基于CIM的高校信息集成平臺研究與設計

張強忠

（大連理工大學 網絡與信息化中心，遼寧 大連 116024）

0 引 言

高等教育界的信息化建設這些年取得了重要的進展，尤其是國家提出創新型的建設思路，進一步激發了企業技術創新的熱情與動力，作為教育信息化的直接受益者，高等學校的硬件資源建設已經達到了新的高度，而伴隨著教育信息化發展的兩個方面，“硬件”與“軟件”發展的不平衡成為高校信息化建設的一個顯著特點.在具備了較為完善的網絡以及硬件資源之后，高等學校下一步的重點將是建設以應用系統和信息資源建設為重點的數字校園.近幾年，在國家“211工程”以及“985工程”的大力支持下，一些高校在信息化建設理論研究與工程實踐方面取得了新的成績；但是由于我國高校類型較多，不同高校的業務模式差別較大，高校內部業務成熟度普遍不高，在進行信息化建設過程中，缺乏成熟的高校信息化理論和通用的模式的支撐，重“建設”而輕 “整合”，“信息孤島”現象普遍存在.為了實現信息共享和交換以消除信息孤島，一些高校及教育信息化軟件提供商在信息集成過程中建立了自己的信息標準、技術平臺.目前現有的信息集成方法挑戰主要表現在（1）保護現有投資和用戶資源的要求.隨著高校信息化系統的發展，用戶電腦里大多要運行多套信息系統，由于這些系統通常是分步進行建設的，必然存在系統的更新換代問題.傳統系統換代存在如下問題：①當對舊系統進行更新時，由于系統平臺不兼容，原來一些穩定可靠運行的軟件不能保證繼續穩定運行，學校積累的歷史數據資料不能保留；②如果使用的是第三方軟件，在用戶對現有的功能進行擴展時，因為接口專用性，必然造成一些信息系統要重復建設；③在系統功能進行更新換代招標時，第三方軟件的接口問題往往迫使學校選擇原來系統的廠家，而缺少選擇最好的應用軟件的余地，受制于人.綜上，對用戶而言，進行應用系統接口的標準化工作其意義是非常重要的.（2）高校信息化的要求.集成平臺研究與實現需要高校信息化市場的有序發展，要實現信息共享首先要保證信息安全，所以要根據不同種類信息、不同緊密程度和不同速度要求進行系統集成，相互間以標準方式交換數據.市場環境下的信息化系統比較多，不同廠商產品必須通過標準的接口實現互聯及信息資源共享.（3）業務變更對信息集成影響的要求.業務系統的更新換代影響著應用集成的穩定性.因為依據學校信息標準在現有業務系統上的數據集成工作量巨大，會造成信息集成不穩定.

因此如何統一、科學、規范地分類和描述信息，進行信息的有效整合，發揮信息資源的綜合效益已成為高校信息化建設中面臨的一個重要課題[1].因此如果能夠在教育領域，借鑒國內外其他行業的先進思想，關注業務關系及標準，就能夠在高校信息集成過程中充分發揮技術平臺的服務整合優勢，真正從應對業務變革這一根本目標，去保護高校原有URP系統的技術投資，降低維護成本，進一步提高多個系統協同工作的簡易、高效、穩定、可擴展性強的集成目標，滿足校務工作對系統整體性的要求，就可以使數字校園信息集成平臺發揮更大的作用和優勢.

到現在，業界還沒有形成一套標準的教育院校EAI建模標準及過程.面向如何構建高校信息管理的統一模型這一問題，本文試圖利用電力系統信息化廣泛使用的CIM（common information model，公共信息模型）建模的一般方法，對高校信息數據進行建模和描述，實現在不同業務應用間的數據共享CIM編碼規范，從而為高校信息系統各個應用之間提供支持平臺.

