基于動(dòng)態(tài)編譯技術(shù)的水質(zhì)預(yù)警信息系統(tǒng)開發(fā)

◎ 浙江大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)系 田 徑 張光新 侯迪波 黃平捷 周澤魁

1.前言

近年來，突發(fā)性水質(zhì)污染事故頻頻發(fā)生，不斷地惡化著我國(guó)的水環(huán)境，威脅著人民的用水安全，給社會(huì)經(jīng)濟(jì)帶來了巨大的損失，使得水資源緊張的矛盾愈加突出。如何在面對(duì)復(fù)雜多變的水質(zhì)環(huán)境時(shí)，根據(jù)實(shí)際的情況相應(yīng)及時(shí)地進(jìn)行預(yù)警政策調(diào)整，靈活地應(yīng)對(duì)各種突發(fā)性污染事故，建立起健全的水質(zhì)信息預(yù)警系統(tǒng)，有效地處理水質(zhì)污染事故，為進(jìn)一步的應(yīng)對(duì)水質(zhì)污染事故提供相關(guān)的決策支持，保障人民用水安全，最大限度地減少各方面的損失變得尤為重要。研究了基于java動(dòng)態(tài)編譯技術(shù)的水質(zhì)預(yù)警信息系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)，對(duì)預(yù)警系統(tǒng)水質(zhì)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)錄入，對(duì)水質(zhì)預(yù)警算法及預(yù)警模型邊界條件進(jìn)行實(shí)時(shí)編寫，動(dòng)態(tài)編譯，以滿足復(fù)雜多變的水質(zhì)環(huán)境預(yù)警信息系統(tǒng)功能要求。

2.水質(zhì)預(yù)警信息系統(tǒng)分析

2.1 水質(zhì)預(yù)警信息系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次

基于動(dòng)態(tài)編譯的水質(zhì)預(yù)警信息系統(tǒng)基于Struts 2技術(shù)建立整體架構(gòu)，由模型層(Model)，視圖層(View)和控制層(Control)構(gòu)成完整的體系，層與層之間構(gòu)成自上而下的依賴關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了視圖，數(shù)據(jù)與代碼的分離，動(dòng)態(tài)代碼編譯服務(wù)代碼與具體數(shù)據(jù)的分離，同時(shí)各層之間留有接口，為構(gòu)建功能完善的預(yù)警系統(tǒng)做好準(zhǔn)備。實(shí)現(xiàn)了預(yù)警系統(tǒng)水質(zhì)信息數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)錄入、水質(zhì)預(yù)警算法及預(yù)警模型邊界條件的動(dòng)態(tài)編寫與動(dòng)態(tài)編譯等功能。系統(tǒng)的信息架構(gòu)見圖1所示。

2.2 視圖層(View)

視圖層采用Jquery技術(shù)用來實(shí)現(xiàn)與用戶的交互功能，展示用戶感興趣的數(shù)據(jù)，并且采用Json技術(shù)實(shí)現(xiàn)用戶水質(zhì)信息數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)錄入，水質(zhì)預(yù)警算法代碼以及預(yù)警模型的邊界條件代碼的動(dòng)態(tài)編寫錄入以及水質(zhì)預(yù)警算法的動(dòng)態(tài)管理包括查詢相關(guān)算法，刪除相關(guān)算法，新建相關(guān)算法，邊界條件編譯和手自動(dòng)運(yùn)行方式選擇等。界面具體見圖2，圖3：

2.3 控制層(Control)

針對(duì)多種多樣的水質(zhì)環(huán)境對(duì)算法和邊界條件進(jìn)行動(dòng)態(tài)編寫是很需要的。通過實(shí)時(shí)輸入算法，輸入邊界條件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同的污染事故進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)警，即根據(jù)污染事故發(fā)生不同的水體類型、污染源類型、污染物性質(zhì)等編寫不同的水質(zhì)預(yù)警算法。

在整個(gè)系統(tǒng)中，控制層將針對(duì)視圖層提交的服務(wù)請(qǐng)求，進(jìn)行服務(wù)資源的管理，接受用戶動(dòng)態(tài)輸入的水質(zhì)預(yù)警需求服務(wù)算法代碼及預(yù)警算法的邊界條件服務(wù)代碼，經(jīng)過代碼編譯預(yù)處理優(yōu)化后，調(diào)用java動(dòng)態(tài)編譯技術(shù)進(jìn)行編譯并且運(yùn)行，將預(yù)警結(jié)果返回給用戶。

2.3.1 控制層編譯預(yù)處理

由于系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)編譯處理具有很大的風(fēng)險(xiǎn)性，惡性代碼會(huì)給系統(tǒng)帶來不穩(wěn)定性，因此編譯預(yù)處理過程尤為重要。同時(shí)，編譯預(yù)處理過程對(duì)執(zhí)行服務(wù)所需要的地址空間、存儲(chǔ)資源、服務(wù)時(shí)間、服務(wù)運(yùn)行注冊(cè)以及服務(wù)注銷等系統(tǒng)資源進(jìn)行管理。具體過程如圖4所示：

