基于云计算的海上信息系统

郭 松

(沈阳体育学院 体育信息技术系，辽宁 沈阳110102)

0 引 言

近年来，海洋信息系统 (Marine Information System，MInfS)已成为一种标准化的信息基础设施，能够向公众和私人提供诸如航线规划［1-2］、资源管理、海洋地理信息系统决策等众多功能。当前，海洋信息系统与地理信息系统(GIS)已成为当作海洋活动中必不可少的信息装备。地理信息系统的主要功能是提供地理范畴内的数据，主要应用于地图绘制、地理测量、地质工程、环境科学、资源保护和航线规划等需要专业地理数据支持的行业和领域。而海洋信息系统则主要用来收集、储存和分析各种地理、水文和应用相关数据。近年来，海洋信息系统已经在海洋环境保护等领域得到了广泛发展。但是，不同行业和海洋活动存在着不同的需求，一个统一的通用系统难以满足各种不同需求，从而催生了不同种类和功能的海洋信息系统。这些不同系统的出现为人类的海洋活动提供了强大支持。然而随着科技的不断发展和海洋作业的复杂性不断提高，越来越需要多个组织和系统进行协调合作，而当前的海洋信息系统不具备数据开放、共享、交换的能力，因而难以支撑多业务之间的合作。近年来，这一问题一直是制约海洋信息系统发展的主要障碍之一，学术界和企业界为此付出了巨大的努力，但收效甚微，云计算技术作为一种新兴的IT 技术，为解决以上问题提供了可能。

云计算的概念自2009年被提出以来，已成为Google、IBM、Yahoo、Microsoft 等IT 巨头竞相追逐的热点，并纷纷推出了自己的云计算服务，能够支持大规模用户的并行计算与多种设备和系统的连接互通能力［3］。

云计算是一种新型的IT 资源组织和使用形式，其集合了网格计算、分布式计算等技术的特点，具有可扩展性高、资源虚拟化、海量存储等优势，为海洋信息系统的发展带来了新的机遇。在云计算中，中间件用来提供承载应用的统一平台，是云计算中的基础设施，能够支持不同种类和目标的应用，并能够连接不同功能的组件和模块。本文提出了一种基于云计算的海上信息系统，该系统能够在同一平台上运行多种不同功能的应用，同时能够在多种应用中提供较好的数据联通、交换和共享能力。

1 云计算技术

云计算作为一种新兴技术，对其研究处于早期阶段，仍然需要持续的深入研究。云计算提供了一种新型的资源组织方式，能够使得用户方便地、按需地使用系统中的各种计算资源，如网络、服务器、存储、应用和服务，云计算的这种能力能够实现服务的快速发布、提供和交互，并使得云计算成为近年来IT 领域中的研究热点。云计算由高性能计算(High Performance Computing，HPC)、虚拟化、网格计算(Grid Computing)等技术发展而来，具备以上技术的优势，同时也具有自身的专用概念、技术、应用领域和用户体验等。通过对该技术相关工作的学习和比较，能够使我们对云计算的发展和应用取得较为深入的了解［4］。

云计算是一种集约化的IT 架构，其将所有的计算资源、存储资源、网络传输资源等统一组织和管理，通过虚拟化技术和抽象技术，通过用户调用的服务，按需呈现给用户，从而向用户隐藏了具体的实现细节，而用户也可以通过与地理位置无关的API 远程访问计算资源，屏蔽了网络拓扑的复杂性和系统模块的异构性。对于应用开发者来说，云计算的优势主要有以下几个方面:1)其提供按需分配资源的能力，能够有效提高系统资源的利用率;2)其能够利用中间件技术向开发者提供统一化的平台，在该平台上可以按照不同的需求开发和运行多个应用或服务;3)在云计算架构下，不同种类的应用和服务能够通过中间件实现高效率和方便的数据交换与互操作;4)云计算对计算资源、网络资源等进行了抽象和虚拟化，使得开发者只需要关注顶层的服务和应用实现，而不需要关注底层具体的资源分配、设备配置等问题，简化了服务实施的流程［5］。

