资源、通信资源、软件资源、信息资源、知识资源等) 的全面受控的 共享，将整个因特网整合成一台巨大的超级计算机与巨型资源池。网格希望对用户提供 如同电力网一样便利的资源使用方式。网格计算具有高性能、一体化、智能化、知识生 产、资源共享等技术优点，它的根本目的在于消除资源孤岛，实现资源的高度共享，使 网络上的资源得以充分利用p j 。 基于网格这种技术，结合智能交通运输的思想【2 引，针对海事信息系统的特点，笔者 在论文中提出了构建海事信息网格的观点，以作为人们在构建海上智能运输系统体系时 遇到的信息共享和协作难以实现的问题的解决方案，并将网格的服务概念在船舶交管系 统的设计中进行了体现。 1 2 网格概况 1 2 1 网格产生背景 3 0 多年前，计算机网络技术，特别是i n t e r a c t 技术已经深入到人类社会的政治、经 济、文化等各个领域，成为人类活动不可缺少的生产和生活工具，计算机网络技术与网 络应用正在并将继续改变人类活动的模式。2 0 世纪9 0 年代起浏览器服务器模式成为计 算机网络应用的主体模式，使得计算机网络逐渐从政府、学界和工业界少数人使用的工 具变为全人类公用的工具和服务手段，网络应用也由此取得飞跃。 i n t e r n e t 技术的推广与普及进一步促进了计算机网络应用技术的发展，电子科学、 电子政务、电子商务等应用近年来获得社会越来越多的重视。当单机系统难以满足复杂 2 基于网格概念构建海事信息服务的研究 的大型科学计算( 高能物理学、天文物理、生物信息学等) 求解的需要时，人们开始转 向研究如何在网络环境中利用多台地理位置上分散的大、中型计算机协同工作，共同完 成复杂的计算，这就是最早促进网格技术研究的动力。后来，电子商务也提出类似的需 求。于是，人们开始设想网络应用资源服务能否像电力网格( e l e c t r i cp o w e rg r i d ) 为用 户提供的即插即用的输电服务一样方便。这就是计算机网络环境中“计算网格 概念出 现的背景。 1 2 2 网格的研究及应用现状 ( 1 ) 国际方面 网格是一种新型的分布式计算技术，是信息社会的网络基础设施，被称为继传统因 特网、万维网之后的第三代因特网应用。网格以其重要的战略意义以及广阔的应用前景 成为当今吸引众多研究人员和巨大资金投入的研究热点。比如，美国宇航管理局的信息 动力网格( i n f o r m a t i o np o w e rg r i d ) ，美国国家科学基金会的分布式万亿级设施网格( 简 称t e r a 网格) ，美国国防部的全球信息网格( g l o b a li n f o r m a t i o ng r i d ) ，欧洲数据网格 ( d a t a g r i d ) 等，都是很有影响的网格研究计划。随着网格研究在学术界的加速，信息 产业界的大公司也相继公布了网格目标一致的研究开发计划，s u n 、i b m 、m i c r o s o f t 等也积极支持x m l 、s o a p 、u d d i 等万维网标准，从而有利于网格计算的研究开发。 目前在国际上，网格的主要应用于以下五个领域：分布式超级计算、分布式仪器系 统、数据密集型计算、远程沉浸和信息集成。 ( 2 ) 国内方面 在2 0 0 0 年，中科院计算所联合江南计算所、国防科大等十几家科研单位，共同承 担了8 6 3 重点项目国家高性能计算环境的研发任务，旨在建立一个计算资源广域分 布、支持异构特性的计算网格示范系统，把我国八个高性能计算中心通过i n t e r n e t 连接 起来。进行统一的资源管理、信息管理和用户管理，并在此基础上开发了多个网格应用 系统，取得了一系列研究成果。目前，我国主要的五个网格项目是：国家网格c n g r i d ( 科技部) 、中国教育科研网格c h i n a g r i d ( 教育部) 、e - s c i e n c e 网格研究计划( 国家 基金委) 、上海交通信息网格、中国空间信息网格。 