刘军
摘 要：对未来高速公路实现有效管理和实时控制，需要一个真正意义上的开放、集成和灵活的分布式控制中心系统，实现这一系统其实质就是要解决不同领域复杂科学计算与海量数据服务问题。将网格计算与Web服务相结合的网格服务技术为解决这个问题带来可能。通过对网格技术的了解，对建立未来高速公路控制中心提出了概念模型，并通过实现条件的可行性分析，证明了网格技术在未来高速控制中心实现的可行性，并对其研究方向提出了进一步的建议。
关键词：交通工程;网格技术;分布式系统;Web服务
0 引言
我国高速公路的现代化管理水平近年来逐步提高，但还有待于进一步完善。目前，高速公路管理与控制的主要任务就是要科学建立管理流程，细化管理对象，建立主动发现问题的网络机制，并依托现代数字化、信息化技术手段，结合最先进的计算机技术、软件工程、互联网通讯技术、中间技术等的发展，逐渐发展为高度网络化、自主化、自动化与集成化的分布型复合软硬件程序。从集中到分散、加速管控中心信息与通讯技术的发展，提升程序运行的成效。中国对ICT技术的开发和运用，对ICT技术的实行与培训已经和全球接轨。可是从本质层面而言，目前以中间件技术为核心的主流分布型管控中心机制无法完全满足规范、自由的广域信息平台技术的需求。
要真正实现高速公路的管理和实时调度控制，一定要迅速找到高速公路的管控方式、即时调整管控措施。可是此过程具有下述困难，导致现实情况下高速公路无法真正意义上实现智能管理和实时调度，而只能在小范围、小规模化地进行静态或“准”动态控制。困难重点表现在：①自动化高速公路系统包含诸多子系统，每个子系统构成体现出分布式特点，运行体现出动态性特点;②智能高速公路控制问题属于核算密度问题，难以即时求解;③智能高速公路的运行信息和管控信息都体现出数量多的特点;④智能高速公路的管控手段和举措的运用方面和服务对象体现出差异性。因此，建立一个可以全方位互享资源、具有优良的核算水平的工作平台，且以此为基础达成通道管控举措与战略的迅速求解是十分有必要的。
网格（Grid）能够达成在诸多虚拟组织间实施众多动态信息的分布型储存与优化、信息资源的迅速传输与互操作和高水平的核算等性能。因此，基于网格技术构建高速公路控制中心，可为分布性程序异构资源的互享、高水平核算提供一个很好的平台，进而实现快速求解协同控制问题，真正实现高速公路的有效管理与控制。基于网格技术建立的平台具有的优势表现在4个层面：①分层结构的分布型运用服务，实现异构资源共享;②软件工程提供多种方便并可扩展的应用软件;③网格计算与标准化Web服务体系实现信息和通信技术;④网格所提供的分布式数据采集和处理方法，使信息计算和处理速度大幅提高。
1 网格技术在高速公路控制中心应用的适应性
1.1 面向服务的构架（SOA）
面向服务的构架其实质是一个组件模型，其把应用软件的各个功能板块利用此些服务之间定义优良的接口与协议关联在一起。接口运用单独于达成服务的硬件平台、程序编写语言、操作系统的中立方式进行定义，实现了构建于不同系统中的服务可以使用统一和通用的方式进行交互。服务提供方是一个能够利用互联网找到其地址的不同实体，利用把接口提供给注册中心实现服务。注册中心根据查询要求将相应的服务提供者信息通知使用者。此种带有中立的接口定义的特点叫做服务间的松耦合，其优势体现在两个方面：其一是较强的灵活性;其二是当构成应用软件的特殊服务的内部架构出现变化的时候，接口可以继续存在。
