谷 巖

(廣州大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與教育軟件學(xué)院，廣東 廣州 510006)

數(shù)據(jù)中心是基于公共安全的應(yīng)急平臺(tái)準(zhǔn)確和高效運(yùn)行的核心和基礎(chǔ)，因此合理地規(guī)劃數(shù)據(jù)中心的建設(shè)，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)中心的體系結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的集成和管理，為應(yīng)急平臺(tái)的各種應(yīng)用提供有效的訪問，是十分必要的[1-7]。

1 數(shù)據(jù)中心的體系結(jié)構(gòu)

以數(shù)據(jù)、預(yù)案、模型、知識(shí)、決策方法存儲(chǔ)和使用為核心的應(yīng)急平臺(tái)數(shù)據(jù)中心是由存儲(chǔ)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、應(yīng)用程序和應(yīng)用數(shù)據(jù)綜合而成，它具有存儲(chǔ)、查詢、管理和維護(hù)等功能，并具備高度的靈活性、適應(yīng)性和安全性。因此根據(jù)應(yīng)急平臺(tái)的需求，數(shù)據(jù)中心采用“層次+混合”的方法進(jìn)行體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。從體系結(jié)構(gòu)上，數(shù)據(jù)中心可劃分為存儲(chǔ)設(shè)備層、核心數(shù)據(jù)層、安全組件層、數(shù)據(jù)接入層等多個(gè)層次。從核心數(shù)據(jù)層，數(shù)據(jù)中心具有數(shù)據(jù)、預(yù)案、模型、知識(shí)、決策方法5個(gè)數(shù)據(jù)類型，它們在對應(yīng)的管理系統(tǒng)的支持下按一定的結(jié)構(gòu)“混合”在一起，通過各類數(shù)據(jù)的集成、共享、交換，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心在內(nèi)容上的完整、結(jié)構(gòu)上的分層和邏輯上的互聯(lián)[8-15]。

在數(shù)據(jù)中心的存儲(chǔ)設(shè)備層，可以采用集中性和虛擬化存儲(chǔ)機(jī)制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的存儲(chǔ)管理。以存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(SAN)為存儲(chǔ)架構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)集中性存儲(chǔ)，使所有的應(yīng)用程序都能夠連接并識(shí)別數(shù)據(jù)中心的各種設(shè)備，在集中性存儲(chǔ)的基礎(chǔ)之上，通過構(gòu)建虛擬存儲(chǔ)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)存儲(chǔ)設(shè)備的抽象化管理。利用邏輯卷管理器(Logical volume manager)，所有物理磁盤和分區(qū)都可以被抽象為單一存儲(chǔ)源，從而屏蔽了存儲(chǔ)設(shè)備的異構(gòu)性，實(shí)現(xiàn)了基于主機(jī)的虛擬化存儲(chǔ)；利用SCSI/RAID陣列控制器(Firmware)，可以將多個(gè)獨(dú)立硬盤驅(qū)動(dòng)器組成的陣列或組抽象成多個(gè)存儲(chǔ)器單元進(jìn)行統(tǒng)一的存取與管理，從而實(shí)現(xiàn)基于存儲(chǔ)設(shè)備的虛擬化存儲(chǔ)；利用存儲(chǔ)虛擬化引擎(Virtualization engine)，將存儲(chǔ)器虛擬成存儲(chǔ)池，為基于網(wǎng)絡(luò)的主機(jī)或服務(wù)器統(tǒng)一提供存儲(chǔ)池中的存儲(chǔ)空間，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，從而實(shí)現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)層的虛擬化存儲(chǔ)。應(yīng)急平臺(tái)數(shù)據(jù)中心體系結(jié)構(gòu)如圖1。

