云计算下的国土空间信息服务组合模型研究

1、云计算下的国土空间信息服务组合模型研究摘要近年来，国土部门借由大数据和云计算技术作为支撑构建了“国土云”，并越发注重云环境下的空间信息服务的应用。一方面，国土空间数据在量级上是庞大的，借由云计算可以使得空间信息服务在数据分析效能上变得高效；另一方面，国土业务的需求是多样化的，构建不同功能的空间信息服务可以满足多方面的业务需要。但在实际的空间信息服务应用中，单一的信息服务往往无法满足复杂的空间业务需求，需要将多个相对独立的服务以组合的形式进行拼接,以获得功能及结构上都更为复杂的复合服务。本文重点进行空间信息服务的组合模型研究，运用BPMN对组合模型进行语义描述，依靠BPMN易懂易用的特点，并借由

2、相关的业务流程引擎及工具，实现模型的快速构建及正确性检验。主要研究内容和成果如下：构建空间信息服务注册中心。基于Consul服务管理框架，遵循UDDI规范，构建适用于空间信息服务的注册中心，以服务目录的形式提供服务查找、服务调用等功能，为组合模型的快速构建提供保障。利用BPMN任务元素的扩展语义，对建模过程中模型服务链的参数衔接性进行控制。本文所运用的建模技术，是一种静态的组合模式，需要在模型构建阶段就进行服务绑定，而由BPMN所构建的组合模型其原生语义缺少对服务参数的描述信息，使得服务链在服务参数的衔接性上难有保障。通过扩展任务元素的语义，加入对服务参数的描述信息，并采用本文的参数索引的方式

3、，可以有效保障模型在构建时具有参数上的衔接性。制定BPMN元素到Petri网的映射规则表，对BPMN模型的正确性进行验证。BPMN模型缺少有效的正确性验证方法，而Petri网作为经典的数学表达式有着多种有效的流程网分析手段。通过分析BPMN元素的特点及模型结构、Petri网的建模特点等，制定常用的BPMN元素到Petri网的映射规则表，并按此将BPMN模型映射为Petri网，通过分析Petri网以间接性检验BPMN模型。基于上述研究内容，本文以构建国土服务组合平台的方式进行成果展示，并通过一个城市空间选址案例验证基于工作流模式的BPMN空间信息服务组合模型的可行性。关键词：空间信息服务、服务组

4、合、BPMN、Petri网目录 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark4 o Current Document h 摘要I HYPERLINK l bookmark10 o Current Document h AbstractIll HYPERLINK l bookmark54 o Current Document h 第1章绪论11.1研究背景和意义11.2国内外研究现状22.1空间信息服务发现相关研究22.2空间信息服务组合相关研究32.3BPMN业务流程验证相关研究43本文主要研究工作61.4论文结构安排7 HYPERLINK l bookmark60 o

5、 Current Document h 第2章服务组合与相关概念介绍81云计算与服务组合81.1云计算的定义和特征81.3云计算环境下的Web服务组合92.2空间信息服务与空间信息服务组合102.1空间信息服务的概念及分类102.2空间信息服务组合介绍112.3空间信息服务组合分类及规范122.3空间信息服务注册中心132.4BPMN介绍144.1BPMN的概念142.4.2BPMN的核心元素155Petri网介绍172.5.1Petri网概述及定义175.2Petri网的分析方法186本章小结19 HYPERLINK l bookmark90 o Current Document h 第3章

6、国土空间信息服务组合模型研究201面对的问题及应用目标202服务组合平台总体框架设计213.3空间信息服务注册中心设计223.1注册中心的构建意义223.2空间信息服务注册与发现233.3空间信息注册模板的设计244基于BPMN的服务组合264.1BPMN建模特点264.2模型的参数衔接性讨论284.3BPMN到Petri网的映射315本章小结37 HYPERLINK l bookmark105 o Current Document h 第4章模型的应用及验证381开发平台及工具介绍382空间信息服务注册中心实现393服务组合平台443.1模型组合界面介绍443.2BPMN到Petri网的转换

7、473.3模型分析手段484.4模型构建及成果分析484.1模型构建484.2模型映射524.3模型验证535本章小结57 HYPERLINK l bookmark171 o Current Document h 第5章总结和展望581研究总结582不足与展望58 HYPERLINK l bookmark181 o Current Document h 参考文献60 HYPERLINK l bookmark269 o Current Document h 攻读学位期间发表的学术论文和研究成果65 HYPERLINK l bookmark276 o Current Document h 致谢66

8、第1章绪论1.1研究背景和意义当前，空间信息以服务的形式被广泛的运用于各个地理信息行业中,其以互联网作为载体，结合面向服务的架构(Service-OrientedArchitecture,SOA)，使得地理资源的交互共享变得便捷。SOA是一个组件模型，以规范化的服务接口及网络契约的形式进行服务的连接，使得构建于同一框架下的服务可以不受语言或者平台的影响而是参照统一的标准进行交互。服务的请求者、提供者和注册中心是当中的三个重要角色DM。注册中心是交互枢纽，关键功能是服务的发现与管理，由一个用于持久化服务描述的信息存储中心及一套用作提供服务的查找和管理行为的API构成，请求者通过调用API实现对已

