基于CIM的高校信息集成平台研究与设计

张强忠

（大连理工大学 网络与信息化中心，辽宁 大连 116024）

0 引 言

高等教育界的信息化建设这些年取得了重要的进展，尤其是国家提出创新型的建设思路，进一步激发了企业技术创新的热情与动力，作为教育信息化的直接受益者，高等学校的硬件资源建设已经达到了新的高度，而伴随着教育信息化发展的两个方面，“硬件”与“软件”发展的不平衡成为高校信息化建设的一个显著特点.在具备了较为完善的网络以及硬件资源之后，高等学校下一步的重点将是建设以应用系统和信息资源建设为重点的数字校园.近几年，在国家“211工程”以及“985工程”的大力支持下，一些高校在信息化建设理论研究与工程实践方面取得了新的成绩；但是由于我国高校类型较多，不同高校的业务模式差别较大，高校内部业务成熟度普遍不高，在进行信息化建设过程中，缺乏成熟的高校信息化理论和通用的模式的支撑，重“建设”而轻 “整合”，“信息孤岛”现象普遍存在.为了实现信息共享和交换以消除信息孤岛，一些高校及教育信息化软件提供商在信息集成过程中建立了自己的信息标准、技术平台.目前现有的信息集成方法挑战主要表现在（1）保护现有投资和用户资源的要求.随着高校信息化系统的发展，用户电脑里大多要运行多套信息系统，由于这些系统通常是分步进行建设的，必然存在系统的更新换代问题.传统系统换代存在如下问题：①当对旧系统进行更新时，由于系统平台不兼容，原来一些稳定可靠运行的软件不能保证继续稳定运行，学校积累的历史数据资料不能保留；②如果使用的是第三方软件，在用户对现有的功能进行扩展时，因为接口专用性，必然造成一些信息系统要重复建设；③在系统功能进行更新换代招标时，第三方软件的接口问题往往迫使学校选择原来系统的厂家，而缺少选择最好的应用软件的余地，受制于人.综上，对用户而言，进行应用系统接口的标准化工作其意义是非常重要的.（2）高校信息化的要求.集成平台研究与实现需要高校信息化市场的有序发展，要实现信息共享首先要保证信息安全，所以要根据不同种类信息、不同紧密程度和不同速度要求进行系统集成，相互间以标准方式交换数据.市场环境下的信息化系统比较多，不同厂商产品必须通过标准的接口实现互联及信息资源共享.（3）业务变更对信息集成影响的要求.业务系统的更新换代影响着应用集成的稳定性.因为依据学校信息标准在现有业务系统上的数据集成工作量巨大，会造成信息集成不稳定.

因此如何统一、科学、规范地分类和描述信息，进行信息的有效整合，发挥信息资源的综合效益已成为高校信息化建设中面临的一个重要课题[1].因此如果能够在教育领域，借鉴国内外其他行业的先进思想，关注业务关系及标准，就能够在高校信息集成过程中充分发挥技术平台的服务整合优势，真正从应对业务变革这一根本目标，去保护高校原有URP系统的技术投资，降低维护成本，进一步提高多个系统协同工作的简易、高效、稳定、可扩展性强的集成目标，满足校务工作对系统整体性的要求，就可以使数字校园信息集成平台发挥更大的作用和优势.

到现在，业界还没有形成一套标准的教育院校EAI建模标准及过程.面向如何构建高校信息管理的统一模型这一问题，本文试图利用电力系统信息化广泛使用的CIM（common information model，公共信息模型）建模的一般方法，对高校信息数据进行建模和描述，实现在不同业务应用间的数据共享CIM编码规范，从而为高校信息系统各个应用之间提供支持平台.

1 高校信息一体化特征

高校信息化是指随着现代信息技术的发展，高等院校根据自身发展的需要，采用先进的信息技术来构建数字化校园，从而提高管理效率、强化教学质量、促进科研教研、提升服务水平的过程.其以高性能校园网为基础，实现教务管理、教学资源管理、科研管理、后勤与服务管理的全面整合，实现信息化增值服务[2].