2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的建立

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)了應(yīng)急平臺(tái)的核心數(shù)據(jù)，它是保證應(yīng)急平臺(tái)正常、高效運(yùn)行的關(guān)鍵?；趹?yīng)急平臺(tái)的數(shù)據(jù)可以按照決策分析的主題來組織，每個(gè)主題對應(yīng)一個(gè)決策分析或應(yīng)急處置領(lǐng)域，然后為每個(gè)主題所包含的實(shí)體及它們之間的關(guān)系建立概念模型，在此基礎(chǔ)上導(dǎo)出關(guān)系數(shù)據(jù)模型。根據(jù)應(yīng)急平臺(tái)的特點(diǎn)和功能，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫可以分為：聯(lián)機(jī)事務(wù)處理(OLTP)類數(shù)據(jù)庫、聯(lián)機(jī)分析處理(OLAP)類數(shù)據(jù)庫、基于GIS的空間數(shù)據(jù)庫。而根據(jù)主題的不同，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫包含：氣象信息庫、市貌信息庫、人力資源庫、物質(zhì)資源庫、應(yīng)急響應(yīng)信息庫、環(huán)境數(shù)據(jù)庫、災(zāi)害信息數(shù)據(jù)庫等。通過對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)模式的分解可以達(dá)到關(guān)系模式的規(guī)范化：模式個(gè)數(shù)和模式中屬性個(gè)數(shù)最少。但在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，最小冗余雖然節(jié)省了存儲(chǔ)空間，但有時(shí)會(huì)影響查詢速度，因此在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，關(guān)系模式的規(guī)范化僅達(dá)到第3范式(3NF)或BC范式(BCNF)即可。同時(shí)，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)模型必須滿足3類完整性約束：實(shí)體完整性、參照完整性和用戶定義的完整性。

數(shù)據(jù)的安全性是數(shù)據(jù)中心建設(shè)與應(yīng)用的關(guān)鍵，它需要建立安全控制策略體系。因此，整個(gè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫采用強(qiáng)制存取控制方法以保證數(shù)據(jù)庫的安全性：每一個(gè)數(shù)據(jù)被設(shè)定一定的加密級別，每一個(gè)用戶也被授予某一級別的權(quán)限，只有擁有某一級權(quán)限的用戶才能存取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫中某一密級的數(shù)據(jù)。因此，在基于強(qiáng)制存取控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出一種獨(dú)立于應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)權(quán)限控制的設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)用戶、系統(tǒng)功能項(xiàng)、用戶權(quán)限、數(shù)據(jù)權(quán)限等系統(tǒng)資源的統(tǒng)一管理。其基本思路是：每個(gè)用戶擁有一個(gè)合適的角色，每一個(gè)角色都具有對系統(tǒng)功能及數(shù)據(jù)的使用權(quán)限，角色是安全控制策略的核心。系統(tǒng)對用戶權(quán)限的分配機(jī)制是：首先將應(yīng)用系統(tǒng)的功能權(quán)限和數(shù)據(jù)權(quán)限分配給指定角色，然后再將角色分配給用戶。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的體系結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的體系結(jié)構(gòu)

3 預(yù)案庫的建立

3.1 預(yù)案庫的設(shè)計(jì)

應(yīng)急預(yù)案庫用于存放數(shù)字化預(yù)案，并可實(shí)現(xiàn)預(yù)案的檢索和匹配。根據(jù)預(yù)案庫的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可使用六元組表達(dá)式描述預(yù)案庫中預(yù)案的結(jié)構(gòu)和內(nèi)容。預(yù)案的六元組可表達(dá)為: P=，其中E表示事件類型，值域={自然災(zāi)害，事故災(zāi)難，公共衛(wèi)生事件，社會(huì)安全事件}；T表示預(yù)案主題，它是一個(gè)有限集；R表示事件響應(yīng)等級,值域={I級(特別重大)，II級(重大)，III級(較大)，IV級(一般)}；S表示事件嚴(yán)重后果等級,值域={I級(特別嚴(yán)重)，II級(嚴(yán)重)，III級(一般)}；D表示事件持續(xù)時(shí)間分級,值域={龍卷風(fēng)型，腹瀉型，長投影型，文火型}；C表示預(yù)案內(nèi)容。數(shù)字化預(yù)案庫可用關(guān)系模型表達(dá)，其結(jié)構(gòu)見表1。

表1 基于關(guān)系模型的數(shù)字化預(yù)案庫結(jié)構(gòu)

