公安物联网体系架构的设计与实现
李冬静+江林升+杨雁莹
摘 要： 為解决公安物联网体系架构过于老旧，很多功能在时代的发展下已经无法使用的问题，需要进行新一轮的功能改革。通过对比不同物联网体系架构在公安系统中的适用性，设计一种面对资源的公安物联网体系架构，选用Web技术下的REST接口增强体系架构的开放性，设计三角型架构的服务模式提高服务质量。通过整合公安系统模块工作流程使模块数据互通，实现模块聚合，并进一步描述功能实体。系统测试结果表明，在面对资源的公安物联网体系架构中，各模块既可以独立工作，也可以协同作业，且各项功能均能正常实现，可靠性与稳定性良好。
关键词： 公安系统； 物联网； 体系架构； REST接口； 功能改革； Web技术
中图分类号： TN919.2?34； TP399 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）01?0085?04
Abstract： The current public security Internet of Things （IoT） architecture is too old， and its functions are unusable with the development of the times， so it requires a new round of functional reform. In comparison with the applicability of different IoT architectures in public security system， a resource?oriented public security IoT architecture is designed， the representational state transfer （REST） interface based on Web technology is selected to enhance the openness of the system architecture， and the service mode of triangle architecture is designed to improve the service quality. By integrating the work flow of the public security system module， the module data is intercommunicated to realize the module aggregation. The functional entity is further described. The system test results show that each module in the resource?oriented public security IoT architecture can work independently or collaboratively， each function of the architecture can be realized normally， and the architecture has high reliability and stability.
Keywords： public security system； Internet of Things； system architecture； REST interface； function reform； Web technology
物联网的定义由麻省理工学院率先提出，从提出之日起，物联网就开始在建筑、家居、物流、防伪等领域逐渐流行开来。在我国，物联网的首次应用是在公共安全环境中。历经十余年的发展，物联网体系架构已经有了质的飞跃，一度延伸至交通、安保、探测、图像识别等领域。目前，我国城市的公安系统几乎全部应用物联网体系架构，这是将公安人员工作与市民需求联系起来的有力手段，能够最大限度地提升公安出警效率，减少人员闲置。物联网体系架构是公安系统的基础功能，决定着其网络连接、智能共享、信息兼容、硬件完善等功能能否正常使用，我国目前应用的公安物联网体系架构过于老旧，需要进行新一轮的功能改革。
1 公安物联网体系的架构
1.1 体系架构类型的选择
整个公安系统拥有大量处理模块，维持各模块间数据交流的可靠性和稳定性是公安物联网体系架构需要考虑的主要因素[1]。早先使用的公安物联网体系架构是无线传感网络架构，这种架构的优点在于模块节点容易部署，普遍兼容异构性处理仪器，但在模块节点数逐年增长的公安系统下，各种模块仪器的相互交流变得复杂，通信工作屡次出现错误。由此可知，对公安系统来说，物联网体系架构的模块整合是当前发展中最重要的因素，这需要一种具备强大扩展能力并能够开放管理模块基本功能互通性的体系架构，以便实时响应物联网业务更新速度。