“数字化校园”是指利用计算机技术、网络技术和通讯技术对高校中的教学、科研、管理和生活服务有关信息资源进行全面的数字化，并用科学规范的管理对这些信息资源进行整合和集成.通过严格和科学的权限控制，把高校校园网建设成面向校园，也面向社会的一个开放的大学，使高校的资源数字化、管理自动化、教学网络化、决策智能化、校园信息化[3].

所谓“一体化”建设思路，是在综合考虑学校信息化建设的现状与需求的基础上，从全局和整体的高度规划学校信息化建设的方针、策略、发展规划与实施计划，全面考虑硬件环境建设、应用系统建设、管理规范建设和支持机制建设，按照规划协同地推进学校信息化，从业务的全生命周期去看待应用系统的建设，比如，对学生的管理可以从招生、学生日常管理、学生培养、毕业、校友管理来分析系统的建设，对国有资产的管理也可以从全生命周期的角度去分析系统的功能及应用[4].

当前中国高校已经步入全面信息集成时代，包括香港大学在内的香港7所大学、浙江大学、大连理工大学正在尝试实施基于SOA架构的一体化校园应用系统，然而在CIM领域的研究仍属空白.

2 CIM的基本内容

国际电工委员会（International Electrotechnical Commission，IEC）发布的61970工业标准CIM用于描述电力系统的基本特征，代表电力企业中的主要生产和管理对象.

CIM是一个抽象模型，它描述电力企业的所有主要对象，特别是那些与电力运行有关的对象.通过提供一种用对象类和属性及其之间的关系来表示电力系统资源的标准方法，CIM方便了实现不同卖方独立开发的能量管理系统（energy management system，EMS）应用的集成，多个独立开发的完整EMS系统之间的集成，使得EMS的应用软件组件化和开放化，能即插即用和互联互通，降低了系统的集成成本，保护了用户资源[5].

CIM模型作为一种面向对象的信息模型，提供了一种描述管理数据的概念框架.CIM模型标准包括了CIM规范和CIM模式两个部分.CIM规范提供了模型的正式定义，它描述了语言、命名、元模式和到其他管理模型（如SNMP MIB）的映射技术；CIM 模式则表示出了实际模型的描述.CIM模型由核心模型、公共模型和扩展模型三层构成.核心模型是一系列类、连接和属性的集合，该对象组提供了所有管理域通用的基本信息模型；公共模型提供特定管理域的通用信息模型，这些特定的管理域包括应用程序、系统、设备网络等；扩展模型代表通用模型的特定技术扩展[6].

通过CIM 建模，对管理域中实体对象的抽象，分别用操作、关系和属性进行表示.CIM模型独立于具体的平台、应用、协议与数据库，所以不同的开发商提供基于CIM模型的不同平台的应用都要用标准的数据格式来表达管理数据，才能保证多种应用间的数据共享.在特定管理域的CIM建模是在公共模型和核心模型的基础上进行扩展，所以CIM建模是一种通用方法.

CIM领域建模采用RUP（rational unified process，统一软件开发过程）方法论和面向对象分析方法建立针对各业务领域模型.CIM规范使用统一建模语言（unified modeling language，UML）表达方法，将CIM 定义成一组包.一个包是一般意义上将相关模型元件分组的方法，没有具体的语义意义.包的选择是为了使模型更易于设计、理解与查看，公用信息模型是由一整套包所组成的，实体可以具有越过许多包边界的关联，每一应用将使用几个包所表示的信息[7～10].因为要建设全部高等教育管理的CIM模型是一个比较长期的工作，本文着重开展以学生为中心的业务域CIM模型的建设，通过包的方式来组织与管理CIM实体.主要分为下面几个包：公共包、招生包、教务包、学籍包、资助包、就业包、社会服务包.

3 高校CIM模型信息集成平台设计

基于面向服务体系结构（service－oriented architecture，SOA）的高等教育应用集成平台，在建设过程中因为没有统一的领域模型，易产生业务组件的粒度控制问题及Web Service接口经常变化等问题，造成应用集成工作的不稳定性，应用集成的TCO（总拥有成本）增加.本文在对基于SOA的高校信息集成平台深入研究的基础上，从信息集成的角度分析，提出了利用CIM设计基于SOA的高校信息集成平台的解决方案，最终满足了不同级别的业务需求，同时避免“信息孤岛”的出现.

