信息互操作系統理論與實現方法（簡體書）

前 言
隨著信息技術在各個領域的廣泛應用，信息系統一方面發揮了規范業務管理、優化業務流程、提高業務效率的作用，但同時也形成了大量的“信息孤島”和“業務孤島”，信息系統效能未得到充分發揮。
互操作是實現信息系統之間業務協同、信息共享和信息交換的核心技術，是解決分布式、異構環境下系統整合的有效方法。國內外在互操作方面已經進行了大量的研究，但大多集中在數據交換和映射、語義理解與推理以及格式轉換等技術實現方面。
2001年，我們在組織中國鐵路客票發售和預訂系統升級改造時，為支持系統的異地售票和售票存根匯集，采用了基于Sybase Open Server的交易中間件（Connection and Transaction Management Server，CTMS）和數據庫傳輸中間件（Database Communication Server，DBCS）。當時，中國鐵路客票發售和預訂系統由2000多個車站售票系統、24個地區中心系統、1個部級中心和一個維護中心構成，全國部署有10 000多個售票窗口，是一個覆蓋全國鐵路的分布式客票交易系統，售異地票和隔夜統計清算是鐵路客運提高服務水平和管理能力的核心功能和重要標志。CTMS的部署結構如圖1所示。

圖1 CTMS的部署結構
在通過CTMS實現異地售票的同時，為保證售票交易清算與審核，對售票存根進行了多地存儲（售票車站、售票窗口所屬地區中心、票源所屬地區中心）。DBCS部署在數據庫服務器上，負責按統計時點要求匯集所有售票存根。售票存根的匯集有四種情況：無中繼單接收、無中繼多接收、有中繼單接收、有中繼多接收，對應DBCS有三種運行狀態：提取、中繼、接收，如圖2所示。

圖2 DBCS的三種運行狀態
提取狀態的DBCS可以提取指定票庫中的售票存根，并按照定義發送給一個或多個接收存根數據的DBCS；中繼狀態的DBCS將接收到的存根數據按照定義轉發給一個或多個接收存根數據的DBCS；接收狀態的DBCS將接收的存根數據存入售票存根庫。通過CTMS和DBCS，實現了售異地票和售票存根多級匯總的功能，達到了各地售票系統業務協同的目的。
為了解決信息系統之間的業務協同問題，針對具體的數據交換和數據共享要求，與我們解決售異地票和售票存根多級匯總問題的方法類似，大多采用專用中間件方法來實現。在專用中間件應用實踐的基礎上，產生了針對特殊類型業務的通用中間件，如交易中間件、傳輸中間件、消息中間件、工作流、數據庫操作中間件等。這類中間件的產生，大大提高了業務協同實現的效率，簡化了業務協同中間件開發的難度。
2009年，我們在承擔國家“十一五”科技支撐計劃—國家道路交通安全科技行動計劃“重特大道路交通事故綜合預防與處置集成技術開發與示范應用”項目的“交通安全信息集成、分析及平臺構建技術開發與示范應用（2009BAG13A01）”研究課題，構建跨部門交通安全信息集成與應用服務平臺時，所面臨的跨部門交通安全數據共享交換有其特殊的背景。
（1）接入信息系統邊界不明確。面對的交通安全相關信息系統，沒有明確的具體對象，而且隨著對交通安全問題的全面展開，涉及的將不只是交通運輸和交通安全管理兩個行業的信息系統，還將涉及鐵路、民航、水運、機動車制造與維修、城建、保險、醫療、物流等眾多行業的信息系統。
（2）共享交換信息將不斷擴展。需要交換的信息有初步定義，但不能明確交換數據的具體形式、交換流程、控制要求和使用用戶，隨著交通安全研究對相關信息需求的深化和接入信息系統的增多，需要共享交換的數據種類和規模將不斷擴展和完善。
（3）信息系統支撐環境非常龐雜。支撐共享交換數據的存儲形式、應用支撐系統種類較多，幾乎覆蓋了目前市場上所有的操作系統、數據庫管理系統和地理信息系統等。
（4）信息安全防護系統各不相同。需要進行信息系統互聯，但各行業采用的信息安全系統是不同的，不可能進行統一，但必須保證接入信息系統原有的安全特性不被破壞、安全故障不被傳遞。
（5）構建物理分設、邏輯集中的交通安全數據共享交換平臺是課題研究目標之一，不需要構建數據中心或數據交換中心。
課題提出的交通安全信息集成與應用服務平臺是一個復雜的信息系統互聯系統，其基本拓撲結構如圖3所示。

圖3 交通安全信息集成與應用服務平臺拓撲結構
針對上述情況和我們在863課題“分布式交通系統信息互操作技術”中的研究進展，本書從互操作問題本身出發，研究和討論互操作的一般實現問題。
一、互操作本體與互操作方法
以互操作本體為對象，以互操作的獨立系統實現為目標，以互操作對象、互操作策略、互操作原語、互操作系統、互操作路由、互操作安全等為基本單元，構建互操作概念系統；基于互操作概念系統，從邏輯框架、本體結構、系統結構三個層面構建互操作模型；建立互操作定量度量模型和度量方法，通過互操作能力、互操作復雜性和互操作安全性等的定量度量，為互操作問題定量評估和改進提供手段和依據。
二、互操作實現方法
以互操作中數據抽取、轉換、封裝和導出四個基本環節所對應的四類基本操作的描述為基礎，以互操作策略描述為目標，采用SQL樣式建立互操作語言核心子集；針對互操作實現要求，討論互操作路由、互操作集群、跨域互操作和安全互操作、任務完整性控制、互操作安全性控制等核心技術的實現方法。
三、跨域互操作系統實現
以互操作的獨立系統實現為目標，從技術與功能要求、系統結構、互操作流程、運行模式、安全管理、版本管理和任務管理等方面，介紹跨域互操作系統的基本構成和實現情況。最后，在對互操作系統應用進行分析的基礎上，列舉了三個簡單的應用案例。
本書是國家支撐計劃“交通安全信息集成、分析及平臺構建技術開發與示范應用”（2009BAG13A01）課題中互操作技術研究的總結，引用了課題副組長包勇強（公安部交通管理科學研究所）專題組、課題副組長張可（交通運輸部公路科學研究所）專題組、課題副組長王艷輝（北京交通大學）專題組、唐堃（北京宏德信智源信息技術有限公司）專題組的部分研究成果，還引用了吳旭任組長的863課題“網絡化動態交通信息獲取與交互技術”（2011AA110301）、“中國鐵路客票發售與預售系統”、“城市運行保障和應急搶險車輛衛星定位管理物聯網應用示范工程”的部分成果和資料，互操作系統原型系統主要由北京宏德信智源信息技術有限公司的葛大偉、南海斌、趙世雄、聶淼、賈獻博、翟曉宇、賀麗紅、丁鵬、王建等負責開發，課題研究過程中，還得到了方守恩、王笑京、王長君、馬林、關積珍、王云鵬、李宏剛等專家學者無私的意見和建議，這些對本書的完成提供了非常重要的幫助，一并致謝！
限于作者水平，不當之處在所難免，敬請讀者批評指正！


張遂征
2013年4月9日于北京