有关架构最直观的定义是：架构是指模块间用于实现功能复用和数据交流的系统结构，在架构的选择上应遵循功能定义、接口模式以及模块接线方式等标准。公安系统使用分布式物联网体系架构，主要包括面对对象、面对服务和面对资源三种类型[2]，表1对这三种类型的功能模式进行了对比。
分析表1可知，面对对象的体系架构重点考虑标准与对象之间的组合状态，包括封装对象和通信对象等。这种体系架构通常应用在需要进行远程监督与控制的物联网中，通信数据格式相对简洁[3]，对融入公安系统中不同客户端的数据格式要求比较高。同时，由于采取远程形式，系统必须具有强封闭性，使得体系架构的扩展能力很弱；如果设计面对服务的公安物联网体系架构，设计侧重点将集中在服务负载强度上，这对公安系统与用户的交互能力有一定的增进作用，但在编程语言上，不同类型的服务对象将使用不同的编程语言[4]，公安系统的服务对象种类众多，一般来讲这不易于实现，而且面对服务体系架构的其他功能与模式并不突出；面对资源的公安物联网体系架构在扩展能力、敏捷度和耦合性上尤为突出，而且对编程语言的要求不高，实现难度低。根据以上介绍及分析，选择面对资源的物联网体系架构。
1.2 公安物联网体系架构接口设计
Web技术可为物联网体系架构的开放性提供帮助，Web技术拥有大量接口，能与内部仪器和外部资源同时沟通。接口类型不同，所提供的功能也不同，选择接口类型也成为公安物联网体系架构需要着重考虑的对象。常用接口类型有REST（Representational State Transfer，表述性状态转移）接口和WS（Web Socket，双向通信）接口[5]，如表2所示，REST接口以其简易的结构和数据兼容性取胜，更加适合应用在面对资源的物联网体系架构中。
REST接口的缺点表现在其服务模式的不健全上，针对这个问题，设计一种独特的、针对REST接口的公安系统服务模式，如图1所示，该服务模式呈三角形架构，在这种服务模式下，公安物联网服务被映射为超文本传输协议，相当于WS接口属性。为了避免新属性与REST接口标准属性产生歧义，将新属性代码直接赋予用户进行服务实施，整个过程只需要在进行代码编程时考虑资源的数据类型，使得面对资源的公安物联网体系架构在REST接口功能的局限性之下也能够兼容大量用户服务。
2 公安物联网体系架构的实现
2.1 模块聚合的实现
公安系统中含有大量模块，面对资源的公安物联网体系架构需要实现这些模块间的聚合。按照功能将公安系统模块分为仪器模块、服务模块和通信模块，如图2所示，公安系统仪器模块接收用户服务任务，服务模块进行服务程序设计，通信模块将服务程序逐次传导到服务发出点，通过遗留应用程序进行实施[6]。服务实施分三层实现，依次增加服务难度，将两个底层服务程序集成，输出标准服务程序。通信模块负责数据的交流和传导，它原本就具备与其他模块的聚合能力，使得面对资源的公安物联网体系架构的聚合任务落在仪器模块与服务模块之间。
面对资源的物联网体系架构要求整个公安系统重点进行用户数据处理，可靠、稳定地实施用户服务，同时保证仪器模块与服务模块的聚合能力。为了实现以上任务，面对资源的公安物联网体系架构开发出如图3所示的公安系统服务环境，由仪器功能平台、资源聚合平台和服务支持平台组成。资源聚合平台拥有实现公安系统各模块聚合的作用，能够将不同地区、不同部分和不同用户服务节点的数据进行聚合。
在面对资源的物聯网体系架构上开发出的公安系统服务环境与早前使用的服务环境相比灵活性更强，物联网将不对各平台之间的数据交流进行屏蔽，而是将服务模块和仪器模块当成同一个服务处理平台[7]，也就表示服务支持平台和仪器功能平台间的数据是互通的。由于模块工作流程受到资源聚合平台的整合，服务模块的三个层次都能单独提供标准服务程序。通过在仪器模块内部加入智能网关，增强公安系统硬件结构的灵活性，公安物联网不再是单纯的实物与实物之间的互联，实物与虚拟物体间也可以实现信息交流。
2.2 功能实现
图4描述的是面对资源的公安物联网体系架构功能实体图，由服务网关[8]、网关控制实体、资源控制实体、服务程序建立实体以及程序执行实体组成。
服务网关是功能实体的核心，可以为其他实体提供驱动服务、数据缓存空间和TCP（即传输控制协议）支持，令公安物联网用户可通过Web技术进入网关，与仪器实现交流与通信。网关控制实体在动态域名的基础上为网关布置数据标识，注册通信路径。资源控制实体的功能主要表现为对资源的索引以及数据挖掘，是实现物联网两端（管理者与用户）服务数据语义分析的基础，对公安系统服务模块的准确性具有较强增益作用。服务程序建立实体负责实现服务模块与仪器模块聚合，通过建立超文本连接服务将服务程序传导到指定位置。程序执行实体进行服务数据的上下文语义分析，将服务场景虚拟化并执行动态预测，充分挖掘用户需求。
3 性能测试
对本文设计的公安物联网体系架构进行系统测试是对其开发的前提条件，系统测试结果是其市场价值的导向性信息。系统测试是指对公安物联网体系架构的结构与功能合理性进行检验，包括组合测试和联合测试。
