城市轨道交通标准技术委员会 魏晓东

广州新科佳都科技有限公司 陈朝晖

1.1.3　分布式实时应用集成技术

实时（Real Time）计算一般是指这样的计算活动，其正确性不仅依赖于计算的逻辑结果，而且依赖于产生结果的时间。因此，实时计算的核心问题是计算活动的时间可预测性（predictablity）或者时间的确定性（determinism）。时间可预测性指能够预先知道某个任务是否与应用的时间约束相符合的特性。

目前的企业分布式集成技术及中间件能够提供良好的开发平台和通讯支持，但是它们缺乏对分布式实时应用的时间约束的支持能力。随着分布式计算技术和分布式应用的深入发展，一些关键业务领域特别是工业制造领域都要求实时分布式技术。九十年代，对象管理组织OMG提出了实时CORBA规范，用于开发分布式实时应用和系统集成。提出了DDS（Data Distribution Service，数据分发服务）规范，DDS采用以数据为中心的发布—订阅模型，实现了分布式异构环境下海量数据的实时传输。

实时CORBA技术：1997年9月OMG提出了实时CORBA 1.0的RFP（request for proposal），于1999年3月，发布了实时CORBA 1. 0规范。实时CORBA规范定义了一组标准的接口以及策略供用户来控制和配置系统的处理器资源、内存资源和通信资源。处理器资源的标准控制机制包括线程池、CORBA优先级、互斥机制和全局调度服务等；内存资源的标准控制机制主要有请求队列等；而通信资源的标准控制机制则有协议特性设置和显式绑定等。线程是实时CORBA系统进行调度的实体，规范中对线程提供了更加丰富的控制和配置方式以支持实时应用；定义了CORBA优先级，用于确定CORBA对象调用被处理的先后顺序，并定义了优先级映射接口（Priority Mapping），用于CORBA优先级和本地优先级之间的映射；定义了两种设置CORBA优先级的模式：客户传递模式以及服务器指定模式；定义了互斥接口以协调对系统共享资源的竞争；定义了全局调度服务，应用可以向该调度服务对象指定各种有关参数。

数据分发服务技术：在大型网络中心系统中，信息的实时交换最为关键。从多个源产生的信息必须由信息制造者按QoS要求将信息请求者感兴趣的信息进行分发。特别是在实时和关键性任务系统中，“在正确的时间和地点获取正确的数据”是非常关键的任务。对象管理组织OMG的数据分发服务 DDS采用以数据为中心的发布-订阅模型，提供了强大的数据QoS控制策略，实现了分布式系统中数据实时、可靠、高效地分发，能够广泛应用于航空、国防、分布仿真、工业自动化、分布控制、机器人、电信等多个领域。

DDS规范标准化了分布式实时系统中数据发布、传递和接收的接口和行为，定义了以数据为中心的发布-订阅机制，提供了一个与平台无关的数据模型（此模型能够映射到各种具体的平台和编程语言）。DDS允许应用程序实时发布其拥有的信息，并订阅其需要的信息，较好的处理了不可靠网络通信中数据的自动发现、可靠性和冗余性等问题，可应用在要求高性能、可预见性和对资源有效使用的关键任务领域。

DDS规范描述了两个层次的接口：低层的DCPS（Data-Centric Publish-Subscriber）用于完成数据的发布、订阅，其目的是发布者能够高效地将正确的信息传递给适当的订阅者；高层的DLRL（Data Local Reconstruction Layer）用于数据在本地的表示，其目的是使应用程序能更加直接的访问交换的数据，并能与本地语言完美的结合起来。

1.2　软件应用集成架构技术

1.2.1　工业企业信息化集成系统的架构设计

工业企业信息化集成系统对信息的基本处理过程和内容是：信息采集、加工、存储、传递、利用和反馈。工业企业信息化集成系统应用集成架构设计主要围绕信息采集、信息处理和信息传递进行设计和实现的。

