【毕业学位论文】（Word原稿）基于服务的农业科研仪器网格系统研究管理信息系统硕士论文

密级： 论文编号： 中国农业科学院 学位论文 基于服务的农业科研仪器网格系统研究 I 摘 要 网格是近年来国际上兴起的一种重要信息技术，它的出现为分布式资源在动态网络环境中网络化共享的实时管理提供了新的思路和方法。 网格技术的应用范围非常广泛， 目前已经 在航天、军事、 医疗 等领域 产生了 巨大的应用 价值 。 在农业领域， 利用 网格 技术 实现 农业科研仪器资源的共享 ，对促进农业科研协作，推动农业科研创新具有重要 意义。 当前，在我国 农业 科研仪器 是 农业科学技术研究和开发中重要的支撑工具 ， 在整个农业科技资源中占有相当高的比重 。但是， 目前 农业科研仪器 的 管理中 普遍 存在着重复购置 严重 、使用效率低的问题。 针对这个 的问题，本文提出了 将 网格技术 应用到 农业科研仪器资源的网络 化共享 中的 解决思路 ，构造了 一种适用农业科研仪器共享的仪器网格系统模型，并分析了该模型的体系结构、运行流程以及 系统实现的关键技术。 采用该模型搭建 的 仪器网格系统 既能 避免重复性的仪器购置 、提高使用效率，还 可以促进跨地域、跨学科的 人与人交互 ， 提升 农业科研整体水平。 本文首先调研国内外与本论文相关的仪器资源共享系统的研究现状，并探讨了研究农业科研仪器网格系统的现实意义和应用前景；然后，介绍了网格计算以及网格服务体系结构，对网格服务和开放网格服务体系结构进行了深入分析；通过消化和吸收国内外最新的分布式对象技术和协同技术，从全局的角度考虑仪器资源的共享，提出了农业科研仪器网格系统模型 型，并从 易用性与实用性 出发 对 它的网络结构、功能结构和运行流程进行了深入分析和论述，为实现分布在 的仪器设备的通信、互操作和集成提供了一个可行性的框架 ， 在此基础上通过引入 放性的标准和技术规范 ，分析了农业科研仪器网格系统的关键应用技术， 实现了一个仪器控制服务描述示例 ； 最后， 本文总结了工作中尚存的不足，并分析了进一步的工作展望。 关键词 ： 仪器 资源共享 系统 ， 型 ， 仪器服务 ， is of in It in is At it in In of of to of is of to of in in in of as of In of a to to of to of of of in to of of on By of of it a in a of a of of a of in of 录 引 言 . 1 第一章 绪论 . 2 究背景 . 2 器资源共享系统的概念和目标 . 3 器资源共享系统的特征 . 3 关领域的国内外研究现状 . 5 究农业科研仪器共享系统的现实意义和应用前景 . 7 文研究的主要内容 . 7 结 . 8 第二章 网格技术 . 9 格的概念和特点 . 9 格的概 念 . 9 格的特点 . 10 格体系结构 . 10 格体系结构的概念和作用 . 10 层沙漏结构 . 11 木块结构 . 12 状体系结构 . 13 合结构 . 13 放网格服务体系结构 . 13 服务为中心的思想 . 14 格服务与 间的比较 . 14 格服务的接口 . 15 两大架构技术 . 16 组件架构 . 17 格体系结构的比较 . 18 议的标准化 . 18 口的标准化 . 19 用 务框架 . 19 目 . 19 目简介 . 19 系统结构 . 20 内容 . 20 新特性 . 21 结 . 22 三章 农业科研仪器网格系统的研究 . 23 业科研仪器网 格系统的设计思想 . 23 阶段农业科研仪器共享网络分析 . 24 型的体系结构研究 . 26 型的网络结构 . 26 型的功能结构 . 28 业科研仪器网格系统的运行流程 . 30 结 . 30 第四章 农业科研仪器网格系统的关键技术研究 . 31 术基础 . 32 . 32 . 33 . 34 . 34 业科研仪器资源的服务描述 . 35 业科研仪器资源的服务监控 . 36 业科研仪器资源的寻找与定位 . 37 结 . 38 第五章 仪器控制服务描述示例 . 39 器控制服务描述的两种方法 . 39 用 述仪器控制服务 . 39 结 . 41 第六章 总结与展望 . 43 作总结 . 43 作展望 . 43 参考文献 . 44 致谢 . 48 作者简历 . 