数字城市的通信协议系统的结构与模型研究

1. 引言

数字城市的基本内涵是利用现代信息技术（包括电脑技术、通信与网络技术、多媒体技术和GIS/GPS/RS技术等）实现城市中各行业、各领域的信息化，并将城市中的众多信息孤岛连接起来形成一个整体。继而以数字城市为基础，逐步实现地域数字化，乃至全国的数字化。自上世纪末以来，数字城市已经被许多大中城市列为重点发展方向，逐步在世界范围内形成建设的高潮。

在数字城市的建设中，传统信息领域的技术及其应用已经比较成熟，一般都有较为全面系统的标准与规范。然而，作为数字城市中重要的建设基础与内容，控制与集成却还处于一种较为无序的状态，多种标准共存，没有统一的标准可遵循，系统之间的互联和互操作性很差，根本不能满足数字城市对信息化的要求，在数据信息的可得性方面存在着很多困难，更谈不上数据信息的可用性问题。

以以太网和无线技术为代表的通信技术已经在工业控制、智能建筑等自动化系统中得到广泛的应用，可以说以太网+TCP（UDP）/IP已经成为“事实上”的工业标准。这解决了系统的互联和数据的可达性问题。在数字城市中，控制与集成有其自身的特殊性和行业应用背景，不能简单地将信息领域的标准与规范移植过来。因此，必须根据该领域的特征与具体应用相结合，制定该应用领域的通信协议标准规范，总结出该领域的基本特征、系统框架、模型和技术规范。

国家有关部门组织控制和系统集成标准起草，对数字城市、智能建筑中控制和系统集成的通信协议等进行标准规范建设。本文将提出控制和系统集成的通信协议的系统结构，从总体上给出该应用领域的系统框架与模型，是该标准规范的基础与核心部分。

2. 体系结构

2.1 标准范围

在数字城市的控制与集成中，核心的基础设施是一些硬件设备及软件系统构成的信息站点（单元），它们是各控制管理系统的基本单元，也是信息数据的基本处理单元。每个信息站点一方面管理自己内部的各种硬件、软件和数据资源，同时为其它信息站点或用户提供各种类型的服务。因此，本标准是在国际互联网协议TCP/IP传输层以上规范信息站点中各种资源和服务的外部互操作特性，规范系统的应用通信协议，使之能够有序协调工作。在此体系结构中，主要包括信息站点模型，信息站点中的资源模型、通信模型、服务模型，以及分布式系统的模型。

2.2 站点模型

信息站点是实际系统中基本的组成单位，每个信息站点各自都是一个相对独立的系统。在硬件上对应于一定的设备，包含一些基本的物理模块，如传感器、控制器、执行器、网络接口等基本部件；在软件上，则包含一个能够独立自主地运行的应用系统。通常，信息站点的系统结构可以用图2来表示，主要可以分为六大部分。

1） 首先是基于IP网络的通信部分，主要负责与其它信息站点和控制系统进行交互通信，实现信息交流和系统控制。

2） 基于简单对象访问协议SOAP的消息传输、控制和访问部分，实现上层的服务与下层的网络通信的连接，使应用服务成为可能。

3） 服务接口部分，提供标准的应用服务接口，一方面信息站点的所有对外的功能服务都通过标准的服务接口来展现，另一方面，外界通过标准服务接口来访问和调用信息站点内部的功能，完成一定的任务。每个信息站点都提供几种基本的通用服务，包括读（Get）、写（Set）、通告（Notify）、添加（Add）、删除（Delete）等服务。外界对服务的访问是通过下层的SOAP来进行的，并将服务的结果通过SOAP反馈回去。而服务的具体执行过程则需要操作和利用信息站点内部所包含的资源对象。

4） 控制管理内核是信息站点的核心部件，也称之为中央控制器。它主要具备两个方面的功能：一是统一管理和调度信息站点的所有资源，包括信息站点的基本描述、组成对象、安全等对象资源；二是接受外界提交的服务请求，通过调度和执行完成相应的任务，并以服务的形式返回给外界。

