未來高速公路控制中心的網(wǎng)格體系結構設計

劉軍

摘 要：對未來高速公路實現(xiàn)有效管理和實時控制，需要一個真正意義上的開放、集成和靈活的分布式控制中心系統(tǒng)，實現(xiàn)這一系統(tǒng)其實質就是要解決不同領域復雜科學計算與海量數(shù)據(jù)服務問題。將網(wǎng)格計算與Web服務相結合的網(wǎng)格服務技術為解決這個問題帶來可能。通過對網(wǎng)格技術的了解，對建立未來高速公路控制中心提出了概念模型，并通過實現(xiàn)條件的可行性分析，證明了網(wǎng)格技術在未來高速控制中心實現(xiàn)的可行性，并對其研究方向提出了進一步的建議。

關鍵詞：交通工程;網(wǎng)格技術;分布式系統(tǒng);Web服務

0 引言

我國高速公路的現(xiàn)代化管理水平近年來逐步提高，但還有待于進一步完善。目前，高速公路管理與控制的主要任務就是要科學建立管理流程，細化管理對象，建立主動發(fā)現(xiàn)問題的網(wǎng)絡機制，并依托現(xiàn)代數(shù)字化、信息化技術手段，結合最先進的計算機技術、軟件工程、互聯(lián)網(wǎng)通訊技術、中間技術等的發(fā)展，逐漸發(fā)展為高度網(wǎng)絡化、自主化、自動化與集成化的分布型復合軟硬件程序。從集中到分散、加速管控中心信息與通訊技術的發(fā)展，提升程序運行的成效。中國對ICT技術的開發(fā)和運用，對ICT技術的實行與培訓已經(jīng)和全球接軌?？墒菑谋举|層面而言，目前以中間件技術為核心的主流分布型管控中心機制無法完全滿足規(guī)范、自由的廣域信息平臺技術的需求。

要真正實現(xiàn)高速公路的管理和實時調度控制，一定要迅速找到高速公路的管控方式、即時調整管控措施?？墒谴诉^程具有下述困難，導致現(xiàn)實情況下高速公路無法真正意義上實現(xiàn)智能管理和實時調度，而只能在小范圍、小規(guī)模化地進行靜態(tài)或“準”動態(tài)控制。困難重點表現(xiàn)在：①自動化高速公路系統(tǒng)包含諸多子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)構成體現(xiàn)出分布式特點，運行體現(xiàn)出動態(tài)性特點;②智能高速公路控制問題屬于核算密度問題，難以即時求解;③智能高速公路的運行信息和管控信息都體現(xiàn)出數(shù)量多的特點;④智能高速公路的管控手段和舉措的運用方面和服務對象體現(xiàn)出差異性。因此，建立一個可以全方位互享資源、具有優(yōu)良的核算水平的工作平臺，且以此為基礎達成通道管控舉措與戰(zhàn)略的迅速求解是十分有必要的。

網(wǎng)格（Grid）能夠達成在諸多虛擬組織間實施眾多動態(tài)信息的分布型儲存與優(yōu)化、信息資源的迅速傳輸與互操作和高水平的核算等性能。因此，基于網(wǎng)格技術構建高速公路控制中心，可為分布性程序異構資源的互享、高水平核算提供一個很好的平臺，進而實現(xiàn)快速求解協(xié)同控制問題，真正實現(xiàn)高速公路的有效管理與控制。基于網(wǎng)格技術建立的平臺具有的優(yōu)勢表現(xiàn)在4個層面：①分層結構的分布型運用服務，實現(xiàn)異構資源共享;②軟件工程提供多種方便并可擴展的應用軟件;③網(wǎng)格計算與標準化Web服務體系實現(xiàn)信息和通信技術;④網(wǎng)格所提供的分布式數(shù)據(jù)采集和處理方法，使信息計算和處理速度大幅提高。