9、注册服务的查找和发现，通过获取的描述信息进行服务调用；服务请求者可以是某个程序、软件或者信息服务，以提交需求的方式向注册中心请求所需服务，注册中心通过查询条件进行服务的筛选并将结果反馈给用户，服务请求者参照回馈的资源实现服务的调用；服务提供者扮演供货商的校角色，负责Web服务的开发并提供描述信息，通过注册中心进行服务的注册和发布。近年来，云南省国土资源厅以构建“国土资源云”为重点进行了一系列的平台建设，截止目前，已经基本完成相关大数据平台及云环境的搭建。环境搭建的同时，省厅也着手于对空间信息数据及相关应用的改造，基于SOA框架，结合大数据和云计算技术，将空间信息以服务的形式进行包装，以实现国土

10、空间信息在共享上的便捷性及运用中的高效性。随着信息改造的不断推进以及国土业务的多样化需求，空间信息服务的数量日渐增多，这些信息服务，一方面是来自于对大数据资源池中的数据利用，将云池中的数据以Web服务的形式进行包装，可以方便网络中其他用户的调用；另一方面，是来自对空间信息应用的开发，即针对特定的国土业务所开发出来的一系列具有数据处理能力的工具服务，为了契合大数据分析的需要，其中相当部分更是基于Hadoop或者Spark所开发出的具有大数分析能力的服务。在运用上，数据服务主要为使用者提供数据资源，工具服务则主要提供分析功能，工具服务因为其具有一定的业务针对性，而呈现复用性差的特点。如果把多个功能

11、上具有单一性的服务进行组合，以多服务协作的形式可以应对更为复杂的空间信息应用，同时单一服务的复用性也会得到提升。服务组合技术适用于动态构建Web服务体，其运用形式是通过将分布于网络中的多个小粒度Web服务按一定的逻辑进行组合，使得原本功能单一的原子服务，经过组合构建之后形成了一个结构上更为复杂，功能上得到加强的复合服务。服务组合依赖于组合模型的构建，当前构建组合模型的方式繁多，其中，业务流程建模与标准(BusinessProcessModelingNotation,BPMN)的可视化建模方式及其简而易懂的图形符号尤其得到广泛应用。BPMN在模型构建时，提供了一套容易理解的图形符号来描述流程上各

12、节点之间的逻辑关系，结合支持BPMN的流程引擎，可以实现模型的动态构建及部署执行。在国土的空间信息应用中，利用BPMN可以快速构建出适用于当下业务应用的服务组合模型，这样，一来是可以快速满足国土的业务需要，二来是可以提高国土空间信息服务的复用性。但是对于快速构建的模型，其适用性和正确性是未知的，应用错误的模型可能无法获得预期内的分析成果，因此需要一种有效可行的验证手段来检验模型的正确性。本文依托国土云环境进行云计算下的空间信息服务组合模型研究，构建空间信息服务注册中心为BPMN的快速建模做支撑，制定BPMN元素到Petri网的映射规则为模型正确性检验做铺垫，并最终将研究成果应用于系统平台之上,

13、为国土空间信息服务的高效利用做服务。1.2国内外研究现状1.2.1空间信息服务发现相关研究服务发现是实现服务动态组合的前提，主要包括服务查找和服务定位两大功能，在模型动态构建的过程中需要知道服务的确切信息，才能方便服务的组合应用。其研究方法主要有基于语法的方法、基于语义的方法以及两者混和的方法三种，主流方法是两者混合的使用。在研究中，部分学者利用OWL-S进行空间信息服务的本体描述,使空间信息服务在使用上能更具特征性，安杨等9在服务的语义上加入了对服务参数的描述。王艳东等U。将OWL-S和语义网技术结合，提出支持语义环境的空间信息服务框架，使得对空间本体的描述更具多样性。UDDI(Univer

14、salDescriptionDiscoveryandIntegration)通用描述、发现和集成Web服务技术，作为Web服务的核心技术标准之一常被用来构建服务注册中心Ui-12,提供服务的注册、发现和绑定功能。在该技术下可以按需求进行注册模板的定制，并实现服务的动态注册。赵姗等U3提出的基于扩展UDDI注册中心的网格体系结构，使UDDI对于空间信息服务元数据的描述和管理能力得到扩展。毛燕清等U4通过扩展数据结构和功能模块的形式，提出一种基于扩展UDDI的空间信息服务组合方法，该方法加入了对空间信息服务的特殊性考虑，通过对UDDI的扩展完全可以实现对注册信息的个性化定制，重点突出某一类服务的描

15、述特征。注册中心是服务发现的运用形式，可以为服务组合提供高效、便捷的服务查找及服务调用等功能。总而言之，构建空间信息服务注册中心是为本文实现空间信息服务快速组合的基础。1.2.2空间信息服务组合相关研究空间信息服务组合是利用分布于网络中的空间信息服务，在服务组合支撑平台的支持下，根据用户的需求进行逻辑组合，利用多服务的协作来满足用户的需求3-19。空间信息服务组合分为三个阶段2。：(1)服务模型的构建。使用特定的描述机制去表述各个原子服务在运行流程中的逻辑性，包括服务流执行中的逻辑顺序、各个服务在参数上的传递等；(2)服务的匹配。对于模型上的每一个节点，都要有对应的实际服务与之绑定；(3)模型

16、的部署执行。利用相关的流程引擎进行模型部署，并按流程逻辑一一执行服务，返回执行结果。空间信息服务组合研究的主要目标，是如何有效实现对各种粒度的服务进行组合，使得模型上的各个服务可以按一定的逻辑流程协同运行，以完成各种复杂的空间信息业务应用。目前，空间信息服务组合的方法主要有两种，一种是基于工作流的空间信息服务组合21-23,另一种是基于规划的服务组合方法HQ%基于工作流的服务组合是参照预定的模板把Web服务逻辑组合，认为其中的每一个服务都是静态或者预先定义的，并使用某种服务描述语言对已建立好的模型进行描述，并部署于服务执行引擎上以实现服务组合；对于这一类方法，ISO19119将服务链分为自定义