5） 信息站点所包含的资源对象部分，是信息站点运行、管理和操作的对象和基础。主要包括I/O对象、功能模块对象、基本配置对象等，有的还可能具有集成资源对象，主要适用于系统集成。

6） 另外一块是信息站点的安全管理部分，它在网络之上提供基本的安全检测、验证、加密、解密等基本管理功能，以保证信息站点软硬件和数据的安全。

图2. 信息站点的系统结构模型

以上就构成一个标准的信息站点系统模型，是一套相对独立的系统，能够独自地完成相应的任务。信息站点的基本运行过程是：

1） 控制管理内核自主地运行着，控制、管理和调度内部的基本对象和逻辑对象，并按既定的程序执行相应的任务；

2） 当外部通过网络向信息站点提交请求时，通过SOAP协议的转换而调用标准的服务接口；

3） 标准的服务接口传递映射给控制管理器，由控制管理器来调度相应的对象资源，并执行相应的功能模块，完成指定的任务；

4） 任务执行的结果通过标准的服务接口返回，再经过SOAP协议的转换与封装，最后通过网络输出给外界。

2.3 信息站点的资源模型

每个信息站点所包含的资源主要可以分为基本配置对象、资源集成对象、功能模块对象和I/O对象。图3给出了信息站点的资源模型。其中基本配置对象包括根对象（Root）、设备对象（Device）、同步对象（Sync）、通告对象（Notify）、服务对象（Service）和安全对象（Security），其中红色的对象是信息站点必须具备的对象。I/O对象包括其中数字对象、模拟对象、多态对象、串行对象等。功能模块对象包括PID控制、开关控制、算术逻辑运算等功能模块。集成资源对象主要应用于系统集成，并不是所有信息站点都有的，包括三个方面的集成：资源、过程和信息交换，其中资源集成部分主要包括通信网络、设备、人员、材料、装备等资源。

在信息站点的资源构成中，通常一个信息站点必须包含信息站点根对象、设备对象、服务对象、通告对象和同步对象，此外，针对具体的应用，需要包含一些相应的I/O对象、系统集成对象和复杂功能模块对象。

n 根对象，是所有资源的根，使用信息站点标识来唯一标识每个信息站点。

n 设备对象主要包含信息站点的一些基本信息和描述，如信息站点的标识、物理地址、位置等基本属性。

n 服务对象主要对信息站点所提供的服务进行描述。

n 通告列表对象中是由一组通告对象所组成，每个通告对象是一个实体，它指明了通告的源端通告内容和目标信息站点地址，在逻辑上完成了从源端信息站点的某个资源到目标信息站点的一个连接。

n 同步列表对象则是由一组同步对象所组成，每个同步对象指明了目标信息站点的哪个对象应该跟源端信息站点的哪个对象保持同步，即需要将源端信息站点的某些对象赋予给目标信息站点的指定对象。

图3. 信息站点的资源模型

2.4 通信模型

基于IP的控制系统是一种分布式现场网络控制系统，以IP通信网络为基础，并结合自动化控制现场物理环境，将若干个分散在现场的设备、小系统以及控制/监视设备连接起来，所有设备一起运作，共同完成自动化控制过程和操作中的I/O 数据采集和自动化控制。基于IP的分布式现场网络控制系统可以用于智能控制、自动化控制、工业生产制造和过程控制环境等。

基于IP的控制系统提供了一个系统框架，用来描述由基于以太网、无线局域网、蓝牙等网络连接在一起的物理设备。在基于IP的控制系统中，有三种子网：即基于以太网（IEEE 802.3）、无线局域网（IEEE 802.11）和蓝牙（IEEE 802.15）的子网。基于IP的控制系统中的网段可以是相同类型的子网，或者是两种或三种的结合，支持下以下拓扑结构：

