基于自動化G/S模式的信息空間異構數據可視化共享機制研究

李 強

（鄭州航空工業管理學院，鄭州 450046）

0 引言

由于信息時代的快速發展，信息空間中產生的數據劇增，且不同行業、不同科目的數據之間有著千絲萬縷的關系，在做出決策時要綜合各個方面的信息，因此需要訪問大量不同類型的數據。由于不同類型的數據按照不同的結構存儲在數據庫中，也就形成了網絡環境中的異構數據。異構數據的共享能夠大大減少數據庫的重復開發，方便用戶快速獲得更加全面的相關信息，因此國內外相繼提出了信息空間異構數據共享機制。

異構數據共享就是整合不同位置、不同設備上傳的信息，并支持用戶在讀取他人數據的同時進行各種操作、運算和分析，通過共享機制的設計與應用，為用戶提供了一個統一和透明的界面，從而達到信息資源共享的目的。然而現階段對于共享機制的研究主要側重于對異構數據庫的共享，典型的共享方式包括基于元數據目錄服務的數據共享機制、基于空間數據網格的共享機制以及基于網關數據傳送機制的共享機制。在傳統的共享機制中，為了保證共享數據的安全性，會在共享之前對異構數據進行加密處理，這也就導致共享的透明性降低，在實際的應用過程中存在共享數據查詢速度慢、查詢受限等問題。

為了解決上述傳統共享機制存在的問題，引入自動化G/S模式，實現對信息空間異構數據的可視化共享，即在保證數據安全的前提下，最大程度的提高共享的透明度。自動化G/S模式也就是地學瀏覽器/空間信息服務器模式，可以存儲和交互不同種類、不同規模的數據。與傳統的C/S共享模式相比，解決了無法處理音頻、視頻等類型數據的缺陷，并簡化了數據查詢和調度的工作流程。通過自動化G/S模式的應用，對共享機制進行優化設計，以期提高異構數據的共享功能，間接的提升數據資源利用率。

1 信息空間異構數據可視化共享機制設計

1.1 挖掘信息空間異構數據

在信息空間環境下，利用關聯規則挖掘技術挖掘異構數據，在關聯規則的約束下對比數據，并將符合規則的數據提出，得出異構數據的挖掘結果。定義初始信息空間的異構數據中包含N個事務數據，最小支持數為mincount，則在數據挖掘過程中最小支持度可以表示為：

并以式(1)的計算結果作為挖掘的最小支持數要求，在此基礎上對異構數據庫進行第一次掃描，得出其中包含每個項目的出現次數，并生成候選項集C1。根據mincount要求得出集合L1，并執行L1L2操作，生成候選集C2，掃描異構數據庫對C2中的項目進行計數。同理可以得出L2、Cn和Ln。比對Cn和Cn-1中的項集內容，并將重復的剔除，直到Cn集合為空。經過對信息空間異構數據的連續迭代，得到信息空間異構數據的挖掘結果，并以此作為可視化共享數據。

1.2 多元異構空間數據轉換處理

多元異構空間數據轉換的目的是將數據轉換成相同形式，消除數據的異構性。數據轉換處理可以分為兩個部分，一個是異構空間數據向XML文檔轉換，另一個是XML文檔數據與信息空間數據庫服務器的相互轉換。該封裝器用于實現異構空間數據到XML文檔的轉換，該封裝器由幾個相互獨立的封裝器組成，每個封裝器對應一個數據源，如圖1所示。

圖1 數據轉換封裝器結構圖

從圖1中可以看出，文件解析組件用于解釋SHAPE文件，提取集合數據，解釋DBF文件，提取文檔對象樹屬性數據。將空間數據庫服務器中存儲的關系數據映射成XML文檔，并進一步轉換為SVG格式，實現空間數據在客戶端的可視化。圖2中顯示了具體的映射過程。

圖2 文檔數據與數據庫服務器的映射轉換關系圖

1.3 集成信息空間異構轉換數據

將轉換完成的數據存儲到數據端，服務器利用遠程技術訪問數據端的XML數據，并將數據映射到數據庫服務器中，通過分析和查詢操作，最終將操作結果上傳給客戶端。需要考慮的是在數據集成的過程中，信息空間還會產生新的異構共享數據，因此當多個異構數據源中的數據發生變化時，需要立即更新集成數據，保證異構數據與共享數據的同步性。