1 高校信息一體化特征

高校信息化是指隨著現代信息技術的發展，高等院校根據自身發展的需要，采用先進的信息技術來構建數字化校園，從而提高管理效率、強化教學質量、促進科研教研、提升服務水平的過程.其以高性能校園網為基礎，實現教務管理、教學資源管理、科研管理、后勤與服務管理的全面整合，實現信息化增值服務[2].

“數字化校園”是指利用計算機技術、網絡技術和通訊技術對高校中的教學、科研、管理和生活服務有關信息資源進行全面的數字化，并用科學規范的管理對這些信息資源進行整合和集成.通過嚴格和科學的權限控制，把高校校園網建設成面向校園，也面向社會的一個開放的大學，使高校的資源數字化、管理自動化、教學網絡化、決策智能化、校園信息化[3].

所謂“一體化”建設思路，是在綜合考慮學校信息化建設的現狀與需求的基礎上，從全局和整體的高度規劃學校信息化建設的方針、策略、發展規劃與實施計劃，全面考慮硬件環境建設、應用系統建設、管理規范建設和支持機制建設，按照規劃協同地推進學校信息化，從業務的全生命周期去看待應用系統的建設，比如，對學生的管理可以從招生、學生日常管理、學生培養、畢業、校友管理來分析系統的建設，對國有資產的管理也可以從全生命周期的角度去分析系統的功能及應用[4].

當前中國高校已經步入全面信息集成時代，包括香港大學在內的香港7所大學、浙江大學、大連理工大學正在嘗試實施基于SOA架構的一體化校園應用系統，然而在CIM領域的研究仍屬空白.

2 CIM的基本內容

國際電工委員會（International Electrotechnical Commission，IEC）發布的61970工業標準CIM用于描述電力系統的基本特征，代表電力企業中的主要生產和管理對象.

CIM是一個抽象模型，它描述電力企業的所有主要對象，特別是那些與電力運行有關的對象.通過提供一種用對象類和屬性及其之間的關系來表示電力系統資源的標準方法，CIM方便了實現不同賣方獨立開發的能量管理系統（energy management system，EMS）應用的集成，多個獨立開發的完整EMS系統之間的集成，使得EMS的應用軟件組件化和開放化，能即插即用和互聯互通，降低了系統的集成成本，保護了用戶資源[5].

CIM模型作為一種面向對象的信息模型，提供了一種描述管理數據的概念框架.CIM模型標準包括了CIM規范和CIM模式兩個部分.CIM規范提供了模型的正式定義，它描述了語言、命名、元模式和到其他管理模型（如SNMP MIB）的映射技術；CIM 模式則表示出了實際模型的描述.CIM模型由核心模型、公共模型和擴展模型三層構成.核心模型是一系列類、連接和屬性的集合，該對象組提供了所有管理域通用的基本信息模型；公共模型提供特定管理域的通用信息模型，這些特定的管理域包括應用程序、系統、設備網絡等；擴展模型代表通用模型的特定技術擴展[6].

通過CIM 建模，對管理域中實體對象的抽象，分別用操作、關系和屬性進行表示.CIM模型獨立于具體的平臺、應用、協議與數據庫，所以不同的開發商提供基于CIM模型的不同平臺的應用都要用標準的數據格式來表達管理數據，才能保證多種應用間的數據共享.在特定管理域的CIM建模是在公共模型和核心模型的基礎上進行擴展，所以CIM建模是一種通用方法.

CIM領域建模采用RUP（rational unified process，統一軟件開發過程）方法論和面向對象分析方法建立針對各業務領域模型.CIM規范使用統一建模語言（unified modeling language，UML）表達方法，將CIM 定義成一組包.一個包是一般意義上將相關模型元件分組的方法，沒有具體的語義意義.包的選擇是為了使模型更易于設計、理解與查看，公用信息模型是由一整套包所組成的，實體可以具有越過許多包邊界的關聯，每一應用將使用幾個包所表示的信息[7～10].因為要建設全部高等教育管理的CIM模型是一個比較長期的工作，本文著重開展以學生為中心的業務域CIM模型的建設，通過包的方式來組織與管理CIM實體.主要分為下面幾個包：公共包、招生包、教務包、學籍包、資助包、就業包、社會服務包.

