（交通信息工程及控制专业论文）网格虚拟地理环境及其关键技术研究.pdf

摘要运用虚拟现实技术模拟海上交通与控制，可以提供一个用户与计算机系统自然交互的三维人机界面。为了进一步提高用户与地理信息系统交互的深度与广度，突破传统图形用户界面，1 9 9 5 年以来，在中国科学院院士陈述彭先生的指导下，逐步形成了虚拟地理环境( v i r t u a lg e o g r a p h i ce n v i r o n m e n t , v g e ) 的概念。基于传统分布式网络基础上发展的v g e ，在应用范围不断扩大、涉及领域不断增多、计算量不断增大的要求下，暴露出越来越多的缺陷，如不能实现资源的动态调度、不能消除信息孤岛、不能生产或创造知识等。而作为第三代互联网技术的网格技术，由于其核心就是屏蔽异构数据、消除信息孤岛、动态合理的调度资源、协同完成用户请求的特点成为解决当前阻碍v g e 发展的最佳方法。鉴于此，本文首次提出了网格虚拟地理环境( g r i d v i r t u a l g e o g r a p h i c e n v i r o n m e n t 。g r i d v g e ) 的概念，并根据开放网格服务框架及其以服务为核心的理念提出了构建g r i d - v g e 的理论框架与软件框架，同时从整体到局部对其进行了分析探讨。由于g r i d - v g e 中多是涉及多学科、多领域的复杂应用，如何将其简单化，是当前g r i d v g e 发展中急需解决的个问题。经过详细分析发现，g r i d v g e 中的应用属于b o t 型应用( b a go f t a s k s ) ，即被分解成若干任务的应用程序，其中的各个任务之间相互独立，几乎没有数据依赖关系，而b o t 型应用经国内外专家及实践证明是最适合在网格环境中运用的。针对g r i d v g e 的这一应用特点，本文首次引入b e m s t e i n 条件作为分解用户请求的依据。通过运用b e m s t e i n 条件层层分解用户请求，并且记录在分解过程中形成的任务之间的拓扑关系，直到任务集中的任意两个任务都满足b e m s t e i n 条件。最终形成由若干功能单一、粒度适当的任务组成任务集，按逻辑顺序合理调度其中的任务，以达到缩短响应用户请求时间的耳的。试验证明，提交同样的用户请求在分解后任务粒度适合的情况下，确实比未分解情况性能要好，即分解后的响应时间比未分解的要少。分解后的任务面临着如何调度才能最优的利用g r i d v g e 中资源的问题。虽然目前已经存在一些可以提高网格性能的动态资源调度算法，如动态f p l t f 算法、w q 算法、m i n - r a i n 算法等，但是它们极少考虑正在执行任务的节点由于人为或非人为原因导致该节点性能大幅度下降时，造成原调度任务的完成时间被无限期延长的情况。另外，虽然也存在考虑节点某个时间点性能的调度算法，如s u f f e r a g e算法，但是该算法不能预测未来一段时间内该节点的性能情况，即节点的稳定性。可以说，网格资源调度问题仍然是一个n p 问题。而g r i d v g e 中应用的实时性及高计算量的特性，使得在进行节点与任务映射时，不仅需要考虑节点所能提供的性能，而且需要考虑节点在一段时间内的稳定性。根据这个要求，本文首次将节点的稳定性作为选择节点的判断条件，由此提出了基于节点信任度的网格资源调度算法( c r e d i t a b l es c h e d u l i n ga l g o r i t h m ，c s a ) 。通过运用网格模拟器g r i d s i m的验证，c s a 调度算法在任务异构性与节点异构性足够大的情况下，性能都优于上述提到的各个调度算法，也更适合g r i d v g e 的要求。最后，本文通过研究g r i d - v g e 中不同类型数据的组织格式，提出抽象元数据的概念，并用一种链表的数据组织结构来实现，以达到屏蔽g r i d v g e 中数据异构的目的。通过组织虚拟组织内的元数据形成虚拟数据库，向上层服务提供统一的数据接口。运用网格技术构建v g e 是一个新的研究方向，具有良好的发展前景。但由于网格技术本身还处于一个不断完善的时期，同时，限于本人时间和精力的问题，本文仅仅对g r i d v g e 中部分关键技术进行了初步的探讨，而更多需要进一步研究的工作仍然等待着进行。文中的内容、观点不免有疏漏、偏颇之处，敬请不吝指正。关键词：网格虚拟地理环境；b o r n s t e i n 理论；信任度；元数据；虚拟数据库r e s e a r c ho ng r i d - v g ea n di t sp i v o t a lt e c h n o l o g i e sa b s t r a c ti tc 觚o f f e ra3 dh u m a n 。