城市軌道交通標準技術(shù)委員會(huì ) 魏曉東

廣州新科佳都科技有限公司 陳朝暉

1.1.3　分布式實(shí)時(shí)應用集成技術(shù)

實(shí)時(shí)（Real Time）計算一般是指這樣的計算活動(dòng)，其正確性不僅依賴(lài)于計算的邏輯結果，而且依賴(lài)于產(chǎn)生結果的時(shí)間。因此，實(shí)時(shí)計算的核心問(wèn)題是計算活動(dòng)的時(shí)間可預測性（predictablity）或者時(shí)間的確定性（determinism）。時(shí)間可預測性指能夠預先知道某個(gè)任務(wù)是否與應用的時(shí)間約束相符合的特性。

目前的企業(yè)分布式集成技術(shù)及中間件能夠提供良好的開(kāi)發(fā)平臺和通訊支持，但是它們缺乏對分布式實(shí)時(shí)應用的時(shí)間約束的支持能力。隨著(zhù)分布式計算技術(shù)和分布式應用的深入發(fā)展，一些關(guān)鍵業(yè)務(wù)領(lǐng)域特別是工業(yè)制造領(lǐng)域都要求實(shí)時(shí)分布式技術(shù)。九十年代，對象管理組織OMG提出了實(shí)時(shí)CORBA規范，用于開(kāi)發(fā)分布式實(shí)時(shí)應用和系統集成。提出了DDS（Data Distribution Service，數據分發(fā)服務(wù)）規范，DDS采用以數據為中心的發(fā)布—訂閱模型，實(shí)現了分布式異構環(huán)境下海量數據的實(shí)時(shí)傳輸。

實(shí)時(shí)CORBA技術(shù)：1997年9月OMG提出了實(shí)時(shí)CORBA 1.0的RFP（request for proposal），于1999年3月，發(fā)布了實(shí)時(shí)CORBA 1. 0規范。實(shí)時(shí)CORBA規范定義了一組標準的接口以及策略供用戶(hù)來(lái)控制和配置系統的處理器資源、內存資源和通信資源。處理器資源的標準控制機制包括線(xiàn)程池、CORBA優(yōu)先級、互斥機制和全局調度服務(wù)等；內存資源的標準控制機制主要有請求隊列等；而通信資源的標準控制機制則有協(xié)議特性設置和顯式綁定等。線(xiàn)程是實(shí)時(shí)CORBA系統進(jìn)行調度的實(shí)體，規范中對線(xiàn)程提供了更加豐富的控制和配置方式以支持實(shí)時(shí)應用；定義了CORBA優(yōu)先級，用于確定CORBA對象調用被處理的先后順序，并定義了優(yōu)先級映射接口（Priority Mapping），用于CORBA優(yōu)先級和本地優(yōu)先級之間的映射；定義了兩種設置CORBA優(yōu)先級的模式：客戶(hù)傳遞模式以及服務(wù)器指定模式；定義了互斥接口以協(xié)調對系統共享資源的競爭；定義了全局調度服務(wù)，應用可以向該調度服務(wù)對象指定各種有關(guān)參數。

數據分發(fā)服務(wù)技術(shù)：在大型網(wǎng)絡(luò )中心系統中，信息的實(shí)時(shí)交換最為關(guān)鍵。從多個(gè)源產(chǎn)生的信息必須由信息制造者按QoS要求將信息請求者感興趣的信息進(jìn)行分發(fā)。特別是在實(shí)時(shí)和關(guān)鍵性任務(wù)系統中，“在正確的時(shí)間和地點(diǎn)獲取正確的數據”是非常關(guān)鍵的任務(wù)。對象管理組織OMG的數據分發(fā)服務(wù) DDS采用以數據為中心的發(fā)布-訂閱模型，提供了強大的數據QoS控制策略，實(shí)現了分布式系統中數據實(shí)時(shí)、可靠、高效地分發(fā)，能夠廣泛應用于航空、國防、分布仿真、工業(yè)自動(dòng)化、分布控制、機器人、電信等多個(gè)領(lǐng)域。

DDS規范標準化了分布式實(shí)時(shí)系統中數據發(fā)布、傳遞和接收的接口和行為，定義了以數據為中心的發(fā)布-訂閱機制，提供了一個(gè)與平臺無(wú)關(guān)的數據模型（此模型能夠映射到各種具體的平臺和編程語(yǔ)言）。DDS允許應用程序實(shí)時(shí)發(fā)布其擁有的信息，并訂閱其需要的信息，較好的處理了不可靠網(wǎng)絡(luò )通信中數據的自動(dòng)發(fā)現、可靠性和冗余性等問(wèn)題，可應用在要求高性能、可預見(jiàn)性和對資源有效使用的關(guān)鍵任務(wù)領(lǐng)域。