17、链、流程管理链和集成链三种类型，并给出了空间信息服务组合的概念模式/,但缺少对服务组合模型的描述，无法清晰的描述服务状态及资源情况。Liping在其研究中用地理对象的形式来描述原子服务和服务链，使得空间信息服务组合更具形式化。贾文珏等3。在其研究中结合WSDL3i与OWL-S32描述空间信息服务的语义，提出了一种具有动态构建服务功能的机制。张霞利用Petri网去解决工作流模式下的服务组合问题，针对服务组合中有向图不足的问题给出了有效的解决方式。乐鹏2。以路径查找的方式针对每一个原子任务进行研究，将空间数据的类型引入到服务链的构建中，实现了空间信息处理模型与空间数据的绑定。桂志鹏等W将有向图与块

18、结构的设计思想融入到服务链原模型的设计中，以图形化的形式展现了空间信息服务链，开发出了基于工作流的可视化空间信息服务建模平台。基于规划的服务组合方法则是以需求为靶向，以状态变迁的形式来描述各个服务从开始到结束的整个过程，服务组合既是从初始状态开始经过状态的迁移最终走向终态，因为每一个过程都是经过事前的设计，进而把服务组合问题转化成了规划问题。但该模式无法有效适用于服务的动态组合，且缺少一套完整的运用体系，尚待研究探索。本文采用基于工作流的服务组合模式，使用BPMN进行可视化的组合模型构建。1.2.3BPMN业务流程验证相关研究BPMN是由BPMI(TheBusinessProcessManag

19、ementInitiative)开发的一套用于业务建模的标准，是工作流的建模语言标准之一，具有确定的语义和严格的语法规范。BPMN使用符号直观的来表述业务流程，使得业务人员能够较为简单的进行理解。BPMN2.(PR规范规定了BPMN中各个模型符号对应的含义及使用范围，搭配相关的建模平台可以实现业务流程的可视化建模，但在其规范中并没有针对BPMN业务模型进行验证的方式，使得人们无法轻易的对BPMN业务流程进行推导演算，只能靠业务流程方面的专家以经验来找到问题。人工设计或自动构建的系统或模型组合可能存在死锁、活锁等问题MLBPMN拥有其独特的标准规范，无法直接用现有的方法对其模型进行直接验证，但可

20、以将其形式化成其他语言进行验证W。目前使用的BPMN流程验证方法主要集中在（1）基于兀一演算的BPMN形式化验证；（2）BPMN映射为对应结构的Petri网并进行验证；（3）BPMN映射为对应结构的BPEU38并进行验证等。对于BPMN到流程网的映射研究，较早的研究者是Dijkman等,其研究成果为之后BPMN转换为其他语言提供了极大蒂助。PuhlmannM。用n-演算的方法形式化了其在另一篇文献叫中提出的工作流模式，并在文献向中验证了针对于BPMN模型的算法，但其方法对于模型较为复杂的情况，比如循环过多等缺少有效支持。李艳华等同指出基于兀一演算形式化出的BPMN流程是具有严谨的逻辑性和严密性

21、的，但文章中并没有对转换实现给出具体说明。李向宁性4在其研究中给出了BPMN转换为兀-演算的表达式，进行了有效补充。薛刚45对利用兀-演算形式化描述的BPMN流程进行分析，指出转换出的模型会存在死锁、活锁等问题，并利用分析工具MWB【46对模型进行了验证。Petri网作为一个拥有悠久历史的流程网数学表示，也得到大量学者的青睐。在针对BPMN进行形式化描述的研究中，有着相当部分学者使用Petri网来描述BPMNo在BPMN转换为Petri网方面，较早的研究者是Dijkman41,他利用Petri网形式化描述了BPMN模型，并实现了BPMN模型的静态分析，但没有解决如何进行带有异常处理的子过程和容

22、他网关之间的转换，也不支持具有多实例的工作流模式，即无法应对复杂的BPMN流程的转换。因为Petri网有着针对并发系统的很好的表现性，很多学者在基本的Petri网基础上进行了扩展。包括有色Petri网I、日寸间Petri网等网。在针对模型流程的执行方面，也有学者致力于将BPMN映射为业务流程执行语言（BusinessProcessExecutionLanguage,BPEL）。BPEL是一种基于XML的可执行的变成语言，其描述的每一步都可藉由Web服务来实现。BPEL可以描述系统或模型的并发行为，但在针对业务规则的集成方面存在缺陷，BPEL是以块的形式进行流程描述，导致很难以一一对应的方式实现

23、BPMN到BPEL语言的映射转换，这也使得BPEL中无法避免死锁、活锁等异常行为，在对流程进行检测时无法准确的找到问题的发生位置，使得实时维护是困难的。随着模型驱动架构性9（ModelDrivenArchitecture,MDA）的出现，促进了业务流程往BPEL代码的转换。国内一些学者针对MDA框架进行了研究，并提出了一些代码生成技术2。,但这些代码生成器生成的语言基本都只是一些框架式的代码，自动生成了一些类，不涉及具体的业务实现。Petri网作为经典的流程网表述模型，具有严谨的数学表达式和许多验证模型正确性的分析手段。本文通过研究BPMN基本元素在流程中的实际作用及特征，制定BPMN元素到P