第1 章绪论 其中，中国教育科研网格在五大专业应用方面也取得了一定的进展：一是生物信息 学网格，即用网格实现生物信息资源共享，如基因序列分析、匹配等；二是图像处理网 格，目前有三位虚拟人的重建、遥感图像处理、医学图像处理等；三是流体力学网格， 主要开展飞行器遗传优化设计、分子动力学研究、大型地址灾害预测等；四是以数据密 集型为背景的海量信息处理网格，如高能物理数据处理及大学数字博物馆网格等；五是 远程大学课程在线网格，集中了各校的精品教学。 目前我国的许多行业和领域，如生物、能源、交通、气象、水利、农林、教育、环 保、国防等对高性能网格计算的需求量都非常巨大，通过使用网格技术，可以实现廉价、 普遍的高性能计算，能够随心所欲地访问各种信息，完成原有计算模式无法胜任的工作。 1 3 本文研究内容和意义 本文基于人们构建海上智能交通运输系统体系的要求以及网格这种技术及其在其 他领域的应用，提出了构建海事信息网格的观点。通过建立海事信息网格，人们可以在 海事信息网络互联、共同提供信息的前提下，实现各种海事信息资源全方位、多角度的 共享，并使得多个部门之间可以进行协作，提高船舶交通管理的效率，促进船舶交通管 理的便捷，真正体现出构建海上智能交通运输系统体系、实现航海信息化的优点。 本文做的工作主要有以下几个方面： ( 1 ) 针对网格在海事信息系统中的应用进行分析，提出了构建海事信息网格的观点。 ( 2 ) 根据分析海事信息网格的组成，提出了海事信息网格的体系结构，分析介绍了 实现海事信息网格所需的关键技术，并针对其安全性和平衡性的实现进行了分析设计。 ( 3 ) 借鉴海事信息网格的概念，从基本的船舶交通管理信息系统入手，通过对其体 系结构、信息平台和数据库的设计将网格服务的思想在其中进行了体现，并对设计的平 台软件进行了测试检验。 1 4 论文结构 全文共分为六章： 第一章介绍了本文的选题背景，概述了网格技术的研究及应用现状，并阐述了本文 课题研究的内容及重要意义。 4 基于网格概念构建海事信息服务的研究 第二章论述了网格的基本理论，包括网格的基本概念、特点和分类，以及网格的几 种体系结构模型等。 第三章对网格在海事信息系统中的应用进行了分析，包括应用需求分析、应用可行 性分析以及应用影响分析。 第四章提出了海事信息网格的概念，并对其组成进行了分析，设计了海事信息网格 的体系结构，分析介绍了实现该网格的关键技术，并关于实现其安全性和平衡性进行了 设计。 第五章对船舶交管信息系统的结构、信息平台和数据库进行了设计，将网格服务的 思想在设计中进行了体现。 第六章通过实验对系统的平台软件在局域网环境下进行了测试分析。 在最后对全文的工作和不足进行了总结，并进行了展望。 1 5 本章小结 在本章中，首先在引言中提出了课题的选择背景，之后在第二节阐述了网格技术的 产生背景和研究应用现状，最后在第三节和第四节介绍了本文的研究内容和意义以及论 文的组织结构。 第2 章网格技术和网格体系结构 2 1 网格技术 第2 章网格技术和网格体系结构 2 1 1 网格的概念 网格是伴随着互联网技术而发展起来的一种新型的网络计算平台，目的是为用户提 供一种全面共享各种资源的基础设施。 网格研究领军入i a nf o s t e r 博士于1 9 9 8 年给出了网格的定义【，他提出网格就是动 态的、多机构虚拟组织之间的受控协同资源共享以及闯题解决，即使用者在任何地方， 都能够实现对各种网络资源的“即插即用 ，只要用户能够接触到网格，就可以按照自 己的需求从网格获取各种资源与服务，而不必关心资源与服务所在的具体位置。网格的 核心思想就是“整个网格就是一台计算机一，把整个因特网整合成一台巨大的超级计算 机，形成一个集成的计算与资源环境，能充分的吸纳各种资源，实现计算资源、存储资 源、数据资源、信息资源、知识资源、专家资源的全面共享，并将他们转化成一种随处 可得的、可靠的、标准的同时还是经济的计算能力。 