預(yù)案庫的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)采用動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)模型。動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)模型的基本思想是利用預(yù)案屬性作為分類標(biāo)準(zhǔn)，將具有共同屬性的預(yù)案組織在一起。形成的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)將是一棵倒置的n叉樹，樹根與節(jié)點(diǎn)是突發(fā)事件屬性，樹葉則是預(yù)案。利用上述模型，可以構(gòu)建面向突發(fā)事件領(lǐng)域的動(dòng)態(tài)預(yù)案庫。整個(gè)預(yù)案庫采用強(qiáng)制存取控制方法以保證預(yù)案庫的安全性：每一個(gè)預(yù)案被設(shè)定一定的加密級別，每一個(gè)用戶也被授予某一級別的權(quán)限，只有擁有某一級權(quán)限的用戶才能存取預(yù)案庫中某一密級的預(yù)案。

3.2 預(yù)案的搜索

如果要從預(yù)案庫中查詢預(yù)案，首先確定事件的事件類型、事件響應(yīng)等級、事件嚴(yán)重后果等級、事件持續(xù)時(shí)間分級等特征屬性，若能匹配這些屬性值，則所對應(yīng)的預(yù)案就是需要獲取的預(yù)案。若有部分屬性不匹配，則可以根據(jù)匹配的屬性搜索出多個(gè)類似的預(yù)案，以供用戶的選擇。預(yù)案庫中預(yù)案的5個(gè)屬性都是非數(shù)值型，這對預(yù)案的相似性搜索帶來困難，因此有必要將參與相似性搜索的相關(guān)屬性轉(zhuǎn)化為數(shù)值型屬性。預(yù)案的相似性搜索可以采用最近鄰法進(jìn)行。

如果Dist(Xi,Y)小于閥值ε，則Pi預(yù)案是對應(yīng)該類突發(fā)事件的相似性預(yù)案。通過與預(yù)案庫中的每一個(gè)預(yù)案進(jìn)行比較，可以搜索出所有最相似的預(yù)案。預(yù)案的搜索是一個(gè)人機(jī)交互的過程，為用戶提供了快速、準(zhǔn)確的預(yù)案智能提取功能。

4 模型庫的建立

4.1 模型的邏輯表示

模型是以某種形式對一個(gè)系統(tǒng)的本質(zhì)屬性的描述，以揭示系統(tǒng)的功能、行為及其變化規(guī)律。而應(yīng)用于應(yīng)急領(lǐng)域的模型，主要是以應(yīng)急指揮及處置為主的決策型模型，它們通過程序形式表達(dá)模型。應(yīng)急領(lǐng)域的主要模型包括：

·突發(fā)事件的監(jiān)測與預(yù)警模型

·突發(fā)事件的指揮處置模型

·應(yīng)急系統(tǒng)的資源支撐模型

·災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分析模型

·多資源應(yīng)急調(diào)度模型

·(不)確定情況下的多點(diǎn)應(yīng)急救援調(diào)度模型

·應(yīng)急服務(wù)設(shè)施選址規(guī)劃模型

·地方突發(fā)事件應(yīng)急管理能力評價(jià)模型

基于結(jié)構(gòu)化和面向?qū)ο蟮乃枷耄捎肊BNF編碼的語法，模型的邏輯表示如下：

<模型>::=<模型頭標(biāo)識(shí)><模型頭><模型體><模型尾標(biāo)識(shí)>

<模型頭>::=<模型名><模型參數(shù)表><模型約束變量表><模型屬性表>

<模型參數(shù)表>::=<參數(shù)類型><輸入?yún)?shù)表>|<輸出參數(shù)表>

<輸入?yún)?數(shù)表>::={<參數(shù)名>}

<輸出參數(shù)表>::={<參數(shù)名>}

<模型屬性表>::={<模型id >，<模型類型>，<模型適用范圍>，<模型功能>，<模型運(yùn)行說明>，<建模時(shí)間>，<模型版本>，<模型體載體類型信息>}

<模型體>::=<方法名>(<模型參數(shù)表>)|<函數(shù)名>(<模型參數(shù)表>)

[[<方法間的關(guān)系>

<方法名>(<模型參數(shù)表>)|<函數(shù)名>(<模型參數(shù)表>)]…]

<方法間的關(guān)系>::=AND|OR|(AND|OR)+

4.2 模型庫的設(shè)計(jì)

應(yīng)急領(lǐng)域模型庫是一個(gè)專用模型庫，它包含了應(yīng)急領(lǐng)域決策問題求解的、專用的、與應(yīng)急領(lǐng)域相關(guān)的所有模型。本文所提出的設(shè)計(jì)方案，模型庫以基于關(guān)系模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來組織和存儲(chǔ)模型。為了能很好地描述和管理模型，可以為模型庫設(shè)計(jì)兩個(gè)具體的庫：模型字典庫和模型體庫。

