基于SOA的有害生物治理管理系统研究

乐 毅, 范国华, 吴云志, 张友华, 吴国栋

(安徽农业大学信息与计算机学院,安徽合肥 230036)

0 引 言

可持续农业是现代农业的发展趋势,其核心是保护人类生存的自然环境以及保护农业赖以存续和发展的自然资源[1]。有害生物综合防治IPM(Integrated Pest Management,简称 IPM)概念自从1961年Geiser等首先提出后,经过40多年的发展,已经成为现代农业科学技术革命的典范。目前IPM概念已经被人们普遍接受,IPM形式在世界各国广泛传播,如在美国人们对身体健康及影响健康的环境因子特别关注,对农作物施用化学物质(包括化肥、农药)特别敏感,对有机食物的喜爱促进了IPM事业的发展。联合国粮农组织以项目的形式实施东南亚国家水稻IPM项目多年(1983年至今),世界银行也在多国组织开展水稻、小麦、棉花、果树、蔬菜、玉米、大豆等作物的IPM研究与推广工作。安徽省自1988年参加“中国/FAO亚洲水稻IPM 项目”以来又于2000年开始实施棉花等IPM项目[2]。

安徽省有害生物综合治理一直是由植保部门实施的,传统的植保信息管理系统是以地区为中心自我研发和维护的一个独立的封闭系统,使得系统存在以下几方面的问题:信息采集方式多样,数据格式不统一,地区之间存在较大差异;各地区之间数据离散化和利益局部化,全省植保数据不能实现充分共享和利用;数据更新手段落后,预测手段原始,经验占有主导地位;同时使用多种设计语言、开发环境、信息存储模式等不尽相同,实现的功能经常是针对一种或者一类病虫害,不同功能的IPM系统无法实现整合重用,不能从整体和全局角度考虑。

本文提出了一种采用SOA(Service-Oriented Architectures,简称SOA)架构思想构建省级植保IPM系统的解决方案。SOA架构下的IPM系统采取面向服务的架构思想,采用交互式和重用性开发模式,开发周期短,以业务服务为中心,独立于具体实现业务服务的硬件平台、操作系统和编程语言等细节,服务是敏捷和松耦合的,能够升级单个服务或服务消费者而无需重写整个应用,也能够取消已经不再适用于新需求的现有服务,因而能够灵活方便地实现不同功能的IPM系统业务服务的整合重用。

1 系统简介

1.1 概念介绍

SOA是一种以服务为导向的软件开发思想,服务之间通过简单、精确定义的接口进行通信,独立于具体实现服务的硬件平台、操作系统和编程语言,是易于管理的各种粗粒度、松耦合的服务架构模型。其目的是为了适应不断变化的业务需求,最大限度地重用应用系统中已有的业务服务,快速方便地实现所有业务服务的整合应用,以提高软件适应性和开发效率[3,4]。

IPM是一种农田有害生物种群管理策略和管理系统,它从生态学和系统论的观点出发,针对整个农田生态系统,研究生物种群动态和相联系的环境,采用尽可能相互协调的有效防治措施并充分发挥自然抑制因素的作用,将有害生物种群控制在经济损害允许水平以下,并使防治措施对农田生态系统内外的不良影响减少到最低限度,以获得最佳的经济、生态和社会效益[5,6]。

1.2 安徽省植保数据平台建设内容

安徽省植保数据共享平台建设内容:①省级共享平台建设,实现多样数据采集,全省共享,动态维护的管理方式,建立全省植保信息化共享平台;②地区之间信息交换和共享,建立覆盖全省植保信息网络,实现植保网的互联互通,实现群防群治的全省有害生物防治预警网络;③建立覆盖全省植保服务网络,建立省市县三级植保网络和覆盖全省农村的声讯和网站查询和咨询系统,建立24 h短信服务机制,提高农村植保覆盖面,拓展植保服务三农的深度;④建立科学植保分析统计和预测决策系统,依托共享信息数据,设计符合决策要求的数据仓库和智能决策支持软件,为农民朋友提供科学及时的植保分析信息、预测结果和防治方法。