49 V 英文缩略表 英文缩写 英文全称 中文名称 放网格服务结构 器网格系统 高压电子显微镜 英格兰癌症网 一代因特网 岗国家实验室 伦斯市伯克利国家实验室 共元件体系工具箱 大全球网格 等计算 用程序接口 件开发工具 格服务 格资源分配与管理 格安全基础结构 放网格服务基础设施 具包 3 计算目录服务 局二级存储服务 格 务 靠文件传输 C/S 户机 /服务器 B/S 览器 /服务器 量目录访问协议 一描述、发现和集成协议 务描述语言 扩展标志语言 单对象访问协议 中国农业科学院 硕 士学位论文 引 言 1 引 言 农业科研仪器是重要的科技基础条件，是科学研究 中 最重要的手段，在整个农业科技资源中占有相当高的比重。科研仪器技术水平的高低和使用效率直接关系着 农业 科技创新能力的高低，影响 农业 创新活动的开展。而 科研仪器的有效利用 只有依靠科学的管理统帅，才能适应科技发展的需要。如何对 农业 科研 仪器设备进行科学管理，应用科学的手段、方法来发挥 其最大效用 是 农业科技工作者 的重要课题。 我国各研究单位、科技工作者在长期的科研活动中积累了丰富的农业资源，然而由于缺乏统一的管理，很多农业科研仪器资源不能实现有效共享，使得科研单位进行重复性的仪器购置，造成了人力、物力和财力的浪费 ， 因此 需 要共享 仪器 来降低 农业 科研成本。另一方面， 农业科学是一种综合各方面学科领域的系统科学，随着农业 科研项目日渐复杂，规模 日趋庞大 ，需要跨学科大规模的合作才能得到有效的解决 ，因此需要共享仪器 来 加强农业科研合作 。 如何 有效 利用这些丰富的农业科研资源，促进科研仪器的共享，更好地为农业科研服务，已成为亟需解决的问题。 网格（ 近年来国际上兴起的一种重要信息技术， 利用网格技术可以把分布各地的科学仪器集中起来，对高吞吐率和数据密集型计算有很好的解决能力，并可以在虚拟组织中实现更广泛的实时性共享和人与人之间的交互，对动 态的信息，可以达到实时的 处理能力。所以研究农业科研仪器 网格系统 是十分必要的，具有很强的 理论和 现实意义。 为此， 本文 以分析开放网格服务结构（ 网格服务 为切入点，研究设计仪器网格系统 （ 模型，并以 型为基础， 阐述 仪器 网格 服务的 设计和开发 的关键应用技术 ， 最后以自动显微镜为例说明其远程控制服务描述的实现方法。 所做出的研究成果和研究方法可以应用于农业领域其它科研仪器的共享问题中。 中国农业科学院 硕 士学位论文 第一章 绪论 2 第一章 绪论 究背景 网格是近年来国际上兴起的一种重要信息技术，希望计算力和计算资源能够像电力一样，“ 打开电源开关就可以使用”，不用去关心是谁、如何提供的这些服务。不管是狭义还是广义的网格，其目的都是要利用互联网把分散在不同地理位置的资源组织成一台“虚拟的超级计算机”，通过对高性能计算机、大型数据库、传感器、远程设备等各种资源的集成和管理，实现对资源共享与协同工作的支持。 网格技术的应用范围非常广泛，目前已经在军事、医疗、天文等领域产生了巨大的应用价值。在农业领域，利用网格技术实现农业科研仪器资源的共享，把分布各地的科学仪器集中起来，对高吞吐率和数据密集型计算有很好的解决能力，并可以在虚拟组织中实现更广泛的 实时共享和人与人之间的交互，对动态的信息，可以达到实时的处理能力。所以 ， 研究农业科研仪器网格 化共享 系统是十分必要的，具有很强的理论 意义 和现实意义 农业科研仪器 设备 是农业科学技术研究和开发中重要的支撑工具，是科学研究最重要的手段，在整个农业科技资源中占有相当高的比重。 在现代化的农业经济活动中，科研仪器设备有着比以前更为广泛的用途，涉及所有农业生产活动的需求，在农业生产中起着把关者和指导者的作用。 因此， 科研仪器技术水平的高低和使用效率直接关系着农业科技创新能力的高低， 影响和决定农业科学研究的深度和进展、实验手段 的质量和水平、农业科学实验规模与科研成果的转化。而科研仪器的有效利用只有依靠科学的管理统帅，才能适应科技发展的需要。如何对农业科研仪器进行科学管理，应用科学的手段、方法来发挥其最大效用是农业科技工作者的重要课题。 我国各研究单位、科技工作者在长期的科研活动中积累了丰富的农业资源， 到 2001 年底，全国农业科研机构科研仪器设备总值为 元，其中 高档 进口 仪器 设备 元，占 仪器 设备总值的 尤其近几年来， 国家加大了农业科研仪器设备投入力度，截止至 2005 年底，全国农业科研机构科研仪器设备 总 价值 已 达 元。 