我们可以从三个方面理解网格【2 】： ( 1 ) 从概念上讲，网格的目标是资源共享和分布协同工作。这种概念可以清晰地指 导行业和企业中各个部门的资源进行行业或企业整体上的统一规划、部署、整合和共享， 可以提升或改变整个行业或企业信息系统的规划部署、运行和管理机制。 ( 2 ) 网格是一种技术。为达到多种类型的分布资源共享协作，网格技术必须解决多 个层次的资源共享和合作问题，制定网格的标准，将i n t e m e t 从通信和信息交互的平台 提升到资源共享的平台。 ( 3 ) 网格是基础设施，是通过各种网络综合计算机、数据、设备和服务等资源的基 础设施。随着网格技术的逐步成熟，将建立地理上分布的遍布全国或世界的大型资源节 点，集成网络上的多个资源，联合向全社会按需提供全方位的信息服务。 i a nf o s t e r 在文献中限定网格应该满足三个条件： 在非集中控制的环境中协同使用资源网格应能够整合各种资源，协调各种 使用者，这些资源和使用者可以在不同控制域中；另外还需要解决在这种分布 6 基于网格概念构建海事信息服务的研究 式环境下出现的安全、权限等问题。 使用标准的、开放的、通用的协议和接口应该建立在多功能的协议和界面 之上，这些协议和界面要解决认证、授权、资源发现和提取等基本问题。 提供非平凡的服务质量网格允许它的资源被协调使用，以得到多种服务质 量、满足不同使用者的需求，如系统响应时间、流通量、有效性、安全性以及 资源重定位等，使联合系统的功效大于其他各部分的功效总和。 2 1 2 网格的特性 网格系统虽然具有分布式的一些特征，但是作为一种新的计算基础设施，还有一些 很重要的特性【4 】，如下所示。 ( 1 ) 虚拟性 网格中的资源和用户都要经过抽象，把实际的用户和资源虚拟化为网格用户和网格 资源。网格用户使用标准、开放、通用的协议和界面，可以访问网格中的各种资源，但 实际的用户和物理资源可以是相互不见的，资源对外提供的只是一个虚拟化的接口。网 格设备( 具有唯一i p 网络地址的硬件) 是地理上分布的，网格资源也是分布在不同的 网格设备上的，因此也是分布式的计算模式。 ( 2 ) 共享性 网格中的各种资源都能够被共享使用，网格是一个提供资源共享的场所。网格中的 多个用户不仅能够共同使用网格中的一个资源，网格中的一个用户也可以同时使用多个 网格资源。虽然网格资源存在分布性，但网格资源也可以是充分共享的，即网格上的任 何资源可以提供给网格上的任何用户。分布性网格资源的共享问题是网格的核心问题。 通过网络服务实现了物理上分布的网格资源的全局共享，这是网格的本质特征。 ( 3 ) 自相似性 自相似性大量存在于许多自然现象和社会现象中，一些复杂系统也具有这种特征， 网格一方面可以看作是一种技术，我们也可以抽象的把它看成一个系统或者环境，从某 种意义上讲，网格也具有明显的自相似性。网格的局部和整体之间存在着一定的相似性， 局部往往在许多地方具有全局的某些特性，而全局的特征也在局部有一定的体现。 7 第2 章网格技术和网格体系结构 ( 4 ) 动态性与异构性 网格的动态性表现在网格资源，网格规模和网格服务会随时间的变化而动态变化， 原来拥有的资源或者服务，在下一时刻可能不可用；而原来没有的资源可能随着时间的 变化不断加入到网格系统中来。网格的动态性体现在动态增加和动态减少两个方面。 网格中的资源种类繁多，功能各异。不同的操作系统，不同的体系结构的计算机系 统，不同的访问接口等等。这就对网格系统中不同结构、不同类别资源之间的通信以及 相互操作提出更高的要求。 ( 5 ) 自治性与统一性 网格资源的拥有者拥有对本地资源的最高管理权限，但是同时网格资源作为一个整 体，必须接受网格的统一管理，否则就无法使网格平台上的各种资源建立联系，无法实 现真正的共享，因此网格资源的管理具有自治性与统一性的特点，二者存在矛盾，在大 多数时候，网格系统管理者必须尊重本地管理者的策略，不能把网格系统管理者的意愿 强加给本地管理者。 