面向服务构架的概念并非什幺新东西，很多标准分布式系统已大量采用了SOA技术。不同于现有的分布式技术之处在于SOA能够在最新的和现有的应用之上创建应用。SOA有更多的标准，为使用者的现有资产或投资带来了更好的重用性，能够使客户或服务消费者免于服务实现的改变所带来的影响。企业通过SOA经互联网服务器直接发布信息，突破了公司内部网络的制约，让其和合作单位直接构建全新的通道，节省了构建新伙伴的费用;SOA提供了更好的灵活性来构建应用程序和业务流程，它与平台无关，减少了实现业务应用的限制，将企业的业务整合到大数据系统中几乎没有什幺技术限制。
1.2 网格计算与网格服务
网格技术一直是计算领域的“乌托邦”，在科技应用上虽有巨大前景，但海量计算问题这一最大的缺陷限制了其商业推广。将来高速公路的管控中心，网络动态剖析与管控所需要的核算数量远远高出目前的真正配置，需要更自动化的分布型运用的核算。因而可知，未来高速公路的控制中心首先要解决的就是海量计算问题。
基于分布式高水平计算叫做超级计算，由诸多按照一定规律分布的处理器组成。可是其成本较多，仅有有特别应用的极少数组织才可以配置。分布型应用中海油一种是集群计算，以大类型、性能优良电脑为基础的并行应用，成本较低，在多种场合应用于复杂计算。
网格计算也是一种分布式计算方法，但与上文提及的集群计算有所差异。其表示一种灵活并且能够延展的机制结构，利用此架构目的是把诸多结构不同的、分散的互联网中的各类资源构成一个大规模分布型虚拟电脑，运用这台虚拟计算机完成一些需要非常巨大的计算能力才能解决的问题，由于该台虚拟微机信息、内部资源与应用利用规范的接口无缝连接，对客户是公开的。此种结构经过在个体、单位与资源间达成安全、协同的资源互享，来建立虚拟化的组织。
网格运算是分布型计算的一种表现方式，包含组织及软硬件，以提供没有限度的性能，让接入互联网的所有顾客均能够进行协作与浏览信息，云计算便是互联网计算技术的一次飞跃。这种网格计算技术融入了SOA中服务的内容，可是其进一步把软件服务一般化为资源，所以互联网环境中的全部资源均以服务的方式体现。网格运算利用多种资源、应用动态构成形式提供服务。本文所说的服务便是网格服务，该种服务中最主要的任务就是完成网格计算。
1.3 网格服务与Web服务的有效结合
Web服务首先使我们拥有了一种通用的在不同机器之间交换信息的工具。Web服务构建在XML标准上，所以不存在多台电脑间实施信息交换时存在的诸多问题：譬如较易研发且能够延展到多种不一样的环境中;无需担忧处理器字节中的顺序，也无需把传输的数据更改为中性格式，这是由于Web 服务的标准已做好了这一切。
网格服务与Web服务的主要区别是，Web是对HTML文件的一种访问方法，而网格是对计算机重要资源的一种柔性的、高性能的访问。但二者都需要发送处置请求、分发工作和搜集结果。所以将网格服务和Web服务相融合是最佳状态，能够发挥他们各自具有的优点。Web 服务程序的显着优势是其依托于HTTP 协议，较易把Web 服务集成到已经有的防火墙、HTTP 平台和别的程序中。由于大部分电脑已运行了HTTP 服务，所以能够用现有的技术与安全软件来支持网格程序，而无需对网格加以改变，不会给网格程序中的设施带来阻碍。可融合并非简单的叠加，需要在网格和Web的基本原理之上，采用新的技术来支持网格使用与开发环境。
网格服务与Web服务的有效结合，给企业提供了进行网格计算的强大工具。Sun发布了针对网格服务与Web服务的有效结合的软件平台，即技术计算门户。Planet Portal、Grid Engine和Sun ONE构成了技术计算门户的解决方案。这一解决方案为用户提供了在网格环境下的密集计算方法，在Sun ONE环境下进行数据存储，以及通过Web的图形用户界面来访问这些数据的能力。
2 未来高速公路控制中心概念模型设计
2.1 概念模型