然而由于缺乏统一的管理，很多农业科研仪器资源不能实现有效共享， 产生了很多问题。 首先，农业 科研 仪器设备使用效率低，重复购置现象严重 ，造成了人力、物力和财力的浪费 。据统计， 我国的科学仪器设备利用率只有 25，而发达国家的设备利用率则达到 170%至 200%。例如，一种价格不菲的卫星接收系统，仅北京地区就有套，而同样的设备发达国家全国只需一台即可 通过 共享 满足使用。造成这种情况的 主要原因是科研资源信息不畅，受物理距离限制，出现了一边仪器设备闲置，另一边缺少必要仪器设备的状况。即使有些科研小组能够通 过 某些 渠道使用上这些仪器，也需要千里迢迢从一个地方赶往另一个地方，费时、费力。 因此 亟需 共享仪器来 提高使用效率， 降低农业科研成本。 其次 ，农业科学是一种综合各学科领域的系统科学，随着农业科研项目日渐复杂，规模日趋庞大， 专业分工越来越细，一个单位越来越难 以 独立承担较大的研究开发项目 ， 需要跨学科大规中国农业科学院 硕 士学位论文 第一章 绪论 3 模的合作才能得到有效的 完成 ，因此 亟需 共享仪器来加强农业科研合作。 再次， 我国科技基础条件资源仍然比较薄弱和分散，这些年尽管科技投入 已 有较大增长，但总量仍嫌不足，科技研发经费只有美国的 日本的 德国的 27%。因此在科技投资有限的情况下，必须通过共享来提高 农业 科技基础资源的利用率。科技基础资源共享性的优劣将对国家 农业 科技创新效率和科技竞争力起到至关重要的作用。 近年来， 我国 已经启动了 仪器资源共享系统 的研究试点工作。同时计算机技术 、 微电子技术 、嵌入式技术的发展诞生了智能仪器、虚拟仪器、网络化仪器 ， 为 仪器共享提供了硬件基础 ； 网格计算技术、 通信技术 的 迅速发展和广泛应用 ， 为仪器共享提供了软件基础。 这些都为农业科研仪器资源广泛共享 提供了必要 条件。 器 资源共享系统 的概念 和目标 仪器 资源共享系统 的根本目的就是实现 远程 仪器资源的共享，这种共享 是一种随时间变化的动态共享，而不是静态共享。在目前的一些通过网站形式建立的远程实验室和虚拟实验室，其共享是基于静态的配置建立起来的，缺乏灵活性。 仪器资源 的 共享不是局限在某一机构或者单位之内，它是一种更广泛的共享，可以跨越不同的单位与组织的管理范围，当然这种共享也是跨越不同地理位置的 5。 仪器资源的共享允许直接使用或控制其他资源，而且共享资源的各方在协作时可以以多种方式更广泛地交流信息。比如为了分析农业气象灾害预警问题，可以通过网格将各个领域的专家、各种大型专业数据库、大型计算设 备、各种模型库和算法库等结合起来，协同研究这一问题。 因此， 仪器资源的共享 应 是一种由多样的、异构的、分布式的仪器资源，利用 网格技术 组成具有开放式的、相互协作的、能及时灵活地响应客户需求变化的 仪器 共享系统 6。它 是一种 能够产生群体效应的集成框架 7，将单台仪器放进去，能够实现所有仪器个体和个体集合所不能完成的工作。所以基于网格服务的仪器共享系统 也 可以称为仪器网格系统。 仪器 资源共享系统 基本目标是将现有的各种在地理位置上或逻辑上分布的异构仪器系统，通过分布式对象技术连接到计算机网络中，以提高各仪器系统的信息 交流与合作能力，从而实现仪器资源的共享。 器 资源共享 系统的特征 仪器 资源共享 系统 的目的是为了仪器共享、消除仪器的“资源孤岛” ，将跨地域、跨单位的多台仪器“组装”成为“ 一台虚拟的超级设备 ” 。它应具有 以下 特征： 1、 分布和 协同 性 仪器 资源共享 系统的分布 和协同 性是指仪器设备是分布在地理位置互不相同的多个地方，而不是集中在一起的 ， 涉及的资源类型复杂，规模较大，跨越的地理范围较广 ，用户指定的任务需要各地、各类的仪器系统协同工作共同完成 。例如一个问题的求解需要从 A 和 B 两个地方获取数据，然后将这些数据送到专门的 机构 C 进行数据的分析和处理，对于处理后的结果，需要进一中国农业科学院 硕 士学位论文 第一章 绪论 4 步在 D 处通过实验进行验证， 最后 利用 E 处的高级可视化设备进行结果显示 和 公布。这一问题的求解过程 涉及 到了 A、 B、 C、 D、 E 五 个不同的地方，这些地方有可能相距千万里之遥，其过程如图 示。这些都说明仪器 资源共享 系统 需要具有分布 和协同 性的特征。 