С. В. Павлов, Т. М. Усов, Р. А. Шкундина

Сервис-ориентированная архитектура программного обеспечения корпоративных геоинформационных систем

       В настоящее время геоинформационные системы (ГИС) широко используются для ре­шения задач корпоративных пользователей, на­пример, в таких областях, как кадастровый учет, градостроительная деятельность, природополь­зование и многих других, предоставляя пользо­вателям возможности управления пространст­венными данными, решения задач пространст­венного анализа, планирования и прогнозирова­ния. При этом ГИС нередко выступают как ин­струмент интеграции разнородных информа­ционных систем предприятия, поэтому про­граммное обеспечение (ПО) геоинформационных систем должно быть интегрированной частью корпоративной информационной среды.

Большая часть геоинформационных систем реализована в рамках клиент-серверной архи­тектуры с «толстым» клиентом: на рабочие мес­та пользователей (настольные компьютеры) ус­танавливается специальное ресурсоемкое про­граммное обеспечение ГИС, реализующее ин­терфейс пользователя, включая задачи визуали­зации векторных и растровых пространствен­ных данных (карт) и логику приложения, в том числе операции обработки данных. Такая архи­тектура программного обеспечения имеет ряд ограничений: с точки зрения пользователей из- за требования, предъявляемых к рабочим мес­там, организационно-технически усложняется доступ к ГИС. С точки зрения разработчиков усложняются процессы развертывания (внедре­ния) и сопровождения (обновления) программ­ного обеспечения ГИС. Также труднореализуе­мой является задача интеграции ПО ГИС с дру­гими информационными системами предпри­ятия, что является актуальной задачей для со­временных корпоративных информационных систем.

Стремление преодолеть названные ограни­чения привело к развитию архитектур и техно­логий создания программного обеспечения, свя­занных с размещением логики приложений (компонентов ПО) и всех данных на серверных вычислительных комплексах, что особенно важно для геоинформационных систем ввиду большого объема пространственных данных и ресурсоемкости операций их обработки. В то время как позволяющие размещать пространст­венные данные на серверах системы управления базами данных (СУБД) повсеместно использу­ются в рамках геоинформационных систем на основе клиент-серверных архитектур с «тол­стым» клиентом, задача размещения на серве­рах логики приложений ГИС долгое время ос­тавалась нерешенной и является актуальной се­годня. Наиболее перспективной архитектурой программного обеспечения, в рамках которой возможно эффективное решение этой задачи (с позиций сложности реализации, сопровожде­ния, интеграции с другими информационными системами, программного обеспечения много­процессорных вычислительных комплексов), является сервис-ориентированная архитектура (СОА). Однако при внедрении новых типов ар­хитектур ПО корпоративных информационных систем требуется сохранять функциональные возможности существующего программного обеспечения, поэтому представляется актуаль­ной задача преобразования компонентов суще­ствующего ПО ГИС при переходе от клиент- серверной архитектуры к сервис-ориентирован­ной с «тонким» клиентом.

В статье приводится анализ особенностей сервис-ориентированной архитектуры про­граммного обеспечения корпоративных геоинформационных систем, рассматриваются воз­можности создания программного обеспечения для многопроцессорных вычислительных ком­плексов, предлагается метод решения названной задачи преобразования ПО ГИС при переходе к сервис-ориентированной архитектуре.

Проанализируем различия клиент-серверной и сервис-ориентированной архитектур про­граммного обеспечения ГИС, рассмотрев их в контексте развития архитектур программного обеспечения корпоративных информационных систем [3, 5].

Рис. 1. Размещение компонентов ПО ГИС системы моделирования распространения нефти по суше и речной сети в рамках двухъярусной клиент-серверной архитектуры

 Программное обеспечение первых корпора­тивных информационных систем представляло собой монолитные модули, включающие в себя все компоненты программного обеспечения (СУБД, логику приложения, логику взаимодей­ствия с пользователем), размещаемые на мейн­фреймах. Доступ к таким системам осуществ­лялся посредством «тонких» клиентов, напри­мер, текстовых терминалов. В силу концентра­ции всего ПО на сервере (мейнфрейме), такой тип архитектуры называют одноярусной клиент- серверной архитектурой (с «тонким» клиентом).

С начала 90-х годов начинает преобладать двухъярусная клиент-серверная архитектура (с «толстым» клиентом), в рамках которой на серверах размещаются данные и СУБД, а ос­тальные компоненты программного обеспече­ния (логика приложений и графический интер­фейс пользователя) размещаются на настольных компьютерах («толстые» клиенты). Для многих типов ресурсоемких приложений, например, приложений обработки видео, графики, систем автоматизированного проектирования - САПР, а также геоинформационных систем этот тип архитектуры остается распространенным и се­годня. В некоторых случаях сервер данных мо­жет отсутствовать, но это не меняет архитекту­ры клиентского программного обеспечения.