信息采集：信息采集是企业管理和控制过程的起点，贯穿于企业信息管理的全过程。信息采集是根据企业管理和控制的需求，把企业内外各种形态的信息收集并且汇总，供信息化集成系统使用。信息处理：信息处理指将采集到的信息按照不同层次企业管理和控制的目的和要求，进行鉴别、筛选和处理，使信息规范和准确，以便进一步存储、传递和利用，使信息具有使用价值。信息传递：信息传递就是根据不同层、级企业管理和控制的需求，把采集、加工后的信息在系统内外传输。针对工业企业信息化集成系统上述的特点，系统的软件架构采用最新的分层分布式架构。工业企业信息化集成系统的纵向集成主要是软件功能的分层结构，包括数据采集层、数据处理层以及数据传送层。工业企业信息化集成系统的横向集成主要是指软件的分布式部署，软件系统可部署在企业的各个部门，采集信息后统一汇总到企业管理中心，或者采集数据在本地处理加工后把处理加工的结果传送到企业的管理中心。工业企业信息化集成系统的纵向集成主要是在本地服务器进行数据采集、数据处理，在本地工作站上进行数据展现，逻辑结构如图1所示：

图1 纵向集成示意图

工业企业信息化集成系统的横向集成主要是在企业各部门部署系统，各个系统之间通过分布式通信总线（软件总线）进行数据传送。逻辑结构如图2所示：

图2 纵向集成示意图

1.2.2　CORBA架构

CORBA是当今最重要的企业信息化集成系统应用集成架构之一，它独立于网络协议、编程语言和软硬件平台，支持异构的分布式计算环境和不同编程语言间的对象重用。CORBA可以作为不同平台应用间信息传递的中间件，CORBA通过引入经过充分验证的有效的框架结构和通信手段，最大限度地简化了网络通信相关应用的设计与开发，使得我们可以专注于业务逻辑的实现，而无需关心通信的细节。这恰恰是信息化集成系统构建时最需要的软件需求。CORBA是系统集成软件的消息中间件，是数据传递通道及软总线，如图3所示。

CORBA应用系统主要分为两部分：一是位于应用程序服务器中的CORBA对象，另一个是应用使用的客户端程序。这些客户端程序通过CORBA技术使用CORBA对象提供的服务来完成其工作。CORBA规范定义了客户端程序与服务端程序中的对象进行通信的机制。在系统集成软件平台中，CORBA中间件作为分布式通信总线（软总线），为系统中的各个应用程序提供数据传递服务。

图3 基于CORBA消息中间件的分层分布式软件平台架构

1.2.3　J2EE架构

J2EE是JAVA2平台企业版，它的核心是一组技术规范与指南，提供基于组件的方式来设计、开发、组装和部署企业应用。J2EE使用多层分布式的架构模式。J2EE所包含的各类组件、服务架构及技术层次，均有共同的标准及规格，让各种依循J2EE架构的不同平台之间，存在良好的兼容性，解决过去企业后端使用的信息产品彼此之间无法兼容，企业内部或外部难以互通的窘境。

J2EE架构可以充分利用用户有的投资，通过允许将现有的信息系统和资产“包裹”在J2EE应用程序中，不要求客户更换现有技术。因为J2EE拥有广泛的业界支持和一些重要的“企业计算”领域供应商的参与，每一个供应商都对现有的客户提供了不用废弃自己已有投资的升级途径。由于基于J2EE平台的产品几乎能够在任何操作系统和硬件运行，现有的操作系统和硬件也能被保留使用。J2EE的体系结构是分层结构，主要是：

（1）客户层，运行在客户计算机上的组件，用户与系统的接口逻辑，通过http协议的来访问应用服务器。

（2）表示层，运行在J2EE服务器上的组件，通过与业务逻辑层互动，将用户需要的数据以适当的方式输出。

（3）业务逻辑层，同样是运行在J2EE服务器上的组件。

（4）企业信息系统层（EIS），是指运行在EIS服务器上的软件系统。

1.2.4　NET架构

采用.NET架构可用快速地开发出Windows下的软件系统。在软件系统开发中采用.NET架构具有以下技术优势：（1）技术易学易用，开发效率高；（2）运行环境安装配置方便；（3）技术成熟，主流技术，配套技术文档完善，众多开源或免费的文档或项目可供参考；（4）拥有众多新技术，方便构建企业级应用；（5）开发部署工具功能强大；（6）能与Windows平台紧密结合，最大限度利用系统功能；（7）众多中间件（控件支持）；（8）技术在不断更新发展中，拥有庞大的开发人员群体且呈增长趋势；（9）支持多种语言的互操作，即在一种语言下开发的组件，可在另一组件下通过面向对象的继承而得以重用；（10）通过对HTTP、XML、SOAP、WSDL等Internet标准的良好支持，提供在异构网络环境下获取远程服务，连接远程设备，交互远程应用的编程界面。这些是企业信息化集成系统所需求的。