1.3 实验架构

通过对SOA的实践,设计出了基于SOA的IPM系统的实验框架,框架由应用接口层、服务实现层、系统核心管理层以及数据层组成,如图1所示。

图1 实验框架图

1.4 各模块说明

(1)IPM Client Web。它处理整个应用的用户界面部分,也可以用其它的 MVC架构,Struts2是目前的主流MVC架构,在实际系统中大量被采用。用户输入病害、虫害、农药名称查询相应的信息;管理员添加病害、虫害、农药信息;专家输入咨询编号获得用户咨询的问题信息;输入统计数据获得病虫害发生周期和发生级别,输入作物名称或月份获得相关的周期预测信息记录,输入客户端编号获得监测信息,然后做出相应的处理。

(2)信息系统总线。该模块将各种服务进行集成管理,是 SOA架构的核心技术[7,8]。使用BEA AquaLogic Service Bus,集中管理各种Web Service,并在所管理的服务之间实现消息路由,作为信息处理的代理。

(3)IPM Web Service接口。该模块建立标准化的业务服务接口,是SOA得以提供标准化服务的基础,将业务服务接口层和业务服务实现层完全分离开来,实现不同IPM业务服务系统之间的集成。使用Session Bean实现IPM应用服务的业务逻辑,将Web服务器和应用服务器分离开来,并提供远程分布式调用接口。

(4)信息存储模块。该模块存储和管理IPM系统相关信息,使用Entity Bean封装了应用服务对数据库的所有操作,实现业务逻辑层和数据库操作层的分离,即不需要在业务逻辑层编写SQL语句。

2 服务简介

2.1 服务内容

(1)查询服务。用户通过查询服务输入相关信息便可以快速方便地获得所需要的病害、虫害、农药信息。

(2)咨询服务。用户遇到病虫害疑难问题时,可以通过咨询服务提交问题咨询农业专家,使问题得到经济快速的解决。

炼山是造林的一个重要工序，对于造林的效果有很大帮助，不仅能够收集林木所需的草木灰，而且能够改变土壤环境，去除病菌。因此，为了能够更好的改善造林技术，早造林的前一年冬季需要进行相应程度的炼山，对林地进行清理，伐根要求在20cm以下。炼山应在上一年伐区于次年1月底前完成；当年伐区当年造林的在交付伐区后1个月内完成。

(3)预测服务。专家通过预测服务预测未来一年里可能发生的病虫害及其发生程度,并制定相应的防治计划发布给用户,用户浏览预测信息后采取有效的措施防治病虫害,降低经济损失。

(4)监测服务。客户端监测仪器监测农田的气温、降雨量、日照时长及识别已经发生的病虫害,然后将监测信息反馈给服务系统。专家通过监测信息预测出短期内可能发生的病虫害,并制定出相应的防治措施。

2.2 实现方法

首先在Eclipse+Struts+Spring Framework环境下创建基于Struts的IPM MVC Web应用,在此基础上创建Session Bean实现Java分布式应用开发,接着建立数据库并创建相应的Entity Bean实现对数据库表的操作,然后基于Axis创建IPM Web Services提供标准化的业务服务接口,最后基于已有的 IPM Web Services创建SOA架构下的IPM业务服务,并实现所有业务服务的整合应用。

2.3 预测服务

在所有服务中间,预测服务是整个IPM 的最重要的一个服务。预测服务的效率体现了IPM服务的高低,因为在农业病虫害管理中,“防重于治”是农业病虫害治理的一个核心原则。安徽省的数据农业病虫害预测预报工作起步较晚,各方面的数据录入并不完善,一组数据项中仅有一条或者几条数据,为预测带来了不便,在设计中使用植保气候功能区划分方式解决这个问题。把全省划分为:江南丘陵、长江沿岸等6个植保功能区,解决预测决策中属性值缺失的问题,实践应用取得了较好的决策效果。整个预测服务使用带有决策权重的决策树为核心算法进行预测分析,效果显著,预测准确率达到90%以上[9],如三化螟的预测过程如图2所示。