模型字典庫是一個(gè)存放模型屬性信息及模型體存儲(chǔ)信息的關(guān)系數(shù)據(jù)庫。利用模型字典庫，可以實(shí)現(xiàn)模型的查詢、存取、運(yùn)行和維護(hù)。模型字典庫中的每個(gè)模型對應(yīng)一條記錄，它由描述模型屬性的數(shù)據(jù)項(xiàng)組成。模型字典庫的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)見表2。

表2 模型字典庫的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

模型體庫則是一個(gè)存放模型體內(nèi)容的關(guān)系數(shù)據(jù)庫，以實(shí)現(xiàn)模型體的統(tǒng)一存儲(chǔ)和管理。模型體庫包括了模型id 、模型體載體類型信息、模型體內(nèi)容等數(shù)據(jù)項(xiàng)。當(dāng)需要使用某一個(gè)模型時(shí)，可以根據(jù)模型所具有的屬性，在模型字典庫中找到對應(yīng)的模型id，根據(jù)模型id，在模型體庫中找到并提取出模型體內(nèi)容，最后根據(jù)模型體載體類型信息所提供的載體形式并使用托管技術(shù)和映射技術(shù)運(yùn)行相應(yīng)的模型。常用的模型體載體形式包括：可執(zhí)行文件(EXE)類、標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)鏈接庫類(DLL)、組件類(COM)、Web服務(wù)類等。

4.3 模型庫管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

模型庫管理系統(tǒng)以模型庫中的模型字典庫和模型體庫為核心，實(shí)現(xiàn)模型的創(chuàng)建、刪除、修改、查詢及運(yùn)行管理等功能。系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 模型庫管理系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)

5 知識(shí)庫的建立

5.1 知識(shí)獲取與知識(shí)表示

應(yīng)急領(lǐng)域存在著大量的專家知識(shí)，它們在應(yīng)急決策分析與應(yīng)急處置過程中起著十分重要的作用。提取應(yīng)急領(lǐng)域?qū)＜抑R(shí)可以采取如下方法：①面談方法。通過與專家的雙向交流和交互討論來獲取領(lǐng)域?qū)＜抑R(shí)。②案例研究方法。通過觀察在應(yīng)急決策和處置過程中解決實(shí)際問題的事例來提取領(lǐng)域知識(shí)。

由于應(yīng)急領(lǐng)域?qū)＜抑R(shí)不僅有精確性知識(shí)，也有不精確知識(shí)，因此采用產(chǎn)生式規(guī)則表達(dá)知識(shí)是一種比較理想的知識(shí)表示方式。確定性規(guī)則知識(shí)的產(chǎn)生式形式為：

If <前提|狀態(tài)> then <結(jié)論|動(dòng)作>

不確定性規(guī)則知識(shí)的產(chǎn)生式形式同樣表達(dá)了知識(shí)規(guī)則，只是該規(guī)則不一定是完全可信，因此存在一個(gè)可信的程度，表示產(chǎn)生這個(gè)結(jié)論或動(dòng)作的可能性，可以用置信度來表示這條規(guī)則的不確定性。不確定性規(guī)則知識(shí)的產(chǎn)生式形式為：

If <前提|狀態(tài)> then <結(jié)論|動(dòng)作>(置信度)

5.2 基于關(guān)系模型的知識(shí)庫的建立

應(yīng)急領(lǐng)域知識(shí)主要是過程性知識(shí)，包含了規(guī)則、策略、議程、過程等不同類型知識(shí)，它們都可以用產(chǎn)生式規(guī)則來表達(dá)。應(yīng)急領(lǐng)域所有的產(chǎn)生式規(guī)則可以用四元組的形式存儲(chǔ)于知識(shí)庫中,其中O表示規(guī)則對象，P表示前提或狀態(tài)，A表示結(jié)論或動(dòng)作，C表示規(guī)則的置信度。由于目前還缺乏成熟的建立、維護(hù)和使用知識(shí)庫的有效工具——知識(shí)庫管理系統(tǒng)，它已成為知識(shí)庫應(yīng)用的瓶頸。而數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)已十分成熟，特別是基于關(guān)系模型的數(shù)據(jù)管理功能，為基于產(chǎn)生式規(guī)則的應(yīng)急領(lǐng)域知識(shí)庫的建立、維護(hù)和使用提供了強(qiáng)大的工具。通過分析產(chǎn)生式規(guī)則的特征和結(jié)構(gòu)，知識(shí)庫可以用關(guān)系模型來表達(dá)，其關(guān)系結(jié)構(gòu)如表3所示。