2 1 3 网格的分类 按照网格客体的对象不同，我们可以把网格分为计算网格、数据网格、知识网格和 信息网格 5 1 ，如下所示： 计算网格是将网络中计算资源作为基本的共享资源，将地理上分散的各种高性 能计算机、数据服务器等通过网络连接并集成起来形成对用户来说相对透明的 虚拟的高性能计算环境。计算网格融合了目前高效可扩展的分布式并行计算技 术、计算机网络技术和高效的程序编译模型等方面的最新研究成果，其目的是 为用户提供计算资源共享的良好接口和机制。 数据是数据网格共享的基本单位。如今在科学研究和应用领域中往往需要处理 海量数据，所以人们在计算网格的技术上提出了数据网格的构想，以满足人们 对高性能、大容量分布存储和分布处理能力的要求。 知识网格侧重的是智能信息处理，它主要研究如何消除信息孤岛和知识孤岛， 实现信息资源和知识资源的智能共享，主要包括知识管理、知识主体、智能主 体、一体化智能信息平台等等。 8 基于网格概念构建海事信息服务的研究 信息网格是利用现有的网格基础设旌、协议、规范、w e b 技术和数据库技术， 为用户提供一体化的智能信息平台，其目标是创建一种架构在操作系统和w e b 之上的基于i n t e m e t 的新一代信息平台和软件基础设施。在这个平台上，信息 的处理是分布式、协作和智能化的，用户可以通过单一入口访问所有信息。 如果按照网格主体进行分类，我们可以把网格分成面向不同应用领域的网格，比如 有科学网格、地球系统网格、军事网格、教育网格、物理网格等等。 2 1 4 网格的应用 近年来，网格技术开始在社会多个领域大规模应用，其中有以下几个方面r 7 】： 电子商务：目前电子商务从技术上采用的是集中服务模式，网格的出现将会改变这 种集中服务模式，将分布在世界各地的服务节点构成一张巨大无形的商业网，以达到共 享信息、统一管理、降低成本、提供更快更可靠服务的目的。 高吞吐计算：该计算主要是为了解决那些数据量巨大，但对求解时间不太敏感的问 题，将大量空闲的计算资源集中协调起来，共同完成任务。 数据密集型计算：主要指数据的采集、存放、分析、处理等问题，这对通信的要求 很高，同时对计算能力也有很高的要求。比如天气预报、地理勘探等。 随着网格研究的深入和网格应用的发展，网格应用也从科学计算逐步渗透到应用服 务领域，因此产生了越来越多的应用服务网络，如广泛的协同工作、环境保护、培训和 教育、信息集成等。这样提高了企业内所有计算资源的效率和利用率，使得各组织之间 可以通过共享应用数据来对公共问题进行合作，从而实现计算能力、存储和其他资源的 整合和优化。 2 2 网格体系结构 网格是一个整体的概念，而网格体系结构就是网格系统的骨架，网格体系结构的作 用在一定程度上就是对网格的解剖。一般来说，网格体系结构的定义如下【4 l ：网格体系 结构就是关于如何建造网格的技术，它给出了网格的基本组成与功能，描述了网格各组 成部分的关系以及它们集成的方式或方法，刻画了支持网格有效运转的机制。 9 第2 章网格技术和网格体系结构 到目前为止，主要的网格体系结构有两个，一个是i a nf o s t e r 等在早些时候提出的 五层沙漏结构；另一个是i a nf o s t e r 等结合w e bs e r v i c e 提出的开放网格服务体系结构 ( o g s a ) 。下面将对它们作详细介绍。 2 2 1 五层沙漏结构 五层沙漏结构的主要特点是以“协议为中心，强调协议在网格的资源共享和互操 作中的地位，其结构简单，层次清楚。通过协议实现一种机制，使得虚拟组织的用户与 资源之间可以进行资源使用的协商，建立共享关系，并进一步的管理和开发新的共享关 系。这一标准化的开放结构对网格的扩展性、互操作性、一致性以及代码共享都很有好 处。 五层沙漏结构嗍的划分如下图2 1 所示，从上到下依次为应用层、汇聚层、资源层、 连接层和构造层。由于该结构以协议为中心，而各层数量不同，所以结构呈现两头粗、 中间细的沙漏形状。 