eGovCloud：一種基于云服務的電子政務框架*

楊冬菊 ，王 菁， 蔣貴凰

(1.北方工業大學云計算研究中心,北京100041;2.北方工業大學經管學院,北京 100041)

eGovCloud：一種基于云服務的電子政務框架*

楊冬菊1，王 菁1， 蔣貴凰2

(1.北方工業大學云計算研究中心,北京100041;2.北方工業大學經管學院,北京 100041)

針對電子政務建設過程中涉及的異構資源即時共享和跨部門業務協同等核心問題，提出一種基于云服務的電子政務框架eGovCloud，其核心思想是通過“虛擬資源中心”實現資源物理上的分布存儲和邏輯上的集中管理，并建立政務領域元數據規范作為統一的語義基礎設施，進而支持跨部門異構信息資源的共享和統一管理，以此為基礎進一步提出支持跨部門業務協同的“政務虛擬組織”。探討了eGovCloud體系結構以及涉及的關鍵技術，并展示了其在構建電子政務系統中的應用。

電子政務；云服務；電子政務框架；資源共享；跨部門協同辦公

1 引言

隨著政府信息資源公開程度的不斷提高以及不斷的網絡化，電子政務系統中資源整合、信息共享、業務協同、提供公共服務變得越來越重要。為了打破不同部門信息孤島之間的壁壘，從而支持用戶安全、透明、靈活和一致地使用開放環境下的共享資源，電子政務必須解決一系列挑戰性問題：

(1)屏蔽資源異構性：由于缺乏統一規劃，不同政府機構的業務系統建設有很大不同，其開發環境、開發語言、接口形式等存在很大差異，而且資源也可能是文件、數據庫、網頁、業務系統等多種形式，這對于實現跨地域、跨行業、跨部門的信息資源共享存在很大困難，因此必須要有一種開放的架構屏蔽資源異構性。

(2)建立統一的語義標準：不同的政府機關之間標準混亂、各自為政、體系眾多，各種資源因為采用不同的語義標準而難以互通，而且業務層面的資源之間因為接口、輸入輸出格式等問題難以進行互操作，因此需要建設統一的業務規范以消除資源存在的語義差異。

(3)建立跨部門業務流程之間的協作模型：政府的很多業務涉及多個部門和單位，需要不同的部門之間進行多次溝通，才能完成業務處理，因此要實現政府部門的有效協作，首先要對這些多樣、復雜的業務流程建立合理、有效的協作模型。

總之，電子政務需要通過開放的架構屏蔽資源異構特性，提供資源的統一訪問和一體化管理，進而滿足跨部門業務協同需求。云計算技術[1～4]為電子政務提供了一種解決跨部門信息資源共享和協同辦公問題的新途徑，它能夠利用虛擬化技術連通不同組織之間的信息孤島，把來自不同組織的資源有機地整合起來，形成統一的資源池，從而使得用戶能夠安全、透明、靈活和一致地使用云環境下的資源。云計算與電子政務的結合逐漸成為新的研究熱點[5,6]。云服務[7]使用服務作為核心支撐，通過網絡以按需、易擴展的方式獲得云環境下的資源。所以，本文提出基于云服務的電子政務框架eGovCloud (Cloud-Service-Based E-Government Framework)，旨在通過“虛擬資源中心”實現資源物理上的分布存儲和邏輯上的集中管理，并建立政務領域元數據規范作為統一的語義基礎設施，進而支持跨部門異構信息資源的共享和統一管理，以此為基礎進一步提出支持跨部門業務協同的“政務虛擬組織”，從而解決電子政務建設過程中涉及的異構資源即時共享和跨部門業務協同等核心問題。本文重點討論其設計思想、體系結構、關鍵技術及其應用。

2 eGovCloud設計思想

為了打破不同部門之間的信息壁壘，建立部門之間資源的共享共建模式，需要對這些分布的資源進行統一管理。虛擬資源中心采用了物理上分布、邏輯上集中的資源整合方式，既不影響原有資源的使用，又支持邏輯上的按需集成。同時建立了部門之間統一的業務規范確保業務行為的正確性，消除不同部門共享資源之間存在的語義差異。