Рассмотрим типовое распределение компо­нентов программного обеспечения геоинформационных систем между вычислительными узла­ми в рамках двухъярусной клиент-серверной архитектуры на примере системы моделирова­ния распространения нефти и нефтепродуктов по суше и речной сети в рамках геоинформационной системы Федерального агентства водных ресурсов (рис. 1). На сервере данных размеща­ется программное обеспечение системы управ­ления базами данных и базами пространствен­ных данных. Обозначим множество фрагментов исходного кода серверного ПО, реализующих модели данных, как MD, а множество фрагмен­тов исходного кода серверного ПО, реализую­щих систему безопасности, как KD (верхним ин­дексом D будем обозначать множества фраг­ментов исходного кода, размещаемых на серве­рах данных). На компьютерах клиентов разме­щается программное обеспечение геоинформационной системы, реализующее логику прило­жения и графический интерфейс пользователя, представленное, как правило, тремя компонен­тами (физическими модулями): модуль базового ПО ГИС, модуль геообработки и модуль специ­ального ПО ГИС.

Модуль базового ПО ГИС (например, Arc- Map) решает общие для различных геоинформационных систем задачи, а именно: отрисовка изображений карт (множество фрагментов ис­ходного кода ПО, реализующих эту задачу, обо­значено как GB), графический интерфейс поль­зователя (UB).

Модули геообработки (например, ArcTool- box) реализуют тематическую обработку про­странственных данных (множество соответст­вующих фрагментов исходного кода ПО обо­значено как {PBi}) в виде совокупности базовых операций (например: пересечение, объединение и другие множественно-ориентированные опе­рации над пространственными объектами) и специфических операций (например: интер­поляция точечных значений, построение топо­логических отношений объектов базы простран­ственных данных). В качестве примера такого модуля геообработки системы моделирования можно привести PZ3 - модуль построения циф­ровой модели рельефа (растра высот рельефа) на основе векторных данных (изогипс, отметок высот, речной сети).

Третий типовой компонент клиентского ПО ГИС - модули специального программного обес­печения, решающие предметно-ориентирован­ные задачи, свойственные конкретной геоинформационной системе. В рассматриваемом примере это модуль моделирования распро­странения нефти, состоящий из пяти логических модулей: создание отчетов (P^); моделирование распространения нефти по речной сети (P^); моделирование распространения нефти по суше (PZ3); построение цифровой модели рельефа (PZi); графический интерфейс пользователя, в состав которого входят собственно графиче­ский интерфейс (UZ) и модуль управления всем приложением (CZ). Помимо программных ком­понент модуль моделирования содержит три набора данных: параметры алгоритмов геооб­работки {APj}, временные данные {DTt} и доку­менты карт {Е^. Основные недостатки исполь­зования двухъярусной клиент-серверной архи­тектуры в рассматриваемом примере заключа­ются в следующем.

Для использования системы конечному пользователю (клиенту) необходим производи­тельный компьютер с установленным на нем специальным программным обеспечением. Для обновления этого программного обеспечения требуется выполнение процедуры обновления модулей ПО у всех клиентов, что приводит к большим затратам времени.

Несмотря на то, что задача моделирова­ния распространения нефти по суше и речной сети является востребованной для многих госу­дарственных ведомств и коммерческих органи­заций, ее решение в виде системы с «толстым» клиентом не позволяет предоставлять доступ к функциональным возможностям системы уда­ленным пользователям либо другим информа­ционным системам.

Названные недостатки частично преодоле­ваются в рамках многоярусных клиент-сервер­ных архитектур традиционных интернет-прило­жений, позволяющих удаленным пользователям получать доступ к функциональным возможно­стям ГИС без установки специального ПО на компьютеры клиентов. При этом программное обеспечение «толстых» клиентов разбивается на физические компоненты, которые распределя­ются между несколькими архитектурными уровнями - ярусами: ярусом данных (файлы данных и СУБД, размещаемые на серверах дан­ных), ярусом приложений (компоненты про­граммного обеспечения, реализующие логику приложения, размещаемые на серверах прило­жений) и ярусом графического пользователь­ского интерфейса (соответствующие компонен­ты ПО распределяются между серверами и кли­ентскими компьютерами либо размещаются це­ликом на клиентских компьютерах). Для систе­мы моделирования распространения нефти та­кое размещение компонентов «толстых» клиен­тов представлено на рис. 2.Сервер данных (ярус данных)