1 網(wǎng)格技術在高速公路控制中心應用的適應性

1.1 面向服務的構架（SOA）

面向服務的構架其實質是一個組件模型，其把應用軟件的各個功能板塊利用此些服務之間定義優(yōu)良的接口與協(xié)議關聯(lián)在一起。接口運用單獨于達成服務的硬件平臺、程序編寫語言、操作系統(tǒng)的中立方式進行定義，實現(xiàn)了構建于不同系統(tǒng)中的服務可以使用統(tǒng)一和通用的方式進行交互。服務提供方是一個能夠利用互聯(lián)網(wǎng)找到其地址的不同實體，利用把接口提供給注冊中心實現(xiàn)服務。注冊中心根據(jù)查詢要求將相應的服務提供者信息通知使用者。此種帶有中立的接口定義的特點叫做服務間的松耦合，其優(yōu)勢體現(xiàn)在兩個方面：其一是較強的靈活性;其二是當構成應用軟件的特殊服務的內部架構出現(xiàn)變化的時候，接口可以繼續(xù)存在。

面向服務構架的概念并非什么新東西，很多標準分布式系統(tǒng)已大量采用了SOA技術。不同于現(xiàn)有的分布式技術之處在于SOA能夠在最新的和現(xiàn)有的應用之上創(chuàng)建應用。SOA有更多的標準，為使用者的現(xiàn)有資產(chǎn)或投資帶來了更好的重用性，能夠使客戶或服務消費者免于服務實現(xiàn)的改變所帶來的影響。企業(yè)通過SOA經(jīng)互聯(lián)網(wǎng)服務器直接發(fā)布信息，突破了公司內部網(wǎng)絡的制約，讓其和合作單位直接構建全新的通道，節(jié)省了構建新伙伴的費用;SOA提供了更好的靈活性來構建應用程序和業(yè)務流程，它與平臺無關，減少了實現(xiàn)業(yè)務應用的限制，將企業(yè)的業(yè)務整合到大數(shù)據(jù)系統(tǒng)中幾乎沒有什么技術限制。

1.2 網(wǎng)格計算與網(wǎng)格服務

網(wǎng)格技術一直是計算領域的“烏托邦”，在科技應用上雖有巨大前景，但海量計算問題這一最大的缺陷限制了其商業(yè)推廣。將來高速公路的管控中心，網(wǎng)絡動態(tài)剖析與管控所需要的核算數(shù)量遠遠高出目前的真正配置，需要更自動化的分布型運用的核算。因而可知，未來高速公路的控制中心首先要解決的就是海量計算問題。

基于分布式高水平計算叫做超級計算，由諸多按照一定規(guī)律分布的處理器組成。可是其成本較多，僅有有特別應用的極少數(shù)組織才可以配置。分布型應用中海油一種是集群計算，以大類型、性能優(yōu)良電腦為基礎的并行應用，成本較低，在多種場合應用于復雜計算。

網(wǎng)格計算也是一種分布式計算方法，但與上文提及的集群計算有所差異。其表示一種靈活并且能夠延展的機制結構，利用此架構目的是把諸多結構不同的、分散的互聯(lián)網(wǎng)中的各類資源構成一個大規(guī)模分布型虛擬電腦，運用這臺虛擬計算機完成一些需要非常巨大的計算能力才能解決的問題，由于該臺虛擬微機信息、內部資源與應用利用規(guī)范的接口無縫連接，對客戶是公開的。此種結構經(jīng)過在個體、單位與資源間達成安全、協(xié)同的資源互享，來建立虛擬化的組織。

網(wǎng)格運算是分布型計算的一種表現(xiàn)方式，包含組織及軟硬件，以提供沒有限度的性能，讓接入互聯(lián)網(wǎng)的所有顧客均能夠進行協(xié)作與瀏覽信息，云計算便是互聯(lián)網(wǎng)計算技術的一次飛躍。這種網(wǎng)格計算技術融入了SOA中服務的內容，可是其進一步把軟件服務一般化為資源，所以互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中的全部資源均以服務的方式體現(xiàn)。網(wǎng)格運算利用多種資源、應用動態(tài)構成形式提供服務。本文所說的服務便是網(wǎng)格服務，該種服務中最主要的任務就是完成網(wǎng)格計算。