跨部門協同辦公需要多個部門根據既定的協作規則以共同完成協作任務為目標，同時部門要有一定的自治性，在完成協作任務同時不能影響部門內部業務執行。虛擬組織的“資源自主性”和“目標驅動性”兩大特點[7]使其能夠滿足跨部門協同辦公的需求。首先，參與到虛擬組織中的資源由資源提供者完全控制，資源提供者決定資源的訪問控制權限并能夠決定是否加入和退出虛擬組織；其次，在某些任務來臨時，需要動態選取相關的資源，即時集成、協同以進行問題求解。

eGovCloud的設計思想如圖1所示。

Figure 1 Theory of eGovCloud圖1 eGovCloud設計思想

(1)首先對政務領域的基本概念及其關系、接口、類型等進行規范化描述和定義，構建統一的業務規范，從而建立共享協同環境的元數據標準。

(2)共享資源時各部門首先利用開放、標準的Web服務接口對部門內部的數據庫、文件、網站、業務系統等基礎資源進行封裝，并參照業務規范添加必要的語義信息描述資源提供的服務能力，注冊到虛擬資源中心成為物理服務；其次由政務領域專家根據通用的領域需求和業務規范定義一些能反映業務功能、滿足一定業務需求的業務服務；通過服務虛擬化機制實現業務服務和物理服務的動態映射，從而完成服務提供和服務需求之間的匹配。通過業務服務建立一個相對穩定的資源業務級視圖，方便各種跨部門的政務應用對資源的使用。

(3)以虛擬資源中心為基礎，將滿足各部門內部業務需求的相關業務服務按照某種邏輯關系組織在一起形成業務流程，并根據跨部門協同任務，即時將部門、用戶、資源、流程等組織起來形成政務虛擬組織，通過多個部門業務流程的交互實現跨部門協同辦公。

3 eGovCloud體系結構

eGovCloud采用分層結構，包括基礎資源層、資源整合層、業務協作層和業務應用層，如圖2所示。

基礎資源層指需要整合的、分散在各部門的基礎資源，包括各部門的業務系統、文件、數據庫及網頁等資源。

資源整合層包含業務規范及虛擬資源中心的核心實現模塊。它負責業務規范的描述、構建及管理，建立統一的語義基礎設施；負責業務服務及物理服務的描述、構建、組織、管理及兩者的虛擬化，并通過服務執行與交互引擎實現對基礎資源的調用。

業務協作層包含政務虛擬組織的核心實現模塊。它負責業務流程的構建及管理、流程結點的共享，各部門共享的流程結點自動注冊到虛擬協同空間；在其上以協同任務為核心構建政務規則描述各部門流程服務結點之間的協作關系，動態形成面向任務的“政務虛擬組織”，通過業務協作引擎實現各部門業務流程獨立啟動，協作運行，共同完成協同任務。

業務應用層包括對規范、服務、流程及協同任務等對象的瀏覽、管理及執行等操作的訪問入口，以及以此為基礎構造的應用。

接下來將重點討論eGovCloud涉及的三個關鍵技術：業務規范描述及構建方法、虛擬資源中心和政務虛擬組織。

Figure 2 Architecture of eGovCloud圖2 eGovCloud體系結構圖

3.1 業務規范描述及構建

規范是政府各個部門之間交互的語義基礎，如果沒有統一的規范，不同的部門之間難以理解對方所表達的內容，也就難以實現部門之間資源的有效共享和業務協作。eGovCloud通過政務領域元數據來描述業務規范，包括電子政務中涉及的基本概念、概念之間的繼承關系和概念的組成要素，構成電子政務領域統一的語義描述體系，作為資源共享的語義基礎，用于規范各部門共享的服務資源，描述其輸入、輸出、功能屬性及非功能屬性信息等。對政務領域元數據我們利用本體語言OWL-S[5]進行描述，由概念、屬性、關系、實例以及約束五個部分組成。圖3是一個政務領域元數據規范的例子。

