潛艇指控系統(tǒng)臺位協(xié)同備份技術(shù)研究

史彥山，龔 純，莫進軍

(1.中船重工第七一六研究所，江蘇 連云港 222061;2.中國艦船研究設(shè)計中心，武漢 430064)

潛艇指控系統(tǒng)的前身是潛艇火控系統(tǒng)，隨著計算機軟硬件技術(shù)的發(fā)展，指控系統(tǒng)經(jīng)歷了獨立、集中、分開和分布4種形式。開放式的全分布指控系統(tǒng)除了具有分布式系統(tǒng)的特征外，還應(yīng)具有開放式系統(tǒng)的特征，即可移植、可伸縮、可互操作和易獲得性。通過中間件技術(shù)實現(xiàn)軟件的重用、臺位間數(shù)據(jù)和功能的同步，利用XML實現(xiàn)系統(tǒng)的靈活配置，滿足潛艇指控系統(tǒng)實時性、健壯性以及升級擴展需求等方面的要求。

隨著信息技術(shù)與作戰(zhàn)需求的不斷發(fā)展，要求潛艇指控系統(tǒng)必需具備“面向服務(wù)、柔性重組、即插即用”等特點，指控系統(tǒng)作為潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)核心，必須保證在部分指控臺位功能失效情況下，具備功能服務(wù)的快速重組和遷移，保證戰(zhàn)斗能力不間斷，避免成為全艇作戰(zhàn)能力的瓶頸。針對上述需求，本文利用DeltaCORBA中間件技術(shù)和XML技術(shù)提出了一種潛艇指控系統(tǒng)臺位協(xié)同備份技術(shù)解決方案。

1 臺位協(xié)同技術(shù)解決方案

1.1 DeltaCORBA中間件技術(shù)

DeltaCORBA中間件是基于Minimum CORBA規(guī)范設(shè)計的，其結(jié)構(gòu)與CORBA的參考模型相似。DeltaCORBA的結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。它具有較小ORB核、Micro POA支持、IDL編譯器支持、多平臺支持、靈活可配置設(shè)施、多協(xié)議支持框架、平臺獨立線程機制、高效通信等特點，并且能夠移植到Windows、DeltaOS、VxWorks等多種操作系統(tǒng)平臺上。

與普通CORBA相比，DeltaCORBA不需要動態(tài)調(diào)用，所以可以去掉動態(tài)框架接口(DSI)和動態(tài)調(diào)用接口(DII)，為了提高DeltaCORBA性能，可以修改表示層的表示方式，比如在嵌入式CORBA中，該轉(zhuǎn)換過程由服務(wù)方的框架和客戶方的存根來執(zhí)行。封裝和解封裝需要消耗大量的CPU，內(nèi)存和I/O資源，當(dāng)它們訪問和拷貝數(shù)據(jù)時就成為性能的瓶頸。因而，使用嵌入式CORBA時候需要設(shè)計一個有效的表示層來可預(yù)測地執(zhí)行封裝和解封裝，并盡可能少使用數(shù)據(jù)拷貝和動態(tài)內(nèi)存分配等大消耗的操作。服務(wù)方的框架和客戶方的存根直接由IDL編譯器來生成，減少服務(wù)方框架和客戶存根之間不一致的潛在性，該編譯器需要支持自動優(yōu)化，這就需要使用高優(yōu)化的IDL編譯器。delta_idl的優(yōu)化措施如下所示:

1)減少動態(tài)內(nèi)存的使用。IDL編譯器需要對客戶和服務(wù)器之間交換的消息進行存儲需求分析，這使得編譯器必須預(yù)先分配足夠的內(nèi)存，從而避免在運行時反復(fù)地進行是否有足夠存儲可用的測試，另外，IDL編譯器通過運行棧的使用來為不封裝的參數(shù)分配存儲。

2)減小數(shù)據(jù)拷貝。IDL編譯器不對原子類型數(shù)據(jù)執(zhí)行單個拷貝，而是分析它何時對原子類型數(shù)據(jù)執(zhí)行塊拷貝，這就大大降低了數(shù)據(jù)過度訪問，從而最小化了加載和存儲指令的數(shù)量。

3)減小函數(shù)調(diào)用代價。IDL編譯器可以通過內(nèi)聯(lián)選擇性地優(yōu)化小的存根，這樣也可以減少調(diào)用這些小的存根函數(shù)，降低調(diào)用代價。

圖1 DeltaCORBA的結(jié)構(gòu)

1.2 XML 技術(shù)

可擴展標(biāo)志語言XML(extensible markup language)是由W3C制定的一種標(biāo)記語言，其目的在于描述信息的結(jié)構(gòu)和內(nèi)容。XML語法簡單，可以在各種平臺上使用，可以被所有的機器解讀，上述優(yōu)越性使得XML有潛力成為一個四海通行的標(biāo)記語言;XML是一種原生的因特網(wǎng)語言，可實現(xiàn)機器自動讀取網(wǎng)頁，可精確搜尋，可識別和驗證數(shù)據(jù)提供者，可降低重復(fù)數(shù)據(jù)傳輸，大大強化網(wǎng)絡(luò)資源的使用效率。由于XML具有開放、跨平臺、結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)且簡單等優(yōu)點，因此各領(lǐng)域紛紛以XML作為其水平或垂直傳遞文件的標(biāo)準(zhǔn)。XML應(yīng)用領(lǐng)域相當(dāng)廣泛，電子商務(wù)數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)交換、多媒體傳輸、前后文檢索、科學(xué)技術(shù)等不同領(lǐng)域的特殊文件格式，皆可用XML加以定義，達(dá)到統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)文件的目的。