典型的采用.NET开发的软件系统的架构为五层结构，分为：表现层、服务层、业务层、数据访问层、公共基础设施层。

表现层充当系统的界面呈现以及UI（用户界面）逻辑的角色。UI用户界面的实现方式当前主要有两种：（1）模型-视图-控制器模式，通过视图触发并执行某个操作，调用控制器，通过控制器去操作业务层，最终返回模型，在视图中进行展示。（2）模型-视图-展示器模式，视图和模型完全分离，视图中定义一个接口，展示器通过调用该接口的方法控制视图。

服务层：当项目的规模大到使用多种表现形式，就要考虑在表现层和业务层之间增加一个层，以便让表现层和业务层解耦，因为业务层作为一个业务中间件的平台，最好不要暴露于表现层中，这个层就是服务层。服务层实际上并不执行任何具体的工作，其功能在于组织各个业务对象将业务层所有的细节对表现层隐藏起来。服务层消除了表现层和业务层之间的耦合，可实现一个远程接口与多用户界面甚至多平台通信。

业务层包含系统所需要业务过程的实现，并与数据访问层交互，包括对业务实体建模的对象模型，表达了客户的所有策略和需求的业务规则。另外，业务层还包括核心中间件技术，包括第三方组件，以及工作流引擎等等。业务层需要考虑到一些与数据访问层交互的设计模式，模式中包括事物脚本模式、表模块模式、活动记录模式、领域模型模式。

数据访问层主要提供数据持久化功能，包括数据的读取和写入，另外还必须包括事务处理，并发控制等等。操作数据库的方法可以有两种方式：ORM（对象关系映射）方式和ADO.NET方式（ADO：Active Data Object，活动数据对象）。ORM可以采用一些第三方的ORM框架来实现，ADO.NET采用ASP.NET自带的数据库操作来实现。

公共基础设施层：包括Common通用模块，Logging日志模块，Exception异常模块，Configuration配置模块，DI依赖注入模块，单元测试模块以及第三方组件（例如NHibernate、Sprint.NET、Castle、Quartz计划任务等等）。

系统集成软件正是采用上述的最新软件技术完成企业大型信息化集成系统构建的。

1.2.5　集成架构应用

现以一个城市轨道交通的信息化集成系统（综合监控系统）为例说明1.1与1.2节的软件技术应用：

此综合监控系统软件采用了消息中间件架构技术，分布式通信软总线选用CORBA。应用逻辑层是应用组件、分布式结构，是具体的业务应用组件，如图4所示。

图4 城市轨道交通综合监控系统软件平台应用集成架构

由此可见一般的信息化集成系统软件是如何采用应用集成架构构建起来的。

作者简介：

魏晓东，1967年毕业于天津大学精仪系。1984~1991年任安徽工业大学自动化系副教授。1991年出版《分散型控制系统》（ 上海科技文献出版社） 。2000~2012年任北京和利时系统工程公司副总工、事业部总设计师，北京地铁13号线、深圳地铁一期工程、广州地铁3号线综合监控系统工程技术总负责人。2006、2010年出版《城市轨道交通自动化系统与技术》初版与第二版（电自工业出版社）；2010年主编国家标准《城市轨道交通综合监控系统工程设计规范》（GB50636-2010）《城市轨道交通综合监控系统施工与质量验收规范》（GB/T50732-2011）；2010年主编关于两化融合的国家标准《工业企业信息化集成系统规范》（GB/T26335-2010）。2013年至今任清华同方数字城市工程中心技术专家，住建部城市轨道交通标注技术网Eu委员会委员，全国自动化系统与集成标准技术委员会委员。

摘自《自动化博览》2017年6月刊