3 高校CIM模型信息集成平臺設計

基于面向服務體系結構（service－oriented architecture，SOA）的高等教育應用集成平臺，在建設過程中因為沒有統一的領域模型，易產生業務組件的粒度控制問題及Web Service接口經常變化等問題，造成應用集成工作的不穩定性，應用集成的TCO（總擁有成本）增加.本文在對基于SOA的高校信息集成平臺深入研究的基礎上，從信息集成的角度分析，提出了利用CIM設計基于SOA的高校信息集成平臺的解決方案，最終滿足了不同級別的業務需求，同時避免“信息孤島”的出現.

3.1 CIM信息集成平臺架構

SOA的高校信息集成平臺中，采用SOA技術路線，建設公用的服務總線，集成的業務系統通過構建在服務總線上的通用數據訪問接口（GDA）操作CIM公共信息模型，降低業務變更對信息集成的影響.

內部業務對學校已有業務系統提供統一的服務，即通過集成的方式，在學校現有業務系統的基礎上，實現內部業務同學校現有業務系統的關聯.例如，SSO系統通過服務總線，以CIM模型提供全校統一的身份認證服務；已經建設完成的財務系統，按照CIM模型，通過服務總線，提供統一的財務信息域的CIM服務，為一站式的財務信息域服務中心提供業務應用.

在一體化系統設計時，通過遵循國標、部頒數據標準及學校需求對CIM實體進行定義與描述，形成具有良好擴展性的CIM模型.在此基礎上，通過進行實體封裝，完成信息系統基礎組件的構建，然后根據不同業務的需求進行一體化系統的組裝，提高了系統的柔韌性和適應性，保證與其他系統順利集成.

圖1為基于CIM的集成平臺架構整體，其整個業務系統架構是以CIM模型作為交互標準，以數據總線作為交互中介，完成內部業務之間及內部業務與學校已有業務系統之間的關聯.通過應用集成平臺把要集成的應用功能封裝成服務，首先封裝的服務依照集成標準CIM和GDA接口規范封裝成webservice程序，其次將封裝的服務注冊到服務總線（ESB）上.服務使用方向服務總線請求服務，來實現應用集成.集成平臺提供的是總線型的應用集成策略.

圖1 基于CIM的集成平臺架構Fig.1 General structure of integrated platformbased on CIM

3.2 CIM交互組件設計

本文研發的系統平臺是通過Service broker來調用的，服務接口開發規范包含客戶端、業務邏輯對象開發規范與服務調用報文規范等.

服務調用接口采用標準的Web Service實現，兼容 WebLogic、Apache Axis 2、WebSphere等應用服務器或者其他Web Service開發平臺開發與部署，采用Facade模式，提供唯一的服務調用入口Web Service，使用一個 Web WSDL文件描述.全部的服務調用都通過唯一的Web Service接入，所有的調用客戶端都通過唯一的 Web WSDL文件了解該服務接口，并且依據這個Web WSDL文件開發服務調用的客戶端.

服務框架提供標準的服務調用規范API和相關文檔，外部系統可以遵循該規范使用該系統內提供的服務.調用客戶端可以從集成框架按照需要下載要調用服務的客戶端API類庫，客戶端代碼開發也可以是自動生成或模板化.

依據調用規范，通過調用接口實際調用遠程的其他業務系統提供的Web Service時，系統采用了服務調用的代理（Proxy Broker）模式實現具體的調用，系統同時支持按照計劃任務執行調用服務.圖2為CIM集成平臺體系.

圖2 CIM集成平臺體系圖Fig.2 System chart of CIM integrated platform

應用集成框架提供服務注冊、服務查找等業務邏輯服務管理功能，管理員可以通過管理控制臺，進行服務調用權限管理，對服務性能進行監控.