仪 器 系 统 采 集仪 器 系 统 采 集仪 器 系 统 处 理数据流数据流可 视 化 仪 器 系 统 公 布数 据 流并行模式仪 器 系 统 验 证数据流图 器 资源共享 系统的分布 协同 性 分布是仪器 资源共享 系统 在物理上的特征，而 协同 是在平台软件支持下实现的逻辑上的特征，这两者对于仪器 资源共享 系统 来说都是 十分重要的。 2、实时互动性 与提供静态、单向的 同，仪器 资源共享系统 提供的服务应该具有更高的实时性与互动性，即支持用户与仪器服务之间进行实时地交互。在一定时间内，在仪器 资源共享 系统的支持下，用户和仪器服务能够联合成为一个互动的整体 来 实时操作仪器系统，因此要求仪器服务必须实时地反映仪器系统的状态，并响应用户提出的操作需求。 3、自相似性 自相似性在自然和社会现象中大量存在，一些复杂系统都具有这种特征，仪器 资源共享 系统也应该具有这种特征，即仪器 资源共享 系统 的局部和整体之间存在着一定的相似性，局 部应具有全局的某些特征，而全局的特征在局部也有一定的体现。 仪器 资源共享 系统 的自相似性在建造和研究过程中 具有 重要的意义。比如，当我们构建一个全国性的 农业科研 仪器 资源共享 系统 时，只要 具有了自相似性，我们 就 可以 先 在一个 研究所 里建立一个小规模的 仪器 资源共享 系统 ，然后 再把 所有研究 所 的多个 仪器 资源共享 系统 联系起来形成一个全 院 的科研共享 系统 ， 接着把 不同 研究院 的 仪器 资源共享 系统 相互连接起来形成一个 全国性的农业 科研院所 之间的仪器共享联盟 。同时， 这一 农业科研 仪器共享联盟 也 可以成为全国仪器共享 联盟 的一个组成部分。 4、动态性 对 于 仪器 资源共享 系统 来说，它决不能是一个一成不变的系统，它应该是一个具有动态性 的系统。动态性应该包括动态增加和动态减少两个方面的含义。原来拥有的资源或者功能，在下一时刻可能就会出现故障；而原来没有的资源，可能随着时间的推移会不断的加入进来。 动态变化的特点要求 仪器 资源共享 系统 的管理必须充分考虑并解决好这一问题 。 对于仪器资源的动态减少或者资源出现故障的情况，要求 仪器 资源共享 系统 能够及时采取措施，实现任务的自动迁移，做到对高层用户透明或者尽可能的减少用户的损失 ； 而对于动态增加则需要提高 仪器资源共享 系统 的扩展性问题 ，也就是说在 仪器 资源共享 系统 的设计与实现时，必须考虑到新的资源能否自然地加入到系统中来，并可以和原来的资源融合在一起，共同发挥作用。 中国农业科学院 硕 士学位论文 第一章 绪论 5 5、自治性与管理的多重性 仪器 资源共享 系统 上的仪器资源，首先是属于某一个组织或者个人的，因此仪器资源的拥有者对该资源具有最高级别的管理权限， 仪器 资源共享 系统 应该允许资源拥有者对他的资源有自主的管理能力，这就是 仪器 资源共享 系统 的自治性。但是仪器资源也必须接受 仪器 资源共享 系统 的统一管理，否则不同的资源就无法建立相互之间的联系，无法实现共享与互操作，无法作为一个整体为更多的用户提供 方便的服务。因此 仪器 资源共享 系统 的管理具有多重性，一方面它允许仪器资源的拥有者对仪器资源具有自主性的管理，另一方面仪器资源必须接受平台的统一管理。 6、 知识密集 性 仪器服务中既包括简单的仪器信息服务和仪器资源服务，也包括软件单元和智力单元提供复杂的服务，这些服务具有知识密集的特征。由于仪器服务具有较高的专业化程度，因此仪器 资源共享 系统在提供服务时，通常还需要为用户提供如何正确使用这些服务的在线帮助功能。 关领域的国内外研究现状 人们实现仪器资源的网络 化 共享的想法由来 已久 。早在 1989 年，远程实验室 的概念就被提出来。在这 18 年的时间里，为实现仪器资源的网络共享，大批专家学者投入了大量的精力，各国均在大力开发，而且已经取得很大的成果。 国外发达国家从上世纪 80 年代，已经投入巨大的人力、物力和财力在仪器 网络化 共享的研究上。研究的领域已经扩展到海洋学、物理学、分子生物学、化学、核科学以及医学各个领域，并且还将 越来越广泛 ，所以 发达国家的仪器 网络化 共享研究也一直处在最前沿。 仪器资源 网络化 共享的应用研究可分为集中式仪器系统的共享和分布式仪器系统共享两类。 前者主要围绕地域位置较为集中式的仪器资源进行，根据仪器