Рис. 2. Размещение компонентов ПО ГИС системы моделирования распространения нефти по суше и речной сети в рамках многоярусной клиент-серверной архитектуры

 Однако в многоярусной клиент-серверной архитектуре отсутствуют единые подходы к разбиению логики приложения на компоненты и единые способы реализации взаимодействия компонентов, что существенно осложняет мас­штабирование системы, организацию и управ­ление параллельным доступом пользователей и других информационных систем к отдельным подсистемам ГИС. Так, серверное приложение ГИС в рамках многоярусной архитектуры (рис. 2), как правило, представляет собой моно­литный программный модуль, поэтому реализа­ция взаимодействия внешних информационных систем с отдельными логическими компонента­ми этого приложения является трудоемкой либо невозможной без разбиения серверного ПО на физические модули.

Эти ограничения преодолеваются в рамках сервис-ориентированной архитектуры. Единые межплатформенные механизмы взаимодействия отдельных частей программного обеспечения, отсутствующие в двухъярусной и многоярусной клиент-серверных архитектурах, и декомпози­ция ПО ГИС на набор сервисов - слабосвязан­ных исполняемых и готовых к использованию модулей - позволяют эффективно решать зада­чи интеграции ГИС с другими информацион­ными системами предприятия путем предостав­ления межплатформенного сетевого доступа к функциональным возможностям сервисов ГИС конечным пользователям и другим инфор­мационным системам. На рис. 3 представлено размещение компонентов ПО системы модели­рования распространения нефти по суше и речной сети, соответствующее требованиям сервис- ориентированной архитектуры: в отличие от клиент-серверных архитектур (рис. 1, 2) компо­ненты ПО ГИС сгруппированы в набор серви­сов, взаимодействующих между собой и с другими ИС посредством межплатформенных протоколов (HTTP, SOAP и других).

Рис. 3. Размещение компонентов ПО ГИС системы моделирования распространения нефти по суше и речной сети в рамках сервис-ориентированной архитектуры

В следующем разделе приводится метод преобразования ПО ГИС при переходе от кли­ент-серверной архитектуры с «толстым» клиен­том к сервис-ориентированной архитектуре с «тонким» клиентом, позволяющий сохранить большую часть исходного программного кода, реализующего основные расчетные функции (логику приложения). Преобразование программного обеспечения геоинформационных систем при переходе от двухъярусной клиент-серверной к сервис- ориентированной архитектуре. Предлагаемый метод преобразования ПО ГИС при переходе от двухъярусной клиент- серверной к сервис-ориентированной архитек­туре включает в себя решение двух основных задач: преобразование модулей настольного ПО ГИС для обеспечения возможности их вы­полнения на стороне серверов; реализация серверного ПО ГИС в виде набора сервисов. Исходное ПО ГИС реализовано множеством фрагментов исходного кода R = {MD, KD, GB, UB, {PBi}, {PZi}, UZ, CZ, {Ek}, {DTt}, {APj}} (рис. 1). Решение двух названных задач позволяет вы­полнить преобразование g:R^Rs, где Rs - реализация исходной системы R в рамках сер­вис-ориентированной архитектуры. Выделим следующие этапы решения первой задачи - преобразования модулей ПО ГИС, размещенных на стороне клиента в рамках двухъя­русной клиент-серверной архитектуры, для их размещения на серверах - на примере преобра­зования модуля моделирования распростране­ния нефти по суше и речной сети (рис. 1, 2). Из модуля моделирования удаляются фрагменты исходного кода, реализующие гра­фический интерфейс пользователя ({UZ, CZ}), и определяются фрагменты исходного кода, осуществляющие связь логики приложения с графическим интерфейсом пользователя (Is). Создаются картографические сервисы {Gsk, KGk}, выполняющие отрисовку карт. Отрисовка изображений карт является ресурсоемкой задачей, так как включает в себя запрос вектор­ных данных из базы пространственных данных, их проецирование в используемую для отобра­жения систему координат и собственно отри­совку изображений. Поэтому для снижения на­грузки на серверы создаются графические кэши карт {Hk} — заранее отрисованные и хранимые на серверах изображения карт. Создание карто­графических сервисов и ограничение доступа к ним удаленных пользователей (реализация системы безопасности {KGk}), как правило, вы­полняется средствами базового серверного ПО ГИС (например, ArcGIS Server), то есть не тре­бует разработки дополнительного ПО. Создается серверное приложение ГИС, в рамках которого преобразованный (п. 1) мо­дуль моделирования размещается на сервере. Проектируется (на основе форм исходно­го графического интерфейса) и создается (без использования программного кода исходного приложения) модуль графического интерфейса пользователя {Us, Cs}, размещаемый на компь­ютере клиента. После выполнения перечисленных этапов возможен ввод системы моделирования распро­странения нефти в промышленную эксплуата­цию, однако архитектура ПО системы в целом остается клиент-серверной - многоярусной (рис. 2). Поэтому необходимо решить вторую задачу рассматриваемого метода - реализация серверного ПО ГИС в виде набора сервисов. Рассмотрим этапы решения этой задачи. Анализ и проектирование сервисов: каж­дый проектируемый сервис должен решать от­дельную прикладную задачу, например, моде­лирование распространения нефти по речной сети, по суше, формирование отчетов. Во время проектирования выполняется иерархическое упорядочивание сервисов и проектирование ка­талога сервисов C'. При иерархическом упоря­дочении часть сервисов может быть скрыта от пользователей и других информационных сис­тем (сервисы геообработки и построения циф­ровой модели рельефа), а часть сервисов, непо­средственно используемых пользователями и другими ИС (моделирование распространения по речной сети, по суше, построение отчетов), должны иметь неизменяемый со временем про­граммный интерфейс. Информация о них (мета­данные) должна быть размещена в каталоге сер­висов для их поиска, например, по таким запро­сам: «Найти сервис, позволяющий выполнять моделирование распространения нефти по реч­ной сети на основе векторных данных (изогипс, отметок высот, речной сети) масштаба 1:50 000». Выполнение декомпозиции серверного ПО. Модуль моделирования разбивается на пять сервисов si (рис. 3) по количеству исходных ло­гических модулей, при этом каждый исходный логический модуль PZi дополняется системой безопасности KBi (ограничения доступа удален­ных пользователей) и исходным кодом Qsi, реа­лизующим возможности программного взаимо­действия с другими сервисами и информацион­ными системами посредством межплатформенных интерфейсов. То есть § = {PZi, KZi, QZi}. Аналогично выполняется преобразование моду­лей геообработки P^ сервисы SP;. Таким образом завершается преобразование g:R ^ Rs, при этом Rs = {{Us, Cs}, {§}, {5ч}, {Gi}, {MD, KD}}. Рассмотренный метод преобразования ПО ГИС учитывает специфику геоинформационных систем (например, ресурсоемкость задач обра­ботки пространственных данных, необходи­мость визуализации результатов работы систе­мы в виде карт) и позволяет управляемо, в не­сколько итераций, решить задачу преобразова­ния клиент-серверного программного обеспече­ния ГИС с «толстым» клиентом при переходе к сервис-ориентированной архитектуре с «тон­ким» клиентом с сохранением исходных функ­циональных возможностей и основной части кода исходного программного обеспечения. 