24、etri网模型的映射规则，实现BPMN模型的Petri网形式化描述，并通过Petri的分析手段实现对BPMN模型的间接性验证。1.3本文主要研究工作本研究基于国土云计算环境，重点进行基于工作流模式的BPMN空间信息服务组合模型研究。首先，围绕服务发现功能构建空间信息服务注册中心，以提供服务目录的形式为组合模型的快速构建提供支撑；其次，以BPMN为模型语义，实现国土空间信息服务的可视化构建，在组合建模阶段，着重考虑各个原子服务之间的参数传递性问题，以保证构建的空间信息服务链(组合模型)在参数的传递上具有衔接性；对于构建好的服务模型，首先讨论并制定BPMN元素到Petri网模型的映射规则，而后将构

25、造的BPMN模型映射为具有对应结构的Petri网，并利用Petri网在流程网方面的分析手段对模型的正确性进行检验；最后，结合工作流引擎实现模型的快速部署及执行。工作的具体内容如下：构建空间信息服务注册中心：云环境下的空间信息服务数量繁多，如何管理和准确的查找所需的服务，是服务组合快速构建的保障，为此，本文使用Consul服务管理框架构建空间信息服务注册中心，并结合ISO和OGS标准进行空间信息服务的分类，以方便服务的管理，最终以服务目录的形式提供服务查找及服务调用功能。BPMN在服务组合上的参数衔接性讨论：BPMN是一堆遵循BPMN2.0规范的图形符号，它规定了组合建模时各个符号的描述信息，但

26、是应用于服务组合建模时，缺少对服务参数上的关注，这使得构建的模型可能会出现原子服务之间参数类型不一致，导致服务链部署后无法顺利执行的情况出现。对BPMN元素语义进行扩展，加入对服务参数的描述，可以由此控制组合模型的参数衔接性。BPMN到Petri网的映射及流程验证：由人工参与的BPMN模型的构建，可能存在逻辑上的死锁、活锁等问题，而当前并没有一种绝对可行的方法对BPMN模型进行正确性检验，通常的方式是，将BPMN模型映射为其他具有有效手段的流程网，以达到间接性验证的目的。本文在认真分析BPMN基本元素及其流行为的基础上，制订出BPMN元素到Petri网的映射规则，借用Petri网的分析手段间接

27、的对BPMN模型的可达性、有界性、活性、完整性和活性进行分析，以确定模型是否正确。1.4论文结构安排本文共由五个章节组成。第一章绪论。介绍云计算下国土空间信息服务组合模型研究的背景及意义，综述相关研究现状，并介绍本文的研究内容及主要工作，最后介绍文章的章节结构。第二章服务组合与相关概念介绍。介绍与本研究相关的概念及定义，为论文的开展做铺垫。第三章组合模型研究。以模型研究为主题，从“问题”和“应用目标”两个方面出发，详细阐述BPMN组合模型的优缺点及该改善思路，BPMN模型的应用方式等内容，并给出基于模型运用的系统平台架构。第四章模型的应用及验证。围绕第三章的平台架构进行系统实现，并以一个空间选

28、址案例验证模型的应用成果。第五章总结和展望。总结全文，阐述本文的研究成果，叙述研究的不足及后续的工作思路。第2章服务组合与相关概念介绍云环境下空间信息服务的组合协同逐渐成为空间信息科学研究与工作模式的必然发展趋势孤。本章通过介绍与研究相关的概念及定义，为后续章节展开奠定理论基础。具体包括云计算的概念、空间信息服务组合、BPMN、Petri网等。2.1云计算与服务组合云计算是基于互联网实现计算资源共享的新型计算方式，以多台电脑或服务器为基础构建数据中心，将众多的计算资源配置成一个共享池，在需要时按需调用运算资源，以分布式形式实现计算任务，在计算效率上得到极大提升。目前，云计算已经被广泛运用到各类

29、网络应用中，并进一步发展了分布式计算皿、网格计算E和并行计算【54。在云环境下分布着众多功能单一但体量庞大的服务，这为服务组合提供了数据体量基础，将多个服务进行组合所构建的复合服务的形式，是快速满足用户需求的方法。2.1.1云计算的定义和特征关于云计算的定义并不统一，一般认为是一种基于互联网的分布式计算方式，在这种方式下，实现软硬件资源和信息资源的共享，并可以按用户需求进行资源分配提供给设备使用。云计算也被看作是一个可配置计算资源的共享池网络模型5叫可以让用户与服务提供商之间进行快速的交互，且方便扩展，允许用户利用网络去远程调用云中不同服务提供商所提供的服务和虚拟资源，这种方式可以方便服务提供

30、者以动态的方式去提供云中的虚拟资源。云计算的特征有如下几点：（1）资源的虚拟化：云是具有相当规模的服务器集群，它可以支持同一个服务网络下的任意终端的访问。处于云网络下，用户只需要提交请求，云中心就会将任务分配到“云”端某处进行处理。（2）资源易扩展：其易扩展就在于服务商可以将任意的计算机甚至手机接入“云，只要是具有计算能力的，且可被网络形式访问的设备，都可以并入“云的一部分。（3）超大规模：“云”的实质是大规模的计算机集群。（4）高可靠性、通用性和可用性：云资源的访问不受地点、时间的限制，系统根据实际需求进行自动的资源划分，按应用的规模进行弹性的伸缩，保证资源的可靠性；云计算的服务对象不是针对