而对于用户来说，云计算的优势主要有以下几个方面:1)用户通过与位置无关的API 访问服务，使得用户可以在多个地点、多种设备上无差别地使用同一个服务;2)用户通过云计算使用相关的服务，不需要关心服务具体的实现细节以及调用细节;3)云计算的设备无关性能够使用户摆脱使用设备的局限性，只需关心自身需要的服务和应用即可。

在海洋信息化领域，云计算的应用才刚刚起步，本文利用云计算技术，通过建立数据中心和中间件技术，将原本单独工作的系统移植到云平台上，一方面能够有效减少各种资源的浪费，另一方面能够方便地实现不同系统之间的信息共享和互操作，云计算技术的基本架构图如图1所示。

图1 云计算架构图Fig.1 The structure of cloud computing

2 海上信息系统基本框架

海洋覆盖了70%以上的地球表面，蕴藏着巨大的政治和经济利益，因而充分了解关键海域的海洋信息对于国际外交、资源开发、海上航运等具有重大的意义，而以往的地理信息系统(GIS)对陆地信息较为关注，而海洋信息的收集、分类、处理能力相对匮乏。因而本文提出的海上信息系统将作为综合地理信息系统(Complete GIS)的一部分，对GIS 原有的功能进行补充和完善。海上信息系统基本框架如图2所示。

图2 海洋信息系统基本框架Fig.2 The architecture of marine information system

在实际应用过程中，基于云计算的海上信息系统主要分为岸基设备和船载设备2 种，其整体框架如图3所示。

图3 基于云计算的海洋信息系统结构Fig.3 The structure of MIS based on cloud computing

如图3所示，整个系统的岸基设备部分主要由岸基数据中心和卫星天线组成，由于数据中心往往包含成百上千台服务器，需要较大的空间和能源供应，因此需要部署在岸上，通过卫星链路向船舶提供相应的服务。然而由于海洋环境瞬息万变，仅仅依靠远程数据中心支持可能会造成服务可用性降低，因而在船舶之上，还部署有小规模的数据中心，这些小规模的数据中心中运行有基本的服务，如导航、地理信息、水文信息检索等，当船舶需要使用更加复杂的服务时，可以利用服务迁移技术，从岸基数据中心中，将部分服务迁移到舰载数据中心中使用，以提高服务的可靠性。

需要指出的是，通过卫星链路和其他通信手段，舰载数据中心和岸基数据中心能够融合为一体，对于开发者和用户来说，屏蔽了服务的地理特性，也就是其并不能分辨服务究竟是运行在本地还是运行在岸基数据中心中。这样做一方面能够向用户屏蔽更多的底层信息，提供更好的用户体验;另一方面，能够提供不同位置、不同类型、不同功能服务之间的融合和交互。

3 基于云计算的海洋信息系统设计

3.1 云计算的基本特征

一个云计算应用系统可以被归纳为用户层、服务层、应用层、平台层、存储层和基础设施层6个层次。一个云终端包含硬件和软件2个方面，通过云计算架构完成服务的发布或获取。云计算通过网络向用户提供能够实时使用的产品、服务和解决方案，通过“软件即服务的模式”，将传统的软件以服务的方式发布，使得传统软件的安装、升级和运行等过程完全简化，并完全省略了软件的维护和帮助成本。同时通过云计算架构，用户和开发者不需要接触到底层的硬件和软件，只需关注实际的需求即可。

云计算存储系统是一个通过网络连接的大规模存储阵列，数据被存储在实际的存储服务器或虚拟服务器中，而这些服务器往往由第三方进行托管和维护。

云计算的基本原则就是多种资源的虚拟化，包括计算能力、内存空间、存储介质、软件功能、信息服务等，凡是用户提出的请求和调用的应用，均不涉及具体的底层资源和被管设备，而是从虚拟化的资源池中按需索取，并封装为相应的API 供具体的应用和服务使用。总而言之，云计算的特点就是:强大的计算能力、海量的存储能力、虚拟化、高可靠性和对用户需求的灵活反应能力。