高速公司包含的业务类别多、站点不集中、对即时性有很高要求、能够快速扩展，为真正实现交通管控和即时协同管控，一定要快速处理交通数据与迅速求解管控模型，并建立易于扩展的系统运行模块和进行商务应用。本文基于开放式网格服务体系架构（OGSA）建立高速公路管理与控制网格，实现交通信息的分布式处置与管控模型的分布型求解。在此网格中，各种运算资源、终端设施、互联网资源、软件资源等均以服务的方式利用信息交互达成互享与协同，最后实现一个分等级、面对服务对象的高速公路管理与控制网格体系。图1表达了这种体系结构。
图1 高速公路管理与控制网格体系结构
图1中所示面向服务对象的高速公路管理与控制网格体系可以分成5个部分：
①应用服务层。直接面向用户服务的各类交通服务;
②领域服务层。提供面向交通部门的共性服务，如交通流量检测与控制、事故解决、繁杂问题求解等;
③基础服务层。提供建立网格的相关软件、硬件服务;
④资源服务层。提供网格系统所需的各种数据源，控制对象接口等;
⑤交通服务信息综合服务。实现网格系统中各个级别的服务与资源配备所需要的浏览协议和管理。
2.2 网格结构与应用
未来高速公路控制中心的网格机制架构应当是内部分布着电脑与各种嵌入型智能系统（譬如不停车费用收取系统、收费系统、监控系统、测速系统、称重系统等），它们通过采用标准接口的通信网络联接为一体。各类有关交通信息、交通管理和运用与交通信息处置过程分散在程序的多个部分，运用部分的亦或整体的程序协同工作。此是代表性的分布型程序，程序中的设施或者信息的真正位置对客户是公开的。
将来高速公路管控中心的网格体系结构的网格服务有2种典型架构：一种是请求结构，一种是分发结构。在分发与代理的一端重点运用Web服务，客户机从网格代理那里请求工作，也就是说，点单元被分布到网格中的客户机上，这是请求架构的典型应用实例。请求架构是Web服务的最简系统，这种系统也便是传统的分布式网络服务：客户机从网络服务器请求工作，并将完成的工作结果回送到网络服务器。客户机只要求具有Web服务与Web服务器性能，能够单机装设实现，也能够装设在代理服务器上达成此性能。请求结构的典型请求过程如图2所示。
分发结构和网格服务模型完全不同，顾客机的工作从服务器向顾客机配置。此种结构虽然与传统的架构不同，但在某些状况下，由于特殊的工作需要配置到特殊的实施单元，且需要对实施过程和实施结果加以验证与监测，那幺此种分发结构便是非常实用的方式。分发结构下，由服务器负责管控与配置网格中的一些具有特殊功能的特定单元，以便以完成特殊的任务。此外，分发结构对于部署一些有较高即时性要求的工作也是一种不错的方式，这是由于服务器能够依据掌控的资源信息将这些工作安排给网络内机器的负载较轻且实时性较强的机器上。分发结构的达成问题具有很大困难，此种模型中由服务器当做Web服务的用户机，而客户机则需要运行Web服务系统，正好与请求架构的运行方向相反。这时，“用户机”作为网格提供者必需支持Web服务的服务器接口，而“服务器”变为网格提供者的Web服务用户机。图3便是此种模型的运行状况。
将来高速公路控制中心的网格体系结构应具有可扩展的信息搜集与运用、Web服务与网格运算等特点。在该服务环境中，每一个服务板块均表现为服务。第一，将来高速公路管控中心具有达成整个程序全部需要的信息搜集服务性能，信息搜集服务实现带时间标志的信息搜集、验证与规范化，并向全系统共享这些数据信息。第二，控制中心需要对采集到的数据进行预处理和分类，按标准数据库格式保存数据或直接提供给高等级的即时应用。此性能体现为应用服务，体现在实际的运用实例为收费管理或监控控制系统被细分为多个基本模块，包括基本收费管理、事故报警、电话、车流量检测与控制、情报发布等。依据控制方略和控制目标的差异性，应用服务还能够依照差异的“粒度”加以分解。网格运用Intranet/Internet结构，各个级别的管控单位组成其子网，各个级别的管控单位运用相对弱连接，网格中电脑与通讯资源利用规范的资源服务加以配置与管控。