31、性的，通过云环境可以演变出众多的应用，可以适用于多样的应用平台。（5）廉价性：云计算的廉价性在两个方面，一是云系统管理自动化所带来的数据管理方面的成本的降低；二是设施资源可以是廉价的，由多台低成本的廉价计算节点并入，云计算环境并不以单一的节点为核心，而是将多台廉价的机器进行分布式部署，发挥它们本身的效能，使得用户在使用云资源时所担负的费用极大的减少。2.1.3云计算环境下的Web服务组合在面向服务的架构下，Web服务组合的形式具有服务请求量大，运算任务重、计算任务复杂等特点。伴随着Web服务计算的发展，用户也越来越注重服务运行的效率性问题。云计算为服务组合的高效运行给予支撑，并提供丰富的原子服

32、务以供选择26。云计算应用的快速发展，使得云资源池中的Web服务的数量日渐增多，同时，利用云环境所带来的跨平台进行数据共享的优势，使得海量的服务可以利用云环境进行共享，并依靠分布式集群的优势，实现海量数据的高效运算，为海量的空间信息处理提供了极大的蒂助。Web服务组合与云计算想结合的优势在于，一方面，云资源池中数量繁多的原子服务为服务组合提供了多样性选择，同时，服务组合技术能够将分散的在功能上相对独立的原子服务按不同的业务需求进行逻辑组合，以应对不同的业务场景；另一方面，云计算的分布式计算环境在面对海量的数据处理任务时，提供了一个高效的可靠的支撑。2.2空间信息服务与空间信息服务组合2.2.1

33、空间信息服务的概念及分类Web服务是一种基于网络的、具有独立性的网络应用模块化组件岱7,往往一种服务对应一种特定的功能，具有独立完成特定需求的能力。在Web服务应用概念体系中即认为一切皆服务，在Web体系下任何应用都可以以服务的形式按照统一的标准规范在互联网中进行注册、发布及共享。Web服务体系中三个重要角色为服务提供者、服务请求者和服务代理者，如图2.1：图2.1Web服务体系服务提供者，其职责是按需求进行服务的研发，并通过注册中心进行服务的注册与发布；服务请求者即用户，通过注册中心实现服务的检索及调用；注册中心，也称为服务代理者或服务目录，它用于实现服务的管理行为，一般以接口的形式对外提供

34、各种管理服务的操作。在整个体系下所有对于服务的操作行为都可以通过注册中心实现。空间信息服务是空间信息应用结合Web服务技术的产物。在传统的模式下空间数据的多源异构及海量计算等特点使得空间信息在应用推广方面受阻，也使得空间信息的共享交互遇到瓶颈。Web服务的分布式和模块化特点正好为解决空间信息的共享交互提供了新思路，方便实现空间数据的在线共享及地学分析。关于空间信息服务的定义，狭义上是指遵循Web服务体系架构和标准，利用Web技术在网络环境下提供空间数据、分析和可视化等功能和应用；广义上泛指提供与空间信息有关的一切服务宛。空间信息服务的使用与基本的Web服务相同，将空间数据或空间分析操作以接口的

35、形式进行包装并对外发布，用户只需要在网络端便可轻易的调用服务,实现空间数据的共享及在线分析等操作。因为遵循标准的Web协议及接口规范,空间信息服务也能与其他Web服务进行交互，实现服务间的互操作0。空间信息服务的应用改变了传统GIS的应用体系，使得复杂的地学处理任务和数据共享从线下变为了在线的形式。从功能角度来看，空间信息服务大致分为三类：空间信息数据服务、空间信息处理服务和空间信息目录服务6。空间信息数据服务是指将空间数据以服务接口的形式进行包装并对外提供的服务；空间信息处理服务是指以接口的形式提供空间数据分析处理功能的服务，空间数据的共享及交互在网络中的实现以上述两类服务形式为主2.2.2

36、空间信息服务组合介绍分布于Web端的服务大多功能单一，且只能满足具有针对性的功能需求，面对新的复杂的空间信息处理及分析应用，通常的做法是在原有的服务基础上进行改造升级或者重新开发，这将会带来人力资源的再投入，随着业务需要，其人力成本也会随之增加。将多个功能单一的服务进行组合，构建功能强大、结构复杂的服务模型，可以弥补单一服务在应用中的不足，增加服务的复用性61O将原子服务进行重新的组合建模以获得功能更强大，结构上更复杂的空间信息服务，是空间信息领域长时间以来的一个研究热点。空间信息服务组合是以满足用户多样化的需求为目标，将已有的在粒度上较小的原子服务进行有机的组合以实现服务的个性化定制。空间信

37、息服务组合极大程度上提升了空间信息服务资源的利用率叫。由IS0/TC211和OGC共同推行出了ISO19119服务体系结构规范家,该规范对空间信息服务组合的概念进行了明确定义：空间信息服务组合是指为了完成某复杂空间数据处理功能所需的所有空间信息服务的执行顺序。组合服务的来源可以是跨平台的，具有松耦合的特点，组合中的各个服务在功能及维护上是各自独立的，但在构建成组合模型后，模型内部的各个服务之间应该考虑参数之间的传递性问题。通过将各个空间信息原子服务进行组合所构成的模型在功能上是强大的，具有应对更复杂的空间需求的分析和处理能力。2.2.3空间信息服务组合分类及规范空间信息服务组合在应用上，是将若