3.1 CIM信息集成平台架构

SOA的高校信息集成平台中，采用SOA技术路线，建设公用的服务总线，集成的业务系统通过构建在服务总线上的通用数据访问接口（GDA）操作CIM公共信息模型，降低业务变更对信息集成的影响.

内部业务对学校已有业务系统提供统一的服务，即通过集成的方式，在学校现有业务系统的基础上，实现内部业务同学校现有业务系统的关联.例如，SSO系统通过服务总线，以CIM模型提供全校统一的身份认证服务；已经建设完成的财务系统，按照CIM模型，通过服务总线，提供统一的财务信息域的CIM服务，为一站式的财务信息域服务中心提供业务应用.

在一体化系统设计时，通过遵循国标、部颁数据标准及学校需求对CIM实体进行定义与描述，形成具有良好扩展性的CIM模型.在此基础上，通过进行实体封装，完成信息系统基础组件的构建，然后根据不同业务的需求进行一体化系统的组装，提高了系统的柔韧性和适应性，保证与其他系统顺利集成.

图1为基于CIM的集成平台架构整体，其整个业务系统架构是以CIM模型作为交互标准，以数据总线作为交互中介，完成内部业务之间及内部业务与学校已有业务系统之间的关联.通过应用集成平台把要集成的应用功能封装成服务，首先封装的服务依照集成标准CIM和GDA接口规范封装成webservice程序，其次将封装的服务注册到服务总线（ESB）上.服务使用方向服务总线请求服务，来实现应用集成.集成平台提供的是总线型的应用集成策略.

图1 基于CIM的集成平台架构Fig.1 General structure of integrated platformbased on CIM

3.2 CIM交互组件设计

本文研发的系统平台是通过Service broker来调用的，服务接口开发规范包含客户端、业务逻辑对象开发规范与服务调用报文规范等.

服务调用接口采用标准的Web Service实现，兼容 WebLogic、Apache Axis 2、WebSphere等应用服务器或者其他Web Service开发平台开发与部署，采用Facade模式，提供唯一的服务调用入口Web Service，使用一个 Web WSDL文件描述.全部的服务调用都通过唯一的Web Service接入，所有的调用客户端都通过唯一的 Web WSDL文件了解该服务接口，并且依据这个Web WSDL文件开发服务调用的客户端.

服务框架提供标准的服务调用规范API和相关文档，外部系统可以遵循该规范使用该系统内提供的服务.调用客户端可以从集成框架按照需要下载要调用服务的客户端API类库，客户端代码开发也可以是自动生成或模板化.

依据调用规范，通过调用接口实际调用远程的其他业务系统提供的Web Service时，系统采用了服务调用的代理（Proxy Broker）模式实现具体的调用，系统同时支持按照计划任务执行调用服务.图2为CIM集成平台体系.

图2 CIM集成平台体系图Fig.2 System chart of CIM integrated platform

应用集成框架提供服务注册、服务查找等业务逻辑服务管理功能，管理员可以通过管理控制台，进行服务调用权限管理，对服务性能进行监控.

性能监控遵循JMX规范，运行时可以通过服务性能MBean对象获取每个服务调用的性能数据.这样可以兼容支持JMX规范控制台系统，同时可以通过标准的JMX API扩展管理平台.

平台采用基于角色（RBAC）的授权，已注册服务作为系统中的授权对象，其他系统的安全架构可以通过内置安全适配器介入EP－BSP系统.例如角色识别与用户认证可以利用已经存在的LDAP实现.本系统已实现了权限的检查、日志、审计与配置等功能.

集成平台依据810＿552－4CIMXML Model Exchange Format与IEC 61970－403GDA接口规范实现了数据访问服务.开发和业务设计人员一起建立基于CIM规范进行定制和扩展的领域的CIM模型.