c o m p u t e ri n t e r f a c et os i m u l a t e 仃a m ca n dc o n t r o lo nn a v i g a t i o nb yu s i n gt h et e c h n o l o g yo f v i r t u a lr e a l i t y h lo r d e rt oe n h a n c et h ee x t e n ta n dt h ep r o f u n d i t yo fi n t e r a c t i v eb e t w e e nu s e r sa n dc o m p u t e r sb yb r e a k i n gt h o u g ht h el i m i to ft h et r a d i t i o n a lh u m a n - c o m p u t e ri n t e r f a c e ，t h ec o n c e p to fv g e ( v i r t u a lg e o g r a p h i ce n v i r o n m e n t ) h a sb e e nf o r m e du n d e rt h eg u i d a n c eo fm r c h e ns h u p e n ga c a d e m i c i a ni nc h i n e s ea c a d e m yo fs c i e n c ef r o m1 9 9 5 t h ev g eb a s e do nt r a d i t i o n a ld i s t r i b u t e ds y s t e me x p o s u r e sm o r ea n dm o r el i m i t a t i o n sw i t ht h ee n l a r g i n gt h ea p p l i c a t i o ns c o p e ，a g g r a n d i z i n gt h ei n v o l v e df i e l d sa n de n h a n c ec o m p u t i n ga c c o u n t f o re x a m p l e i tc 锄tr e a l i z et os c h e d u l er e s o u r c e sd y n a m i c a l l y ，t oe l i m i n a t ei n f o r m a t i o ns o l i t a r yi s l a n d sa n dt 0p r o d u c ek n o w l e d g e g r i d ，a st h et h i r dg e n e r a t i o ni n t e m e tt e c h n o l o g y ，i st h eb e s tw a yt os o l v e t h e s ep r o b l e m sb e c a u s eo fi t sc o r et e c h n o l o g i e s ，s u c ha ss h i e l d i n gh e t e r o i dd a t a ，e l i m i n a t i n gi n f o r m a t i o ns o l i t a r yi s l a n d sa n ds c h e d u l i n gr e s o u r c ed y n a m i c a l l y s o ，t h ep a p e rb r i n g sf o r w a r dt h ei d e ao fg r i d - v g ef g r i dv i r t u a lg e o g r a p h i ce n v i r o n m e n t )f i r s t l y a tt h es a m et i m e ，t h ea c a d e m i ca n ds o f t w a r ef r a m e w o r ko fg r i d v g ea r ec o n s t r u c t e dr e s p e c t i v e l yb a s e do nt h et h e o r yo fo g s a ( o p e ng r i ds e r v i c e sa r c h i t e c t u r e ) a n dt h ei d e ao fs e r v i c e s t h e n ，t h ep a p e ra n a l y s e sa n dd i s c u s s e st h ek e yt e c h n o l o g i e so f g r i d - v g ef r o mw h o l e n e s st op a r t s i tm u s tb es o l v e du r g e n t l yh o wt os i m p l i f yt h ea p p l i c a t i o n si ng r i d v g eb e c a u s eo fi t sc o m p l e x i t y t h e s ea p p l i c a t i o n sb e l o n gt ot h es o r to fb o t ( b a go ft a s k s ) b yi n v e s t i g a t i n gc a r