1.3 網(wǎng)格服務與Web服務的有效結合

Web服務首先使我們擁有了一種通用的在不同機器之間交換信息的工具。Web服務構建在XML標準上，所以不存在多臺電腦間實施信息交換時存在的諸多問題：譬如較易研發(fā)且能夠延展到多種不一樣的環(huán)境中;無需擔憂處理器字節(jié)中的順序，也無需把傳輸?shù)臄?shù)據(jù)更改為中性格式，這是由于Web 服務的標準已做好了這一切。

網(wǎng)格服務與Web服務的主要區(qū)別是，Web是對HTML文件的一種訪問方法，而網(wǎng)格是對計算機重要資源的一種柔性的、高性能的訪問。但二者都需要發(fā)送處置請求、分發(fā)工作和搜集結果。所以將網(wǎng)格服務和Web服務相融合是最佳狀態(tài)，能夠發(fā)揮他們各自具有的優(yōu)點。Web 服務程序的顯著優(yōu)勢是其依托于HTTP 協(xié)議，較易把Web 服務集成到已經(jīng)有的防火墻、HTTP 平臺和別的程序中。由于大部分電腦已運行了HTTP 服務，所以能夠用現(xiàn)有的技術與安全軟件來支持網(wǎng)格程序，而無需對網(wǎng)格加以改變，不會給網(wǎng)格程序中的設施帶來阻礙。可融合并非簡單的疊加，需要在網(wǎng)格和Web的基本原理之上，采用新的技術來支持網(wǎng)格使用與開發(fā)環(huán)境。

網(wǎng)格服務與Web服務的有效結合，給企業(yè)提供了進行網(wǎng)格計算的強大工具。Sun發(fā)布了針對網(wǎng)格服務與Web服務的有效結合的軟件平臺，即技術計算門戶。Planet Portal、Grid Engine和Sun ONE構成了技術計算門戶的解決方案。這一解決方案為用戶提供了在網(wǎng)格環(huán)境下的密集計算方法，在Sun ONE環(huán)境下進行數(shù)據(jù)存儲，以及通過Web的圖形用戶界面來訪問這些數(shù)據(jù)的能力。

2 未來高速公路控制中心概念模型設計

2.1 概念模型

高速公司包含的業(yè)務類別多、站點不集中、對即時性有很高要求、能夠快速擴展，為真正實現(xiàn)交通管控和即時協(xié)同管控，一定要快速處理交通數(shù)據(jù)與迅速求解管控模型，并建立易于擴展的系統(tǒng)運行模塊和進行商務應用。本文基于開放式網(wǎng)格服務體系架構（OGSA）建立高速公路管理與控制網(wǎng)格，實現(xiàn)交通信息的分布式處置與管控模型的分布型求解。在此網(wǎng)格中，各種運算資源、終端設施、互聯(lián)網(wǎng)資源、軟件資源等均以服務的方式利用信息交互達成互享與協(xié)同，最后實現(xiàn)一個分等級、面對服務對象的高速公路管理與控制網(wǎng)格體系。圖1表達了這種體系結構。

圖1 ?高速公路管理與控制網(wǎng)格體系結構

圖1中所示面向服務對象的高速公路管理與控制網(wǎng)格體系可以分成5個部分：

①應用服務層。直接面向用戶服務的各類交通服務;

②領域服務層。提供面向交通部門的共性服務，如交通流量檢測與控制、事故解決、繁雜問題求解等;

③基礎服務層。提供建立網(wǎng)格的相關軟件、硬件服務;

④資源服務層。提供網(wǎng)格系統(tǒng)所需的各種數(shù)據(jù)源，控制對象接口等;

⑤交通服務信息綜合服務。實現(xiàn)網(wǎng)格系統(tǒng)中各個級別的服務與資源配備所需要的瀏覽協(xié)議和管理。

2.2 網(wǎng)格結構與應用

未來高速公路控制中心的網(wǎng)格機制架構應當是內部分布著電腦與各種嵌入型智能系統(tǒng)（譬如不停車費用收取系統(tǒng)、收費系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、測速系統(tǒng)、稱重系統(tǒng)等），它們通過采用標準接口的通信網(wǎng)絡聯(lián)接為一體。各類有關交通信息、交通管理和運用與交通信息處置過程分散在程序的多個部分，運用部分的亦或整體的程序協(xié)同工作。此是代表性的分布型程序，程序中的設施或者信息的真正位置對客戶是公開的。

