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基于SOA的机场运营信息系统集成架构与服务设计

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第29卷第5期 2012年5月 计算机应用与软件 Computer Applications and Software Vo1.29 No.5 Mav 2012 基于SOA的机场运营信息系统集成架构与服务设计 方 丁 (上海机场(集团)有限公司上海200335) 摘要 机场运营信息系统集成对适应我国航空业务量的增长和提高机场服务质量具有关键影响,但传统的机场运营系统采用 点到点的集成方式,僵化而缺乏柔性。基于SOA的系统集成具有松耦合、粗粒度、灵活性高等特点,适合机场运营系统集成的需求。 给出基于SOA的机场运营系统集成的总体架构设计,并采用基于设计结构矩阵(DSM)聚类的方法进行业务服务设计,该方法首先 分析航班业务流程,其次使用DSM对活动间的依赖性进行建模,最后采用聚类方法实现服务设计及接口设计。 关键词 中图分类号面向服务架构TP311.5 企业应用集成文献标识码机场信息系统集成A 航班信息集成系统 DESIGNING ARCHITECTURE oF SoA.BASED AIRPoRT oPERATIoN INFoRMATIoN SYSTEM INTEGRATIoN AND SERⅥCE Fang Ding (Shanghai Airport Authority Co.,Ltd.,Shanghai 200335,China) Abstract Integration of airport operation inform ̄ion system has key impact on accommodating the growth of aviation portfolio in China and improving the service quality at aiporrts.But traditional aiporrt operation system uses point—to—point integration approach,which is rigid and lack of lfexibility.SOA-based system integration has properties of loose coupling,coarse granularity and hish flexibility,which fits in with the demand of aiporrt operation system integration.In this paper we propose an SOA—based architecture design for airport operation systems integration,and adopt an approach based on design structure matirx(DSM)clustering to contirve the business services.This approach first analyses the flight business process,then uses DSM to model the dependencies of activities,and finally achieves the desins ogf services and interfaces using clustering method. Keywords Service—oriented architecture Enterprise application integration Airport information system integration Flight information integration system 集成方式,采用如消息中间件、CORBA、DCOM等分布式技术, 0 引 言 随着我国民航运输业的蓬勃发展,民航机场的运营信息化 也在持续不断地发展。机场的运营信息系统(以下也简称为运 营系统)指的是以飞机从起飞到降落和旅客从出发到到达为主 导的运营信息化,包括了航班信息、资源管理、离港、行李、航班 这种集成方式会使企业原有系统耦合度过高、灵活性较差 。 传统的机场系统集成设计采用的是点对点的集成设计,运营系 统直接与核心运营数据库或其他已投入运营的机场运营系统连 接,紧耦合的系统集成设计意味着机场的系统紧紧地捆绑在特 定的系统供应商上,系统升级和修改将带来巨大的风险和高昂 的成本 。 显示、广播、呼叫中心等系统。机场航班流量不断增长以及航空 枢纽竞争的加剧,对这些系统应用集成的要求越来越高 J。企 业应用集成EAI(Enterprise Application Integration)目的在于实 SOA是一种建设IT基础设施架构的逻辑方法,它以服务作 为应用开发的基本元素,支持快速、廉价、可组合的分布式应用 的开发。