3.1 组合测试
组合测试的作用是在维持特定误检率的限制条件下，将本文所设计的面对资源的公安物联网体系架构下的公安系统各模块任意组合在一起检验其功能可用性。组合测试使用数字模拟组合测试仪提供测试包[9]，实验所用数字模拟组合测试仪的型号为IWATSO?7010，工作频率为100 MHz，具有便携性和高效率，使用Linux嵌入式系统，支持大量FM，SSB等无线设备的共同测试。由于受到公安系统行政职能的限制，组合测试重点测试本文公安物联网体系架构的通信功能，这是因为只有通信模块与其他模块能够实现完全交互，测试数据才具有代表意义。
图5是本文公安物联网体系架构的通信流程。数据打包、串口发送、节点转发依次是正向通信过程，反向通信过程依次是打包发送、内部接口接收和串口转发。通过感应仪器将本文公安物联网体系架构的工作数据传送到数字模拟组合测试仪上，通信波特率设为9 600 Bd，数据位为8位，中止位为1位。分析整个工作过程是否按标准顺序进行，其中是否存在通信不正常中止的情况。再将工作数据反向给予本文公安物联网体系架构，观察工作过程是否正常。
经过组合测试，数字模拟组合测试仪显示出本文公安物联网体系架构的组合测试结果，如表3所示，三相电压、直流电压和环境温度都符合物联网体系架构的功能实现条件，未出现报警状况，表示工作顺序正常，不存在通信不正常中止的情况，与通信工作相关的模块都可以正常单独使用，可靠性与稳定性良好，达到了预期设计效果。
3.2 联合测试
根据以往的经验，就算公安物联网体系架构中所有模块都能正常独立工作，但当一些模块联合起来共同作业时，某些功能便无法正常实现，提前进行联合测试可避免这种情况的发生[10]。通过感应仪器向本文所设计的面对资源的公安物联网体系架构中不断传导测试数据，传导周期为1 s，每周期之间的传导数据存在一个涨幅，观察其作业是否受到干扰，功能是否可以正常实现。本文公安物联网体系架构的联合测试结果如表4所示，联合测试使用的测试数据每周期涨幅是比较大的，但是本文公安物联网体系架构没有在如此大的涨幅下和频发干扰下出现报警状况，三相电压和直流电压均满足联合测试约束范围，环境温度足以维持正常工作，表明本文公安物联网体系架构各模块之间能够正常协同作业，且各项功能可以正常实现，可靠性与稳定性良好。
4 结 论
本文对一种可靠性与稳定性良好、工作模式灵活的公安物联网体系架构进行设计与实现。在物联网体系架构类型的选择上，由于面对资源类型在扩展能力、敏捷度和耦合性方面均较为突出，而且对编程语言的要求不高，实现难度低，故设计面对资源的公安物联网体系架构，并对其所实现的公安系统模块聚合模式以及功能实体进行介绍。实验对本文架构进行组合测试和联合测试，得到了理想的测试结果。
参考文献
[1] 夏晶.物联网差异体系结构下的设备调度平台设计与实现[J].现代电子技术，2016，39（24）：141?144.
XIA Jing. Design and implementation of equipment scheduling platform under Internet of Things difference architecture [J]. Modern electronics technique， 2016， 39（24）： 141?144.
[2] 郭正红，赵丙辰.基于Web服务的物联网体系结构模型及应用[J].计算机应用与软件，2015，32（5）：123?126.
GUO Zhenghong， ZHAO Bingchen. Web service?based IoT system architecture model and its application [J]. Computer applications and software， 2015， 32（5）： 123?126.
[3] 李静雅，冯若冰.基于物联网软件体系结构的提升机监测系统设计[J].煤矿机械，2015，36（11）：282?284.
LI Jingya， FENG Ruobing. Design of monitoring system of mine hoist based on IOT software architecture [J]. Coal mine machinery， 2015， 36（11）： 282?284.
[4] 关思敏，秦静，张森，等.红外图像增強在公安系统中的应用[J].电脑知识与技术，2016，12（20）：177?179.
GUAN Simin， QIN Jing， ZHANG Sen， et al. Application of infrared image enhancement in public security system [J]. Computer knowledge and technology， 2016， 12（20）： 177?179.