2 潛艇指控系統(tǒng)臺位協(xié)同設(shè)計實現(xiàn)

2.1 硬件平臺設(shè)計

硬件平臺組成如圖2所示。指控顯控臺主要由兩臺計算機組成:上端為人機接口計算機，下端為任務(wù)計算機。人機接口計算機機完成人機交互、圖形、視頻顯示等功能，任務(wù)計算機完成數(shù)據(jù)處理等功能。人機接口計算機采用Vx-Works操作系統(tǒng)，為用戶提供良好的人機操作界面。人機接口計算機配置2塊雙冗余自切換網(wǎng)卡，一塊支持雙冗余網(wǎng)絡(luò)外部通信，另外一塊支持與任務(wù)計算機內(nèi)部通信。人機接口計算機還配備兩塊串口擴展輸入輸出板，可支持232/422/485等接口通信。

圖2 硬件平臺組成示意圖

任務(wù)計算機采用VxWorks操作系統(tǒng)，具備實時響應(yīng)能力。任務(wù)計算機配備2塊雙冗余自切換網(wǎng)卡，一塊支持雙冗余網(wǎng)絡(luò)外部通信，另外一塊網(wǎng)卡支持與人機接口計算機內(nèi)部通信。

2.2 軟件體系結(jié)構(gòu)

通過引入裁剪的DeltaCORBA中間件，屏蔽底層平臺、協(xié)議和語言等差異，開發(fā)人員只要集中全部精力開發(fā)潛艇指控系統(tǒng)功能，從而提高復(fù)雜分布式系統(tǒng)的開發(fā)效率，并且很容易實現(xiàn)軟件的易擴展、可移植和易維護。同時，應(yīng)用程序跟底層無關(guān)，可以方便地在異構(gòu)分布式環(huán)境內(nèi)實現(xiàn)移植和擴展。另外，由于整個系統(tǒng)使用面向?qū)ο蠹夹g(shù)進行分析、設(shè)計和實現(xiàn)，所以模塊化強，便于維護。系統(tǒng)的軟件體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 協(xié)同支撐平臺軟件體系結(jié)構(gòu)

2.3 臺位協(xié)同設(shè)計

傳統(tǒng)的指控系統(tǒng)，只能實現(xiàn)指控系統(tǒng)功能“硬”冗余，即為每一臺顯控臺及其上的應(yīng)用軟件制作一個副本，副本與顯控臺的狀態(tài)同步，一旦顯控臺出現(xiàn)故障，副本顯控臺接替故障顯控故障前的狀態(tài)繼續(xù)運行，如圖4所示。這種冗余方式大量占用指控系統(tǒng)所處的空間環(huán)境，增加一臺顯控臺設(shè)備會對空間的設(shè)計產(chǎn)生重大的影響，有時甚至不得不改變整個艦艇的設(shè)計;同時，如果顯控臺及其備份顯控臺同時損壞，這個應(yīng)用將永遠(yuǎn)無法使用，整個指控系統(tǒng)也隨之癱瘓。

圖4 傳統(tǒng)指控系統(tǒng)組成示意圖

新型指控系統(tǒng)通過功能備份與重組實現(xiàn)冗余功能，即顯控臺設(shè)備采用標(biāo)準(zhǔn)顯控臺，每臺標(biāo)準(zhǔn)顯控臺上都保留指控系統(tǒng)所有功能軟件備份，在系統(tǒng)運行過程中，實現(xiàn)顯控臺間狀態(tài)數(shù)據(jù)同步，一臺顯控臺發(fā)生故障后，其他顯控臺可以讀取備份的同步狀態(tài)數(shù)據(jù)接管功能軟件繼續(xù)運行而不影響系統(tǒng)的正常運行。故障顯控臺檢修后重新加入系統(tǒng)時可以恢復(fù)其原有功能繼續(xù)運行，如圖5所示。

圖5 新型指控系統(tǒng)組成示意圖

2.4 工程實現(xiàn)細(xì)節(jié)

系統(tǒng)軟件通過XML文件進行配置，實現(xiàn)潛艇指控動態(tài)配置和動態(tài)重組。XML文件通過使用DTD文檔，設(shè)置指控系統(tǒng)的人機接口計算機網(wǎng)絡(luò)地址、任務(wù)計算機地址、臺位功能配置、功能描述、當(dāng)前臺位配置、備份組等配置信息，該文件摘要大體如下:

流程設(shè)計是軟件設(shè)計實現(xiàn)的關(guān)鍵，特別是啟動、運行流程以及功能接管的設(shè)計，主要流程示意如圖6、圖7、圖8所示。

圖6 系統(tǒng)啟動流程

圖7 加入備份組流程

圖8 接管功能軟件流程

3 結(jié)束語

本文介紹了一種具有可移植性和可重用性的指控系統(tǒng)協(xié)同備份方法的設(shè)計與實現(xiàn)。該套系統(tǒng)采用嵌入式DeltaCORBA中間件技術(shù)、XML技術(shù)配置系統(tǒng)所需要的參數(shù)，通過強大的狀態(tài)監(jiān)測機制，能夠及時有效地發(fā)現(xiàn)顯控臺內(nèi)部、顯控臺之間的通信及功能軟件故障;通過功能的備份與重組機制，對顯控臺間的數(shù)據(jù)進行有效的軟備份，對艦艇現(xiàn)有指控系統(tǒng)軟件具有指導(dǎo)意義。

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