用RDF对集成框架CIM模型的元数据进行描述，类、关系、属性的规范通过CIM/RDF进行描述.元数据不仅包括CIM模型数据，同时包括映射配置的数据.集成框架提供了对模型元数据的查询、同步与更新等服务.元数据接口的具体实现，既可以基于RDF文件实现，也可以基于数据库实现.图3为CIM元数据管理实现原理图.

图3 CIM元数据管理实现原理Fig.3 Realization principle of CIM metadata management

由于本文进行的是探索性研究，为避免规划范围太广，重点关注以学生为核心的业务领域关系，并尝试以招生与教务两个紧密关联的业务领域为例，进行模型关系上的推演.根据实际业务分析，把CIM中的实体组织定义为多个包.

下面以学生管理相关业务的实体化为例，说明基于CIM的招生、就业与教务等相关包的关系，详细如图4所示.

图4 部分包关系图Fig.4 Partial package relations chart

以招生包为例，实体化招生包主要包含考生、入学考试科目等17个实体以及对应关系.详细如图5所示.

3.3 CIM系统集成平台部署

应用集成平台部署在ESB之上，其他应用系统分别在ESB部署自己提供的服务，并创建服务代理.服务调用方通过应用集成框架使用这些服务.集成平台提供的代理服务调用应用系统的服务，然后返回结果给使用方，服务使用方不必知道服务提供者的实际位置，只要通过集成平台获得调用规格.

共享库真正实现了公用数据在全校范围内不同应用系统之间的自由流动，图6为平台部署模型.

应用集成的开发人员按照集成应用平台提供的对象开发规范进行程序代码的实现，再通过集成应用平台提供的开发工具把业务对象转换为服务程序代码，并启动服务的运行.

图5 招生包Fig.5 Package of student enrollment

图6 平台部署模型Fig.6 Platform deployment model

开发者通过集成应用平台提供的管理界面注册服务，输入开发完成的服务及相关参数，如服务所在地址、描述信息、端口、业务对象接口等.

应用集成平台所属管理员进行注册服务的审核，进行方法设置与服务调用的权限配置.图7为应用集成框架服务相关实例.

服务消费者通过集成应用平台提供的服务搜索找到要使用的服务接口.

应用集成平台提供服务注册与查找.在使用的过程中，提供性能监控、身份认证、授权管理等功能.

服务使用者访问应用集成平台中已经登记的服务时，如果被使用服务登记信息表明该服务使用外部系统提供支持的，应用集成平台会依据登记信息使用Web Service完成外部服务的调用，然后服务使用者会接收到返回的结果数据.在这个过程中EP－BSP成为Proxy Broker，应用集成平台充分展现了作为应用集成服务平台的价值.

应用集成平台包含一系列为CIM数据提供的服务，包括CIM更新与CIM查询等.图8为应用集成框架CIM数据服务.

服务提供者由特定的业务系统构成，应当遵循应用集成平台规范进行Business Object开发，并且完成服务的部署.业务系统提供的服务程序在本地服务器上执行.应用集成平台提供了服务注册界面，可以进行业务服务的注册，包含服务描述、服务位置、服务接口等相关信息.

图8 应用集成框架CIM数据服务Fig.8 CIM data service under integrated system architecture

同时业务系统也可以成为服务消费者，在应用集成平台上进行服务查找和调用，利用客户端API进行服务的调用.图9为业务应用系统服务的相关示意.

3.4 组件接口实现

通过定义通用服务的标准接口，屏蔽了应用集成中协议与接口的差异，集成系统间利用服务接口，以统一方法使用公共信息；同时也可以实现相互之间信息交换.通用接口依据国际及工业标准进行建立，以适应大范围的应用.服务类型包括资源更新、资源标识、资源查询、资源过滤等服务.详细如表1所示.

图9 业务应用系统服务相关应用案例Fig.9 Service－related use case of business application system

3.5 扩展性设计

公共信息模型在高校信息集成中其扩展性的技术保障体现在如下几方面：

（1）扩展访问方式

访问客户端需要通过代理服务访问应用服务，既可以采用应用服务器代理服务器，也可以采用硬件负载均衡器.

