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网络计算环境下空间分析的计算模式研究

蔡砥  
【摘要】:网格是1990年代中后期出现并迅速发展的起来的计算环境,目的是实现地理上分布的、可跨组织的异构的资源的广泛共享。在这种计算环境快速发展的同时,空间分析作为地理信息科学的关键研究内容之一,也越来越受到重视。本文从空间分析问题的计算困难的角度出发,研究了空间分析在网格计算环境上的计算模式,并以高计算量的空间分析问题、多组织参与的空间决策和空间模拟为案例,分析了如何利用网格来解决这些问题所带来的计算的困难的三种计算模式,即并行计算、汇聚计算和协同计算。并就各自的计算模式研究了实现的关键技术问题。 本文共分为6章。第1章主要讨论了三个内容,首先是回顾了地理信息系统向地理信息科学发展的进程,认识到了地理信息科学与地理信息系统的一个明显的区别是强调了地理信息的理解、分析和应用,因此空间分析的重要性得到了突出;同时也认识到计算作为现代科学研究的重要方法之一正在受到地理学家的重视。其次,考察了网格计算环境的兴起与发展,认为网格计算环境可以分为计算型网格和合作型网格两种,并对这两种网格的特征作了讨论。 在第2章中,本文试图提出空间分析的计算体系。首先,对前人关于空间分析的概念与内容分类进行了研究,在此基础上,认为空间分析的计算体系应该是从问题求解的困难程度这个角度来进行考察。由此提出了通过计算复杂性和组织多方性两个方面对空间分析进行分类的框架。在详细讨论了空间分析的各项内容的计算复杂性和组织多方性的普遍特点后,将空间分析分为:计算量低组织数低,计算量高组织数低,计算量低组织数高,计算量高组织数高等4种类型。指出利用网格网格计算环境的跨组织跨平台进行资源共享与合作,来解决空间分析中的除了类型1以外的其它问题,是本文后续几个案例研究的目标。 第3章通过一个高计算量的空间分析问题,研究了在计算型网格上的并行化实现问题。采用的案例是设施区位中的P-Median问题,该问题具有NP-困难的特点,意味着问题的规模增加将导致求解计算量的激增。一般采用近似算法。本文就是研究了一种称为Rolland搜索算法在网格上的并行化计算。本文采用CONDOR系统作为计算网格的管理系统。为了克服计算型网格的弱偶合的分布式特点,本文选择了Worker-Master模式,将问题分解为并行化程度高的若干个子任务,通过将任务分发给网格上的不同计算节点进行计算,从而实现了并行计算。通过对两种并行化策略的分析,本文认为对于Rolland的禁忌搜索,应该采用分散搜索的并行化策略,以提高近似求解的精度,同时也防止网格负载的不平衡。在实现中,本文还开发了用于任务管理和任务监控的中间件,试图屏蔽网格管理的底层技术。 第4章通过一个涉及到多个组织参与的空间决策问题进行了跨组织合作的计算模式研究。文中采用的案例,是一个竞争性设施的多准则选址的过程。本文认为空间决策的过程是 空间数据不断经过变换并汇聚到进行空间决策分析的用户端的过程,由此提出了汇聚计算模 式,“汇聚”一词来源于网格五层沙漏结构的“汇聚层”。进一步研究汇聚计算中各种服务的 提供内容和方式,本文提出了空间数据服务和空间分析服务两种主要的服务,空间分析服务 又分为通用空间分析服务和专题空间分析服务。由此,本文设计了空间数据和空间分析两种 Web服务,从而使跨组织成为可能。在W匕b服务的实现中,本文还通过对用户空间请求的 分析,提出了一种用于描述用户空间请求的XGML,该XGML是对GML的一种扩展,将 sQL集成进来并增加了7个标签。另外,在用户端的设计过程中,本文还进一步认识到, 在空间决策过程中一个用户工作流程的建立,实际就是一个虚拟组织的建立,空间决策问题 求解完毕,则是虚拟组织的结束。不同的决策问题,由不同的工作流程完成,决定了虚拟组 织的不同。 第5章通过一个涉及多个组织的空间模拟问题,进行另一类型的跨组织合作计算研究。 在文中讨论了空间模拟与空间决策的不同之处,认为空间模拟的参与各方并不是提供服务使 数据变换汇聚到用户端的过程,而是地位相当的组织,参与各方不断地进行数据交换,本文 称之为协同计算,协同各方称为对等体。由此,针对一个城市模拟的多自主体系统,文中设 计了两个对等体:城市住宅对等体和城市居民对等体,并研究了如何实现跨组织的协同计算 问题,实现了对等体利用Web服务来响应对方请求并提供数据的方式。同时,还利用SOCKET 实现对等体之间的相互的消息传递,从而可以跨组织地相互激发对方的事件处理。本文最后 研究了当对等体的数量增加时导致的一些困难,认为一个空间模拟中对等体的增加将带来管 理上的难度,并且,采用一种将C/S模式和协同计算模式相互结合的混合模式可能是必要的。 第6章是总结和讨论。


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