1.4 自動化G/S模式下構建共享瀏覽器緩存模型

自動化G/S模式由G端和S端兩部分組成，其中G端為任意終端，也就是共享機制中的用戶，在G端安裝通用的地學瀏覽器裝置，為了保證與服務器之間的有效交互，確定統一的地理標記語言為HGML，地理標記標準語言的基本數據類型如表1所示。

表1 HGML基本數據類型

G/S模式中的S端也就是信息空間分析的服務平臺，該部分由數據注冊中心、存儲云以及分布式文件管理模塊組成。在HGML數據傳輸共享標準的約束下，完成共享信息交互、解譯客戶端請求以及共享任務調度的功能。在自動化G/S模式下構建共享瀏覽器緩存模型，G端為了支持多類型數據存儲，HGML對緩存的異構數據進行描述管理，設置數據的存儲位置、更新替換等功能。G端緩存模型的設計結果如圖3所示。

圖3 自動G/S模式下G端緩存模型

通用瀏覽器的緩存機制主要基于緩存查詢和自適應緩存替換策略。在實際的運行過程中，G端接收一個服務器傳輸來的異構數據，并產生一個Key值。通過數據對象的Key值判斷緩存模型中是否存在該數據，若查詢結果顯示該數據已經存儲過，則新接收的數據進入緩存替換模塊，否則進入數據存儲模塊。通過建立多個緩存集合用來存儲不同類型的異構數據，根據異構數據對象的類型檢索對應的緩存位置，并對當前緩存模塊的運行狀態進行判斷。一般來講，緩存模塊的運行狀態可以分為正常存儲和存儲故障兩種狀態，若緩存模塊處于正常存儲狀態，且異構數據的存儲量小于緩存模塊的空間剩余量，則將該數據直接寫入對應的存儲位置上，否則進入緩存替換模塊。接收的所有數據完成緩存任務后，對G端的數據索引表進行更新。在共享數據的調用過程中，可以通過調取數據對象的Key和類型，執行讀取、刪除、存儲等操作，緩存命中完成后，返回請求數據，降低數據緩存沖突的發生概率，同時也提升存儲空間的利用合理性。

1.5 異構數據可視化發布

在構建的共享瀏覽器緩存模型中，除了共享異構數據外，還將異構數據對應信息空間不同側面的數據視圖以SVG文檔形式存儲，這些視圖是實現網絡環境下數據可視化的基礎。SVG文檔中定義了點、線、面等基本形狀，并通過調整文檔中數據的style屬性指定視圖元素樣式。當客戶端發出共享申請且通過后，自動化G/S模式調用相應的共享數據，抽取相應視圖進行合并重組，建立用戶可視化輸出的二維數據視圖。假設共享數據抽取了n個異構數據，且每個異構數據有m個數據側面，則可視化數據視圖集合可以表示為：

式中DBn為信息空間異構數據，的表達式為：

其中Ii和Pi分別對應的是DBn的指標集和側面數據項。那么在異構數據可視化輸出過程中，提取共享數據對應的視圖，并按照共享數據的排列順序連接視圖，實現異構數據的可視化發布。

1.6 實現信息空間異構數據可視化共享

為了保證信息空間異構數據共享的安全性，需要借助一個數據共享紐帶，也就是特定行業標記語言XXML。數據共享紐帶的建立過程如圖4所示。

圖4 共享紐帶建立流程圖

在共享紐帶中嵌入一個數據解析程序，數據解析的目的是對加密的異構數據進行解碼處理，提升數據資源的查詢、調用效率。若多個用戶同時提交共享申請，為了避免中心服務器可能會出現提交負載不及時的問題，需要對網絡負載進行均衡調度。定義異構數據共享線程中，節點的處理時間和速度分別為ti和vi，則存在如下關系式：

考察共享平臺中的第一個數據節點，并對公式4進行調整。假設共享平臺中剩余的數據節點均按照內部最佳調度策略進行處理，則剩余節點序列Nj中負載最大節點所消耗的調度處理時間為：

式中p1為共享負載最大節點。要保證共享過程中各個節點的負載均衡，提高共享任務的并行處理能力，則要求式(6)中的條件成立。

那么在自動化G/S模式下為每一個數據節點建立一個臨時變量，設置臨時變量的初始值為0，分別記錄可視化共享的起止時間，得到各個節點的任務耗時。根據任務耗時的統計結果，按照由小到大的順序排列節點序列，并按照序列順序分配與提交共享任務。根據實時節點的處理進度，對共享任務順序進行調整，直到所有節點完成異構數據可視化共享進程。