一应用厂 应用层 汇聚层 f 目与监控等f 资源与资源层 j蝷 全访问接层 各种资源，如存储 造层 价质、网络、传感器等 2 i 五层沙漏结构图 i 9 2 1 h e i c t u 他o f f i v e - l a y e ra n d g l a s st r u c t u r e o 基于网格概念构建海事信息服务的研究 位于最底层的是构造层，它面对的是一个个具体的物理或逻辑资源，如传感器、计 算机、分布式存储系统等。它的基本功能就是控制这些局部的资源，并向上提供访问这 些资源的接口，让网络协议控制可以共享访问的资源。 第二层是连接层，它的基本功能就是实现通信，它定义了网格的网络处理需要的核 心通信和认证协议，从而为下层的物理资源提供安全的数据通信能力。它是资源之间进 行互操作的前提，使孤立的单个资源建立联系。 第三层是资源层，它反映的是抽象的局部资源的特征，其主要功能是实现对单个资 源的共享，它在连接层的通信和认证协议基础上，为独立资源共享操作的安全启动、监 督和控制定义了协议以及应用程序接口( a p i ) 和软件开发工具包( s d k ) 。 第四层是汇聚层，它将资源层提交的单个资源汇聚在一起，协同解决多个资源的问 题，实现各种资源的共享。它描述的是资源的共性，并不涉及资源的具体特征。 最高层是应用层，它是在虚拟组织环境中存在的，距离底层资源最远。该层主要由 用户应用程序构成，通过调用下层网格提供的服务，如数据访问服务、资源管理服务等， 再通过服务调用网格上的资源实现。 五层沙漏结构并不提供严格的规范，它不是对全部所需协议的完整罗列，而是对该 结构中各部分组件的通用要求进行定义，并且将这些组件形成一定的层次关系，每一层 的组件具有相同的特征，上层组件可以构建在任何一个低层组件的基础之上。 2 2 20 g s a 体系结构 2 0 0 2 年6 月，网格研发的先行者i a nf o s t e r 等人结合w e bs e r v i c e 技术提出了开放 网格服务体系结构o g s a ( o p e ng r i ds e r v i c ea r c h i t e c t u r e ) 。o g s a 最突出的思想就是 以“服务为中心f 6 】，计算资源、存储资源、网络、程序、数据库等都用服务来表达， 从而使网格技术的共享特性在o g s a 中表现为服务的共享。从资源到服务，这种抽象地 将各种各样的广义资源统一起来，十分有利于灵活、一致、动态的共享机制的实现，使 得网格环境中的分布系统管理有了标准的接口和行为。 o g s a 的体系结构分为四层【9 】，如图2 2 所示： ( 1 ) 资源服务，是指物理资源通过虚拟化及服务化的封装，以逻辑资源的形式对外 服务，例如文件服务、目录服务、处理器等。 第2 章网格技术和网格体系结构 ( 2 ) w e b 服务以及定义网格服务的o g s i 扩展，所有网格资源都被建模为服务。o g s i 规范定义了网格服务并建立在标准w e b 服务技术之上。o g s i 利用w e b 服务体制，为 所有网格资源指定标准的接口、行为与交互。o g s i 进一步扩展了w e b 服务定义，提供 了动态的、有状态的和可管理的w e b 服务的能力。 应用 基于o g s i j 艮务 图2 20 g s i 体系结构 f i 9 2 2t h ea r c h i t e c t u r eo fo g s i ( 3 ) 基于o g s a 架构的服务，包括资源调度、数据服务和安全服务等基础服务。 ( 4 ) 网格应用程序，主要是基于网格提供的服务的一系列应用。 为了使服务的思想更加明确，o g s a 定义了“网格服务 i o l ”的概念。网格服务是 一种w e bs e r v i c e s ，提供了一组接口，这些接口定义明确并且遵守特定的惯例，解决服 务发现、动态服务创建、生命周期管理和消息通知等问题。 由于在o g s a 中一切都被看作服务，所以网格就是网格服务的集合。在o g s a 体 系结构中，可以基于简单的基本服务，形成复杂、高级、抽象的服务。