e f i l l l y ，s ot h e yc a nb ed e c o m p o s e di n t os e v e r a li n d e p e n d e n tt a s k sw h i c hh a v el e s sd a t ar e l a t i o nb e t w e e nt h e m f u r t h e r m o r e ，b o ta p p l i c a t i o n sh a v eb e e nt e s t i f i e dt oa d a p tt og r i db e s tb ye x p e r t sh o m ea n da b r o a d t h ep a p e ri n t r o d u c e sb e m s t e i nt h e o r yt od e c o m p o s ea p p l i c a t i o n si ng r i d v g ef i r s t l y t h ep r o c e s so fd e c o m p o s i n gw o n ts t o pu n t i la n yt w ot a s k sa b i d ew i t hb e r n s t e i nt h e o r y i nt h em e a n t i m e ，t h et o p o l o g yr e l a t i o na m o n g 切s l 【sw i l lb er e c o r d e d i th a sb e e nt e s t i f i e dt h a ti to n l yn e e d sl e s st i m et oc o m p l e t et h ea p p l i c a t i o na f t e rb e e nd e c o m p o s e dt h a nt h es a m ea p p l i c a t i o nn o tb e e nd e c o m p o s e d s o ，i ti m p r o v e st h ep e r f o r m a n c eo fg r i d v g eb yu s i n gt h i st h e o r y i tb e l o n g st os c h e d u l i n gs o r to fh o wt om a t c ht a s k sa n dr e s o u r c e si ng r i d - v g e t h e r ea r es o m es c h e d u l i n ga l g o r i t h m s ，s u c h i sd - f p l t f ，w q ，m i n - m i n ，b u tf e wa t t e n t i o n si sp a i dt ot h ec o m p l e t i o nt i m eo ft a s k sw h i c hi sd e l a y e du n b o u n d e d l ya st h ed e b a s eo fn o d e sp e r f o r m a n c eb r o u g h tb ys u d d e n n e s s t h e r ei sa l s oo t h e rs c h e d u l i n ga l g o r i t h m ，s u c ha ss u f f e r a g e ，b u ti to n l yc o n s i d e r st h en o d e sp e r f o r m a n c ea tt h et i m ew h e nt a s k sa r r i v e sa tn o d e s t h ea p p l i c a t i o n si ng r i d - v g en o to n l yn e e dt h eg u a r a n t e eo f n o d e sp e r f o r m a n c e ，b u ta l s on e e d st h eg u a r a n t e eo f n o d e ss t a b i l i t yi nas p e c i a l p e d o d t h ep a p e rt a k e sn o d e ss t a b i l i t yi n t oc o n s i d e r a t i o nt om a t c ht a s k sf i r s t l yt oe n s u r et h a t扭s l 【sc a nb er u ns t a b l yi nap e r i o d f u r t h e r m o r e , an e ws c h e d u l i n ga l g o r i t h mn a m e dc s a ( c r e d i t a b l es c h e d u l i n ga l g o r i t h m ) i sb r o u g h tf o r w a r db