1） 一个或多个基于以太网的IP子网，兼容IEEE 802.3 协议；

2） 一个或多个基于无线局域网的IP子网，兼容IEEE 802.11 协议；

3） 一个或多个基于蓝牙技术的IP子网，兼容IEEE 802.15 协议；

4） 基于以太网和无线局域网的以上两种或三种子网组成的混合网段。

每个物理设备通过提供一个或多个应用，来执行整个系统的一部分工作，应用之间的通信通过IP通信实体实现。

通信模型如图4所示，主要包括三个层次：

（1） 物理层和数据链路层

物理层与数据链路层，为控制系统提供数据传输物理通道，并描述了多个设备共享通信信道的一种机制。本标准中采用了IEEE802 系列规范，即IEEE 802.3、IEEE802.11 和IEEE802.15。

（2） 网络层和传输层

网络层和传输层为应用层提供报文传输的平台，本规范采用UDP（TCP）/IP 协议集，其中UDP 协议不需要在通信两端建立连接和确认，用于实时数据通信。而对于实时性要求不高、对传输的可靠性要求高的应用，可使用TCP协议，也可使用UDP协议，但需在应用层提供传输可靠性保障机制。

（3） 应用层

主要包括两大部分：

n 基于XML的消息传递，即所有的应用服务消息都是采用XML格式进行数据封装与交换。本规范选择SOAP协议作为XML消息传递协议。SOAP（Simple Object Access Protocol ）简单对象访问协议是在分散或分布式的环境中交换信息的简单的协议，是一个基于XML的协议，它包括四个部分：SOAP封装（envelop），封装定义了一个描述消息中的内容是什么，是谁发送的，谁应当接受并处理它以及如何处理它们的框架；SOAP编码规则，用于表示应用程序需要使用的数据类型的实例；SOAP RPC表示，表示远程过程调用和应答的协定；SOAP绑定，使用底层协议交换信息。

n 基于XML的服务描述。WSDL（Web Service Description Language）是基于 XML 的服务描述的真正标准。这是支持可互操作的 Web 服务所需的最小标准服务描述。WSDL 定义了服务交互的接口和结构。要指定业务环境、服务质量和服务之间的关系，我们还需要另外的描述。WSDL 文档可以由其它服务描述文档来补充，从而描述 Web 服务的这些更高级的方面。

图4中描述的通信协议栈模型提供了互操作性，它使控制系统服务能够利用现有的因特网基础结构。这将使进入普遍存在的环境的成本非常低。灵活性并不会因为互操作性需求而有所降低，因为我们可以为选择性和增值的技术提供另外的支持。这种协议栈模型确立了保证一致性和互操作性的技术。

2.5 服务模型

SOAP 是一种简单的、轻量级的基于 XML 的机制，用于在网络应用程序之间进行结构化数据交换。图5展示了 XML 消息传递（即 SOAP）和网络协议如何组成服务体系结构的基础。

网络节点在基于 XML 消息传递的分布式计算中扮演提供者和请求者的角色的基本要求是构建、解析 SOAP 消息的能力（或两者），以及在网络上通信的能力（接收、发送消息，或两者）。

通常，在 Web 应用程序服务器中运行的 SOAP 服务器将执行这些功能。另外，我们也可以使用在 API 中封装这些功能的特定于编程语言的运行库。应用程序与 SOAP 的集成可以通过使用四个基本步骤来实现：

1） 在图5中，服务请求者的应用程序在①创建一条 SOAP 消息。这条 SOAP 消息是调用由服务提供者提供的 Web 服务操作的请求。消息主体中的 XML 文档可以是一个 SOAP RPC 请求，也可以是一个服务描述中所描述的以文档为中心的消息。服务请求者将此信息和服务提供者的网址一起提供给 SOAP 基础结构（例如一个 SOAP 客户机运行时）。SOAP 客户机运行时与一个底层网络协议（例如 HTTP）交互，然后在网络上将 SOAP 消息发送出去。