2 共享性能測試實驗分析

為檢驗設計的基于自動化G/S模式的信息空間異構數據可視化共享機制的可行性，設計性能測試實驗。實驗的核心目標任務包括：設計機制是否能完成異構數據注冊、傳輸、可視化和共享任務，是否具備數據共享和交互操作能力。

2.1 配置測試實驗環境

為了保證實驗變量的唯一性，實驗選擇地質異構數據作為實驗的研究數據對象，并以地質數據共享平臺作為實驗的主要運行環境。在實驗環境中安裝計算機、服務器和數據傳輸網絡設備，并在主測計算機上安裝共享平臺軟件程序，得到平臺的運行主界面。計算機和網絡服務器選擇的操作系統分別為Windows XP和MicrosoftIIS6.0。由于設計的異構數據可視化共享機制應用了自動化G/S模式，因此需要在實驗環境中配置相應結果，保證該模式的正常運行。除了主測計算機外，搭建主機主測中心和數據存儲環境，并模擬多個虛擬用戶主機，用戶主機在測試S端接口時可以使用瀏覽器直接訪問，而在測試G接口功能時，需要利用客戶端程序進行具體測試。實驗環境中的網絡運行服務器上均安裝TomCat 6.0.18，并分別在兩個服務器設備上部署S端數據注冊程序和G端檢索服務程序。

2.2 準備信息空間異構數據共享樣本

為了給共享性能測試實驗提供大量的數據支持，在實驗環境下分別構建ArcIMS和GeoBeans WebGIS兩個信息空間，且每個信息空間帶有不同數量的異構數據。準備的實驗信息空間和異構數據均存儲在實驗數據庫中，方便數據調用。實驗數據共享樣本的準備情況，如圖5所示。

圖5 信息空間異構數據共享樣本

另外異構數據的共享需要一定的權限，因此需要在共享平臺上對導入的數據樣本進行注冊，保證樣本數據的可讀性。

2.3 設置共享性能測試指標

實驗分別從共享性能和應用性能兩個方面進行具體測試，其中共享性能的測試指標為共享信息的讀寫傳輸速度，該指標就是讀取共享信息讀取/寫入任務的輸入時間到讀取/寫入結果的輸出時間，讀寫越快，證明共享效率越高，共享性能越優。另外應用性能的測試，主要就是將設計的共享機制應用到共享平臺中，觀察平臺節點負載的變化情況和共享數據丟失情況，統計輸入異構數據樣本與共享接收數據樣本之間的數據量大小，通過兩個數據的相減計算，便可以得出量化的數據丟失結果。

2.4 描述共享性能測試過程

為了形成實驗對比，除了設計的異構數據可視化共享機制外，還設置了傳統數據共享機制和基于元數據的共享機制作為實驗的兩個對比項，具體的共享運行方案如表2所示。

表2 共享機制運行方案

將共享機制與準備的共享數據樣本存儲空間之間形成連接，并在共享平臺的驅動運行下，得出共享輸出結果，其中設計共享機制的可視化輸出結果如圖6所示。

圖6 信息空間異構數據可視化共享輸出界面

分別設置異構數據讀取、寫入、查詢等任務，調取共享平臺的后臺運行數據，并記錄相關的測試數據，其中共享數據查詢輸出結果，如圖7所示。

圖7 異構數據共享數據查詢界面

2.5 共享性能測試結果分析

為了保證實驗結果的可信度，采用多次實驗取平均值的方式得出測試結果，其中共享性能的測試結果，如表3所示。

從表3中可以看出，三種共享機制的平均讀寫耗時分別為1.35s、0.75s和0.44s，即設計可視化共享機制的共享傳輸速度更快，共享性能更高。同理可以得出三種共享機制在共享平臺下的應用測試結果，如表4所示。

表3 共享性能測試結果

從表4中可以直觀的看出，兩種對比共享機制均存在不同程度的節點荷載分布不均的情況，而應用設計共享機制，節點負載均控制在區間[22，25]之內。從共享數據丟失情況來看，應用三種共享機制對應的數據丟失量分別為2.24MB、1.53MB和1.03MB。

表4 共享機制應用性能測試結果

3 結語

綜上所述，通過自動化G/S模式的應用能夠有效的提升共享機制的運行性能和應用性能，對于信息空間而言具有較高的應用價值。然而在共享性能測試實驗中，未考慮到共享平臺多并發數的情況，針對這一問題還需要在今后的研究中進行補充。