电动自行车租赁系统监管平台设计与实现第3章.docx
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电动自行车租赁系统监管平台设计与实现第3章
第3章监管平台软件总体设计
监管平台是整个电动自行车租赁系统的核心部件，负责数据的采集、存储、处理与显示，本章在软件需求分析的基础上，设计监管平台的总体软件架构，分析监管平台的开发方案，包括J2EE开发平台、数据库、数据通信协议和聚类算法。
3.1监管平台软件需求分析
3.1.1监管平台软件性能需求
电动自行车租赁系统直接面对用户，监管平台对用户的请求和操作需要在短时间内完成，为保证公共电动自行车租赁系统稳定、可靠、高效运行，须具备严格的性能要求，具体如表3.1所示。
表3.1电动自行车租赁系统监管平台的性能需求说明
序号
名称
描述
1
可靠性
要求系统具备较强的抗干扰能力、异常处理能力，以应对系统输入不合理数据以及频发故障等问题，保证系统稳定运行
2
稳定性
系统具有较高的鲁棒性，以应对异常、危险等情况，保证在各种情况下，系统能够正常运行
3
实时性
针对电动自行车租赁系统提供的车辆监控、用户查询等服务，要求在若干秒内得到响应，具有良好实时性
4
先进性
由于计算机技术发展迅速，采用较前沿较成熟的技术开发平台，做到功能强大和完善
5
易操作和易维护性
系统需面对不同知识层次的操作人员，要求系统易于理解，人机交互界面需高度可视化，且易于操作；另一方面，系统升级是系统使用中的重要环节，对于系统的这一变更要求系统具备较高可维护性
6
可扩展性
考虑到功能与性能的扩展，在设计过程中，为后期功能扩展预留接口
3.1.2监管平台软件功能需求
为解决电动自行车租赁系统中出现的车辆调度不及时、并发期系统响应速度慢、门户网站格式单一等现存问题，本章根据项目需求，设计一类通用型监管平台。
本文设计的监管平台包含的具体功能如表3.2所示。
表3.2电动自行车租赁系统监管平台功能需求
功能需求
功能描述
门户网站
1）介绍租赁系统，包括最新公告、使用方法、付费方式、办卡流程
2）提供密码修改、信息查询、BBS论坛等功能
系统管理功能
1）管理系统人员，包括管理员、操作人员、值班人员
2）设置人员权限，保证系统信息安全
3）日志管理，任一人员对平台的任一操作均形成记录，以文件形式保存
数据通信模块
1）数据服务中心接收并响应自助服务终端上传的数据和请求
2）实现与车载终端的通信，接收车辆GPS信息
车辆监控模块
1）站点车辆动态变化、已租车辆实时定位以及轨迹回放功能
2）针对车辆过时未归还、用户失踪等情况，对车辆进行实时跟踪
3）远程控制车辆，如超范围语音预警控制命令
车辆调度模块
1）分析站点车辆租借规律，确定某一时段某一站点所需车辆数目
2）统筹管理车辆实时位置、站点车辆动态变化、车辆行驶路径，提供车辆调度最短路径推荐功能
数据存储与查询
1）不同属性数据的实时存储，如用户、站点、车辆等
2）不同数据特征、不同属性数据的查询
3）对实时数据和历史记录的查询
4）以文字、表格、曲线，同时支持报表打印
异常报警及处理
1）自动报警功能，报警触发后，自动发送报警信息至监管平台
2）异常分析功能，判断异常类别
3）分级预警，不同等级采取不同措施
4）具备报警日志生成功能，自动生成报警日志，并存储备份
3.2监管平台的软件架构设计
通过上节对电动自行车租赁系统监管平台功能和性能的分析，本章以需求为依据，结合数据通信、并发数据处理等技术、Struts以及Hibernate等框架，设计一款通用型监管平台。
本文设计的监管平台的软件框架如图3.1所示。
监管平台分为三层，即数据服务层、业务处理层以及用户界面层。
数据服务层实现对JDBC的轻量级封装，采用面向对象的思想对数据库中的操作进行开发，如增、删、改、查，使整个监管平台对数据库的读写操作更加便捷与快速；业务处理层主要完成对数据的业务逻辑判定，对用户提出的请求进行处理，同时将响应的数据通过Struts返回至用户界面层；用户界面层直接面对用户，用户的操作和请求经过业务逻辑层的处理，最终将结果以文字、表格等可视化的方式呈现在界面上。