2） 网络基础结构在②将消息传送到服务提供者的 SOAP 运行时（例如一个 SOAP 服务器）。SOAP 服务器将请求消息路由到服务提供者的 Web 服务。如果应用程序需要，SOAP 运行时负责将 XML 消息转换为特定于编程语言的对象。这个转换由消息中可以找到的编码模式所控制。

3） Web 服务负责处理请求信息并生成一个响应。该响应也是一条 SOAP 消息。响应的 SOAP 消息在③被提供给 SOAP 运行时，其目的地是服务请求者。在 HTTP 上的同步请求／响应的情况中，联网协议的底层请求／响应本质用于实现消息传递的请求／响应本质。SOAP 运行时将 SOAP 消息响应发送到网络上的服务请求者。

4） 响应消息在④由服务请求者节点上的联网基础结构接收。消息会经过整个 SOAP 基础结构；可能会将 XML 消息转换为目标编程语言中的对象。然后，响应消息被提供给应用程序。

本示例使用了请求／响应传送基本原理，这种原理在大多数分布式计算环境中都很常见。请求／响应交换可以是同步的，也可以是异步的。其它传送基本原理，如单向消息传递（无响应），通知（推动式响应）以及发布／订阅，也可能用到 SOAP。

信息站点的基本服务有六种，使用六中服务原语来表示：

1） GET （读节点）：客户端用户使用读属性服务请求一个信息站点中某个对象的一个属性值。本服务允许读访问信息站点对外的任何一个节点对象的任何属性。

2） SET （写节点）：客户端用户使用写属性服务修改一个信息站点中某个对象的一个属性值。本服务本质上允许写访问任何一个节点对象的任何属性，不论对象是否标准对象。

3） RESPONSE（响应）：对Get，Set，Add，Delete等服务请求的回应。

4） NOTIFY （将节点通告至目标站点）：通告操作主要完成一个消息的通告，当某个事件发生，或者一个对象的某个属性发生变化时，向预订该类通告的用户（信息站点）发送该通告信息，这类通告信息并不需要预订用户的回应和确认。

5） ADD （向站点增加节点）：客户端用户使用添加列表元素服务向一个具有列表的对象的属性添加一个或者多个列表元素。DELETE （删除站点的节点）：客户端用户使用删除列表元素服务从一个具有列表的对象的属性中删除一个或者多个列表元素。上述几种基本服务的时序如图6所示。

2.6 分布式控制系统模型

分布式的控制系统模型如上图所示。在物理上，分布式控制系统由一组分布在不同位置的多个物理设备所组成，所有设备都通过一定的物理通信网络（如以太网、无线局域网、蓝牙等）互连起来，形成一个整体互联的系统。每个设备都是一个相对独立的物理系统，能够完成一定的功能，提供各种类型的服务。

在逻辑上，分布式控制系统则由多个应用（子系统）所组成，每个应用分布在一个或者多个设备上，由这些设备的相应的对象组合而成，每个设备中的对象包括一些逻辑对象、I/O对象、功能模块对象等。图中每个虚线框即表示一种应用，应用中对象之间的连线是一种逻辑上的连接，可以是通告对象或者同步对象，这些对象被添加到设备的通告列表对象或者同步列表对象中，并通过具体的设备间的服务和通信来完成的。图7给出了分布式控制系统模型的示意图。

3. 结语

数字城市已经在世界范围内成为发展建设的高潮，控制与集成是数字城市中的重要组成部分。在控制与系统集成领域中，为解决数据信息的互联、可达性和可用性，必须对数据信息的通信进行统一规范。本文针对数字城市控制与集成的通信协议问题，提出了该标准规范的系统结构，规范了信息站点中各种资源和服务的外部互操作特性，规范了系统的应用通信协议，使之能够有序协调工作。有关这一管控一体化协议体系的的更多内容将在后续的文章中陆续给以介绍。

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