[5] 黎敏.基于五层物联网架构的煤矿安全监控系统设计[J].煤炭技术，2016，35（3）：264?266.
LI Min. Design of safety monitoring system in coal mine based on five layers Internet of Things [J]. Coal technology， 2016， 35（3）： 264?266.
[6] 陈海明，崔莉.面向服务的物联网软件体系结构设计与模型检测[J].计算机学报，2016，39（5）：853?871.
CHEN Haiming， CUI Li. Design and model checking of service oriented software architecture for Internet of Things： a survey [J]. Chinese journal of computers， 2016， 39（5）： 853?871.
[7] 杨萃，袁博，田野，等.基于物联网标识的智能家居服务体系架构设计[J].科研信息化技术与应用，2015，6（1）：80?88.
YANG Cui， YUAN Bo， TIAN Ye， et al. A smart home architecture based on Internet of Things identifier [J]. E?science technology & application， 2015， 6（1）： 80?88.
[8] 梅林，王钧.物联网技术及其在公安信息化中的应用[J].广东公安科技，2015，23（1）：1?6.
MEI Lin， WANG Jun. Internet of Things technology and its application in public security information [J]. Guangdong gongan keji， 2015， 23（1）： 1?6.
[9] 广东省公安厅科技信息化处科技管理科.基于物联网技术的智能视频检测模块[J].广东公安科技，2015，23（2）：37?38.
The Public Security Bureau of Guangdong Province Science and Technology Department of Information Science and Technology Management Department. Intelligent video detection platform based on IOT Technology [J]. Guangdong gongan keji， 2015， 23（2）： 37?38.
[10] 赵士伟，张如彩，王月明，等.生物特征识别技术综述[J].中国安防，2015，29（7）：79?86.
ZHAO Shiwei， ZHANG Cairu， WANG Yueming， et al. A survey of the emerging biometric technology [J]. China security & protection， 2015， 29（7）： 79?86.
摘 要： 為解决公安物联网体系架构过于老旧，很多功能在时代的发展下已经无法使用的问题，需要进行新一轮的功能改革。通过对比不同物联网体系架构在公安系统中的适用性，设计一种面对资源的公安物联网体系架构，选用Web技术下的REST接口增强体系架构的开放性，设计三角型架构的服务模式提高服务质量。通过整合公安系统模块工作流程使模块数据互通，实现模块聚合，并进一步描述功能实体。系统测试结果表明，在面对资源的公安物联网体系架构中，各模块既可以独立工作，也可以协同作业，且各项功能均能正常实现，可靠性与稳定性良好。
关键词： 公安系统； 物联网； 体系架构； REST接口； 功能改革； Web技术
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Abstract： The current public security Internet of Things （IoT） architecture is too old， and its functions are unusable with the development of the times， so it requires a new round of functional reform. In comparison with the applicability of different IoT architectures in public security system， a resource?oriented public security IoT architecture is designed， the representational state transfer （REST） interface based on Web technology is selected to enhance the openness of the system architecture， and the service mode of triangle architecture is designed to improve the service quality. By integrating the work flow of the public security system module， the module data is intercommunicated to realize the module aggregation. The functional entity is further described. The system test results show that each module in the resource?oriented public security IoT architecture can work independently or collaboratively， each function of the architecture can be realized normally， and the architecture has high reliability and stability.