表1 组件接口通用服务说明Tab.1 Explanation of component interfaces generic service

（2）应用部署的伸缩性

公共信息模型各个应用模块可以根据实际情况，分别部署到不同的应用服务器上.

（3）安全的扩展方式

通过使用后台应用信息公共模型，代理服务可以过滤非法的访问，其排队功能支持进一步扩展.

4 应用验证

以高校中常见的奖学金业务为例，从场景入手，按照CIM模型的方法与步骤，集成接口分析，进行了学生系统在集成平台当中的应用，最终实现了奖学金完整业务的集成，验证了高校CIM模型及集成平台的正确性与有效性，其实体关系如图10所示.

验证程序显示如图11所示，为学生360°所有信息视图参考评优、评奖页面.

5 平台技术特性

根据研究设计及最后以奖学金这样跨多部门业务的集成验证，本文归纳基于CIM的高校信息集成平台基本技术特性如下：

图10 奖学金场景实体关系图Fig.10 Relation chart of scholarship scenarios

图11 作为评优、评奖参考的学生所有信息视图Fig.11 Full scope of student information as award reference

（1）符合SOA架构，基于标准 Web Service软件平台构建企业服务总线.

（2）平台技术结构符合J2EE规范，支持各种J2EE应用服务器.

（3）与其他企业服务总线产品集成，可部署于其他企业服务总线产品.

（4）平台的服务开发规范保证为业务逻辑的“服务化”提供实用高效的部署框架与开发规范.

（5）平台支持IEC 61970标准组件接口规范CIS.

（6）支持JMX管理规范提供系统自身的管理，可实现企业级的应用统一监管.

（7）应用集成平台支持企业级身份管理与认证等规范，可基于企业现有的安全服务框架实现自身的安全特性，保证安全性.

6 结 语

本文通过对电力系统CIM模型的研究，借鉴其中的思想，对高校不成熟的业务抽取并标准化，构建了基于CIM高校信息集成平台模型，并提出了高校信息集成框架、集成体系架构、CIM组件接口的设计与实现.该平台基于SOA体系架构，同时完成基于CIM标准的业务组件构建，降低了业务变更对集成的影响，解决了现有高校信息集成工作轻业务规范重技术标准建设这一普遍现象，从而为高校各个应用间的集成提供了支撑平台，实现了信息资源的共享，同时具有良好的扩展性、通用性和安全性，为今后高校信息集成平台的完善与发展研究提供了参考，对一体化的数字校园的研究与建设具有一定的借鉴意义.

[1] 宗晓晓，蒋 革.基于一体化的高校信息化建设研究[J].大众科技，2005（8）：169－170

[2] 许东霞.以教学管理信息化推进校园建设数字化[J].中国教育信息化，2007（10s）：10－12

[3] 崔 静.数字化校园信息资源建设探讨[J].山东社会科学，2007（8）：155－156

[4] 蒋东兴，许庆红，谢 矜，等.高校信息化建设的一体化思路与实践[J].中国教育信息化，2003（12）：36－38

[5] 张滇明，黄海峰.基于IEC 61970标准的电网调度自动化系统体系结构[J].电力系统自动化，2002，26（10）：45－47

[6] IEC.Future IEC 61970－452EMSAPI－Part 452：CIM Model Exchange Service Draft [S].Switzerland：IEC，2004

[7] Electric Power Research Institute，Inc..Report on the Common Information Model（CIM）Extensible Markup Language（XML）Interoperability Test＃3：The Power of the CIM to Exchange Power System Models，EPRI [R].Palo Alto：Electric Power Research Institute，Inc.，2002

[8] 唐 剑，张 超，赵 亮.基于IEC 61970CIM的自动建模继电保护整定系统的设计与实现[J].浙江电力，2009，28（5）：48－51

[9] 彭明伟，刘毅，郭创新.CIM 模型在继电保护设备建模中的应用[J].机电工程，2009，26（5）：98－100

[10] 陈海勇，王 倩.基于CIM模型的SCADA系统实时数据库[J].铁道运输与经济，2008，30（11）：91－94