a s e do nt h i si d e a i tc a nb et e s t i f i e dt h a tc s ai sb e t t e rt h a nt h ea b o v e m e n t i o n e da l g o r i t h mw h e nt h eb e t e r o i d e o u st a s ko rt h eh e t e r o i d e o u sn o d e sa c h i e v eac e r t a i ne x t e n tr e s p e c t i v e l yb yu s i n gt h eg r i ds i m u l a t o rn a m e dg r i d s i m s o ，c s aa l g o r i t h ma d a p tt og r i d v g em o r e i nt h ee n d ，t h ep a p e rb r i n g sf o r w a r dac o n c e p to fa b s t r a c tm e t a d a t at os h i e l dt h eh e t e d o i dd a t aa f t e rr e s e a r c h i n gt h ed i f f e r e n ts t r u c t u r e so f d a t ai ng r i d - v g e a n dad a t al i s ts t r u c t u r ei su s e dt od e s c r i b et h em e t a d a t a i na d d i t i o n ，au n i f o r mi n t e r f a c ew h i c hc o m e sf r o mv i r t u a ld a t a b a s ef o r m e db yo r g a n m i n gt h ed a t aa m o n gav i r t u a lo r g a n i z a t i o ni so f f e r e dt ou p p e rs e r v i c e s i t i san e wm e t h o da n dr e s e a r c hd i r e c t i o nt oc o m b i n ev g ea n dg r i d ，a n dt h i sr e s e a r c hh a sb e t t e rl o n gt e r mp o t e n t i a l b u tb e c a u s et h et e c h n o l o g yo f g r i di ss t i l li ni t si n f a n c y ，a n da u t h o r st i m ea n de n e r g yi sl i m i t e d ，t h i sp a p e ro n l yc o v e r si n i t i a t o r yd i s c u s s i o no ft h i sr e s e a r c hf i e l d t h e r ea r es t i l lm a n yw o r kn e e dd e e p l yr e s e a r c ha n dd i s c u s s i f t h e r ea r ed e f i c i e n c i e si nt h i sp a p e r , p l e a s ep o i n tt h e mo u tu n h e s i t a t i n g k e yw o r d s ：g r i d - v g e ；b e r n a t eint h e o r y ；c r e d i t a b i l i t y ；m e t a d a t a ；v i r t u a ld a t a b a s e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，撰写成博士硕士学位论文：圈揸虐拯丝堡珏缝巫基苤毽撞苤婴峦：。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。论文作者签名文童闲纠年弓月巧咱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：保密口不保密留( 请在以上方框内打“”)论文储躲翱闲暑师警好赂日期：缈年多月獬创新点摘要1 、网格虚拟地理环境( g r i d v g e ) 的提出本文在详细分析阻碍现有分布式虚拟地理环境( v i r t u a lg e o g r a p h i ce n v i r o n m e n t , v g e ) 进一步发展瓶颈的基础上，充分比较网格技术与传统分布式网络技术之间的优缺点，指出运用网格技术构建v g e 的必要性，并首次提出了网格虚拟地理环境( g d dv i r t u a lg e o g r a p h i ce n v i r o n m e n t , g r i d - v g e ) 的概念。