基于規(guī)則引擎的空間數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)研究

引文格式： 宋煒煒，金寶軒，方源敏. 基于規(guī)則引擎的空間數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)研究[J].測(cè)繪通報(bào)，2015(4)：49-52.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2015.0109

基于規(guī)則引擎的空間數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)研究

宋煒煒1，金寶軒2，方源敏1

(1. 昆明理工大學(xué)國(guó)土資源與工程學(xué)院，云南 昆明 650093； 2. 云南省基礎(chǔ)地理信息中心，云南 昆明 650034)

StudyonServiceofSpatialDataDistributionBasedonRuleEngine

SONGWeiwei，JINBaoxuan，F(xiàn)ANGYuanmin

摘要：隨著觀測(cè)技術(shù)的進(jìn)步及計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的發(fā)展，地理信息應(yīng)用不斷向各行業(yè)擴(kuò)展。地理空間信息服務(wù)方面出現(xiàn)了信息資源供需矛盾，一方面，測(cè)繪專業(yè)部門擁有豐富的空間信息數(shù)據(jù)；另一方面，各行業(yè)的特定需求難以滿足。如何提高地球空間信息服務(wù)的質(zhì)量和效率，使已有的測(cè)繪成果在各行業(yè)應(yīng)用中得到更好的應(yīng)用，借助飛速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)已成為一種趨勢(shì)。本文研究并分析了地球空間信息服務(wù)的特征和分類，對(duì)目前在各行業(yè)廣泛應(yīng)用的規(guī)則引擎技術(shù)進(jìn)行了研究，提出了將規(guī)則引擎技術(shù)應(yīng)用到空間信息服務(wù)的方式和關(guān)鍵技術(shù)，并設(shè)計(jì)了基于分布式計(jì)算的空間規(guī)則引擎，將其應(yīng)用到地理空間信息向特定行業(yè)應(yīng)用提供空間數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)的應(yīng)用系統(tǒng)中。以空間規(guī)則引擎為核心，構(gòu)建了面向行業(yè)應(yīng)用的空間數(shù)據(jù)服務(wù)模型，并進(jìn)行了原型系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過空間規(guī)則引擎，提高了測(cè)繪專業(yè)部門向其他特定行業(yè)提供空間數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)的時(shí)效性，滿足了特定行業(yè)對(duì)空間信息特殊、多變的需求。

關(guān)鍵詞：分布式空間規(guī)則引擎；空間數(shù)據(jù)服務(wù)；規(guī)則庫(kù)；空間數(shù)據(jù)分發(fā)；專題空間數(shù)據(jù)

中圖分類號(hào)：P208

收稿日期：2015-02-03

作者簡(jiǎn)介：宋煒煒(1976—)，男，博士生，研究方向?yàn)榈厍蛱綔y(cè)與信息技術(shù)、時(shí)空云計(jì)算。E-mail：asong@vip.163.com

一、引言

在對(duì)地觀測(cè)技術(shù)不斷發(fā)展的同時(shí)，地理信息系統(tǒng)也不斷向各行業(yè)應(yīng)用擴(kuò)展，呈現(xiàn)出明顯的社會(huì)化應(yīng)用特征。GIS的概念和范疇也從傳統(tǒng)意義上的地理信息系統(tǒng)(geographicinformationsystem)拓展為地理信息科學(xué)(geographicinformationscience)、地理信息服務(wù)(geographicinformationservice)等多個(gè)方面[1]。

計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，特別是信息系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)的不斷完善，為解決地球空間信息服務(wù)提供了新的思路和方法。軟件系統(tǒng)的適應(yīng)性和業(yè)務(wù)敏捷性一直是行業(yè)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題，從邏輯上看，應(yīng)用系統(tǒng)主要包括應(yīng)用程序控制邏輯和業(yè)務(wù)規(guī)則邏輯，這兩個(gè)方面直接影響了系統(tǒng)開發(fā)的敏捷性及其在使用過程中的適應(yīng)性。而在這兩者之中，業(yè)務(wù)規(guī)則作為行業(yè)應(yīng)用的核心內(nèi)容，其變化越來越頻繁，給行業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)的靈活性和敏捷性帶來巨大的挑戰(zhàn)。地球空間信息服務(wù)的發(fā)展依托于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，同樣在GIS應(yīng)用系統(tǒng)中也面臨多變的業(yè)務(wù)規(guī)則帶來的困擾。

規(guī)則引擎技術(shù)是軟件技術(shù)新的發(fā)展方向，它以面向業(yè)務(wù)的視角，將應(yīng)用系統(tǒng)中的業(yè)務(wù)規(guī)則邏輯從程序邏輯中分離出來，利用業(yè)務(wù)規(guī)則管理技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)業(yè)務(wù)規(guī)則的集中生成、共享和復(fù)用，把業(yè)務(wù)規(guī)則作為業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。