比如，一个复杂 问题的求解需要多种服务，如网络、查询、存储、计算等各方面的服务，可以将这些基 1 2 基于网格概念构建海事信息服务的研究 本服务组织起来，形成一个高级的抽象服务，为应用提供更高级的服务支持。下图2 3 显示了o g s a 的服务结构，描述了如何利用简单服务构建复杂、高级的服务。 在图中，低级服务d 、e 、f 、g 、h 组成了次高级服务a 、b 、c ，而次高级服务a 、 b 、c 又组成了高级网格服务，为更复杂的应用提供高级的服务。 服务示意图 图2 30 g s a 服务结构图 f i 9 2 3t h ep i c t u r eo f o g s as e r v i s t r u c t u r e 以网格服务为中心的o g s a 模型具有以下优点【2 1 ： o g s a 中所有组件都是虚拟化的，通过提供一组相对统一的核心接口，所有的 网格服务都基于这些接口实现，使得分级的、更高级别的服务的构建能够跨多 个抽象层以统一的方式进行处理。 虚拟化还促使从多个逻辑资源实例到同一物理资源的映射，不考虑实现的服务 组合。通过网格服务的虚拟化加强了通用服务语义行为无缝地映射到本地平台 设施的能力。 开放网格体系结构的意义，就在于它将网格从以科学与工程计算为中心的学术研究 领域，扩展到更广泛的以分布式系统服务集成为主要特征的社会经济活动领域。不管是 第2 章网格技术和网格体系结构 网格计算还是o g s a 都还不成熟，因此随着研究的深入，它必然会不断发展。相信在大 量基于o g s a 的应用与开发展开后，o g s a 会不断得到完善和提高，它也会直接推动网 格计算的发展。 2 2 3 开放网格服务基础设施0 6 si 开放网格服务基础设施o g s i 规斟1 1 1 是一项基于w e b 服务标准的、由企业和研究 界联合提出的用于实现网格服务的基本标准。o g s i 是o g s a 的基本组件，它是一项网 格软件基础设施标准化计划，是基于新兴的w e b 服务标准的。w e b 服务，尤其是简单 对象访问协议( s o a p ) 和w e b 服务描述语言( w s d l ) 是这个规范的重要内容。o g s i 将成为各种不同网格实现的基础。 因为o g s i 标准建立在许多其他标准( 订l 、w s d l ) 之上，所以它是一种开放的、 基于标准的解决方案。 o g s i 的主要内容包括： 网格服务实例如何命名及被引用。 如何使接口和行为成为所有网格服务的公共组成部分。 如何指定其他接口、行为以及它们的扩展。 o g s i 规定所有网格服务都要实现包括服务发现、动态服务的建立、生存期的管理、 通告、可操控性等方面的预定义接口。 2 3 本章小结 本章主要介绍了网格技术的一些基础知识，包括网格的概念、特性、分类以及应用 等；另外着重介绍了两种网络体系结构五层沙漏体系结构、开放网格服务体系结构 以及基础设施。 1 4 基于网格概念构建海事信息服务的研究 第3 章网格在海事信息系统中的应用分析 3 1 应用需求分析 3 1 1 数字地球概念的提出 数字地球【1 2 l 词自1 9 8 9 年诞生后风靡全球，从哲学上讲，数字地球是对真实地球 及其相关现象统一性的数字化重现与认识。从技术上讲，它是一个在全球范围内建立的 一个以空间位置为主线，将信息组织起来的复杂系统，也就是全球范围内的以地球位置 及其相互关系为基础而组成的信息框架，并在该框架内嵌入我们所能获得的信息的总 称。作为新的凝聚全人类梦想的目标，数字地球提供了一种前所未有的认识地球的方式， 它会对人类与自然的协调和平衡带来不可估量的推进作用。 图3 1 数字地球示意图 f i 9 3 it h ep i c t u r eo f d i s t a le a r t h 第3 章网格在海事信息系统中的应用分析 数字地球是对真实地球及其相关现象统一性的数字化重现和认识，其核心思想是用 数字化手段统一处理全球信息和最大限度地利用信息资源。