Figure 3 Example of e-Government metadata圖3 政務領域元數據規范的例子

3.2 虛擬資源中心

政務資源的多樣性和異構性阻礙了資源在部門之間的共享使用。虛擬資源中心利用標準的Web服務對基礎資源進行封裝，參照業務規范對其服務能力進行描述，并通過服務虛擬化機制實現其和業務服務的動態映射，從而在業務層面呈現給用戶相對穩定的統一資源視圖，實現對資源的統一管理，通過業務服務對物理服務的間接尋址實現對基礎資源的訪問。虛擬資源中心通過服務能力和業務需求兩方面對資源的描述，能夠有效地解決服務供需之間的矛盾，使得以業務服務為基本元素的政務應用在運行時能夠透明地使用網絡上動態、分布的服務資源。

3.2.1 業務服務構建及描述

業務服務是業務人員根據需求在業務層對資源的一種描述方式。它屏蔽了業務人員不關心的技術細節(例如WSDL、數據類型等)，添加并細化了業務人員關心的業務語義信息(例如功能屬性、非功能屬性等)，使得業務人員可以根據需求，自己定義所在部門需要使用的業務服務。業務服務的特點是業務用戶可理解、可直接使用，并可按需組合。對業務服務需要從呈現信息Presentation(名稱、描述、有效范圍等)、功能屬性FP(操作、操作實體、服務能力等)、非功能屬性NFP(服務質量、提供商等)、輸入Input、輸出Output和實現信息Implementation等幾方面進行描述。業務服務BS可以用六元組進行描述：

BS=(Presentation,FP,NFP,

Input,Output,Implementation)

其中，Input、Output都是完成業務功能所需的多個參數的集合，Input={in1,in2,…,inm}，Output={out1,out2,…,outn}，m、n都是整數。

3.2.2 物理服務構建及描述

采用標準的Web服務對基礎資源進行封裝，參照業務規范添加必要的語義信息，注冊到虛擬資源中心成為物理服務。物理服務的描述采用在WSDL基礎上添加語義描述的方式，具體包括操作OP、輸入Input和輸出Output，物理服務WS可以用一個三元組表示：

WS=((op1,Input1,Output1),…,

(opn,Inputn,Outputn))

其中，opi表示WS的第i個操作，針對每一個opi，都會有一組輸入輸出和其對應。Inputi={ini1,ini2,…,inij}，Outputi={outi1,outi2,…,outik}，i、j、k都是整數。

3.2.3 服務虛擬化機制

根據物理服務和業務服務的屬性描述，利用服務虛擬化機制可以將一個或者多個物理服務映射到業務服務，表示有多個服務能夠滿足該業務需求。目前服務虛擬化機制主要考慮服務的功能屬性及輸入輸出。

映射規則可以表示為：如果物理服務WS有n個操作WS.op1,WS.op2,…,WS.opn，?i∈{1,2,…,n},使得WS.opi=BS.FP∩WS.Inputi?BS.Input∩BS.Output?WS.Outputi，則WS可以映射到BS，WS→BS。

也就是說，物理服務映射到業務服務的必要條件是，物理服務中有一個操作滿足業務服務的功能需求，并且該操作的所有輸入包含在業務服務的輸入集合內，該操作的輸出集合包含業務服務的所有輸出。業務服務執行時系統會自動選取一個或多個對應的物理服務執行，從而實現對基礎資源的訪問。

3.3 政務虛擬組織

政務需求的復雜性常常需要將不同的業務服務組合起來形成業務流程，并通過業務流程的執行及流程之間的互操作來滿足需求。為方便政府辦公人員組合業務服務，eGovCloud提供可視化的業務流程建模工具，支持政務領域專家或者最終用戶通過拖拽的方式組合來自不同部門的業務服務，構建業務流程。以此為基礎，各部門將業務流程中需要對外交互的流程服務結點共享構建虛擬協同空間，根據協同任務需求在虛擬協同空間上構建政務規則，描述結點之間的協作關系，從而在所有部門的流程之間建立一張網狀圖，形成以任務為核心，包含部門、人員、流程的“政務虛擬組織”。通過“政務虛擬組織”的運作、演進實現跨部門即時協同。這種支持跨部門業務協同的政務虛擬組織可以從部門內業務視圖和部門間業務視圖兩方面進行描述，如圖4所示。