性能監控遵循JMX規范，運行時可以通過服務性能MBean對象獲取每個服務調用的性能數據.這樣可以兼容支持JMX規范控制臺系統，同時可以通過標準的JMX API擴展管理平臺.

平臺采用基于角色（RBAC）的授權，已注冊服務作為系統中的授權對象，其他系統的安全架構可以通過內置安全適配器介入EP－BSP系統.例如角色識別與用戶認證可以利用已經存在的LDAP實現.本系統已實現了權限的檢查、日志、審計與配置等功能.

集成平臺依據810＿552－4CIMXML Model Exchange Format與IEC 61970－403GDA接口規范實現了數據訪問服務.開發和業務設計人員一起建立基于CIM規范進行定制和擴展的領域的CIM模型.

用RDF對集成框架CIM模型的元數據進行描述，類、關系、屬性的規范通過CIM/RDF進行描述.元數據不僅包括CIM模型數據，同時包括映射配置的數據.集成框架提供了對模型元數據的查詢、同步與更新等服務.元數據接口的具體實現，既可以基于RDF文件實現，也可以基于數據庫實現.圖3為CIM元數據管理實現原理圖.

圖3 CIM元數據管理實現原理Fig.3 Realization principle of CIM metadata management

由于本文進行的是探索性研究，為避免規劃范圍太廣，重點關注以學生為核心的業務領域關系，并嘗試以招生與教務兩個緊密關聯的業務領域為例，進行模型關系上的推演.根據實際業務分析，把CIM中的實體組織定義為多個包.

下面以學生管理相關業務的實體化為例，說明基于CIM的招生、就業與教務等相關包的關系，詳細如圖4所示.

圖4 部分包關系圖Fig.4 Partial package relations chart

以招生包為例，實體化招生包主要包含考生、入學考試科目等17個實體以及對應關系.詳細如圖5所示.

3.3 CIM系統集成平臺部署

應用集成平臺部署在ESB之上，其他應用系統分別在ESB部署自己提供的服務，并創建服務代理.服務調用方通過應用集成框架使用這些服務.集成平臺提供的代理服務調用應用系統的服務，然后返回結果給使用方，服務使用方不必知道服務提供者的實際位置，只要通過集成平臺獲得調用規格.

共享庫真正實現了公用數據在全校范圍內不同應用系統之間的自由流動，圖6為平臺部署模型.

應用集成的開發人員按照集成應用平臺提供的對象開發規范進行程序代碼的實現，再通過集成應用平臺提供的開發工具把業務對象轉換為服務程序代碼，并啟動服務的運行.

圖5 招生包Fig.5 Package of student enrollment

圖6 平臺部署模型Fig.6 Platform deployment model

開發者通過集成應用平臺提供的管理界面注冊服務，輸入開發完成的服務及相關參數，如服務所在地址、描述信息、端口、業務對象接口等.

應用集成平臺所屬管理員進行注冊服務的審核，進行方法設置與服務調用的權限配置.圖7為應用集成框架服務相關實例.

服務消費者通過集成應用平臺提供的服務搜索找到要使用的服務接口.

應用集成平臺提供服務注冊與查找.在使用的過程中，提供性能監控、身份認證、授權管理等功能.

服務使用者訪問應用集成平臺中已經登記的服務時，如果被使用服務登記信息表明該服務使用外部系統提供支持的，應用集成平臺會依據登記信息使用Web Service完成外部服務的調用，然后服務使用者會接收到返回的結果數據.在這個過程中EP－BSP成為Proxy Broker，應用集成平臺充分展現了作為應用集成服務平臺的價值.

應用集成平臺包含一系列為CIM數據提供的服務，包括CIM更新與CIM查詢等.圖8為應用集成框架CIM數據服務.