同时，参考当今国内外其他领域与网格技术的结合方法，分析比较网格理论中的五层沙漏结构与开放网格服务结构( o p e ng r i ds e r v i c e sa r c h i t e c t u r e ，o g s a ) 的特点，在充分考虑v g e 特点的基础上，构建并探讨了基于0 g s a 的、以服务为核心的g r i d v 6 e的理论框架与软件框架及其组成部分，并进一步指出了实现g r i d r o e 所必须的关键技术。2 、基于b e m s t e i n 的任务多级分解由于g r i d - v g e 中用户提交的请求多是涉及多学科、多领域的，完全交由单机独自完成不仅浪费时间，而且对机器性能要求也高。另外，经过详细分析发现，g r i d v g e 中的应用属于b o t 型应用( b a go ft a s k s ) ，即被分解成若干任务的应用程序，其中的各个任务问几乎没有数据依赖关系，而b o t 型应用经国内外专家及实践证明是最适合在网格环境中运行的。针对g r i d v g e 的这一特点，本文首次引入b e m s t e i n 条件作为分解用户请求的依据。通过运用b e m s t e i n 条件层层分解用户请求，形成由若干功能单一、粒度适当的任务组成任务集，并且在分解过程中形成并记录任务之间的拓扑关系，以达到任务能够按逻辑顺序并行运行，最终达到减少响应用户请求时间的目的。3 、基于节点信任度的网格资源调度算法在调度g r i d v g e 中的应用时，不仅需要考虑节点所能提供的性能，而且需要考虑节点在一段时间内的稳定性。虽然目前已经存在一些可以提高网格性能的资源调度算法，如动态f p l 算法、w q 算法、m i n m i n 算法，但是它们极少考虑正在执行任务的节点由于人为或非人为原因导致该节点性能大幅度下降时，使原调度的任务完成时间被无限期延长的情况。另外，也存在只考虑节点某个时间点性能的调度算法，如s u f f e r a g e 算法，但是该算法不能预测未来一段时间内该节点的性能情况，即节点的稳定性。针对这一现象，本文首次将节点的稳定性作为选择节点的判断条件，由此提出了基于节点信任度的网格资源调度算法( c r e d i t a b l es c h e d u l i n ga l g o r i t h m ，c s a ) 。4 、屏蔽g r i d v g e 异构数据的方法g r i d - v g e 中应用的跨学科、跨领域的特点决定了其数据的异构性。由于缺少网格环境中数据访问和传输的标准协议，因此导致需要访问不同数据类型的用户，往往需要使用多个协议或者a p i ，但是却不能在不同的系统间有效的进行数据传输。通过研究不同类型数据的组织格式，本文将g r i d v g e 中的数据抽象成元数据，并提出一种链表的数据组织结构并且通过元数据在虚拟组织内形成的虚拟数据库，向上层服务提供统一的数据接口。网格虚拟地理环境及其关键技术研究第1 章绪论现代海上交通管理与控制，不仅需要各种数字化信息辅助，在某些情况下，如模拟海上船舶避碰，还需要运用虚拟现实技术仿真。通过模拟仿真一方面可以预测未来可能发生的情况及其可能造成的危害，从而减少不必要的损失，节约了大量的人力、物力与财力；另一方面可以辅助决策或者帮助训练海上工作人员适应未来工作环境，因此，运用虚拟现实技术模拟仿真海上交通管理与控制意义重大。虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y ) 是一种利用计算机图形技术人工合成的可以按照用户的输入而变化的模拟仿真环境，是一个多维信息空间，提供一个用户可与计算机系统自然交互的三维人机界面。虚拟现实的主要特点是用户可以沉浸式地与虚拟场景交互，获得一种身临其境的感受，从而激发用户的想象力。为了进一步提高用户与地理信息系统交互的深度和广度，突破传统图形用户界面，1 9 9 5 年以来，在中国科学院院士陈述彭先生的指导下，逐步形成了虚拟地理环境( v i r t u a lg e o g r a p h i ce n v i r o n m e n t ，v g e ) 的概念。同时，地理学家开始利用虚拟现实技术生成虚拟地理环境，这样极大地提高了地理信息显示的真实感和对地理信息的可操作性，从而可以更加容易理解地理数据。运用虚拟现实、w e b 等技术模拟的海上交通管理与控制，在本质上说，是一种人文活动在空间上的体现，是v g e 的一个应用。而v g e 随着信息技术的发展，尤其是分布式网络技术的发展，得到了空前的进步。v g e 的发展，给人们带来了无穷的遇想空间。数字城市、数字航海所展现的虚拟世界，为研究者提供了新的研究天地，并提出了新的研究课题与方向。但是，随着v g e 的发展，原有的分布式体系结构不断暴露出不足，如系统的扩展受到限制、服务的增加删减需要大量的人工维护、异构数据不断增多、涉及学科领域不断扩充、用户请求日益复杂等。如何使v g e 得到更好的发展，需要寻求一种更适合它的基础框架作为它的依托。第三代互联网技术的网格，目前作为越来越重要的计算机技术研究领域之一，是一种关系到科研、经济、社会、国防的重要国家基础设施，在国内外引起了广泛的关注。