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物联网的定义由麻省理工学院率先提出，从提出之日起，物联网就开始在建筑、家居、物流、防伪等领域逐渐流行开来。在我国，物联网的首次应用是在公共安全环境中。历经十余年的发展，物联网体系架构已经有了质的飞跃，一度延伸至交通、安保、探测、图像识别等领域。目前，我国城市的公安系统几乎全部应用物联网体系架构，这是将公安人员工作与市民需求联系起来的有力手段，能够最大限度地提升公安出警效率，减少人员闲置。物联网体系架构是公安系统的基础功能，决定着其网络连接、智能共享、信息兼容、硬件完善等功能能否正常使用，我国目前应用的公安物联网体系架构过于老旧，需要进行新一轮的功能改革。
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整个公安系统拥有大量处理模块，维持各模块间数据交流的可靠性和稳定性是公安物联网体系架构需要考虑的主要因素[1]。早先使用的公安物联网体系架构是无线传感网络架构，这种架构的优点在于模块节点容易部署，普遍兼容异构性处理仪器，但在模块节点数逐年增长的公安系统下，各种模块仪器的相互交流变得复杂，通信工作屡次出现错误。由此可知，对公安系统来说，物联网体系架构的模块整合是当前发展中最重要的因素，这需要一种具备强大扩展能力并能够开放管理模块基本功能互通性的体系架构，以便实时响应物联网业务更新速度。
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分析表1可知，面对对象的体系架构重点考虑标准与对象之间的组合状态，包括封装对象和通信对象等。这种体系架构通常应用在需要进行远程监督与控制的物联网中，通信数据格式相对简洁[3]，对融入公安系统中不同客户端的数据格式要求比较高。同时，由于采取远程形式，系统必须具有强封闭性，使得体系架构的扩展能力很弱；如果设计面对服务的公安物联网体系架构，设计侧重点将集中在服务负载强度上，这对公安系统与用户的交互能力有一定的增进作用，但在编程语言上，不同类型的服务对象将使用不同的编程语言[4]，公安系统的服务对象种类众多，一般来讲这不易于实现，而且面对服务体系架构的其他功能与模式并不突出；面对资源的公安物联网体系架构在扩展能力、敏捷度和耦合性上尤为突出，而且对编程语言的要求不高，实现难度低。根据以上介绍及分析，选择面对资源的物联网体系架构。
1.2 公安物联网体系架构接口设计
Web技术可为物联网体系架构的开放性提供帮助，Web技术拥有大量接口，能与内部仪器和外部资源同时沟通。接口类型不同，所提供的功能也不同，选择接口类型也成为公安物联网体系架构需要着重考虑的对象。常用接口类型有REST（Representational State Transfer，表述性状态转移）接口和WS（Web Socket，双向通信）接口[5]，如表2所示，REST接口以其简易的结构和数据兼容性取胜，更加适合应用在面对资源的物联网体系架构中。
REST接口的缺点表现在其服务模式的不健全上，针对这个问题，设计一种独特的、针对REST接口的公安系统服务模式，如图1所示，该服务模式呈三角形架构，在这种服务模式下，公安物联网服务被映射为超文本传输协议，相当于WS接口属性。为了避免新属性与REST接口标准属性产生歧义，将新属性代码直接赋予用户进行服务实施，整个过程只需要在进行代码编程时考虑资源的数据类型，使得面对资源的公安物联网体系架构在REST接口功能的局限性之下也能够兼容大量用户服务。
2 公安物联网体系架构的实现
2.1 模块聚合的实现
公安系统中含有大量模块，面对资源的公安物联网体系架构需要实现这些模块间的聚合。按照功能将公安系统模块分为仪器模块、服务模块和通信模块，如图2所示，公安系统仪器模块接收用户服务任务，服务模块进行服务程序设计，通信模块将服务程序逐次传导到服务发出点，通过遗留应用程序进行实施[6]。服务实施分三层实现，依次增加服务难度，将两个底层服务程序集成，输出标准服务程序。通信模块负责数据的交流和传导，它原本就具备与其他模块的聚合能力，使得面对资源的公安物联网体系架构的聚合任务落在仪器模块与服务模块之间。
面对资源的物联网体系架构要求整个公安系统重点进行用户数据处理，可靠、稳定地实施用户服务，同时保证仪器模块与服务模块的聚合能力。为了实现以上任务，面对资源的公安物联网体系架构开发出如图3所示的公安系统服务环境，由仪器功能平台、资源聚合平台和服务支持平台组成。资源聚合平台拥有实现公安系统各模块聚合的作用，能够将不同地区、不同部分和不同用户服务节点的数据进行聚合。