Figure 4 Virtual organization of e-Government圖4 支持跨部門業務協同的政務虛擬組織示意

從部門內業務視圖來看，這種跨部門協同業務并沒有改變原有業務流程的運行方式，對外協作任務對部門內用戶是透明的；從部門間業務視圖來看，看到的是一個個松散的服務結點，通過即時構建政務規則在這些服務結點之間建立關聯，從而在多個業務流程之間建立關聯關系，通過各部門業務流程獨立啟動協作運行實現多部門協同辦公。

接下來將介紹支持跨部門業務協同的政務虛擬組織的構建及運行支撐體系，其特點如下：

(1)虛擬組織成員之間的協作關系可以在業務層面靈活定制，使得業務人員不必關心軟件層的具體實現細節。

(2)政務虛擬組織運行支撐環境支持業務級流程協作模型到軟件級流程協同模型的即時轉換并進一步生成可執行代碼自動部署，實現虛擬組織成員之間的松耦合集成。

(3)業務需求變化導致虛擬組織成員之間的協作關系變化時，只需重新定制業務層的協作關系，軟件層模型自動發生變化，不需要軟件開發人員重新修改代碼，提高了系統對變化的適應性。

(4)業務流程是自治的，可以分別啟動獨立運行，無論該流程是否加入虛擬組織都不影響流程的原有運行方式。

3.3.1 政務虛擬組織構建及運行過程

由圖5可以看到，政務虛擬組織構建和運行過程分為準備階段、構建階段和運行階段。

(1)在虛擬組織準備階段，各部門需要將業務流程中需要對外交戶的結點主動共享，這些結點自動構成虛擬協同空間，在eGovCloud中，目前虛擬協同空間只有一個。

(2)在虛擬組織構建階段，由協同任務的發起者首先構建一個空的虛擬組織，描述其要完成的協同任務需求，然后在虛擬協同空間上選擇虛擬組織成員及其共享的流程任務結點，并在這些結點之間定制政務規則，建立結點之間的協作關系。

(3)在虛擬組織運行階段，不需要人為干預和指定。各部門運行自己內部的業務流程，如果該部門及流程結點加入某個虛擬組織，則根據政務規則自動執行協同任務。

Figure 5 Construction and execution of virtual organization圖5 政務虛擬組織構建及運行過程

3.3.2 政務規則

面向任務的政務規則是構建“政務虛擬組織”的基礎。eGovCloud中定義了如下幾種政務規則：

(1)邏輯規則：定義協作任務之間的邏輯順序，如a結點必須在b結點和c結點之前執行；a結點必須和b結點同時執行；a結點必須在b結點之后執行等等。

(2)警告規則：對協作任務的完成時間做一些限制，主要包括兩類：第一類是定義相對時間：relative(相對時間值)，第二類是定義絕對時間：absolute(絕對時間值)。

(3)數據流轉規則：定義協作任務之間的數據流轉，可以設置一個服務結點的某一項輸出給另一個服務結點的某一項輸入；或者一個或者多個服務結點的輸出的和(差)給另一個服務結點的輸入。

3.3.3 政務虛擬組織運行支撐環境

為了支持政務虛擬組織穩定、高效地運行，eGovCloud中構造了政務虛擬組織運行支撐環境，能夠為政務虛擬組織提供解析和運行時支持，對參與協同的部門、流程及服務進行有效組織、協調和控制，支持業務流程的執行、同步和數據流轉。通過政務虛擬組織運行支撐環境，要能自動實現分屬不同部門的業務流程獨立啟動、協作運行。

eGovCloud中，充分利用開源的ActiveBPEL引擎作為軟件層BPEL流程的解析執行環境，利用聚合技術實現業務層政務虛擬組織模型轉化為軟件層流程模型并進一步生成可執行代碼的方法。圖6是政務虛擬組織運行支撐環境示意圖。

(1)業務級流程協作模型：將政務虛擬組織的兩層業務視圖垂直投影到同一平面即可得到業務級流程協作模型，此模型是對政務虛擬組織的簡單抽象。圖中P1和P2代表分屬于兩個部門的業務流程，虛線表示業務活動之間的協作關系，即政務規則。

(2)軟件級流程協同模型：通過聚合技術，將業務流程和政務規則作為一個整體轉化成軟件層的多個可并行執行的BPEL流程，并且根據結點特性及交互需要加入了用戶交互服務和結點同步服務。