DDS規范描述了兩個(gè)層次的接口：低層的DCPS（Data-Centric Publish-Subscriber）用于完成數據的發(fā)布、訂閱，其目的是發(fā)布者能夠高效地將正確的信息傳遞給適當的訂閱者；高層的DLRL（Data Local Reconstruction Layer）用于數據在本地的表示，其目的是使應用程序能更加直接的訪(fǎng)問(wèn)交換的數據，并能與本地語(yǔ)言完美的結合起來(lái)。

1.2　軟件應用集成架構技術(shù)

1.2.1　工業(yè)企業(yè)信息化集成系統的架構設計

工業(yè)企業(yè)信息化集成系統對信息的基本處理過(guò)程和內容是：信息采集、加工、存儲、傳遞、利用和反饋。工業(yè)企業(yè)信息化集成系統應用集成架構設計主要圍繞信息采集、信息處理和信息傳遞進(jìn)行設計和實(shí)現的。

信息采集：信息采集是企業(yè)管理和控制過(guò)程的起點(diǎn)，貫穿于企業(yè)信息管理的全過(guò)程。信息采集是根據企業(yè)管理和控制的需求，把企業(yè)內外各種形態(tài)的信息收集并且匯總，供信息化集成系統使用。信息處理：信息處理指將采集到的信息按照不同層次企業(yè)管理和控制的目的和要求，進(jìn)行鑒別、篩選和處理，使信息規范和準確，以便進(jìn)一步存儲、傳遞和利用，使信息具有使用價(jià)值。信息傳遞：信息傳遞就是根據不同層、級企業(yè)管理和控制的需求，把采集、加工后的信息在系統內外傳輸。針對工業(yè)企業(yè)信息化集成系統上述的特點(diǎn)，系統的軟件架構采用最新的分層分布式架構。工業(yè)企業(yè)信息化集成系統的縱向集成主要是軟件功能的分層結構，包括數據采集層、數據處理層以及數據傳送層。工業(yè)企業(yè)信息化集成系統的橫向集成主要是指軟件的分布式部署，軟件系統可部署在企業(yè)的各個(gè)部門(mén)，采集信息后統一匯總到企業(yè)管理中心，或者采集數據在本地處理加工后把處理加工的結果傳送到企業(yè)的管理中心。工業(yè)企業(yè)信息化集成系統的縱向集成主要是在本地服務(wù)器進(jìn)行數據采集、數據處理，在本地工作站上進(jìn)行數據展現，邏輯結構如圖1所示：

圖1 縱向集成示意圖

工業(yè)企業(yè)信息化集成系統的橫向集成主要是在企業(yè)各部門(mén)部署系統，各個(gè)系統之間通過(guò)分布式通信總線(xiàn)（軟件總線(xiàn)）進(jìn)行數據傳送。邏輯結構如圖2所示：

圖2 縱向集成示意圖

1.2.2　CORBA架構

CORBA是當今最重要的企業(yè)信息化集成系統應用集成架構之一，它獨立于網(wǎng)絡(luò )協(xié)議、編程語(yǔ)言和軟硬件平臺，支持異構的分布式計算環(huán)境和不同編程語(yǔ)言間的對象重用。CORBA可以作為不同平臺應用間信息傳遞的中間件，CORBA通過(guò)引入經(jīng)過(guò)充分驗證的有效的框架結構和通信手段，最大限度地簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò )通信相關(guān)應用的設計與開(kāi)發(fā)，使得我們可以專(zhuān)注于業(yè)務(wù)邏輯的實(shí)現，而無(wú)需關(guān)心通信的細節。這恰恰是信息化集成系統構建時(shí)最需要的軟件需求。CORBA是系統集成軟件的消息中間件，是數據傳遞通道及軟總線(xiàn)，如圖3所示。