38、干个功能上具有相对独立性的原子服务按一定的业务逻辑进行聚合以应对更复杂的地学计算需求，并且在组合模型服务的执行上是有前后顺序的，由此形成的具有逻辑的组合体也称为空间信息服务链。ISO和OGC提出了空间信息服务链的三种类型啊，即透明服务链、半透明服务链和不透明服务链。透明服务链要求用户在模型构建中占主要地位，即服务链的实现是由用户来组织构建，包括单个原子服务的调用，但在该类型下对用户的专业知识具有一定要求；半透明服务链是借由工作流引擎进行服务实现的一种形式，需要用户使用引擎支持的描述语义进行服务链设计，完成的服务链由引擎负责执行，并最终返回结果，在服务链执行过程中，用户也可以通过执行引擎进行监督

39、，是一种需要人工参与的组合模式。不透明服务链，是一种将若干原子服务进行封装构成一个聚合服务的形式，在该形式下，用户无法知晓组合链的内部细节，使得用户在服务链中的控制权限减低，但是该类新对于用户的要求较低。服务链的类型划分是依据用户的控制权限来界定的。在透明服务链中用户的参与度最高，具有最高的权限，在不透明链中，用户的参与度最低，权限最小，半透明链中的用户权限则介于两者之间，用户拥有监督流程的权限，可以监视运行细节，但是无法控制执行流程。在组合模型的执行中，根据服务消息在交互行为上的不同，可将模式的构建划为两类：Web服务编排(WebServiceChoreography)与Web服务编制(We

40、bServiceOrchestration)o服务编排要求服务链中的每个节点服务必须了解它所对应的前驱服务和后继服务，需要各个原子服务在通信上考虑前后的衔接性，这种类型下的各个服务之间具有较为紧密的关系。服务编制中每个原子服务并不需要关心其他服务的信息，它只需要清楚自己的输入及输出需求，在该方式下是由中央控制节点和用户来协调控制整个服务链，包括流程的逻辑方向及数据流的传递等，在该模式下服务组合是一种松耦合的形式。服务编制是当前主流的空间信息服务组合模型的模式，该模式在控制流程和异常处理方面具有优势，而服务编排模式要求各个原子服务间具备更多的交互能力，没有统一的交互中心。按照空间信息服务组合生成

41、方式的不同，空间信息服务组合广义上可以分为动态服务组合和静态服务组合两种64。动态服务组合建模则是在模型执行过程中由流程引擎实现动态的服务绑定行为，最终构建服务来实现任务，而静态服务组合是在模型设计阶段就确定了组合服务中各个节点上的原子服务，即已进行服务绑定行为，在模型执行流程中无法变更。就组合方式而言，动态服务组合更具灵活性，但其操作过程及模型描述则更为复杂，动态组合的服务绑定是在执行阶段，具有更多的容差性，对技术的要求也更难，静态组合的服务绑定是在模型构建阶段，即模型构建过程中即确定了各个节点上的服务。组合方式的选取应该取决于具体的业务需要。根据研究特征及实际应用考虑，本文研究的是服务编制

42、模式下的空间信息静态服务组合。2.3空间信息服务注册中心随着WebGIS应用的快速发展，大量的空间数据和地理处理工具被以Web服务的形式发布于网络之中，一方面，空间信息服务方便了用户之间的服务共享与交流，另一方面，随着服务数量的日趋增多，如何快速、准确、高效地进行服务发现，已经成为制约空间信息服务深层次发展与应用的重要因素KM。空间信息服务注册中心的构建正是为了解决上述问题。Web服务体系采用XML标准协议，可以使一般的Web服务之间进行高效的交互，但这些传统的标准并不能很好的兼容空间信息服务的运用，在服务传输协议中缺少针对空间元数据信息的描述，也没有考虑到空间信息的标准化问题，使得Web服务

43、在应对空间信息分析操作方面尚有不足。空间信息服务注册中心是针对于空间信息服务进行构建的、具有针对性的服务代理中心，以空间信息服务的元数据为注册信息，可以实现针对于空间信息的定制化描述，注册中心会将收集到的信息存入数据库，在用户需要时以接口的形式提供服务描述。文献通过修改UDDI注册中心的服务描述内容，使得UDDI更容易满足空间信息服务的快速查找、注册和定位的需求，以个性化定制的方式加入了对空间信息服务的分类信息、空间数据的描述信息及空间信息服务的描述参数说明。4BPMN介绍4.1BPMN的概念BPM（BusinessProcessManagement）即业务流程管理，其本身没有明确的定义，而是

44、一个概念，可以认为是一系列规范业务流程分析、控制、操作等行为的方法论，工具和技术的集合。BPM要求使用流程定义语言来描述和指定业务流程。BPMN的出现是为了以一个具有规范性的建模语言来规范业务流程的描述。它为业务人员提供了一套具有直观性的图形符号及表单用于流程构建SI。BPMN现已是BPM及工作流的建模语言标准之一。2004年由标准组织BPMI发布，BPMN的最初版本BPMN1.L虽然可以较为全面的对模型流程进行表述，但缺少转换为其他语义的映射解决方案，也不支持流程的存储交互与执行。BPMN在设计之初，就是希望利用统一的标准去规范流程的建模描述，在此标准下实现多语义之间的相互转换啊。经过升级和

45、扩展，BPMN2.0于2011年诞生，扩充了BPMN1.1的建模组件，并对业务流程模型的编排和映射进行了补充。BPMN在应用上，是以提高业务人员的建模效率为目的的，由此，为使用者提供了一套具有特定描述行为且间而易懂的图形符号，以涵盖模型从构建到形成的整个过程，大大降低了使用者的操作难度。利用BPMN提供的基础元素,可以将建模流程简单化、图形化，将复杂的组合建模转化为视觉化的图形组合的形式，使得每一个过程、每一种业务关系都可明了的呈现出来。用BPMN进行组合建模的优势在于：（1）BPMN为业务相关者提供易于理解的标准标记法（符号），其中业务相关者包括创造与梳理流程的业务分析师、负责实施流程的技术