由于网格可以连接广域范围内不同标准的异构“孤岛”，形成庞大的全球性体系，是i n t e r a c t 发展的高级形式，因此受到世界各国和组织的高度重视。网格是借鉴电力网的概念提出来的，希望用户在利用网格的时候，如同现在使用第l 章绪论电力一样方便。简单地讲，网格是把整个互联网整合成一台巨大的超级计算机，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。网格的动态性、异构性、可延展性等特点，为虚拟地理环境的发展提供了新的空间。作为整个论文的开篇，本章将就虚拟地理环境及网格的基本概念、特征、发展现状等做详细阐述，为后续章节所涉及的算法及技术探讨做铺垫。1 1 虚拟地理环境随着网络技术及其它信息科学的发展，人们的想象越来越丰富。网络、3 s ( 遥感技术，r e m o t es e n s i n g ，简称r s ：地理信息系统，g e o g r a p h yi n f o r m a t i o ns y a e m s ，简称g i s ：全球定位系统，g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m s ，简称g p s ；三者的统称) 和虚拟现实技术的发展，一方面为地学数据的分布式存储、管理、共享、分析和应用，以及建立基于i n t e r n e t 的三维高分辨率的虚拟环境提供了工具和平台；另一方面，在基于i n t e r n e t 的网络信息空间中，人们的信息交流与交互不再受现实地理位置、距离和时间的约束限制。距离的消失和时空维的点压缩等因现代数字信息技术的发展【7 】而导致了虚拟现实技术的出现。虚拟社区、虚拟银行、数字城市、数字地球、数字航海等所展现的虚拟空间呈现了不同于、但无限相像的另一个世界。1 9 9 5 年以来，在地学可视化、地学多维图解与虚拟现实技术的综合过程中，在中国科学院院士陈述彭先生的指导下，逐步形成了虚拟地理环境的概念。1 1 1v g e 基本概念及组成所谓虚拟地理环境( v i r t u a lg e o g r a p h i ce n v i r o n m e n t ，v g e ) ，是虚拟现实技术在地球( 地理) 科学领域的应用，是基于网络的多用户虚拟三维环境，可用于发布地学多维数据，模拟和分析复杂的地学现象过程，支持可视和不可视的地学数据解释、未来场景预见( 预现) 、设计规划、协同工作和群体决策等。v g e 是包括作为主体的化身人类社会以及围绕该主体存在的一切客观环境，其中的化身人类是表示现实世界中的人与虚拟世界中的化身相结合后的集合整体。v g e 以虚拟现实理念，虚拟现实技术为核心，基于地理信息、遥感信息、网络信息与移动空间信息，研究现实地理环境的现象与规律，最重要的特征就是让人的感知空间和认知空间与三维信息空间合一，让人以“参与者”身份体验、认识、建构三维虚拟世界。2网格虚拟地理环境及其关键技术研究v g e 包括化身人类社会主体及其围绕该主体的所有环境，它由实境与虚境组成。其中，实境又由地理位置层面、内表达数据层面和外表达境象层面组成：虚境则由单主体感知层面和互主体社会层面组成【7 1 ，如图1 1 所示。：i - - _ - - - _ - - _ _ 一- - _ _ _ - - _ _ - - 一- - 一_ _ 1i；虚境层面!图1 1 虚拟地理环境的组成f i g 1 1t h ef o r mo f v g ev g e 可以简单定义为真实地理环境在计算机中的一种抽象的数字化的逼真表示，使人们可以探察汇集有关的自然和人文信息，并与之互动 2 1 。图1 2 所示为根据v g e 的定义及其相关技术领域构成的逻辑系统结构。第l 章绪论图1 1 虚拟地理环境系统框架体系结构f i g 1 1v g es t r u c t u r eo f s y s t e mf r a m e1 、计算机网络层面：由具有空间位置参考的计算机、网络、各种显示设备、人机交互设备等硬件和不同的用户构成，是连接虚拟世界与现实世界的桥梁。2 、地理数据层面：由描述自然和人文地理环境等多维时空现象的一系列几何模型数据与专题属性数据，以及有关的行为模型等组成。通过这些数据和对其交互，虚拟环境与现实环境紧密关联并成为现实世界的一种扩展、延伸和增强。虚拟空间环境的基本空间支撑基础是一组有结构、有组织的具有三维几何空间的有序数据，它使得虚拟世界成为一个有坐标、有地方、有三维空间的世界，从而与现实世界中的可感觉、可触摸的三维世界相对应。3 、地理多维表现层面：是数据空间在计算机中的外化，是一种多维多视图的表现，包括二维图形、2 5 维透视图象、真三维立体图像以及语音和三维动画等多种表现形式。虚拟环境中的空间表示是多感知的，但视觉感知仍然是最主要的。地理数据经过分析、选择、重组和表示，成为有实际意义的信息。4 、个人感知认知层面：一种让人具有多通道体验的空间，一切信息在这里以视觉、听觉、触觉和其他形式聚集，给人以超越现实中的空间、尺度和时间限制的增强的经历和体验。为人们解决实际问题提供了最接近自然感知的空间知识。4网格虚拟地理环境及其关键技术研究5 、多用户协同工作社会层面：使得位于同一地点或不同地点的多用户同时或不同时的共享同一个虚拟空间环境，从而达到协同工作的目的。