將規(guī)則引擎技術(shù)應(yīng)用到地球空間數(shù)據(jù)服務(wù)是空間信息智能服務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)之一，本文將介紹和闡述地球空間信息服務(wù)的特征及需求，并描述將規(guī)則引擎應(yīng)用到空間信息服務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)，以提高地球空間信息服務(wù)的敏捷性。

二、空間數(shù)據(jù)服務(wù)

地理信息數(shù)據(jù)是我國(guó)“數(shù)字城市”建設(shè)戰(zhàn)略的重要組成部分，地理信息數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)量大、類型多樣、層次結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)[2]。另外，社會(huì)各行業(yè)對(duì)地理信息服務(wù)要求也多種多樣，不同行業(yè)應(yīng)用對(duì)地理信息數(shù)據(jù)的要求在區(qū)域、精度、屬性上各不相同，并且地理信息數(shù)據(jù)需求在不斷變化。因此，在已有的地理信息數(shù)據(jù)和需要提供的數(shù)據(jù)服務(wù)之間出現(xiàn)了較大的沖突。

1. 空間數(shù)據(jù)服務(wù)方式

地球空間信息服務(wù)伴隨著全球網(wǎng)絡(luò)化進(jìn)程，呈現(xiàn)出網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的趨勢(shì)，地理空間數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)向不同行業(yè)、不同需求的用戶提供服務(wù)，目前主要的服務(wù)方式有3種：空間數(shù)據(jù)在線查詢服務(wù)、面向行業(yè)應(yīng)用的空間數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)、異構(gòu)空間數(shù)據(jù)的集成共享。

2. 空間信息服務(wù)面臨的問題

我國(guó)地理信息技術(shù)經(jīng)過30多年的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，國(guó)家和地方的地理信息中心都積累了大量的空間數(shù)據(jù)資源，國(guó)家頒布了相關(guān)的空間數(shù)據(jù)庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)及框架數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，但由于空間數(shù)據(jù)采集的方式、應(yīng)用軟件、時(shí)間等因素的不同，導(dǎo)致了空間數(shù)據(jù)的多源性和復(fù)雜性。因此，當(dāng)行業(yè)應(yīng)用中需要用到空間數(shù)據(jù)時(shí)，必然面臨對(duì)該數(shù)據(jù)的選取、加工及集成，對(duì)其進(jìn)行相關(guān)處理后，才能滿足某特定行業(yè)的應(yīng)用需求。同時(shí)，各行業(yè)對(duì)空間數(shù)據(jù)的需求也千差萬別，導(dǎo)致了行業(yè)應(yīng)用對(duì)空間數(shù)據(jù)需求得不到有效支援[3-6]。

三、規(guī)則引擎技術(shù)

1. 規(guī)則引擎技術(shù)概述

規(guī)則引擎技術(shù)是人工智能(AI)的一個(gè)分支。1943年，美國(guó)數(shù)學(xué)家Post在一種計(jì)算體系中提出產(chǎn)生式規(guī)則，將人類認(rèn)知過程中各種知識(shí)塊之間存在的因果關(guān)系以”if…then…”的形式表示，其形式簡(jiǎn)潔，而且求解問題的過程與人類的認(rèn)知過程相似。從20世紀(jì)60年代開始，這種產(chǎn)生式規(guī)則成為規(guī)則引擎的雛形，被應(yīng)用于各類專家系統(tǒng)及人工智能等領(lǐng)域[7]。

2. 規(guī)則引擎工作機(jī)制

規(guī)則引擎工作機(jī)制被稱為“認(rèn)知—執(zhí)行循環(huán)”[8]規(guī)則引擎通過重復(fù)執(zhí)行如下計(jì)算模式得到匹配的規(guī)則并進(jìn)行計(jì)算，得出結(jié)果，計(jì)算邏輯如圖1所示。

圖1　規(guī)則引擎工作機(jī)制

1) 將預(yù)先配置的規(guī)則靜態(tài)數(shù)據(jù)裝入規(guī)則區(qū)，由于規(guī)則數(shù)量一般較少(在幾百～幾千條之間)，規(guī)則區(qū)采用計(jì)算機(jī)共享內(nèi)存的方式存在，將靜態(tài)規(guī)則裝入規(guī)則區(qū)。

2) 讀入事實(shí)數(shù)據(jù)，事實(shí)數(shù)據(jù)一般是大量的、種類繁多的，因此根據(jù)計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力，事實(shí)區(qū)一般采用磁盤存儲(chǔ)方式。

3) 從事實(shí)區(qū)讀取一定數(shù)量的事實(shí)數(shù)據(jù)到工作內(nèi)存，進(jìn)行規(guī)則左部條件模式匹配：將規(guī)則區(qū)中所有規(guī)則與工作內(nèi)存中的事實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試比較，所有被匹配成功的規(guī)則將被實(shí)例化并添加到?jīng)_突集中。