     В статье предложено решение актуальной задачи преобразования программных модулей существующего двухъярусного клиент- серверного программного обеспечения геоинформационных систем с «толстым» клиентом в сервис-ориентированное ПО ГИС с «тонким» клиентом. Предложен метод поэтапного, управ­ляемого решения этой задачи с учетом специ­фики ГИС, который позволяет выполнить пре­образование компонентов исходного ПО ГИС с сохранением большей части исходного кода, реализующего логику приложения, понизить общую сложность системы, воспользоваться преимуществами сервис-ориентированной ар­хитектуры, разместив программное обеспечение ГИС на серверных вычислительных комплексах и обеспечив к нему доступ посредством «тон­ких» клиентов. Предложенный метод применен [1, 2] для преобразования задач моделирования природных и техногенных процессов - аварий­ных разливов нефти по суше и речной сети, по­строения водосборных бассейнов, моделирова­ния зон затопления при паводковых ситуациях - в геоинформационной системе Федерального агентства водных ресурсов России.

 Список литературы

1. Распределенная обработка пространственной информации по водным ресурсам в геоинформаци­онной системе Росводресурсов / Иванов И. Г. [и др.] // Управление водно-ресурсными системами в экстремальных условиях: Сб. докл. конф. М., 2008. С. 323.
2. Павлов С. В., Шкундина Р. А., Усов Т. М. Преимущества сервис-ориентированной архитекту­ры геоинформационных систем на платформе ArcGIS (на примере ГИС Росводресурсов) [Элек­тронный ресурс] // Материалы XV конференции пользователей ESRI в России и странах СНГ. 1 элек­трон. опт. диск (CD-ROM). 2009/
3. Мацяшек Л. А. Анализ и проектирование информационных систем. М.: ООО «Вильямс», 2008. 816 с.
4. Шекхар Ш., Чаула С. Основы пространст­венных баз данных. М.: КУДИЦ-ОБРАЗ, 2004. 336 с.
5. Erl T. Service-oriented architecture. Concepts, Technology, and Design. Prentice Hall, 2005.