CORBA應用系統主要分為兩部分：一是位于應用程序服務(wù)器中的CORBA對象，另一個(gè)是應用使用的客戶(hù)端程序。這些客戶(hù)端程序通過(guò)CORBA技術(shù)使用CORBA對象提供的服務(wù)來(lái)完成其工作。CORBA規范定義了客戶(hù)端程序與服務(wù)端程序中的對象進(jìn)行通信的機制。在系統集成軟件平臺中，CORBA中間件作為分布式通信總線(xiàn)（軟總線(xiàn)），為系統中的各個(gè)應用程序提供數據傳遞服務(wù)。

圖3 基于CORBA消息中間件的分層分布式軟件平臺架構

1.2.3　J2EE架構

J2EE是JAVA2平臺企業(yè)版，它的核心是一組技術(shù)規范與指南，提供基于組件的方式來(lái)設計、開(kāi)發(fā)、組裝和部署企業(yè)應用。J2EE使用多層分布式的架構模式。J2EE所包含的各類(lèi)組件、服務(wù)架構及技術(shù)層次，均有共同的標準及規格，讓各種依循J2EE架構的不同平臺之間，存在良好的兼容性，解決過(guò)去企業(yè)后端使用的信息產(chǎn)品彼此之間無(wú)法兼容，企業(yè)內部或外部難以互通的窘境。

J2EE架構可以充分利用用戶(hù)有的投資，通過(guò)允許將現有的信息系統和資產(chǎn)“包裹”在J2EE應用程序中，不要求客戶(hù)更換現有技術(shù)。因為J2EE擁有廣泛的業(yè)界支持和一些重要的“企業(yè)計算”領(lǐng)域供應商的參與，每一個(gè)供應商都對現有的客戶(hù)提供了不用廢棄自己已有投資的升級途徑。由于基于J2EE平臺的產(chǎn)品幾乎能夠在任何操作系統和硬件運行，現有的操作系統和硬件也能被保留使用。J2EE的體系結構是分層結構，主要是：

（1）客戶(hù)層，運行在客戶(hù)計算機上的組件，用戶(hù)與系統的接口邏輯，通過(guò)http協(xié)議的來(lái)訪(fǎng)問(wèn)應用服務(wù)器。

（2）表示層，運行在J2EE服務(wù)器上的組件，通過(guò)與業(yè)務(wù)邏輯層互動(dòng)，將用戶(hù)需要的數據以適當的方式輸出。

（3）業(yè)務(wù)邏輯層，同樣是運行在J2EE服務(wù)器上的組件。

（4）企業(yè)信息系統層（EIS），是指運行在EIS服務(wù)器上的軟件系統。

1.2.4　NET架構

采用.NET架構可用快速地開(kāi)發(fā)出Windows下的軟件系統。在軟件系統開(kāi)發(fā)中采用.NET架構具有以下技術(shù)優(yōu)勢：（1）技術(shù)易學(xué)易用，開(kāi)發(fā)效率高；（2）運行環(huán)境安裝配置方便；（3）技術(shù)成熟，主流技術(shù)，配套技術(shù)文檔完善，眾多開(kāi)源或免費的文檔或項目可供參考；（4）擁有眾多新技術(shù)，方便構建企業(yè)級應用；（5）開(kāi)發(fā)部署工具功能強大；（6）能與Windows平臺緊密結合，最大限度利用系統功能；（7）眾多中間件（控件支持）；（8）技術(shù)在不斷更新發(fā)展中，擁有龐大的開(kāi)發(fā)人員群體且呈增長(cháng)趨勢；（9）支持多種語(yǔ)言的互操作，即在一種語(yǔ)言下開(kāi)發(fā)的組件，可在另一組件下通過(guò)面向對象的繼承而得以重用；（10）通過(guò)對HTTP、XML、SOAP、WSDL等Internet標準的良好支持，提供在異構網(wǎng)絡(luò )環(huán)境下獲取遠程服務(wù)，連接遠程設備，交互遠程應用的編程界面。這些是企業(yè)信息化集成系統所需求的。

典型的采用.NET開(kāi)發(fā)的軟件系統的架構為五層結構，分為：表現層、服務(wù)層、業(yè)務(wù)層、數據訪(fǎng)問(wèn)層、公共基礎設施層。

表現層充當系統的界面呈現以及UI（用戶(hù)界面）邏輯的角色。UI用戶(hù)界面的實(shí)現方式當前主要有兩種：（1）模型-視圖-控制器模式，通過(guò)視圖觸發(fā)并執行某個(gè)操作，調用控制器，通過(guò)控制器去操作業(yè)務(wù)層，最終返回模型，在視圖中進(jìn)行展示。（2）模型-視圖-展示器模式，視圖和模型完全分離，視圖中定義一個(gè)接口，展示器通過(guò)調用該接口的方法控制視圖。