(3)將軟件級流程協同模型轉換成可運行的軟件代碼，并自動部署。

4 eGovCloud應用

隨著管理型政府向服務型政府的轉變，各級政府需要聯合起來向公眾和企業提供更方便快捷的服務，所以政府必須實時有效地組織部門內部以及其他部門的資源。本文提出的eGovCloud以廣東某市建設電子政務的實際需求為目標進行研究，并在該市低成本電子政務系統(COGES)中進行了示范應用。該系統的用戶為政府各委辦局內部人員，以經濟指標業務作為核心，實現了政府四套班子辦公室及各委辦局、鎮之間的經濟數據按需共享和即時上報，連通分布在各部門的業務系統，并以制定經濟指標計劃為案例實現多部門協同辦公。

分析該市電子政務建設情況，發現主要存在以下需求：

(1)集成框架需要具有開放性和擴展性：調研的政府各部門，只有少數幾個部門有自己的業務系統，大多數部門只采用Word、Excel等作為部門辦公的主要處理系統。這就要求進行資源整合時不僅要能兼顧現有業務系統及Word、Excel等文件，還要采用開放的架構為未來業務系統提供統一的接口和規范，使其和現有系統能夠互聯互通。

(2)屏蔽基礎資源的異構特性，對資源進行統一管理：由于缺乏統一規劃，各部門的業務系統都是自行設計開發的，在數據格式、接口等方面存在很大差異，所以部門之間在交換數據時，經常會因為數據格式不同需要進行人工數據轉換，從而導致工作效率較低，也人為地增加了出錯可能性。所以，需要消除資源在表現形式、接口等方面的異構性，通過對資源的統一訪問和一體化管理實現部門之間數據的無縫交換。

(3)滿足跨部門業務協同需求：在政府辦公中，一個事務常常涉及到多個部門，需要部門之間協同進行處理。例如，制定市下年度的經濟指標計劃需要黨委辦、市府辦等多個部門按照既定流程協作完成。目前部門之間的協同工作完全通過人工方式實現，很難保證其規范性和有效性，所以其電子政務系統要能在資源和業務連通基礎上支持跨部門協同應用的即時構造。

為了解決以上問題，支持跨部門的資源共享和協同，我們根據該市需求定制并部署了eGovCloud，搭建該市統一的政務云平臺，具體實施包括以下幾個階段：

(1)規范構建階段。業務專家對政府工作過程中涉及的基本業務進行分析，抽象出基本概念、概念之間的關系，以及部門之間數據交換的業務模型，然后使用業務規范構建工具(如圖7a所示)通過規范的語義描述建立領域元數據規范，例如公文、年度計劃報表、經濟計劃等。通過業務規范可以消除不同部門資源之間存在的語義差異，規范部門之間的數據交換業務。

Figure 7 Construction tool of business rule, physical services, and collaborate application圖7 業務規范、物理服務和協同應用構建工具

(2)共享資源階段。各部門業務人員首先使用物理服務構建工具(如圖7b所示)進行資源的服務化封裝，并注冊到虛擬資源中心，參照相應的領域元數據規范為服務資源的輸入、輸出、功能等屬性定制語義，從而描述其服務能力，成為物理服務；業務人員根據對共享資源的需求，將需求建模，構造業務服務；利用服務虛擬化機制在物理服務和業務服務之間建立映射關系。通過業務服務建立資源的業務級抽象，從而實現對物理資源的共享使用。目前，該市政務系統中提供資源服務的單位可以分為兩類：一類是上報單位有自己的數據管理中心，能夠對數據進行維護和管理，例如統計局、經貿局；另一類是上報單位只是定期將數據上報給主管部門，數據的維護和管理都在接受數據部門進行，例如鎮及企業會定期向統計局、經貿局上報數據，本地不需要維護和處理數據。相對應地，構建的業務服務也分為兩類：數據共享服務和數據收取服務。對于第一類數據，由數據上報部門在數據層或者系統層封裝服務，注冊到虛擬資源中心成為數據共享服務，供其他部門進行實時查詢及使用，數據的維護管理依然在數據上報部門進行；對于第二類數據，由收取數據部門在數據層或者系統層進行服務封裝，注冊到虛擬資源中心成為數據收取服務，上報數據部門只需要調用該服務上報數據，數據的維護和管理依然在數據收取部門進行。