3.2 基于云计算的海洋信息系统

根据第2 节中提出的基本框架，基于云计算的海上信息系统工作流程如图4所示。

海洋信息往往来源于多种设备，涉及多种类型的数据。因此，信息系统在接收到原始的数据之后，需要首先进行数据过滤，将错误和异常数据剔除，之后根据不同的数据类型，将数据统一转换为标准数据格式，如IMO ECDIS和IHO S57/S52 等。通过以上过程，系统就能够识别接收到的数据，并能够对数据进行有效的存储。

数据被转换为标准格式之后，需要递交给云操作系统，该操作系统主要由中间件系统、数据过滤器、信息组件层次和信息交换层次组成。其功能在于联通数据中心与用户，向用户提供友好的用户界面，并对云中各种服务的调用、维护和删除进行控制。其中信息组件层次的功能为充当各个服务的信息接口，由于采用虚拟化的方法，因而每个服务和应用并不具备物理接口与中间件系统相连，为了完成系统内不同应用和服务之间数据的传递，需要构建信息组件层次。而信息交换层次则相当于各个服务和应用之间的内部网络，通过该层次，不同的应用之间可以共享和交换自身的数据，而不需要使用具体的通信网络和通信设备。

图4 系统工作流程图Fig.4 The work flow of the system

云操作系统将数据递交给具体的应用，该应用可能工作在舰载数据中心中，也有可能工作在岸基数据中心中，然而对于云操作系统来说，应用的地理位置透明，能够实现方便直接的数据交换。最终完成了整个数据处理的过程。

3.3 中间件系统设计

中间件系统主要分为以下几个部分:资源管理器，应用和服务管理器，开放API 接口，安全管理机制等，其结构如图5所示。

从图5 看出，资源管理器主要对系统中的计算和网络资源进行管理和抽象，并提供调度机制以供应用服务管理器使用。由于云平台上运行着多种不同的应用，因而需要对用户进行隔离和认证，通过安全管理机制发放的许可以及对用户进行认证，可以实现系统的可信访问。应用服务管理器主要负责对应用和服务实例进行管理、调度、维护和删除，是整个中间件系统的核心。而API 是对于系统资源和系统功能的封装，对顶层应用起到支撑和实现作用，通过应用服务管理器和开放API，系统能够根据用户的具体需求和系统资源的利用情况，合理的创建和组织系统中的活动服务实例。

图5 中间件系统结构Fig.5 The structure of middleware

4 结 语

本文深入分析了当前海洋信息系统存在的主要缺陷，并指出了多种信息系统之间互操作所存在的主要障碍。在对云计算技术进行详细介绍的基础上，讨论和研究了利用云计算技术构建海洋信息系统的可能性，并提出了一种基于云计算的海上信息系统，给出了系统的主要结构，相比于传统系统，对关键模块和中间件系统等进行了详细设计。然而本文所做的研究仅仅处于初级阶段，仍然需要在下一步的工作中进行进一步的研究和深化。

［1］BENGT A，MATTEO D，CHRISTIAN D，et al.Design Considerations for a Network of Information［C］//ACM CoNEXT，2008(9):2256 -2268.

［2］RADHA G.Toward the intelligent web systems［J］.Communication Systems and Network，2009(7):459-463.

［3］武登科，何江青.舰船装备维修信息可视化及应用［J］.舰船科学技术，2011，33(11):156 -161.WU Deng-ke，HE Jiang-qing.Ship equipment maintenance information visualization and applications［J］.Ship Science and Technology，2011，33(11):156 -161.

［4］潘悦.水下信息理解的概念和方法［J］.舰船科学技术，2009，31(6):78 -83.PAN Yue.The concept and method on understanding underwater information［J］.Ship Science and Technology，2009，31(6):78 -83.

［5］DENG Hai-sheng，LI Jun-hua，LIU Ying-hong.Data-collection middleware according to RFID［J］.Computer Technology and Development，2007，17(9):188-191.