服務提供者由特定的業務系統構成，應當遵循應用集成平臺規范進行Business Object開發，并且完成服務的部署.業務系統提供的服務程序在本地服務器上執行.應用集成平臺提供了服務注冊界面，可以進行業務服務的注冊，包含服務描述、服務位置、服務接口等相關信息.

圖8 應用集成框架CIM數據服務Fig.8 CIM data service under integrated system architecture

同時業務系統也可以成為服務消費者，在應用集成平臺上進行服務查找和調用，利用客戶端API進行服務的調用.圖9為業務應用系統服務的相關示意.

3.4 組件接口實現

通過定義通用服務的標準接口，屏蔽了應用集成中協議與接口的差異，集成系統間利用服務接口，以統一方法使用公共信息；同時也可以實現相互之間信息交換.通用接口依據國際及工業標準進行建立，以適應大范圍的應用.服務類型包括資源更新、資源標識、資源查詢、資源過濾等服務.詳細如表1所示.

圖9 業務應用系統服務相關應用案例Fig.9 Service－related use case of business application system

3.5 擴展性設計

公共信息模型在高校信息集成中其擴展性的技術保障體現在如下幾方面：

（1）擴展訪問方式

訪問客戶端需要通過代理服務訪問應用服務，既可以采用應用服務器代理服務器，也可以采用硬件負載均衡器.

表1 組件接口通用服務說明Tab.1 Explanation of component interfaces generic service

（2）應用部署的伸縮性

公共信息模型各個應用模塊可以根據實際情況，分別部署到不同的應用服務器上.

（3）安全的擴展方式

通過使用后臺應用信息公共模型，代理服務可以過濾非法的訪問，其排隊功能支持進一步擴展.

4 應用驗證

以高校中常見的獎學金業務為例，從場景入手，按照CIM模型的方法與步驟，集成接口分析，進行了學生系統在集成平臺當中的應用，最終實現了獎學金完整業務的集成，驗證了高校CIM模型及集成平臺的正確性與有效性，其實體關系如圖10所示.

驗證程序顯示如圖11所示，為學生360°所有信息視圖參考評優、評獎頁面.

5 平臺技術特性

根據研究設計及最后以獎學金這樣跨多部門業務的集成驗證，本文歸納基于CIM的高校信息集成平臺基本技術特性如下：

圖10 獎學金場景實體關系圖Fig.10 Relation chart of scholarship scenarios

圖11 作為評優、評獎參考的學生所有信息視圖Fig.11 Full scope of student information as award reference

（1）符合SOA架構，基于標準 Web Service軟件平臺構建企業服務總線.

（2）平臺技術結構符合J2EE規范，支持各種J2EE應用服務器.

（3）與其他企業服務總線產品集成，可部署于其他企業服務總線產品.

（4）平臺的服務開發規范保證為業務邏輯的“服務化”提供實用高效的部署框架與開發規范.

（5）平臺支持IEC 61970標準組件接口規范CIS.

（6）支持JMX管理規范提供系統自身的管理，可實現企業級的應用統一監管.

（7）應用集成平臺支持企業級身份管理與認證等規范，可基于企業現有的安全服務框架實現自身的安全特性，保證安全性.

6 結 語

本文通過對電力系統CIM模型的研究，借鑒其中的思想，對高校不成熟的業務抽取并標準化，構建了基于CIM高校信息集成平臺模型，并提出了高校信息集成框架、集成體系架構、CIM組件接口的設計與實現.該平臺基于SOA體系架構，同時完成基于CIM標準的業務組件構建，降低了業務變更對集成的影響，解決了現有高校信息集成工作輕業務規范重技術標準建設這一普遍現象，從而為高校各個應用間的集成提供了支撐平臺，實現了信息資源的共享，同時具有良好的擴展性、通用性和安全性，為今后高校信息集成平臺的完善與發展研究提供了參考，對一體化的數字校園的研究與建設具有一定的借鑒意義.

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