表3 知識(shí)庫的關(guān)系結(jié)構(gòu)

知識(shí)庫中可以有多個(gè)規(guī)則id 相同的記錄，它們表示的是同一個(gè)規(guī)則，規(guī)則前提是由這幾個(gè)規(guī)則id 相同的記錄的前提通過“與”運(yùn)算連接在一起，但這幾個(gè)記錄的結(jié)論屬性值相同。如表3中規(guī)則001的有3個(gè)記錄，它們表示的產(chǎn)生式規(guī)則形式為：

If X1 and X2 and X3 then C1

而如果產(chǎn)生式規(guī)則形式為：

If X4 or X5 then C2

則在知識(shí)庫中用兩個(gè)規(guī)則即兩條記錄表示，如表3中的規(guī)則002和規(guī)則003。

5.3 知識(shí)推理

在應(yīng)急決策分析與應(yīng)急處置過程中，可以應(yīng)用專家?guī)熘械闹R(shí)輔助解決決策和處置過程中存在的問題；在預(yù)案的匹配過程中，也可以利用專家?guī)熘械闹R(shí)從預(yù)案庫獲取最優(yōu)的預(yù)案。其基本原理是：利用知識(shí)庫中的產(chǎn)生式規(guī)則，采用知識(shí)推理技術(shù)，根據(jù)問題的前提，推導(dǎo)出具一定置信度的結(jié)論或解決問題的方案，達(dá)到具有與專家同等解決問題能力的水平。由于應(yīng)急領(lǐng)域知識(shí)采用了產(chǎn)生式規(guī)則來表示，因此本文所提出的知識(shí)推理將基于規(guī)則的推理，推理機(jī)制采用正向推理技術(shù)?；谝?guī)則的正向推理是從已知事實(shí)出發(fā)，通過與知識(shí)庫中規(guī)則前提的匹配來提取結(jié)論(知識(shí))，從正向使用規(guī)則實(shí)現(xiàn)推理?；趹?yīng)急知識(shí)庫的知識(shí)推理流程見圖4。

圖4 基于應(yīng)急知識(shí)庫的知識(shí)推理流程

6 決策方法庫的建立

決策方法庫包含了應(yīng)對突發(fā)事件的決策和處置所用的共性的、基礎(chǔ)性的方法(算法)，主要包括k-平均算法、凝聚的層次聚類方法、基于距離的分類算法、密度聚類方法、關(guān)聯(lián)規(guī)則算法、決策樹算法、數(shù)據(jù)挖掘中的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、貝葉斯分類算法等。這些用程序體現(xiàn)的算法將保存在基于關(guān)系模型的決策方法庫中，其基本結(jié)構(gòu)由算法id、算法名稱、算法類型、算法適用范圍、模型功能、模型運(yùn)行說明、算法載體類型信息、算法等數(shù)據(jù)項(xiàng)組成。與模型庫管理系統(tǒng)類似，決策方法庫管理系統(tǒng)提供了算法的創(chuàng)建、刪除、修改、查詢及運(yùn)行管理等功能。在實(shí)際應(yīng)用中，用戶可以利用決策方法庫管理系統(tǒng)，并根據(jù)實(shí)際需要查找在決策過程中所需要的算法，利用算法載體類型運(yùn)行算法。

7 結(jié) 語

本文所提出的基于“層次+混合”的數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)方案，是緊緊圍繞著應(yīng)急平臺(tái)的應(yīng)用需求，所設(shè)計(jì)的體系結(jié)構(gòu)，體現(xiàn)了實(shí)用性、可擴(kuò)展性、可維護(hù)性、高安全性的特點(diǎn)，因此為應(yīng)急平臺(tái)的各類數(shù)據(jù)有效存儲(chǔ)、各類應(yīng)用的高效訪問、輔助各類應(yīng)急事件的應(yīng)對和處置起到了十分重要的作用。

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