图3.1监管平台软件整体架构
3.2.1数据服务层
数据服务层位于监管平台的底层，主要完成对数据的采集、存取、访问等操作，并处理业务逻辑层的数据请求。
在系统开发中，对数据库的读写操作既消耗时间又消耗资源，尤其是同一时间大量用户直接访问数据库时，效率更低[23]。
本文结合Hibernate框架，对MySQL数据库的操作进行轻量级封装[24]。
当对数据进行操作时，可直接从内存提取，无需从数据库中读取，提高了开发效率和系统响应速率。
同时，软件结构更加清晰，系统开发和维护更加方便。
在开发过程中可为该层独立开发软件包，为上层提供数据持久化服务，增强代码移植性。
针对大量的车辆定位信息对平台存储的需求，在数据服务层引入Hadoop，该平台包含的HDFS（HadoopDistributedFileSystem，Hadoop分布式文件系统）具有可伸缩的存储空间，能够满足不断增加的定位信息对存储的要求，提高平台的存储容量，降低关系型数据库MySQL的成本。
3.2.2业务处理层
业务处理层是整个监管平台的核心，负责数据的逻辑关系判断，实现对数据的分析和处理。
针对不同的功能模块，本文主要从以下五个方面分析和设计该层功能，分别为系统管理、数据监控和管理、异常处理、安全管理以及车辆调度。
1.系统管理
包括人员管理、权限设置以及日志管理。
人员管理主要是对管理员、操作人员和值班人员的管理，包括基本信息、权限说明等；权限设置是根据不同用户类型，设置不同权限，以保证系统数据安全，如操作人员仅具备查看系统数据的功能，不具备修改、删除数据及记录的功能，而管理员具有最高权限，具备对其他人员的信息管理，系统基本参数的设置等权限；日志管理记录相关人员对监管平台的操作，并以文件的形式保存。
2.数据监控和管理
数据是整个系统的基本组成元素，实时监控并管理这些数据，是系统正常运营的基本保证。
由于系统采集的原始数据具有不完整性、冗余性与模糊性，为提高后期数据分析效果和效率，需对原始数据进行预处理，如数据过滤、数据裁剪等。
经过预处理后的数据根据属性和系统实时性要求的不同，分别以不同的形式存储到不同的地方。
对实时性要求较高的数据，如用户卡余额、用户租还车记录等，这类数据均存储到MySQL数据库中，提高用户查询数据的效率；对实时性要求不高的数据，如车辆定位信息，由于数据量较大，平台将其以文件的形式存储在Hadoop中。
3.异常处理
监管平台主要有两类异常，即连接异常和数据异常。
连接异常是指监管平台与自助服务终端或车载终端的连接断开，监管平台不能从底层采集数据。
数据异常是指监管平台采集到的站点设备参数、用户租还车操作、扣费充值、车辆定位等信息的异常。
监管平台对这类异常采取的方案是计算上述采集到的数据，根据计算结果判断异常等级，然后分析预警方案，做出正确及时的预警响应措施，同时自动生成报警日志，并存储备份。
4.安全管理
安全管理主要包括监管平台的使用安全和数据信息安全。
数据处理层对登录用户的权限进行判断，根据不同权限开启不同操作入口，避免非专业人员对监管平台的误操作。
对用户的敏感信息采用加密算法进行加密和备份，保证数据安全。
5.车辆调度分析
针对实际运营中出现的车辆调度不及时的问题，本文对此进行了重点研究与设计。
车辆调度主要分为数据分析和调度模块，如图3.2所示。
图3.2数据分析模块
（1）数据分析。
根据历史记录分析车辆租还规律、电动自行车行驶路径，完善监管平台功能，为车辆调度提供参考依据。
从图3.2可得，数据分析包括电动自行车基本信息处理、车辆行驶区域划分、车辆租还规律分析、车辆调度最佳路径分析四个模块。
具体实现功能如下：
电动自行车基本信息处理：
分析并存储电动自行车租赁站点、电动自行车的信息。
车辆行驶区域划分：
