基于一种改进缓存替换算法的校园电子地图研究

摘要

随着高校信息化建设步伐的加快，各大高校都建立了适合自身校园的资产管理信息系统，但目前这类系统主要是以存储和展示校内各类资产的基础属性数据为主要管理方式。在这种模式下，用户不能对建筑物的实际位置进行动态浏览，缺乏对校园建筑群整体布局的直观认识，一定程度上影响了资产管理者的工作效率，同时也凸显出传统的校园信息管理模式在空间维度展示上的乏力，缺少一个与用户进行友好交互的可视化平台。
　　针对高校对校内公房、公寓、土地、道路等资产信息管理方式存在的不足，本文提出建立一个校园电子地图平台，平台基于面向公众的瓦片地图服务设计思想，结合相应的三维建模技术、服务器端瓦片缓存机制、负载均衡技术及相关WebGIS开发框架等，开发出了一个能够合理展示高校校园公房、公寓、土地等资产信息的校园电子地图平台。
　　本文首先对校园内空间基础数据模型进行搭建，包括对校园内主要建筑物、绿地、道路、水系等进行建模，同时对各个地理要素进行特征分析，将具有相同特征的地理要素划分为一个图层，最终得到背景图层、道路图层和POI图层;其次对瓦片地图的存储方式进行讨论，详细介绍了校园电子地图平台所采用的地图瓦片的切图方法，根据用户需求设定地图缩放级别，从底层到顶层在不同分辨率级别下对渲染好的地图图片进行切分，进而形成目标瓦片金字塔，并采用多级文件夹目录形式来组织多层级下的地图瓦片阵列。
　　在校园电子地图设计过程中，提高用户请求的响应速度是保证系统可用性和友好性的关键，特别在大规模用户并发访问时良好的用户体验就更加重要。对此，本文采用了两种方式进行系统性能提升。一方面，本文建立了地图瓦片缓存机制，可以将访问频繁的地图瓦片放在服务器端缓存池当中，当用户请求该瓦片时将直接返回，不再需要从服务器上进行读取。另外结合校园电子地图业务处理模型的特点，引入了一种改进的缓存元素替换算法，该算法和传统的LFU算法、Size算法相比，在多用户随机请求瓦片的情况下能较好的提高瓦片地图的命中率，从而提高系统的响应速度。在保持缓存一致性方面，本文从客户端缓存一致性和服务器端缓存一致性两个层面入手，采用了设置缓存元素生存时间片、事务机制等方法进行一致性的保证;另一方面，在后台通过部署多个服务器节点也能提升请求处理速度，但各个节点间的负载的不均衡会使某一节点出现访问瓶颈，最终影响系统的整体效率。针对该问题，本文对一致性哈希算法进行了深入研究，并应用该算法作为校园电子地图的负载均衡解决方案。实验表明，该方法能比较均匀的将用户请求分配给各个服务器节点，并在服务器集群中出现宕机或新增节点的情况下，以较小的代价重新定位用户请求。
　　本文设计的校园电子地图平台完成了校园资产管理方式的转变，使传统的对建筑物基础属性数据管理模式转变为可以定位各建筑物空间位置信息的可视化管理模式。同时为用户提供了丰富的交互设计和空间查询功能，有利于校园各职能部门间的空间数据信息的交流共享，为学校资产管理部门进行校园规划建设提供优质理论支持。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 地理信息系统研究现状

1．2．2 校园电子地图研究现状

1．3 主要研究内容和创新点

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 创新点

1．4 本文组织结构

第二章 基础数据模型搭建

2．1 校园底图数据构建

2．1．1 纹理贴图

2．1．2 三维场景建模

2．2 地图要素图层划分

2．2．1 背景图层

2．2．2 道路图层

2．2．3 POI图层

第三章 缓存系统设计

3．1 瓦片地图金字塔模型

3．2 瓦片文件目录组织形式

3．3 缓存系统请求流程

3．4 地图缓存瓦片响应机制

3．5 缓存一致性研究

3．5．1 客户端缓存一致性解决方案

3．5．2 服务器端缓存一致性解决方案

第四章 缓存替换算法和负载均衡研究

4．1 改进的缓存策略研究

4．1．1 缓存元素替换算法

4．1．2 算法性能分析

4．2 负载均衡解决方案研究

4．2．1 一致性哈希算法原理

4．2．2 算法实现过程

4．2．3 实验分析

4．3 地图展示

第五章 总结和展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢

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