(3)協同應用構建階段。各部門分別將相應的業務服務按照一定規則組織起來構建部門內部業務流程，并將流程中需要對外交互的流程結點共享到協同空間，然后由協同任務發起者利用協同應用構建工具(如圖7c所示)在協同空間內構建政務規則，設置各結點之間的協作關系，從而構建政務虛擬組織。系統中以協同制定年度經濟指標計劃為例，實現了市府辦、發改局、黨委辦、人大辦、經貿局等多部門協同辦公。

(4)共享資源使用及協同辦公階段。政府辦公人員在使用電子政務系統時，首先通過統一的門戶登錄，通過虛擬資源中心瀏覽其他部門共享的服務資源，通過直接執行服務進行數據的查詢或者上報；可以觸發部門內部業務流程完成業務操作，可以通過觸發協同應用實現多部門協同辦公。圖8是電子政務系統使用模式示意圖。

Figure 8 Application of eGovCloud圖8 電子政務系統使用模式

利用eGovCloud搭建該市的政務云平臺，取得了以下效果：

(1)利用業務規范作為語義基礎進行分布、異構資源整合，可以有效避免資源提供者和需求方的差異，提高服務有效性；

(2)支持業務用戶自主共享資源，符合政務云接入標準的資源的共享不再需要軟件專業人員參與，借助工具用戶可以自行將資源發布到虛擬資源中心；

(3)通過政務云平臺能夠將多個部門的業務系統互聯，避免了以前由于數據格式不統一進行人工轉換帶來的工作量，大大提高了工作效率；

(4)確保了資源實時、按需使用，服務“使用而不擁有”的特點使得資源使用者總是能夠獲取最新信息，而不用對這些信息進行維護；

(5)從資源服務能力和業務需求兩方面對資源進行描述，能夠有效解決資源供需之間的矛盾，提高服務可用性。

5 結束語

本文提出的基于云服務的電子政務框架eGovCloud是這方面的一個有益的嘗試，它不僅僅應用了云服務技術及理念，更是對其中涉及到的業務規范、虛擬資源中心及政務虛擬組織等一些關鍵技術進行了深入探討，形成了一套完整的方法體系。與現有電子政務系統的建設方式相比，eGovCloud框架更關注電子政務基礎設施的建設，注重系統的開放性、擴展性及動態適應性。

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YANGDong-ju,born in 1975,PhD,associate research fellow,CCF member(E200028384M)，her research interests include internet of Things,cloud storage,and cloud computing.

EGovCloud:Acloud-servicebasede-governmentframework

YANG Dong-ju1,WANG Jing1,JIANG Gui-huang2

(1.Research Center for Cloud Computing,North China University of Technology,Beijing 100041;2.School of Economics and Management,North China University of Technology,Beijing 100041,China)

In order to facilitate on demand resource sharing and cross-organizational collaboration in E-Government systems,the paper proposes a cloud-service based framework(EGovCloud),which utilizes the virtual resource repository to realize resource physically distributed storage and logically centralized management.E-Government metadata specifications are constructed as a unified semantic infrastructure and therefore support cross-organizational heterogeneous resource sharing and management.We explore the architecture of EGovCloud and the key technologies involved,and demonstrate the applications in constructing E-Government systems.

e-government;cloud service;e-government framework;resource sharing;cross-organization collaboration

1007-130X(2014)11-2067-07

2014-06-16;

：2014-08-25

北京市屬高等學校創新團隊建設與教師職業發展計劃資助項目(IDHT20130502);北方工業大學博士啟動基金、優秀青年教師培養計劃資助項目

TP311

：A

10.3969/j.issn.1007-130X.2014.11.004

楊冬菊(1975),女，河北秦皇島人，博士，副研究員，CCF會員(E200028384M)，研究方向為物聯網、云存儲與云計算。E-mail:yangdongju@ncut.edu.cn

通信地址：100041 北京市石景山區晉元莊路5號北方工業大學云計算研究中心

Address:Research Center for Cloud Computing,North China University of Technology,5 Jinyuanzhuang Rd,Shijingshan District,Beijing 100041,P.R.China