將來高速公路管控中心的網(wǎng)格體系結構的網(wǎng)格服務有2種典型架構：一種是請求結構，一種是分發(fā)結構。在分發(fā)與代理的一端重點運用Web服務，客戶機從網(wǎng)格代理那里請求工作，也就是說，點單元被分布到網(wǎng)格中的客戶機上，這是請求架構的典型應用實例。請求架構是Web服務的最簡系統(tǒng)，這種系統(tǒng)也便是傳統(tǒng)的分布式網(wǎng)絡服務：客戶機從網(wǎng)絡服務器請求工作，并將完成的工作結果回送到網(wǎng)絡服務器。客戶機只要求具有Web服務與Web服務器性能，能夠單機裝設實現(xiàn)，也能夠裝設在代理服務器上達成此性能。請求結構的典型請求過程如圖2所示。

分發(fā)結構和網(wǎng)格服務模型完全不同，顧客機的工作從服務器向顧客機配置。此種結構雖然與傳統(tǒng)的架構不同，但在某些狀況下，由于特殊的工作需要配置到特殊的實施單元，且需要對實施過程和實施結果加以驗證與監(jiān)測，那么此種分發(fā)結構便是非常實用的方式。分發(fā)結構下，由服務器負責管控與配置網(wǎng)格中的一些具有特殊功能的特定單元，以便以完成特殊的任務。此外，分發(fā)結構對于部署一些有較高即時性要求的工作也是一種不錯的方式，這是由于服務器能夠依據(jù)掌控的資源信息將這些工作安排給網(wǎng)絡內機器的負載較輕且實時性較強的機器上。分發(fā)結構的達成問題具有很大困難，此種模型中由服務器當做Web服務的用戶機，而客戶機則需要運行Web服務系統(tǒng)，正好與請求架構的運行方向相反。這時，“用戶機”作為網(wǎng)格提供者必需支持Web服務的服務器接口，而“服務器”變?yōu)榫W(wǎng)格提供者的Web服務用戶機。圖3便是此種模型的運行狀況。

將來高速公路控制中心的網(wǎng)格體系結構應具有可擴展的信息搜集與運用、Web服務與網(wǎng)格運算等特點。在該服務環(huán)境中，每一個服務板塊均表現(xiàn)為服務。第一，將來高速公路管控中心具有達成整個程序全部需要的信息搜集服務性能，信息搜集服務實現(xiàn)帶時間標志的信息搜集、驗證與規(guī)范化，并向全系統(tǒng)共享這些數(shù)據(jù)信息。第二，控制中心需要對采集到的數(shù)據(jù)進行預處理和分類，按標準數(shù)據(jù)庫格式保存數(shù)據(jù)或直接提供給高等級的即時應用。此性能體現(xiàn)為應用服務，體現(xiàn)在實際的運用實例為收費管理或監(jiān)控控制系統(tǒng)被細分為多個基本模塊，包括基本收費管理、事故報警、電話、車流量檢測與控制、情報發(fā)布等。依據(jù)控制方略和控制目標的差異性，應用服務還能夠依照差異的“粒度”加以分解。網(wǎng)格運用Intranet/Internet結構，各個級別的管控單位組成其子網(wǎng)，各個級別的管控單位運用相對弱連接，網(wǎng)格中電腦與通訊資源利用規(guī)范的資源服務加以配置與管控。

當將來的高速公路控制中心的網(wǎng)格體系結構建立完成后，每一個使用者和對管理業(yè)務實施設計的技術者只需要將精力放到應用服務與信息管控方面，而不用關注業(yè)務達成的詳細過程和細節(jié)，因為這些對使用者及技術人員來說均是透明的。網(wǎng)格環(huán)境下，網(wǎng)格平臺建設和網(wǎng)格應用服務是軟件提供商要完成的工作，包括軟件編寫、維護及安全運行一系列工作;網(wǎng)絡通信交由ICT專家來完成;服務消費者僅僅是服務集成者，只需要高效的提供信息、基礎數(shù)據(jù)和控制方法。明確的職責劃分有利于新技術的提升和運用。