4) 通過預(yù)先定義的沖突解決策略，解決沖突，將實(shí)例化的規(guī)則按順序放入議程。

5) 執(zhí)行進(jìn)入議程的實(shí)例化的規(guī)則右部計(jì)算，執(zhí)行計(jì)算可能產(chǎn)生新的事實(shí)斷言，新的事實(shí)斷言也被加入到工作內(nèi)存中。

6) 一批次的事實(shí)數(shù)據(jù)處理完成后，跳到下一次循環(huán)，讀取新的事實(shí)數(shù)據(jù)重復(fù)以上操作，系統(tǒng)反復(fù)執(zhí)行以上循環(huán)直至到達(dá)預(yù)定的狀態(tài)，如沒有剩余的未處理事實(shí)數(shù)據(jù)、沒有新的規(guī)則實(shí)例觸發(fā)或達(dá)到系統(tǒng)預(yù)設(shè)停止條件等。

3. 規(guī)則引擎關(guān)鍵技術(shù)

規(guī)則引擎的關(guān)鍵技術(shù)主要包括規(guī)則表示技術(shù)、規(guī)則組織和存儲(chǔ)技術(shù)、規(guī)則執(zhí)行技術(shù)、接口技術(shù)等幾個(gè)方面。

(1) 規(guī)則表示技術(shù)

規(guī)則是指將業(yè)務(wù)規(guī)則邏輯從程序代碼中分離出來，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)業(yè)務(wù)規(guī)則的集中控制、共享和復(fù)用，并通過相應(yīng)的非技術(shù)化規(guī)則語言讓業(yè)務(wù)人員直接參與規(guī)則的制定，縮短業(yè)務(wù)策略和規(guī)則的生產(chǎn)周期，使得用戶能自如地調(diào)整業(yè)務(wù)規(guī)則以應(yīng)對(duì)業(yè)務(wù)需求的不斷變化，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)敏捷。規(guī)則表示是規(guī)則引擎技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)，目前尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。比較流行的有兩種方式，即指令編碼方式和聲明編碼方式[9]。

(2) 規(guī)則組織和存儲(chǔ)技術(shù)

規(guī)則的復(fù)雜性和多變性決定了規(guī)則在組織和存儲(chǔ)上具有管理復(fù)雜性，一個(gè)好的規(guī)則庫(kù)設(shè)計(jì)是規(guī)則引擎能有效發(fā)揮作用的關(guān)鍵。

(3) 規(guī)則執(zhí)行技術(shù)

傳統(tǒng)的規(guī)則實(shí)現(xiàn)方式有許多種，根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的特點(diǎn)可以采用硬編碼、腳本、數(shù)據(jù)庫(kù)交互及規(guī)則引擎方式。其中，規(guī)則引擎是目前普遍采用的規(guī)則執(zhí)行技術(shù)，通過重復(fù)執(zhí)行“匹配—斷言—執(zhí)行”的循環(huán)操作來實(shí)現(xiàn)規(guī)則計(jì)算[10-11]。

四、空間數(shù)據(jù)分發(fā)原型設(shè)計(jì)

規(guī)則引擎技術(shù)具有擴(kuò)展性好、平臺(tái)無關(guān)性等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在各領(lǐng)域中。通過規(guī)則引擎技術(shù)將特定行業(yè)的復(fù)雜業(yè)務(wù)邏輯從程序中分離出來，不但可實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)規(guī)則的集中有效管理，同時(shí)可滿足該領(lǐng)域規(guī)則隨需而變的要求，具有廣泛的應(yīng)用前景。

1. 空間數(shù)據(jù)分發(fā)分布式規(guī)則引擎設(shè)計(jì)

空間規(guī)則引擎采用了分布式計(jì)算，對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行分段并行計(jì)算處理，將空間數(shù)據(jù)源和輸出專題數(shù)據(jù)分離，建立單獨(dú)的空間規(guī)則庫(kù)，在計(jì)算引擎內(nèi)部采用分布式計(jì)算，根據(jù)不同的數(shù)據(jù)域如DLG、DOM、DEM等按數(shù)據(jù)特征進(jìn)行分布式存儲(chǔ)，主控節(jié)點(diǎn)將分散后的空間數(shù)據(jù)及計(jì)算任務(wù)發(fā)布到計(jì)算處理節(jié)點(diǎn)，計(jì)算完成后將結(jié)果存入結(jié)果專題數(shù)據(jù)庫(kù)，分布式計(jì)算架構(gòu)如圖2所示。

圖2　分布式規(guī)則引擎計(jì)算架構(gòu)