SOA具有粗粒度、松耦合、跨平台、服务封装性和服务 接口标准化等优点,使IT基础设施更具有柔性、重用性和互操 作能力[41。SOA因为其高度灵活性而在EAI领域取得了较大 的应用。基于SOA的机场运营信息系统集成方案通过引入柔 性的系统集成方法能够获得较大的业务灵活性。基于SOA的 现企业各应用系统之间无缝集成,将分散在各个企业系统中的 数据、应用和流程紧密联合起来 。机场需要一个现代化的以 航班信息为核心的企业应用集成系统来实现各种不同运营系统 的互连,因此机场的企业应用集成又被称为航班信息集成系统。 航班信息集成系统是机场生产运行的核心,它实时发布航班计 划和动态信息,完成资源分配计划和实时调度,与l0余个运营 系统实时交互航班数据。 EAI的技术主要包括两类:点对点的集成技术和基于面向 集成设计的关键问题是总体架构设计和服务的设计,因此本文 首先根据集成设计的需求给出基于SOA的集成架构方案,其次 收稿日期:2011—07—29。方丁,博士,主研领域:服务导向架构,机 场信息化。 服务架构SOA的集成技术。点对点的集成方式是一种传统的 216 计算机应用与软件 2012年 基于设计结构模型DSM(Design Structure Matrix)方法给出了业 务服务和服务接口的设计方案,这种方法设计的业务服务具有 耦合性低和业务导向等特点 。 2基于流程分析的SOA业务服务设计 业务服务设计是, ̄SOA设计的关键问题,常见的服务设计方 法有组件业务模型方法 、基于i 和e 建模的方法 、基于设 计结构矩阵DSM的方法 等。其中基于DSM的方法从业务流 1 基于SOA的机场运营信息系统集成总体架 构设计 机场运营系统与机场运营和服务质量有密切关系,运营系 统包括许多子系统,子系统间具有复杂的关联关系,因此为了实 现集成设计的灵活性,必须首先要明确设计的原则: 程人手,通过对活动依赖性建模进行服务设计,具有较好的业务 导向性和松散耦合性,因此本文采用基于DSM方法设计机场集 成系统的业务服务。该方法的思路是:首先分析端到端的业务 流程,其次使用DSM对活动间的依赖关系进行建模,最后通过 聚类方法得到业务服务和接口设计。 ・模块化原则 整体进行模块化设计,允许将来简单替换 某个模块。遵守SOA设计准则,为满足系统集成要求而设计的 各项功能被定制成“服务”,可以为多种流程使用,能够实现服 务重用,减少系统接口的数量。 ・独立性原则 航班及资源的集中管理,每个模块之间的 耦合度最低。每个模块能保持自己业务的独立性,在其它系统 出现故障时,可以通过人工输入信息的方式以保持独立运行。 ・独特性原则各模块专职于其自身的业务,而不是包罗 万象,业务分工明确。 ・可扩展性原则 未来的航班应用系统,可以通过灵活的 2.1 航班业务流程分析及DSM建模 航班业务流程在机场运营中占据核心地位,该流程覆盖了 从机场获得航班计划信息到最终旅客值机登记的全程,共27个 活动,图2是采用UML活动图作为工具的航班业务流程图。 方式接入集成信息平台,进一步扩展集成系统的业务。 根据以上原则并参考IBM提出的SOA参考模型 ’ ,本研 究给出了基于SOA的机场运营信息系统集成的架构如图1 所示。 箜: , 印l 西 函 l f l 图2机场航班业务流程图 l … …~('ATION S ̄~, 图1 机场运营系统集成的总体架构 航班业务流程中使用到的信息资源和系统资源类型见 表1。 表1航班业务流程使用到的资源类型 该架构的核心为消息集成代理IMB(Interface Message Bro— ker),所有的运营子系统都通过IMB,按照基于XML的接口标 准来进行数据交换,[。MB松散耦合的设计能够实现服务重用,减 少接口数量,提高系统的灵活性和可扩展性。 id 1 信息资源 航班计划信息 id 1 系统资源 AODB系统 该架构中包含了3个核心数据库:机场运营数据库 (AODB)、机场管理数据库(AMDB)和航班查询数据库 2 3 航班计划调整信息 资源分配信息 2 3 资源管理系统RMS 离港系统 (FQDB)。其中AODB是机场集成信息系统的核心数据库,存 储了航班信息数据。AMDB主要存储管理相关的信息数据,如 收费数据等,AMDB还存放了航班数据的历史记录为将来商务 智能分析做准备。.FQDB 主要是航班信息系统的查询,其另一 个目的是为AODB提供一个备份,当AODB系统或者通讯线路 无法工作时,则采用FQDB的数据。 4 , 资源分配调整信息 旅客值机信息 旅客统计信息 4 5 航班显示系统 广播系统 5 6 7 流程控制信息 设计结构矩阵可以有效描述系统元素之间的依赖性,并且 提供分析技术,DSM可应用在机械产品设计和开发、组织设计、 软件设计、流程设计等广泛领域 to 2。DSM是一个二维矩阵,使 用DSM对流程建模时,行列表示流程活动,矩阵单元格的内容 用以描述活动间的三种基本依赖关系:流依赖(一个活动产生 的输出被另一个活动所使用),共享依赖(若两个活动共享同样 的资源)和适应依赖(指多个活动产生同样的资源) 。 