当将来的高速公路控制中心的网格体系结构建立完成后，每一个使用者和对管理业务实施设计的技术者只需要将精力放到应用服务与信息管控方面，而不用关注业务达成的详细过程和细节，因为这些对使用者及技术人员来说均是透明的。网格环境下，网格平台建设和网格应用服务是软件提供商要完成的工作，包括软件编写、维护及安全运行一系列工作;网络通信交由ICT专家来完成;服务消费者仅仅是服务集成者，只需要高效的提供信息、基础数据和控制方法。明确的职责划分有利于新技术的提升和运用。
总而言之，以网格服务为依托的将来高速公路控制中心体现出下述特点：以面向服务为核心的结构（SOA）;便捷的、容易扩展的应用服务;迅速、有效的分布型信息搜集与处置服务;计算结果实现动态共享;标准的网格服务架构;ICT资源应用和管理。
3 系统实施
大规模网络技术的建立与实施除了需考虑系统建设的成本外，如何充分利用现有的资源，并在建设与实施的过程中不影响现有的网络运行，也是一个值得探讨和研究的课题。根据现有网络的发展经验，基于网格技术的网络建设与实施应符合以下几个方面的要求：
①根据未来高速公路控制中心的网格体系结构的具体要求，确定系统需求信息，例如网格规模等;
②根据需求信息确定硬件设施的建设。通过成本比较选择新建网格硬件或在已有的网络（如SPDnet）基础上进行硬件扩展;软件应选择相对成熟的商业用网格平台;
③打造一批有高速公路运行管理与控制和网格专业背景的开发团队作为技术支撑;
④首先建造基础的测试系统，然后逐步进行完善;
⑤由于网格系统的分布性，相应的多站点的信任管理及安全管理机制应同步建设;
⑥建立完善的用户培训体系;
⑦网格系统的运行维护及扩展更新技术应充足。
4 结论
网格是未来分布式网络交互、协作和计算平台的美好前景。很多行业都已经引入网格技术来解决实际问题，并取得了良好的效果。未来高速公路关系着我国经济发展和人民生活的大局，其控制中心的建设也应紧跟时代的发展，勇于开拓创新，为实现一个分散、集成、灵活和开放的分布式控制中心积累经验。
未来高速公路控制中心以实时数据为基础， 旨在保证与高速公路有关的各种分散系统运行的经济安全运行和市场运营效率。致力于高速公路发展的技术人员们正在不断的引入新的ICT技术用于建设新的高速公路控制中心。而本文所提出的基于网格技术的未来高速公路控制中心的概念设计，就是说明网格服务体系将是未来高速公路控制中心的发展方向，也应该是高速公路发展的技术人员研究的方向。
当然，任何技术的发展都一定会有相应的挑战。一方面，网格可以快速确定并应用加入到网格中任何一台计算机资源。但另外一方面，网格应该不会因为一个低速或者落伍的系统而降低整体速度，也就是说在对资源进行应用时应避开“最短板”问题。然而，资源的分散及信息的分布式处理，我们有理由担心这些数据该如何分享、分割、过滤、移动，从而提高数据的安全性能和管理效率。而那些有意将自己系统并入网格的人是最想知道是谁在调用资源，何时调用资源的。
从技术的发展来看，本文所提出的未来高速公路控制中心的架构有利于适应我国大规模、互联全国的高速公路系统。应用网格技术以及其他ICT来提高高速公路控制与管理的安全经济运行水平具有重要的现实价值。
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