圖1 水質(zhì)預(yù)警信息系統(tǒng)架構(gòu)

圖2 視圖層示例-算法的相關(guān)管理

圖3 視圖層示例-動(dòng)態(tài)編寫算法

圖4 編譯預(yù)處理過程

當(dāng)用戶輸入水質(zhì)預(yù)警服務(wù)代碼并且提交請(qǐng)求后，控制層檢查請(qǐng)求服務(wù)資源是否充足。如不足，則掛起請(qǐng)求，在下一周期再次查詢；如果服務(wù)資源滿足，則對(duì)請(qǐng)求進(jìn)行響應(yīng)，進(jìn)行詞法分析與語(yǔ)法分析，解析出相關(guān)服務(wù)代碼的關(guān)鍵字后，語(yǔ)法分析輸入代碼語(yǔ)法是否出錯(cuò)。如出錯(cuò)，就調(diào)用相關(guān)視圖信息通知用戶。否則，將代碼轉(zhuǎn)換后進(jìn)行動(dòng)態(tài)編譯過程。

2.3.2 控制層動(dòng)態(tài)編譯運(yùn)行水質(zhì)預(yù)警算法

從JDK1.6開始，Java就增加了動(dòng)態(tài)編譯特性，使控制層可以在程序運(yùn)行時(shí)調(diào)用Compiler API實(shí)現(xiàn)水質(zhì)預(yù)警服務(wù)算法的動(dòng)態(tài)編譯。控制層在經(jīng)歷編譯預(yù)處理過程后，將生成的有效地的水質(zhì)預(yù)警算法按照用戶輸入的算法名稱存儲(chǔ)為.java文件。然后就利用Compiler API進(jìn)行動(dòng)態(tài)編譯，生成.class文件并且存儲(chǔ)，將相關(guān)的水質(zhì)預(yù)警算法添加進(jìn)算法數(shù)據(jù)庫(kù)以便進(jìn)行管理。

完成動(dòng)態(tài)編譯后，待預(yù)警算法運(yùn)行條件成熟時(shí)，將算法注冊(cè)，確定算法開始運(yùn)行時(shí)刻，運(yùn)行時(shí)間，動(dòng)態(tài)地控制服務(wù)的開啟與關(guān)閉，從而可避免因資源不足而產(chǎn)生的異常服務(wù)。算法的動(dòng)態(tài)編譯執(zhí)行可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)地對(duì)檢測(cè)到的水質(zhì)信息數(shù)據(jù)，如BOD,氨氮，重金屬離子以及相關(guān)的葉綠素等的預(yù)警處理。（如圖5）

2.4 模型層(Model)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理

模型層采用JavaBean技術(shù)，主要實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫(kù)的交互功能，將用戶輸入代碼與具體數(shù)據(jù)相分離。同時(shí)將數(shù)據(jù)庫(kù)操作算法封裝在JavaBean中，節(jié)省了用戶的編程時(shí)間，同時(shí)加入了相關(guān)的異常捕捉處理，保證了系統(tǒng)的安全性，穩(wěn)定性。

系統(tǒng)包括以下幾個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)：

1）水質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)。記錄日常水質(zhì)監(jiān)測(cè)常規(guī)和非常規(guī)參數(shù)的數(shù)據(jù)，便于預(yù)警算法調(diào)用數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)警處理。記錄包括監(jiān)測(cè)指標(biāo)、監(jiān)測(cè)結(jié)果、監(jiān)測(cè)日期、監(jiān)測(cè)單位、標(biāo)準(zhǔn)級(jí)別等信息。

2）預(yù)警算法數(shù)據(jù)庫(kù)。記錄動(dòng)態(tài)編譯的預(yù)警算法，算法的運(yùn)行狀態(tài)，算法編制人員，算法預(yù)警類型，運(yùn)行條件以及相關(guān)的運(yùn)行時(shí)間等信息。

3）算法運(yùn)算結(jié)果庫(kù)。記錄算法運(yùn)行的結(jié)果類型，具體結(jié)果以及結(jié)果運(yùn)算時(shí)間等信息。

3.結(jié)論

面對(duì)復(fù)雜而多變的水質(zhì)環(huán)境，積極靈活的應(yīng)對(duì)突發(fā)性水污染事故，需要建立科學(xué)有效的預(yù)警處理系統(tǒng)。研究了基于java動(dòng)態(tài)編譯技術(shù)的水質(zhì)預(yù)警信息系統(tǒng)構(gòu)建方法。對(duì)水質(zhì)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)地錄入，在系統(tǒng)中根據(jù)實(shí)際水質(zhì)情況實(shí)時(shí)地編寫水質(zhì)預(yù)警算法，輸入預(yù)警模型的邊界條件，并進(jìn)行動(dòng)態(tài)編譯，以便相關(guān)人員根據(jù)實(shí)際險(xiǎn)情動(dòng)態(tài)調(diào)整應(yīng)對(duì)決策。但是，為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在一定程度上限制了動(dòng)態(tài)編譯技術(shù)的靈活使用，為了使系統(tǒng)能夠更加完善高效，需進(jìn)一步研究動(dòng)態(tài)編譯限制問題。