在这个空间里，不仅用户能与虚拟环境中的事物进行交互，而且不同用户之间也能进行自然的交互。通过多专业人员之间的自然交互与协同工作，针对复杂的任务，建立各种地理模型，进行相关时空现象的模拟、解释、预测和规划设计等，从而得到具有共识的决策依据。可见，从地理数据到多维表现以及多通道感知，贯穿了“以人为中心”和“面向问题解决”的空间认知关于“数据一信息一知识”模型的全过程。这正是v g e技术区别与现有g i s 技术的显著特征。所以，不仅计算机网络层面和地理数据层面是现有v g e 研究的主要内容，同时v g e 还强调针对特定问题数据的现实性或者说“实况特性”进行研究。1 1 2v g e 研究现状v g e 是人类社会环境和自然环境在计算机三维虚拟空间的映射，是近2 0 年来随着信息技术进步，特别是分布式计算技术而迅速发展起来的研究领域，因此，v g e 的研究始终是在分布式网络基础框架基础上进行的。互联网是v g e 存在和发展的基础，因此随着分布式网络结构的发展v g e 也经历了c s ( c l i e n t s e r v e r ，客户i t 务器模式) 、b s ( b r o w s e r s s e r v e r s ，浏览器i l l 务器模式) 、p 2 p ( p e e r t op e e r ，对等模式) 、c l u s t e r ( 集群模式) 等过程。也就是v g e 也经历了从简单到复杂、从单一到多元化的发展模式。随着对v g e 要求的不断提高、v g e 相关软硬件技术的不断成熟，从1 1 1 节可知，涉及多学科、多领域，并且需要多种传感设备支持的v g e ，其构成元素必然是复杂多样的。目前，单从硬件的组成上，就包括计算机、视频设备、音频设备、数据手套、数据头盔及各种传感器等仪器设备；而在软件实现上则包括v r m l 、o p e n g l 等各种建模工具。在v g e 中，作为实体“人”的三维化身，是具有一定智能的，例如，“实体人”戴上数据手套，运用虚拟手抓住并移动v g e 中的某个三维对象，则“实体人”能感觉到力的反馈。v g e 的不断发展，使得现有体系中的内容越来越丰富，相互直接或间接的联系越来越复杂，从而导致大量问题的出现。根据用户提交的需求进行数据处理的作业，所涉及的数据类型、数据来源第1 章绪论往往并不是单一的，而是跨学科、跨组织的，从而导致数据具有多源性、异构性、分布性、空间性、海量等特性。如何将如此复杂的数据快速分类、链接、集成、共享以便快速、协同的完成用户请求，充分发挥v g e 的“延展性”。随着v g e 体系提供的功能及服务的不断扩充，用户提交的请求也逐渐从简单到繁重，单纯依靠高性能计算机完成，这在实际应用中不是完全可行的。因此需要寻找合适的解决办法，将用户请求分解，分配给不同的网格节点协作完成，提高整个系统的效率，充分体现系统的“高效性”。运用传统技术构建的v g e ，在进行系统扩充的时候，往往需要进行大量的系统移植工作，有时甚至需要破坏或部分损失原有系统的性能，造成大量人力、物力及财力的浪费。这在一定程度上阻碍了系统的扩展，即系统缺乏“可扩展性”。随着各项技术的发展，将在视觉、听觉、甚至触觉上进一步扩展v g e 性能，使用户能通过多途径“享受”v g e 提供的服务。但是以往的通信技术很难将各种传感设备及其获得的实时信息融入到网络中，进而限制了系统“多样性”的发展。除上述列举的因素外，还存在其它的原因制约v g e 的发展。根据现有技术，目前，至少可以考虑两种途径来解决上述存在的问题：1 、从硬件上解决。将现有及未来将涉及到的所有v g e 硬件仪器设备，统一输入输出的数据类型，重新制定数据及服务标准，运用更多的高性能计算机及数据处理设备，同时大大增加网络带宽，完成涉及海量跨组织的异构数据处理、需要硬件辅助设备完成的日益复杂的任务，以保证及时高效安全的响应用户请求。2 、从软件上解决。寻找一种中间途径，在现有各应用系统的基础上，增加一层“屏蔽网”，即中间件软件，通过更多的编程工作达到屏蔽异构数据、分解繁重的用户请求的目的。用第一种解决方法，不是特别切实可行。目前不同的学科领域已经形成各自的数据标准，统一所有v g e 涉及领域的数据标准，所涉及的面之广、量之大是难以想象的。更重要的是，这在现实中是绝对不可行的。高性能计算机的大量引入，需要耗费大量的资金，并且导致一批性能“差”的机器处于“半休息”状态，造成大量资源的浪费。而目前网络带宽的使用仍然有很大的限制，真正“无延时”的网络传输还没到指日可待的程度。如果单纯用软件方法解决上述问题，将使得6网格虚拟地理环境及其关键技术研究系统更加复杂，嵌套层次增多，不仅增加了维护的成本，而且降低了系统的执行性能。因此，需要寻求一种方法，在尽可能不破坏现有各异构系统平台、最大限度的保持现有资源及服务、充分利用闲散资源、更好的发挥协作功能的基础上，扩充v g e 以兼容更多的资源与服务，增加其功能。网格技术的出现，给v g e 的发展注入了新的活力，使上述问题的解决成为可能。1 2 网格第三代互联网技术一一网格( g r i d ) 的出现，给v g e 带来了新的发展空间。网格是借鉴电力网的概念提出来的，使用户在利用网格的时候，如同现在使用电力一样方便。