總而言之，以網(wǎng)格服務為依托的將來高速公路控制中心體現(xiàn)出下述特點：以面向服務為核心的結構（SOA）;便捷的、容易擴展的應用服務;迅速、有效的分布型信息搜集與處置服務;計算結果實現(xiàn)動態(tài)共享;標準的網(wǎng)格服務架構;ICT資源應用和管理。

3 系統(tǒng)實施

大規(guī)模網(wǎng)絡技術的建立與實施除了需考慮系統(tǒng)建設的成本外，如何充分利用現(xiàn)有的資源，并在建設與實施的過程中不影響現(xiàn)有的網(wǎng)絡運行，也是一個值得探討和研究的課題。根據(jù)現(xiàn)有網(wǎng)絡的發(fā)展經(jīng)驗，基于網(wǎng)格技術的網(wǎng)絡建設與實施應符合以下幾個方面的要求：

①根據(jù)未來高速公路控制中心的網(wǎng)格體系結構的具體要求，確定系統(tǒng)需求信息，例如網(wǎng)格規(guī)模等;

②根據(jù)需求信息確定硬件設施的建設。通過成本比較選擇新建網(wǎng)格硬件或在已有的網(wǎng)絡（如SPDnet）基礎上進行硬件擴展;軟件應選擇相對成熟的商業(yè)用網(wǎng)格平臺;

③打造一批有高速公路運行管理與控制和網(wǎng)格專業(yè)背景的開發(fā)團隊作為技術支撐;

④首先建造基礎的測試系統(tǒng)，然后逐步進行完善;

⑤由于網(wǎng)格系統(tǒng)的分布性，相應的多站點的信任管理及安全管理機制應同步建設;

⑥建立完善的用戶培訓體系;

⑦網(wǎng)格系統(tǒng)的運行維護及擴展更新技術應充足。

4 結論

網(wǎng)格是未來分布式網(wǎng)絡交互、協(xié)作和計算平臺的美好前景。很多行業(yè)都已經(jīng)引入網(wǎng)格技術來解決實際問題，并取得了良好的效果。未來高速公路關系著我國經(jīng)濟發(fā)展和人民生活的大局，其控制中心的建設也應緊跟時代的發(fā)展，勇于開拓創(chuàng)新，為實現(xiàn)一個分散、集成、靈活和開放的分布式控制中心積累經(jīng)驗。

未來高速公路控制中心以實時數(shù)據(jù)為基礎， 旨在保證與高速公路有關的各種分散系統(tǒng)運行的經(jīng)濟安全運行和市場運營效率。致力于高速公路發(fā)展的技術人員們正在不斷的引入新的ICT技術用于建設新的高速公路控制中心。而本文所提出的基于網(wǎng)格技術的未來高速公路控制中心的概念設計，就是說明網(wǎng)格服務體系將是未來高速公路控制中心的發(fā)展方向，也應該是高速公路發(fā)展的技術人員研究的方向。

當然，任何技術的發(fā)展都一定會有相應的挑戰(zhàn)。一方面，網(wǎng)格可以快速確定并應用加入到網(wǎng)格中任何一臺計算機資源。但另外一方面，網(wǎng)格應該不會因為一個低速或者落伍的系統(tǒng)而降低整體速度，也就是說在對資源進行應用時應避開“最短板”問題。然而，資源的分散及信息的分布式處理，我們有理由擔心這些數(shù)據(jù)該如何分享、分割、過濾、移動，從而提高數(shù)據(jù)的安全性能和管理效率。而那些有意將自己系統(tǒng)并入網(wǎng)格的人是最想知道是誰在調用資源，何時調用資源的。

從技術的發(fā)展來看，本文所提出的未來高速公路控制中心的架構有利于適應我國大規(guī)模、互聯(lián)全國的高速公路系統(tǒng)。應用網(wǎng)格技術以及其他ICT來提高高速公路控制與管理的安全經(jīng)濟運行水平具有重要的現(xiàn)實價值。

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