服務(wù)層：當項目的規模大到使用多種表現形式，就要考慮在表現層和業(yè)務(wù)層之間增加一個(gè)層，以便讓表現層和業(yè)務(wù)層解耦，因為業(yè)務(wù)層作為一個(gè)業(yè)務(wù)中間件的平臺，最好不要暴露于表現層中，這個(gè)層就是服務(wù)層。服務(wù)層實(shí)際上并不執行任何具體的工作，其功能在于組織各個(gè)業(yè)務(wù)對象將業(yè)務(wù)層所有的細節對表現層隱藏起來(lái)。服務(wù)層消除了表現層和業(yè)務(wù)層之間的耦合，可實(shí)現一個(gè)遠程接口與多用戶(hù)界面甚至多平臺通信。

業(yè)務(wù)層包含系統所需要業(yè)務(wù)過(guò)程的實(shí)現，并與數據訪(fǎng)問(wèn)層交互，包括對業(yè)務(wù)實(shí)體建模的對象模型，表達了客戶(hù)的所有策略和需求的業(yè)務(wù)規則。另外，業(yè)務(wù)層還包括核心中間件技術(shù)，包括第三方組件，以及工作流引擎等等。業(yè)務(wù)層需要考慮到一些與數據訪(fǎng)問(wèn)層交互的設計模式，模式中包括事物腳本模式、表模塊模式、活動(dòng)記錄模式、領(lǐng)域模型模式。

數據訪(fǎng)問(wèn)層主要提供數據持久化功能，包括數據的讀取和寫(xiě)入，另外還必須包括事務(wù)處理，并發(fā)控制等等。操作數據庫的方法可以有兩種方式：ORM（對象關(guān)系映射）方式和ADO.NET方式（ADO：Active Data Object，活動(dòng)數據對象）。ORM可以采用一些第三方的ORM框架來(lái)實(shí)現，ADO.NET采用ASP.NET自帶的數據庫操作來(lái)實(shí)現。

公共基礎設施層：包括Common通用模塊，Logging日志模塊，Exception異常模塊，Configuration配置模塊，DI依賴(lài)注入模塊，單元測試模塊以及第三方組件（例如NHibernate、Sprint.NET、Castle、Quartz計劃任務(wù)等等）。

系統集成軟件正是采用上述的最新軟件技術(shù)完成企業(yè)大型信息化集成系統構建的。

1.2.5　集成架構應用

現以一個(gè)城市軌道交通的信息化集成系統（綜合監控系統）為例說(shuō)明1.1與1.2節的軟件技術(shù)應用：

此綜合監控系統軟件采用了消息中間件架構技術(shù)，分布式通信軟總線(xiàn)選用CORBA。應用邏輯層是應用組件、分布式結構，是具體的業(yè)務(wù)應用組件，如圖4所示。

圖4 城市軌道交通綜合監控系統軟件平臺應用集成架構

由此可見(jiàn)一般的信息化集成系統軟件是如何采用應用集成架構構建起來(lái)的。

作者簡(jiǎn)介：

魏曉東，1967年畢業(yè)于天津大學(xué)精儀系。1984~1991年任安徽工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化系副教授。1991年出版《分散型控制系統》（ 上?？萍嘉墨I出版社） 。2000~2012年任北京和利時(shí)系統工程公司副總工、事業(yè)部總設計師，北京地鐵13號線(xiàn)、深圳地鐵一期工程、廣州地鐵3號線(xiàn)綜合監控系統工程技術(shù)總負責人。2006、2010年出版《城市軌道交通自動(dòng)化系統與技術(shù)》初版與第二版（電自工業(yè)出版社）；2010年主編國家標準《城市軌道交通綜合監控系統工程設計規范》（GB50636-2010）《城市軌道交通綜合監控系統施工與質(zhì)量驗收規范》（GB/T50732-2011）；2010年主編關(guān)于兩化融合的國家標準《工業(yè)企業(yè)信息化集成系統規范》（GB/T26335-2010）。2013年至今任清華同方數字城市工程中心技術(shù)專(zhuān)家，住建部城市軌道交通標注技術(shù)網(wǎng)Eu委員會(huì )委員，全國自動(dòng)化系統與集成標準技術(shù)委員會(huì )委員。

摘自《自動(dòng)化博覽》2017年6月刊