46、开发者、以及业务管理者和监督人。用标准符号对业务流程进行建模描述的BPMN,扮演着促进这些人员在业务流程设计和实施之间沟通交流的角色；（2）BPMN是从许多已经存在的建模标记中吸收再生的，形成的一套标准的标记语言。它的出现规范了建模标记的标准，改善了因为存在不同的业务建模工具和标记而导致的交流理解的混乱情况；（3）BPMN通过解决在业务流程管理上存在的问题，提高业务实施与管理的效率，最终达到促进企业的管理发展的目的。Dumas在文献网中进行了BPMN能力的全面评估，通过与BPEL和UML活动图的对比，得出了BPMN对业务流程建模是具有适用性的。现已有许多流程引擎实现了对BPMN2.0的支持。例

47、如时下流行的工作流引擎Activiti及由其分裂而来的Camunda-Bpm都遵循BPMN2.0规范，并提供可视化的建模窗口，可以实现对BPMN模型的动态部署及执行。2.4.2BPMN的核心元素BPMN的出现是为了能在具有多种建模符号的环境下提出一套标准化的业务流程符号，并尽可能简化用户对于业务流程模型的理解度，使得构建模型变成一个高效、简单的过程。因此由BPMN规范所设计出的图形符号其目的就是为了方便用户的使用，降低用户的操作难度。BPMN构建的组合模型，可以直观的表述出一个业务从开始到结束的整个过程。由BPMN定义的业务流程图由一套图形化元素组成，主要包括四类：流对象(Flow),流对象是

48、BPMN的核心元素，包括事件、活动、网关三种形式；连接对象(Connection),连接对象是将业务流程连接起来的基本结构,主要包括顺序流、消息流、关联三个对象。泳道(Swimlane),用于划分不同的参与者、职责或者责任。人工信息(Artifact),人工信息，既是在业务建模过程中进行信息的备注的行为。表2.2BPMN核心兀素描述表元素(Element)描述(Description)符号标注(Notation)事件(Event)事件元素用空心圆来表示，代表流程中某个行为的发生。事件描述了流程的某一特定行为，一个事件包含一个触发器或结果。事件主要有三种：启动流程的开始事件(StartEvent

49、)、代表流程终止的结束事件(EndEvent)及中间事件。OStartEventoEndEvent续表2.2元素(Element)描述(Description)符号标注(Notation)活动(Activity)活动用圆角矩形来表示，表示业务流程汇总用于实现某项工作的操作。一个活动可以是原子性(单一性)的也可以是一个复合活动(多个活动组合而成的粒度上更大的活动)。主要的活动类型是任务(Task)Task)网关(Gateway)网关用菱形表示，用于管控流的选择、分支及合并行为。根据菱形类的标记不同来表示不同的网关，常用的有排他网关(ExclusiveGateway)、并行网关(ParallelG

50、ateway)和包含网关(InclusiveGateway)跖uskeGatewayParallelGatewayIndusiveGateway连接对象(Connection-object)该元素用以描述流程中各个元素之间的逻辑顺序，主要包括顺序流、消息流、关联三个对象。顺序流(SequenceFlow):用一个实心的带箭头的线表示，具有指向性的目的没用于指定流程的执行顺序。消息流(MessageFlow):用一条带有开箭头的虚线表示，用于描述两个独立的参与者之间的信息流动。关联(Association):用一根带有箭头的点线表示，主要用于展示活动的输入输出。SequenceFlow0-Mes

51、sageFlowAAssociation泳道(Lane)用于划分不同的参与者、职责或者责任。泳道之间的连接是通过消息流来实现的。由上述类型所分化的符号元素中，最关键的要素为：事件、活动、网关和连接对象。一个最简单的业务流程由一个开始事件、一个活动及一个结束事件构成，如图2.3：0-1po图2.3简单的BPMN流程图该流程表述了一个完整的执行单一任务的执行逻辑，从开始到运行到消亡的整个过程。至于网关的重要性，将在其他章节进行论述。5Petri网介绍2.5.1Petri网概述及定义Petri网是一个经典的数学表示，20世纪六十年代又卡尔A佩特利发明，使用于描述异步、并发的工作流网。Petri网提供

52、图形化的形式构建模型，对于事件流程的顺序、并发和交错关系能够精准的进行描述。经典的Petri网可以对状态、条件、选择、循环、并行、同步等行为进行建模,但缺少对于时间和数据的描述能力o经过国内外多年的研究，在基本的Petri网的基础上已经研究产生了多种不同的Petri网组合模型。基于Petri网的几何代数方法可以用于检验服务组合之间的不一致性7。有色Petri网适用于建模分析异步并发系统EL时间约束Petri网适用于受时间参数约束的服务组合和分析四。模糊Petri网在人工指定的规范标准下适用于服务的自动化选择el。BPEL流程可以被转换为Petri网来进行模型的可达性、活性和安全性的验证KI。0

53、WL-S结合Petri网可用于检测服务组合的正确性和可达性口5。WSDL/WADL规范结合Petri网的形式可以对服务质量及可行性进行评价。综上所述，Petri网不仅具有严格的数学表达方式，也有直观的图形表达式,既有丰富的表述手段又有严谨的行为分析方法，可以描述各系统之间的关系、状态及通信协议，同时还提供很多用于验证系统可行性的方法，适用于形式化分析和验证。通过构建流程对应的Petri网，采用Petri网的分析手段，能够有效分析出流程存在的问题，包括流程的有界性检验、安全性检验及流程行为检验等。经典Petri网模型是一个没有孤立节点的有向连通图，它由库所、变迁、有向弧及标识等元素组成EL库所用