从内容上说，数字地球是在 全球范围内建立一个以空间位置为主线，将信息组织起来的复杂系统，按地理坐标整理 构建一个全球的信息模型，描述地球上每一点的全球信息，并提供有效、方便和直观的 检索手段和显示手段，使每个人都可以快速、准确、完整地了解和利用地球上各方面的 信息。从这个意义上讲，数字地球就是一个以全球范围内地理位置及其关系为基础组成 的信息框架，在该框架内嵌入我们所能获得的信息的总称。 数字地球由四部分组成，如上图3 1 所示，分别为基础科学( 信息科学、地球科学 和认识科学) 、关键技术( 卫星遥感技术、海量数据的快速存储与处理技术、高速网络 技术、多分辨率、多维数据的融合与表达技术、仿真与虚拟技术、元数据技术) 、实现 层( 区域层、国家层、地区层、全球层) 以及应用层( 专业生产应用、城市与区域、科 研与教育、政治外交、安全与国防等) 。 数字航海作为数字地球的重要组成部分，有着非常重要的研究价值和应用意义。多 年来，交通作为人们生产、生活中的必不可缺的一部分，在信息化建设方面取得了快速 的发展，不过人们一直比较注重陆上以及航空方面的交通，而稍微忽略了航海方面的建 设。现在航海领域所用的信息基础设施( 包括船站设施和岸站设施) 建设虽然取得了一 定的成效，但是主要是集中在个体单站方面，已有基站设施之间以及和相应的航运管理 部门之间的信息流通和共享程度不够，远远达不到人们利用信息以及控制船舶交通的需 求。如果说数字地球是在一定经济基础和技术基础之上的产物，那么对于信息航海，还 需要加入一个诱因，那就是人们的迫切需求。 3 1 2 国内现况 我国经过多年的努力，在海事信息化建设方面也取得了初步的成效。在海事交通管 理机构方面，我国已经在沿海以及主要内河干线方面设立了1 4 个直属海事机构、9 8 个 分支机构和3 6 6 个派出机构。在基础设施方面，我国已经建成了以大连、青岛、上海、 深圳为代表的v r r s 中心2 6 个、雷达站8 3 个，以上海、广州和天津为代表的海岸电台 1 8 座，另外在a i s 基站建设组网以及差分g p s 台链建设方面也对国内沿海形成了有效 的覆型1 3 】。根据去年交通部公布的国家海事交通安全监管和救助系统布局规划以及 1 6 基于网格概念构建海事信息服务的研究 全国沿海甚高频安全通信系统总体布局规划得知，我国在最近几年还要加大船舶交 管中心、海岸电台、溢油监控以及救助基站等方面的建设，以形成对我国沿海主要海域 以及内陆风险水域的连续有效的覆盖，尤其加强渤海湾、长江口、台湾海峡、珠江口、 琼州海峡和长江干线六大重点水域的交通监管。 这些基础设施的建立的确对我国海事交通的运行以及人们对交通的监控提供了很 大的帮助，但是实际运行效果却没有人们预期的那么好，仍存在着不少的问题： 设施装备配备结构不尽合理，力量布局较为分散，远远不能适应发展的要求。 有些设施布局不甚完善，有效监管范围小，预控能力不强，相应的管理人才队 伍也比较缺乏，不能形成有效的管理机制以及建立完备的海事交通管理体系。 另外也是最重要的一点，就是信息共享程度不够。相比国外发达国家，我国的 基站设施的分布密集程度还不够，但是需求信息的用户却很多，包括海事管理 部门、搜寻救助部门以及溢油监控部门，另外还有一些公众用户，如港口经营 部门以及船舶航运公司等。这些用户是一个个信息孤岛，相互之间的信息共享 程度远远不能满足各自的需求。 因此，对于我国目前的海事交通信息化建设来说，要解决协调管理和信息共享等方 面存在的问题，同时鉴于自身发展的需要，笔者通过借鉴欧美发达国家的经验，认为我 国需要建立统一的海事交通信息系统体系，其中融合了海事交通的各种资源信息，又可 以向各种不同的用户提供信息等方面的服务，各个用户之间还可以统一规划、协同管理。 网格作为近年兴起的一种新型的分布式计算技术，如果应用到这个体系中，将会起到很 大的帮助作用。 3 2 应用可行性分析 对于我国来说，建立的全国范围的海事交通信息系统体系