規(guī)則引擎處理過程如下：

1) 通過基礎(chǔ)數(shù)據(jù)接口服務(wù)讀取基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫(kù)中相關(guān)空間數(shù)據(jù)：對(duì)存儲(chǔ)形式為數(shù)據(jù)庫(kù)的(以O(shè)racle為例)，可通過ODBC進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，對(duì)于采用商業(yè)軟件如Esri的ArcGISEngine建立的庫(kù)，也可通過ArcSDE接口進(jìn)行訪問。接口服務(wù)同時(shí)記錄空間數(shù)據(jù)的處理量，通過數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)器進(jìn)行管理。

2) 數(shù)據(jù)接口獲取空間數(shù)據(jù)后，控制節(jié)點(diǎn)根據(jù)預(yù)定的規(guī)則，將數(shù)據(jù)分發(fā)到計(jì)算處理節(jié)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算。同時(shí)控制節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)監(jiān)控各處理節(jié)點(diǎn)的計(jì)算情況，如計(jì)算負(fù)荷、計(jì)算進(jìn)程等。

3) 計(jì)算處理節(jié)點(diǎn)接收到控制節(jié)點(diǎn)分發(fā)的計(jì)算數(shù)據(jù)和任務(wù)后，將任務(wù)排入消息隊(duì)列，并從規(guī)則庫(kù)中讀出預(yù)定的規(guī)則及議程，將規(guī)則裝入共享內(nèi)存進(jìn)行實(shí)例化，規(guī)則計(jì)算模塊進(jìn)行源數(shù)據(jù)及規(guī)則的模式匹配，根據(jù)議程進(jìn)行規(guī)則計(jì)算。

4) 計(jì)算結(jié)果通過數(shù)據(jù)輸出模塊，通過接口提供給目標(biāo)系統(tǒng)或直接將計(jì)算后的專題數(shù)據(jù)存入專題數(shù)據(jù)庫(kù)。

5) 生成的專題數(shù)據(jù)或文件可通過服務(wù)接口向需要空間數(shù)據(jù)的行業(yè)系統(tǒng)提供空間數(shù)據(jù)查詢、導(dǎo)出等服務(wù)。

2. 原型系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

地理信息數(shù)據(jù)服務(wù)是提升地理信息服務(wù)能力的基礎(chǔ)，本項(xiàng)目研究高效、準(zhǔn)確、快速地提供各行業(yè)所需的地理信息數(shù)據(jù)。原型系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要針對(duì)目前我國(guó)地理信息基礎(chǔ)庫(kù)向特定行業(yè)提供專題空間數(shù)據(jù)時(shí)，基于規(guī)則引擎的自動(dòng)化服務(wù)。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖3所示。

圖3　基于規(guī)則引擎的空間數(shù)據(jù)分發(fā)總體架構(gòu)

基于規(guī)則引擎的空間數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)原型系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)如下：

1) 根據(jù)行業(yè)應(yīng)用要求，對(duì)空間數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)源、范圍、數(shù)據(jù)內(nèi)容等進(jìn)行配置，生成空間數(shù)據(jù)分發(fā)規(guī)則。

2) 由規(guī)則引擎驅(qū)動(dòng)預(yù)定規(guī)則計(jì)算，針對(duì)基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)(包括數(shù)據(jù)庫(kù)、文件數(shù)據(jù)等)建立連接，完成相關(guān)數(shù)據(jù)按規(guī)則抽取。

3) 根據(jù)空間數(shù)據(jù)發(fā)布規(guī)范，將抽取數(shù)據(jù)整合成目標(biāo)系統(tǒng)需求的組織形式。

4) 通過FTP、光盤等方式將數(shù)據(jù)分發(fā)到行業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)。

系統(tǒng)運(yùn)行截圖如圖4所示。

圖4　基于規(guī)則引擎的空間數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)

五、結(jié)束語

地球空間信息服務(wù)的發(fā)展主要由信息技術(shù)、空間服務(wù)需求兩個(gè)方面的動(dòng)力組成。本文研究了地球空間信息服務(wù)的方式，分析了空間信息服務(wù)所面臨的問題;介紹了規(guī)則引擎技術(shù)，并提出了將規(guī)則引擎應(yīng)用到地球空間信息服務(wù)中的方式；設(shè)計(jì)了基于分布式計(jì)算的空間規(guī)則引擎，并在面向行業(yè)應(yīng)用的空間數(shù)據(jù)服務(wù)中使用該規(guī)則引擎，將特定行業(yè)的規(guī)則剝離出應(yīng)用系統(tǒng)，通過規(guī)則引擎搭建了原型系統(tǒng)，該系統(tǒng)可為測(cè)繪領(lǐng)域?qū)I(yè)人員向特定行業(yè)MIS系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)服務(wù)時(shí)能準(zhǔn)確、高效地處理基礎(chǔ)地理信息，滿足行業(yè)對(duì)空間數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。

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