将租赁站点的分布和车辆可行驶的范围按照经纬度进行划分，便于车辆行驶规律，车辆租还规律分析。
车辆租还规律分析：
车辆租还规律（站点车辆租还规律）和车辆行驶规律受外界因素随时变化，但是在一定时间和空间内，变化有规律可循。
车辆调度最佳路径分析：
根据车辆定位信息，分离出电动自行车行驶路径，对得到的路径采用适当的模型进行统计分析，从大量数据中提取出两个站点间车辆调度的最短路径。
（2）调度模块。
该模块是车辆调度的核心，负责对电动自行车监管和调度，以满足不同时刻租赁站点对车辆的不同需求。
主要包括三个功能：
电动自行车实时分布及站点车辆需求预测，电动自行车调度最短路径选择，电动自行车调度方案确定，如图3.3所示。
图3.3电动自行车调度功能模块
电动自行车实时分布及站点车辆需求预测：
完成所有车辆的实时定位，获取车辆动态位置，根据用户租借、车辆行驶路线规律，确定站点所需调度车辆的数量。
电动自行车调度路径选择：
通过对车辆定位信息、行驶路径的聚类，确定最短路线调度策略。
电动自行车调度方案确定：
根据调度车辆数及调度路径，生成调度方案。
3.2.3用户界面层
用户界面层位于最上层，直接面对用户，实现平台与人的交互，同时为用户提供可视化的界面、简单易理解的操作流程。
该层将用户的请求提交至Web层，经业务逻辑层处理后返回相应的数据，主要包括账户信息、租还车记录、充值记录、站点车辆动态信息、车辆行驶路径等。
为便于上层决策，可采用文字、报表等格式对数据进行统计。
开发中采用JSP+Javascript实现，主要包括门户网站、用户操作、信息查询、结果展示、信息发布五个部分。
门户网站主要实现对整个系统的介绍，包括最新公告、使用方式、付费方式、办卡流程等公共信息；信息查询主要提供两种方式，即手机终端和PC端的JSP网页；系统最终将结果以文字、报表的方式展现给用户；信息发布主要是通过互联网等方式发布系统最新动态与服务、优惠政策等信息。
3.3监管平台的开发方案分析与选择
上节详细阐述了电动自行车租赁系统监管平台的需求、软件结构以及各层功能。
本节在监管平台需求的基础上，论证软件开发平台、数据库、通信协议、聚类算法等开发方案的选择。
3.3.1软件开发平台的选择
考虑到后期监管平台的移植性、扩展性，本设计采用的开发平台是高移植性的J2EE（Java2EnterpriseEdition），与各操作系统具有良好的兼容性，且开发速度快。
J2EE是Sun公司推出的一个在Java2平台上建立的企业级应用解决方案，支持Web服务，具备一系列标准，易于应用系统的部署、开发和管理[25]。
为满足不同企业应用开发的需求，Microsoft和SUN两家公司均给出各自的技术方案，.NET和J2EE，二者均可为企业应用提供高性能、高可靠性的解决方案。
两者在架构上有许多相似之处，也存在差别。
.NET是一组产品，J2EE是一组规范和标准；.NET依赖Windows平台，J2EE支持平台中立；J2EE依赖Java技术，.NET支持语言中立。
J2EE与.NET均可实现应用程序开发的高可靠性，支持多层分布式的B/S软件开发。
基于J2EE在系统整合、延展性、安全性等优势，结合监管平台对扩展性、维护性、移植性的要求，本文选用J2EE作为开发平台。
J2EE使用多层分布式应用模型构建应用程序，将不同的应用逻辑根据功能划分为不同组件，各个应用组件根据所在结构层被分配部署到不同的计算机上[26]。
J2EE结构如图3.4所示。
客户层主要是指系统的访问人员和客户端，如Web浏览器、Java应用程序等，本质是用户和系统交互的接口。
表示层在J2EEWeb组件中主要指JSP、Servlets，能够接收客户端请求，控制用户对业务的访问，同时响应客户层的组件请求。
在响应用户请求时，表示层首先调用相应组件，获取结果，最后将结
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