设业务流程是一个二元组BP:[A,D],其中: 航班的集中管理通过把所有航班信息保存在一个中心数据 库(AODB)中的策略来取得的,其他系统通过使用接口服务来 访问AODB,并受到IMB的控制。通过使用已经存在的接口服 务,只涉及很小的系统集成工作就能引入一个新的客户端运营 系统。对一些不能使用开放标准方法和IMB提供的相关服务 的遗留系统,可通过适配器来使用遗留接口。 第5期 方丁:基于SOA的机场运营信息系统集成架构与服务设计 217 ・A={a I 1≤i≤n},表示流程中所有的活动的集合,n 为活动总数; ・D={D(a;,s)I,Va ∈A,Vaj∈A},a表示任意两个活 为D(BP)=∑D(。 ,BP)。DSM矩阵聚类的优化目标函数是 a i一 ̄4 ,要求流程的总体依赖性最小,其数学表达式为: 动之间的依赖关系的集合。 Min{D(BP)}=Min{∑D(a ,BP)) 。i E^ 则流依赖表示为一个集合of(a ,as)={(t , 。),(£:,f:), …服务粒度对于SOA项目成功具有重要的影响 。服务的 ,(t ,z )},共享依赖也表示为一个集合Dr(。 ,aj)={(t , z。),(t ,l:),…,(t ,l )},其中t表示依赖的资源类型,1表示依 赖强度,表示该信息对于信息接收方活动的重要性。DSM的单 粒度是服务的规模大小,即服务包含的基本活动数目,粗粒度的 服务运行的协调成本低,柔性较差;细粒度的服务则柔性较高, 元格e 表示活动间的依赖关系: %:f咖,…i ( ) L( I,(口 ,o,),Dr(o;,Ⅱf))…if(i≠ ) 根据以上定义,航班业务流程的DSM模型如表2所示。 表2机场航班业务流程的DSM建模 t I 2 3 ● S ‘ I 8 ● ∞ 12 13 I● 蓐 lT l勾 墨 挖 趣 2r 1 10 10 IO lO  I2 11 10 l0  l3 10 儿 l0 IO 03  I‘ 0l 20 I 5 0l 30 30 ∞ 3o 30 铷  ld Oj 蚶 4O 40 T Oi 0t 50 50 0 2l 20 ■ 31 3O ∞ ∞ 30 1n 奶 们 l1 5o 50 Oi 31 3l 30 30 30 13 20 l● l0 10 lO l0 嘶 lS l0 l0 l0 Il O4 04 04 l6 O‘ 30 30 30 30 IT 04 40 如 埔 04 5D 50 埔 30 33 3[3 30 30 锄 40 40 £I 5o 役 30 ∞ 3O 35 30 弼 07 07 0l 02 0B {O 4O 01 02 os 50 历 30 30 30 30 30 30 嘴 墨 ∞ 30 30 30 30 35 30 06 30 30 该模型中每一单元格的表现格式为“AB”,含义分别为系统 和信息资源的id(资源id参见表3,通过超链接的方式,点击矩 阵的单元格,会展示出各个资源的信息及其依赖强度,依赖强度 采取5分制,5为最强,1为最弱。例如,点击下矩阵1行2列所 在的单元格,会展现以下信息。 表3依赖强度模型 al—a2 资源ID 资源名称 强度 流依赖(信息) 1 航班信息 5 共享依赖(系统) O N/ N/A 2.2基于DSM的服务设计 以上通过DSM对流程活动间的依赖关系进行了建模,在此 基础上通过聚类算法可进一步设计出业务服务。为了进行聚 类,首先需确定依赖性的度量值,指的是用一个数值表示两个活 动间的依赖关系的大小,本文作出以下定义: ・I Df(a ,sa)l= ( ×z ), 表示各输入输出信息所 占的权重。 ・I Dr a ,sa)I=∑( ×li), 表示各共享资源所占的 权重。 ・ID(a ,sa)I=卢(I Df(a ,sa)I+l Df(a ,as)I)+ (1 Dr (a ,aj)I+lDr(a ,as)I),其中, 和y表示流依赖性和共享依 赖性所占的权重,不同的流程活动卢和 有不同的取值。 流程活动依赖性的度量值可以推广到活动和流程、流程和 流程以及流程内部依赖性的度量,流程BP内部的依赖性定义 协调成本较高。本算法增加了一个控制变量g以控制流程模块 的粒度。服务粒度记为size(BS),a 是流程BP的一个活动,P帆 是BP的一个流程模块,考虑了粒度控制变量g的a 与 的依 赖性记为D (。 , )= D (ai,a/)。若。 和 在同一个n,∈ PM k “ (PJ』rJM , k 子流程SP 中,则size(JP )表示流程模块的粒度,否则将整个 BP视为一个子流程。下面给出基于DSM的服务设计算法 步骤: ①将流程 的每个活动a 指定为一个独立的流程模块 PM ,此时流程模块数和活动数相同;计算流程曰P的初始内部 依赖性度量值l D,Il(BP){,并将系统设置为不稳定SS=false。 ②随机选择一个活动a ,计算a 与每个流程模块之间的依 赖性lD (a ,P )l;选择使得lD (。 ,PM)I最大的模块PM , 将活动a 临时指定到删 中,计算此时的ID (BP)I,若 lDtb(BP){<lD (BP)l,则将。 正式指定到该模块中;否则 重复本步骤。 ③若流程模块设置发生变化,则删除重复的模块,空模块, 以及被包含的模块,重复步骤②,若流程模块设置没有变化发生 重复步骤②。 ④算法重复了多次后f D (曰P)f保持不变,则系统稳定 =true,算法结束。 对于复杂和密集的矩阵来说会有一些模块外的单元格被留 下来,这些交互被定义为模块之间的交互点,交互点中的依赖关 系可转换为服务与其他服务交互的接口。 根据机场航班业务流程的特点,取卢和 分别为0.6和0.4, 在粒度控制变量g:1.5的条件下航班业务流程DSM矩阵聚类 结果如表4所示。 表4基于DSM的航班业务流程的聚类结果 从表4展现的航班业务流程的DSM聚类结果将流程模块 转换为服务,则得到业务服务设计结果如表5所示。 218 表5航班业务流程的业务服务设计 编号 服务名称 包含活动 计算机应用与软件 Message类型,分为以下几种类型: 主要接口 2012血 ・航班、资源数据订阅请求/响应消息; 航班、资源数据的内W-/数据操作消息; ・接口状态请 响应消息; bsl bs2 bs3 航班集成服务 资源管理服务 离港系统服务 al、a2、a3、a14、a15 a4、a8、al3 a5、a9、a12、a16、a19、 a22 a25 a26 a27 i1、i2、i3、i4 i1、i2、i3、i4 i1、i2、i3、i4 .1、i2、i3、i4 i1、i2、i3、i4 ・航班、资源动态的上传消息。 每种类型的消息体都根据具体内容定义具体格式,本文不 再赘述。 bs4 航线系统服务 bs5 广播系统服务 a6、alO、a17、a20 a23 a7、a11、a18、a21、a24 3 结语 根据各模块间交互点得到的接口设计如表6所示。 基于SOA的机场运营系统集成具有松耦合、模块化的特 表6航班业务流程业务服务的接口设计 编号 接口名称 接口说明 信息资源id i1 航班请求接口 向航空公司请求航班计划更新 1 i2 航班更新接口 业务服务动态更新航班信息 2 i3 航班分发接口 向各业务服务分发航班信息数据 1 i4 资源分发接口 向各业务服务分发资源分配信息 3 这些接口中最重要的是i2运营航班更新接口和i3航班分 发接口,他们分别允许客户端获得机场运营航班详细数据,以及 对这些数据进行更新。此外各业务服务与IMB的接口几乎是 相同的,这能够简化管理、维护和测试过程。 2.3服务接口规约设计 服务接口规约指服务接口消息的技术标准,机场信息集成 系统接口采用JMS消息中间件平台标准,消息通信模式为发 布/订阅模式。在交互消息的数据结构设计时首先须确定消息 的载体。消息的载体选择XML格式,以XML形式构建消息,可 以使用XML解析器来抽取消息字段的内容,而不必考虑内容的 大小,因此消息标识的加长不需要编程更改,同时还可以方便地 将新字段添加到消息头中。消息结构包括Envelope元素结构、 消息头、消息体等内容: (1)Envelope元素结构 每一个XML消息必须以<Enve— lope>元素作为根元素。在此之下包含消息头和消息体两部分 内容。 (2)消息头消息头的设计参考了JMS规范,其定义主要 包括以下5个部分: ・MessageSentDateTime:消息的发送时间,作为消息生命周 期的计算基础。 ・MessageSequenceNumber:消息在转递过程中的唯一标 识,标识应连续。 ・MessageType:不同的消息类型,会被按照不同逻辑处理。 ・SourceSystemlD:作为回应消息的目标地址,具体的物理 地址通过系统保存的映射表读出。 ・DestinationsystemID:信息交互接口通过该信息确定消息 的路由。 (3)消息体消息体结构中包含所有的航班、资源元素的 定义,所有其他服务使用的XML Schema中相关航班、资源元素 都必须从该结构中引用,保证了消息构造的同一性。同时,航 班、资源信息结构的更改也能很方便地通过对Common结构的 XML Schema的修改和发布通知到外部系统。消息体采用Text. 点,具有很高的灵活性,这使得机场能够容易、低成本的修改、更 新、替换现存的各运营系统,从而有效帮助机场提高其竞争优 势。未来民航业的竞争是集团化的机场集群间的对抗,这需要 将多个机场系统、航空公司及产业链上下游企业和机构的信息 系统进行有效的协调组织,以整体的形式发挥最大的能力。因 此未来研究应该聚焦在基于SOA的跨企业的系统、过程的应用 的集成上,迅速高效地将新的外部的信息系统整合到现有SOA 体系架构中,将能够有力支持民航营运模式的改变,为建立统一 的区域机场集群实体铺垫坚实的基础。 参考文献 [1]吴念祖,等.浦东国际机场运营信息系统(上海空港系列丛书) [M].上海:上海科学技术出版社,2008. 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