54、于描述资源集合，一个令牌既对应一种资源,一个库所可以包含多个令牌，资源的数量由令牌决定；变迁用于描述一个事件的行为活动；有向弧用于连接库所与变迁，有向弧的方向代表资源的流向，且规定变迁与变迁或库所与库所之间不准以有向弧相连；标识则用于描述某一时刻下的模型状态。由上述可知，Petri网模型可以用一个四元组N=(PPT,F.M)来表示网。Petri网是一个四元组村=CBT,F,M)定义如下：定义1：代表所有库所的集合，T=坛珏代表变迁的有限集合，规定库所和变迁的几何不能为空即(PHT)=0o定义2：F(PXT)(TXF)代表有向弧(流关系)的集合，每一个有向弧则代表一对库所和变迁之间的操作关系。F

55、是有方向的且不能单独存在，它可以由一个库所指向下一个变迁，也可以是从一个变迁指向下一个库所，箭头的出发方向称为源点，箭头指向目标。定义3：抽=的印河“地,.峋用于描述模型中标识的集合，集合中的每一个标识对应某一时刻中模型的状态。若teT,t在表示Mi的状态下发生变迁，随后t将处于新的标识略状态下，此过程表示为因为Petri网中的弧(流关系)是有向的，所以Petri网是有向图，又因为Fc(pxT(TXF),表示每条弧都是从集合中的一个元素连接到另一个集合中的元素，所以Petri网图是一个有向二分图。Petri网的触发规则与它所构建的网图紧密相关，图是流程网络行为的表述，基于Petri网的组合模型

56、验证正是在图的构建基础上来完成的。2.5.2Petri网的分析方法对于一个服务组合模型而言，能否正确终止是十分重要的。分析Petri网可以使用可达树（Reach-abilitytree）、状态方程（stateequation）等方法，去分析网结构的相关特性。通过Petri网对活性和有界性的验证来决定服务是否正常结束,通过是否具有完全可达性、完整性和前进性来验证服务组合的正确性ns。1）定义4：可达性：若从起始标识Mo出发，遇到变迁即产生一个新的标识则称到Mo可达，此后每遇到一个变迁都新生成一个标识，那么所有从Mo出发的可达标识所构成的集合称为可达集，表示为R。2）定义5：有界性：对于一个Pet

57、ri网有可达集R（河，根据定义1可知,对于任一库所都有pEP,若从初始标识开始任一标识下的库所中所含托肯数都不超过一规定值k（k为正整数），则称该Petri网为有界的。表示为VmSRM（p）其中k为正整数。3）定义6：活性：由定义1可知，对于任意变迁都有tET（变迁集合），对于任意标识有m属于R,若从初始标识Mo开始，对于任意变迁的触发都可以使得该变迁为活的即每一个变迁都可以有被触发一次的可能那么则称该Petri网是活的。4）定义7：完整性：若一个Petri网对于其全部状态都有R（网小，则称该Petri网是完整的。5）定义8：前进性：若一个Petri网，每次的变迁都将当前状态推向最终态且没有出

58、现无意义的循环，则该Petri网的每一次变迁都具有前进性。对于一个Petri网而言，若同时具有上述五种性质则表示该Petri网是正确的。6本章小结本章对与论文相关的技术及概念进行了阐述。首先介绍了云计算与服务组合，该模式是应用空间信息服务的发展趋势；然后介绍了空间信息服务与空间信息服务组合的概念及分类；接着介绍了空间信息服务注册中心，是实现空间信息服务建模的重要保障；最后介绍了BPMN和Petri网的概念，是本文应用及研究的主要对象。第3章国土空间信息服务组合模型研究基于工作流模式的国土空间信息服务组合的模型研究，主要从两个方面展开，一方面是进行空间信息服务注册中心的研究设计，注册中心可以在服

59、务模型的构建阶段提供服务查找、服务绑定等功能并提供空间信息服务的相关描述;另一方面是研究BPMN的模型特点及其与Petri网的映射关系，扩展BPMN元素语义加入对服务参数的描述信息，讨论BPMN模型到Petri网的映射规则，以期达到利用Petri网相关的分析手段间接性检验BPMN模型正确性的目的。本研究以国土云环境作为支撑，最终将组合模型的研究落到系统平台的应用上。1面对的问题及应用目标在传统的Web应用中通常会针对特定的业务需求进行具有针对性的功能服务的开发，由此构造的信息服务针对性强，可以满足具体的业务事项，但一个服务一般只适用于一种特定的业务场景或分析应用。空间信息服务是空间信息与Web

60、服务的结合产物，主要分为空间数据服务和空间操作服务两类，它以Web服务的方式进行服务的发布、共享，使得空间数据的交互共享从线下模式延伸到了互联网层面。作为结合产物，单一的空间信息服务也具有指向性强的特点，但针对不同的应用层面空间信息还兼有矢量数据和栅格数据之分，针对不同的存储需求又有着诸多的空间数据存储方式，在不同的业务场景下呈现出语义描述不一、多源异构等问题，空间信息服务的元数据信息较一般的Web服务而言也更为复杂，除了服务通用的IP地址、端口等信息，还包含着方位、坐标等特有的描述。云计算技术的运用推进了国土空间信息服务之间的共享交互，同时也为空间信息提供了一个可靠的存储环境。一方面，云环境