在面对资源的物聯网体系架构上开发出的公安系统服务环境与早前使用的服务环境相比灵活性更强，物联网将不对各平台之间的数据交流进行屏蔽，而是将服务模块和仪器模块当成同一个服务处理平台[7]，也就表示服务支持平台和仪器功能平台间的数据是互通的。由于模块工作流程受到资源聚合平台的整合，服务模块的三个层次都能单独提供标准服务程序。通过在仪器模块内部加入智能网关，增强公安系统硬件结构的灵活性，公安物联网不再是单纯的实物与实物之间的互联，实物与虚拟物体间也可以实现信息交流。
2.2 功能实现
图4描述的是面对资源的公安物联网体系架构功能实体图，由服务网关[8]、网关控制实体、资源控制实体、服务程序建立实体以及程序执行实体组成。
服务网关是功能实体的核心，可以为其他实体提供驱动服务、数据缓存空间和TCP（即传输控制协议）支持，令公安物联网用户可通过Web技术进入网关，与仪器实现交流与通信。网关控制实体在动态域名的基础上为网关布置数据标识，注册通信路径。资源控制实体的功能主要表现为对资源的索引以及数据挖掘，是实现物联网两端（管理者与用户）服务数据语义分析的基础，对公安系统服务模块的准确性具有较强增益作用。服务程序建立实体负责实现服务模块与仪器模块聚合，通过建立超文本连接服务将服务程序传导到指定位置。程序执行实体进行服务数据的上下文语义分析，将服务场景虚拟化并执行动态预测，充分挖掘用户需求。
3 性能测试
对本文设计的公安物联网体系架构进行系统测试是对其开发的前提条件，系统测试结果是其市场价值的导向性信息。系统测试是指对公安物联网体系架构的结构与功能合理性进行检验，包括组合测试和联合测试。
3.1 组合测试
组合测试的作用是在维持特定误检率的限制条件下，将本文所设计的面对资源的公安物联网体系架构下的公安系统各模块任意组合在一起检验其功能可用性。组合测试使用数字模拟组合测试仪提供测试包[9]，实验所用数字模拟组合测试仪的型号为IWATSO?7010，工作频率为100 MHz，具有便携性和高效率，使用Linux嵌入式系统，支持大量FM，SSB等无线设备的共同测试。由于受到公安系统行政职能的限制，组合测试重点测试本文公安物联网体系架构的通信功能，这是因为只有通信模块与其他模块能够实现完全交互，测试数据才具有代表意义。
图5是本文公安物联网体系架构的通信流程。数据打包、串口发送、节点转发依次是正向通信过程，反向通信过程依次是打包发送、内部接口接收和串口转发。通过感应仪器将本文公安物联网体系架构的工作数据传送到数字模拟组合测试仪上，通信波特率设为9 600 Bd，数据位为8位，中止位为1位。分析整个工作过程是否按标准顺序进行，其中是否存在通信不正常中止的情况。再将工作数据反向给予本文公安物联网体系架构，观察工作过程是否正常。
经过组合测试，数字模拟组合测试仪显示出本文公安物联网体系架构的组合测试结果，如表3所示，三相电压、直流电压和环境温度都符合物联网体系架构的功能实现条件，未出现报警状况，表示工作顺序正常，不存在通信不正常中止的情况，与通信工作相关的模块都可以正常单独使用，可靠性与稳定性良好，达到了预期设计效果。
3.2 联合测试
根据以往的经验，就算公安物联网体系架构中所有模块都能正常独立工作，但当一些模块联合起来共同作业时，某些功能便无法正常实现，提前进行联合测试可避免这种情况的发生[10]。通过感应仪器向本文所设计的面对资源的公安物联网体系架构中不断传导测试数据，传导周期为1 s，每周期之间的传导数据存在一个涨幅，观察其作业是否受到干扰，功能是否可以正常实现。本文公安物联网体系架构的联合测试结果如表4所示，联合测试使用的测试数据每周期涨幅是比较大的，但是本文公安物联网体系架构没有在如此大的涨幅下和频发干扰下出现报警状况，三相电压和直流电压均满足联合测试约束范围，环境温度足以维持正常工作，表明本文公安物联网体系架构各模块之间能够正常协同作业，且各项功能可以正常实现，可靠性与稳定性良好。
4 结 论
本文对一种可靠性与稳定性良好、工作模式灵活的公安物联网体系架构进行设计与实现。在物联网体系架构类型的选择上，由于面对资源类型在扩展能力、敏捷度和耦合性方面均较为突出，而且对编程语言的要求不高，实现难度低，故设计面对资源的公安物联网体系架构，并对其所实现的公安系统模块聚合模式以及功能实体进行介绍。实验对本文架构进行组合测试和联合测试，得到了理想的测试结果。
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