图2 带权重决策树的预测分析

2.4 基于本体的植保语义Web服务

全省的信息网部署了分布式本体知识,解决了安徽省南北方方言差异大和农民植保术语不规范的问题,利用本体库中同义词实现智能快速植保信息检索和发布。本体利用语义网为信息载体,语义网为Internet上的信息检索提供计算机可以理解的植保语义,从而能够满足农民朋友用不规范的方言对Web上异构、分布式信息的有序检索和访问,实现了网上信息资源在语言的语义层次上全方位互联,并在此基础上实现了更高层次的基于知识智能决策应用。对于基于SOA的植保网络,载有本体的语义网可以提供植保术语的语义环境支持,从而提高面向植保咨询服务应用的智能程度和互操作能力。没有植保同义词语义的支持,服务应用只能在语法层次上进行互操作。而在本体语义网的支持下,面向服务的应用可以在语义层次上达到互操作,服务查询匹配的准确度会有较大提高,对地区方言和不规范术语查询也能得到很好的支持。

基于语义网的本体分布式结构[10],如图3所示。

图3 植保语义本体分布式结构图

本体语义Web服务是安徽植保网的重要研究领域,通过本体库的地区建设解决本体建设中领域知识需要专门人员参与的难点,实现领域知识和存储结构的分布式部署。通过Web服务的植保术语语义的描述,使专业人员和农村用户均能一致地理解和使用Web服务,并实现Web服务的自动发现、组合、互操作和监控,因此植保本体和规则学习技术及Web服务技术将使得SOA更具有智能和自动服务,在持久层描述上实现了植保信息的数据集成。

3 实验结果及讨论

基于SOA的有害生物治理管理系统使用JavaEE的Spring Framework企业业务架构集成相关服务组件模块。

(1)数据查询和集成模块,使用Spring框架按照服务总线协议规范集成服务模块,对传统的业务、异构数据库实现集成和封装异构访问服务,实现访问接口的一致性。

(2)数据源服务是提供格式一致的数据,在XML数据格式的基础上对结构化和半结构化数据以及基于语义Web的本体数据进行统一格式数据访问,支持数据访问同步,保持系统数据一致性。

(3)服务流程控制模块(含智能分析),使用Web Services实现单个业务流程服务发布,使用Spring特有组件对服务流程进行定制,并且对检索实现某种语义层次分析,达到语义层次上检索的一致性。

(4)服务视图模块,主要支持用户界面的重用,实现对WebGIS视图和JavaEE企业架构视图服务整合[11-18]。

根据上述设计策略,设计出了基于SOA的IPM系统的实验架构,实现了IPM系统业务服务的构建、发布和管理,完成了IPM系统业务服务的整合和应用,封装了负载均衡算法和集群管理模式。在实验过程中使用WebGIS对安徽植保信息进行基于地理信息的管理,实验结果如图4和图5所示。

图4 安徽省稻飞虱查询结果

图5 安徽省稻飞病虫趋势图

实验结果表明,SOA架构下的IPM系统解决了传统IPM系统难以整合重用的问题,能够准确有效地管理已有的IPM业务服务,能够灵活方便地实现不同功能的IPM系统业务服务的整合重用。

4 总结与展望

基于SOA的有害生物治理管理系统的实现分为3个阶段:选择语义查询服务作为SOA的切入点,引入了SOA架构,该阶段已经完成;建立一个基于JavaEE应用集成平台,该平台独立于应用,使用SpringFrameWork业务组件实现应用复用与组合应用;所有服务组件已经服务化,所有的服务在系统架构内实现应用共享和相互调用,设计一个组件协调中心,后面2个阶段是今后一段时期内的主要任务。

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