数字城市通信协议系统的体系结构解析

数字城市的基本内涵是利用现代信息技术（包括电脑技术、通信与网络技术、多媒体技术和GIS/GPS/RS技术等）实现城市中各行业、各领域的信息化，并将城市中的众多信息孤岛连接起来形成一个整体。继而以数字城市为基础，逐步实现地域数字化，乃至全国的数字化。自上世纪末以来，数字城市已经被许多大中城市列为重点发展方向，逐步在世界范围内形成建设的高潮。
　　在数字城市的建设中，传统信息领域的技术及其应用已经比较成熟，一般都有较为全面系统的标准与规范。然而，作为数字城市中重要的建设基础与内容，控制与集成却还处于一种较为无序的状态，多种标准共存，没有统一的标准可遵循，系统之间的互联和互操作性很差，根本不能满足数字城市对信息化的要求，在数据信息的可得性方面存在着很多困难，更谈不上数据信息的可用性问题。
　　以以太网和无线技术为代表的通信技术已经在工业控制、智能建筑等自动化系统中得到广泛的应用，可以说以太网+TCP（UDP）/IP已经成为“事实上”的工业标准。这解决了系统的互联和数据的可达性问题。在数字城市中，控制与集成有其自身的特殊性和行业应用背景，不能简单地将信息领域的标准与规范移植过来。因此，必须根据该领域的特征与具体应用相结合，制定该应用领域的通信协议标准规范，总结出该领域的基本特征、系统框架、模型和技术规范。
　　国家有关部门组织控制和系统集成标准起草，对数字城市、智能建筑中控制和系统集成的通信协议等进行标准规范建设。本文将提出控制和系统集成的通信协议的系统结构，从总体上给出该应用领域的系统框架与模型，是该标准规范的基础与核心部分。

体系结构
　　2.1 标准范围
　　在数字城市的控制与集成中，核心的基础设施是一些硬件设备及软件系统构成的信息站点（单元），它们是各控制管理系统的基本单元，也是信息数据的基本处理单元。每个信息站点一方面管理自己内部的各种硬件、软件和数据资源，同时为其它信息站点或用户提供各种类型的服务。因此，本标准是在国际互联网协议TCP/IP传输层以上规范信息站点中各种资源和服务的外部互操作特性，规范系统的应用通信协议，使之能够有序协调工作。在此体系结构中，主要包括信息站点模型，信息站点中的资源模型、通信模型、服务模型，以及分布式系统的模型。
　　
　　

2.2 站点模型
　　信息站点是实际系统中基本的组成单位，每个信息站点各自都是一个相对独立的系统。在硬件上对应于一定的设备，包含一些基本的物理模块，如传感器、控制器、执行器、网络接口等基本部件；在软件上，则包含一个能够独立自主地运行的应用系统。通常，信息站点的系统结构可以用图2来表示，主要可以分为六大部分。
　　1） 首先是基于IP网络的通信部分，主要负责与其它信息站点和控制系统进行交互通信，实现信息交流和系统控制。
　　2） 基于简单对象访问协议SOAP的消息传输、控制和访问部分，实现上层的服务与下层的网络通信的连接，使应用服务成为可能。
　　3） 服务接口部分，提供标准的应用服务接口，一方面信息站点的所有对外的功能服务都通过标准的服务接口来展现，另一方面，外界通过标准服务接口来访问和调用信息站点内部的功能，完成一定的任务。每个信息站点都提供几种基本的通用服务，包括读（Get）、写（Set）、通告（Notify）、添加（Add）、删除（Delete）等服务。外界对服务的访问是通过下层的SOAP来进行的，并将服务的结果通过SOAP反馈回去。而服务的具体执行过程则需要操作和利用信息站点内部所包含的资源对象。
　　4） 控制管理内核是信息站点的核心部件，也称之为中央控制器。它主要具备两个方面的功能：一是统一管理和调度信息站点的所有资源，包括信息站点的基本描述、组成对象、安全等对象资源；二是接受外界提交的服务请求，通过调度和执行完成相应的任务，并以服务的形式返回给外界。
　　6） 另外一块是信息站点的安全管理部分，它在网络之上提供基本的安全检测、验证、加密、解密等基本管理功能，以保证信息站点软硬件和数据的安全。
　　
　　图2. 信息站点的系统结构模型
　　以上就构成一个标准的信息站点系统模型，是一套相对独立的系统，能够独自地完成相应的任务。信息站点的基本运行过程是：
　　1） 控制管理内核自主地运行着，控制、管理和调度内部的基本对象和逻辑对象，并按既定的程序执行相应的任务；
　　2） 当外部通过网络向信息站点提交请求时，通过SOAP协议的转换而调用标准的服务接口；
　　3） 标准的服务接口传递映射给控制管理器，由控制管理器来调度相应的对象资源，并执行相应的功能模块，完成指定的任务；
　　4） 任务执行的结果通过标准的服务接口返回，再经过SOAP协议的转换与封装，最后通过网络输出给外界。
　　

2.3 信息站点的资源模型
　　每个信息站点所包含的资源主要可以分为基本配置对象、资源集成对象、功能模块对象和I/O对象。图3给出了信息站点的资源模型。其中基本配置对象包括根对象（Root）、设备对象（Device）、同步对象（Sync）、通告对象（Notify）、服务对象（Service）和安全对象（Security），其中红色的对象是信息站点必须具备的对象。I/O对象包括其中数字对象、模拟对象、多态对象、串行对象等。功能模块对象包括PID控制、开关控制、算术逻辑运算等功能模块。集成资源对象主要应用于系统集成，并不是所有信息站点都有的，包括三个方面的集成：资源、过程和信息交换，其中资源集成部分主要包括通信网络、设备、人员、材料、装备等资源。
　　在信息站点的资源构成中，通常一个信息站点必须包含信息站点根对象、设备对象、服务对象、通告对象和同步对象，此外，针对具体的应用，需要包含一些相应的I/O对象、系统集成对象和复杂功能模块对象。
　　n 根对象，是所有资源的根，使用信息站点标识来唯一标识每个信息站点。
　　n 设备对象主要包含信息站点的一些基本信息和描述，如信息站点的标识、物理地址、位置等基本属性。
　　n 服务对象主要对信息站点所提供的服务进行描述。
　　n 通告列表对象中是由一组通告对象所组成，每个通告对象是一个实体，它指明了通告的源端通告内容和目标信息站点地址，在逻辑上完成了从源端信息站点的某个资源到目标信息站点的一个连接。
　　n 同步列表对象则是由一组同步对象所组成，每个同步对象指明了目标信息站点的哪个对象应该跟源端信息站点的哪个对象保持同步，即需要将源端信息站点的某些对象赋予给目标信息站点的指定对象。
　　
　　图3. 信息站点的资源模型