网格希望最终提供给用户的是与地理位置无关，与具体设施无关的通用性能的计算能力【7 】。网格技术诞生于上个世纪9 0 年代中期，在2 0 0 1 年w e bs e r v i c e 2 1 技术出现后，网格立即与之结合，在全世界范围内掀起了包括科技界和工业界的网格研究热潮。网格将是分布式系统的突破性创新，与强调“分布”的传统分布式系统不一样，网格更强调将局域或广域的分布式系统看成一台虚拟的网格计算机。中科院计算所的徐志伟老师认为“网络论n e tt h e o r y ”正在成长为一门继系统论、信息论和控制论之后的与计算机相关的重要理论，即指明了网格理论的发展方向。1 2 1 网格特点及目的网格源于“p o w e r g r i d ”( 电力供应网) ，是借鉴电力网的概念提出的。人们在使用电时。不用考虑电是从哪个电站来的，网格的目的就是让人们使用网格资源如同使用电一样简单，不必告诉终端从何网站获取需要的资源。网格的最终目的是希望用户在使用网络资源的时候，能够如同现在使用电力一样方便，故可以把网格与电力系统进行比较。由于网格首先是从电力网的概念发展而来的，甚至有专家称，“网格最终应该是一种公共事业，_ 一由网格应用服务商提供服务，这种服务与电话、电力、水、煤气并列，被称为“第五公用设施”。因此，首先，来看看网格与电力网之间的联系与差别，以便更好的理解网格，见表1 1 。7第1 章绪论表1 1 网格与电力网的比较t a b 1 1g r i d c o m p a r e d w i t h p o w e r g r i d网格电力网高性能中心发电厂高性能计算机发电机信息、知识、交易电能数据库、传感器、贵重设备等数据源水能、风能、火能、核能等原始能源广域网、城域网、局域网输电线网网格系统软件和中间件、网络缓存和负载平衡器等电力调配系统科学计算、电子商务、信息服务等网格应用动力电、照明电、家用电器等电力应用网格终端设备各种电器网格，作为一种分布式计算基础设施，在动态跨组织域的虚拟组织内实现协同的资源共享和问题求解。网格技术的核心就是屏蔽异构数据、消除信息孤岛、达到信息资源的全面共享，合理分配作业，调度资源，协同完成作业。网格技术，通过高速网络，集成大量的计算机系统，以提供单一或一组计算机所不能提供的数据处理能力或功能；通过在全球范围内接入运算资源、信息、服务，使用共享的语言和接口协议，满足本地用户的需求；通过虚拟组织，实现虚拟组织内部成员间的大规模科学合作、远程试验、高性能分布式计算及数据分析掣3 , 4 , 5 , 6 1 。网格希望最终提供给用户的是与地理位置无关，与具体设施无关的通用性能的计算能力。作为一种能提供动态资源共享和广泛协同工作的基础设施，决定了网格除了具有和以往分布式网络系统相同的一些特征外，还有着自身特有的优点。 分布性：网格的分布性概念比以往的分布式系统更为广泛。因为所有i n t e m e t 上的资源都可以成为网格资源，而不再局限于同一个组织内。网格将管理这些分布式资源，分布合作、协同完成特定用户请求。 动态性：网格中的资源和服务不是固定不变的，任何时候、任何地点都会网格虚拟地理环境及其关键技术研究有新资源或新服务增加到网格中，并能立即被发现且使用。同样，资源与服务的任意退出也不应该影响到系统的正常工作。异构性：网格技术并不是简单的代替现有的各种异构的体系结构，而是要将它们整合，支持异构系统之间的通信与交互。同时，网格还将屏蔽异构的数据类型，协作完成涉及多学科、多领域的用户请求。 虚拟化：网格服务的虚拟化提供了一种将通用语义行为无缝的映射到本地平台的能力，资源能被跨平台的透明的访问，对用户而言，仿佛在一台性能卓越的虚拟机上运行。 智能性：网格的动态性要求网格能够根据环境的变化动态的调节，智能地适应不断的变化，更好的响应用户的请求。 普适性：与现有的网络不同，网格中的资源不仅仅只是计算机、存储设备、移动设备、打印机等，还将包括各种传感设备、科学仪器，甚至普通的家用电器。i a nf o s t e r 限定网格必须同时满足三个条件【1 3 】：( 1 ) 在非集中控制的环境中协同使用资源。网格整合各种资源，协调各种使用者，这些资源和使用者在不同控制域中，比如，个人电脑和中心计算机；相同或不同公司的不同管理单元。网格还解决在这种分布式环境中出现的安全、策略、使用费用、成员权限等问题。( 2 ) 使用标准的、开放的和通用的协议与接口。这些协议与接口解决认证、授权、资源发现和资源存取等基本问题。( 3 ) 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，满足不同使用者需求。1 2 2 网格技术与w e b 网页技术的比较网格被认为是继第一代的t c p i p 、第二代的w e b 网页技术之后的第三代互联网技术，是以网络服务为基础的虚拟组织实现。互联网主要为人们提供电子邮件、网页浏览等通信功能，而网格的功能则更多更强，能让人们透明地使用计算、存储资源。i n t e m e t 是信息传输的信息基础设施；网格是信息处理( 包括信息传输)的信息基础设施。表1 2 具体列出了网格技术与网页技术的差别与联系。第1 章绪论表1 2 网格技术与网页技术的比较t a b 1 2g r i dc o