面向顯控領(lǐng)域的軟件框架設(shè)計(jì)及應(yīng)用

杜智遠(yuǎn)，武心安

(1.解放軍92493部隊(duì)，遼寧 葫蘆島 125000;2.江蘇自動(dòng)化研究所，江蘇 連云港 222061)

指控系統(tǒng)經(jīng)歷了多年的發(fā)展已經(jīng)日趨成熟，但隨著作戰(zhàn)樣式的變化，包括訓(xùn)練、試驗(yàn)、護(hù)航、支援、登陸作戰(zhàn)等，以及作戰(zhàn)規(guī)模的變化，從單艦到編隊(duì)，從編隊(duì)到岸基一體化作戰(zhàn)，指控系統(tǒng)還是面臨著投資成本高，利用率低下，開發(fā)周期長(zhǎng)，可靠性差的問題，因此通過應(yīng)用軟件復(fù)用技術(shù)來提升系統(tǒng)軟件的重用能力、擴(kuò)展能力、維護(hù)能力，顯得尤為重要。

當(dāng)前指控系統(tǒng)軟件研發(fā)過程中，已經(jīng)通過方法繼承、功能封裝、接口調(diào)用等傳統(tǒng)復(fù)用技術(shù)，提升了諸如算法、獨(dú)立功能、固定數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等方面軟件的重用能力，但顯示控制類軟件重用困難的問題仍然困擾著設(shè)計(jì)和開發(fā)人員。由于顯示控制類軟件具有不同格式信息接收、不同類型信息處理、不同任務(wù)態(tài)勢(shì)顯示、不同形式間聯(lián)動(dòng)、不同人工干預(yù)命令分發(fā)等特點(diǎn)，使得顯示控制類軟件通過傳統(tǒng)的軟件復(fù)用技術(shù)難以具備良好的重用和擴(kuò)展能力［1］。從而，開展面向指控系統(tǒng)顯示控制軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)復(fù)用技術(shù)研究顯得十分必要。

軟件框架技術(shù)是實(shí)現(xiàn)軟件復(fù)用的有效途徑，一個(gè)設(shè)計(jì)良好的軟件框架，能夠節(jié)省開發(fā)成本，提高系統(tǒng)的可靠性、擴(kuò)展性和一致性。但軟件框架的開發(fā)比一般應(yīng)用軟件要復(fù)雜得多，是一個(gè)長(zhǎng)期和反復(fù)的過程。之所以長(zhǎng)期，是指任何一個(gè)軟件框架都是面向某特定領(lǐng)域，必須在該領(lǐng)域軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)過程中獲取領(lǐng)域知識(shí)，才能進(jìn)行軟件框架的設(shè)計(jì)和開發(fā);之所以反復(fù)，是指軟件框架包含應(yīng)用軟件的公共功能，必須經(jīng)過面向不同需求的軟件設(shè)計(jì)和開發(fā)具體實(shí)踐，才能總結(jié)共性功能，在共性功能逐漸清晰基礎(chǔ)上進(jìn)行軟件框架的設(shè)計(jì)和開發(fā)［2］。

本文是在掌握了指控系統(tǒng)顯示控制軟件領(lǐng)域知識(shí)的前提下，通過研究指控系統(tǒng)顯示控制軟件的體系結(jié)構(gòu)和功能，引入軟件框架技術(shù)，設(shè)計(jì)和開發(fā)指控系統(tǒng)顯控框架軟件，形成顯示控制軟件插件式體系結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)顯示控制軟件功能構(gòu)件的配置調(diào)度、運(yùn)行管理、訪問控制、功能擴(kuò)展和構(gòu)件之間交互等功能，為指控系統(tǒng)顯示控制軟件功能復(fù)用設(shè)計(jì)與開發(fā)提供有力的平臺(tái)。

1 軟件框架技術(shù)

軟件框架首先是面向特定領(lǐng)域的，是對(duì)特定應(yīng)用領(lǐng)域中系統(tǒng)功能的部分設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，其不僅分割了應(yīng)用領(lǐng)域中的功能類，定義了主要責(zé)任和類與對(duì)象的協(xié)作關(guān)系，還規(guī)定了功能控制流程，記錄并實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用領(lǐng)域的主要公共設(shè)計(jì)決策，是支持軟件設(shè)計(jì)復(fù)用和實(shí)現(xiàn)功能開發(fā)與復(fù)用的技術(shù)。

框架的設(shè)計(jì)、開發(fā)和使用主要有兩種:面向?qū)ο蟮目蚣?object-oriented framework，簡(jiǎn)稱OOF)和基于構(gòu)件的框架(component based framework，簡(jiǎn)稱 CBF)。OOF是通過對(duì)框架中的抽象類進(jìn)行特殊化方式類定義框架行為來實(shí)現(xiàn)復(fù)用，每個(gè)抽象類派生一個(gè)子類，并在子類中明確所有純虛方法的具體實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而就可以復(fù)用這些具體的子類調(diào)用具體方法來開發(fā)特定的應(yīng)用系統(tǒng)，因此，OOF框架是基于繼承的框架，也稱為白盒框架。而CBF是將基于繼承的面向?qū)ο罂蚣芡ㄟ^用構(gòu)件接口中方法的調(diào)用來替換對(duì)象類中方法的重用，轉(zhuǎn)換為基于構(gòu)件的框架，即CBF中開發(fā)者在固定格式方法前提下負(fù)責(zé)方法的具體實(shí)現(xiàn)和生效，不關(guān)心方法的調(diào)度過程，是一個(gè)完全解耦過程?；跇?gòu)件的框架由相互協(xié)作的構(gòu)件組成，并通過對(duì)構(gòu)件接口的擴(kuò)展來實(shí)現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)，相對(duì)基于繼承的OOF，CBF又稱為黑盒框架［3-4］。

無論是OOF還是CBF，都規(guī)定了通信、調(diào)度等運(yùn)行機(jī)制，都包含應(yīng)用領(lǐng)域公共功能的實(shí)現(xiàn)，都規(guī)定了面向開發(fā)者的開發(fā)形式。OOF在以往的軟件開發(fā)中較為常見，可以說只要用到了某種設(shè)計(jì)模式，就已經(jīng)接觸到了OOF，而CBF的開發(fā)實(shí)踐較少，但商用軟件開發(fā)中應(yīng)用得十分廣泛，基于框架的軟件體系結(jié)構(gòu)如圖1所示［5］。

圖1 基于框架的軟件體系結(jié)構(gòu)

采用軟件框架技術(shù)進(jìn)行軟件開發(fā)，具備縮短產(chǎn)品形成周期、節(jié)省軟件維護(hù)成本、節(jié)省軟件測(cè)試成本、促進(jìn)軟件開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化、增強(qiáng)應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性、能夠融入專家知識(shí)等特點(diǎn)，框架技術(shù)在各領(lǐng)域軟件設(shè)計(jì)開發(fā)過程中被廣泛采用。

2 指控系統(tǒng)顯控框架設(shè)計(jì)研究

2.1 顯示控制軟件領(lǐng)域分析

指揮控制系統(tǒng)是C4ISR系統(tǒng)的核心部分，是一種實(shí)時(shí)復(fù)雜信息與控制系統(tǒng)，其中的顯示控制軟件開發(fā)面臨著需求不確定、技術(shù)環(huán)境快速變化等諸多特點(diǎn)，難以實(shí)現(xiàn)大部分功能軟件的重用設(shè)計(jì)與開發(fā)，顯示控制軟件的主要功能包括三個(gè)方面:第一，信息的接收與發(fā)送，接收各類目標(biāo)情報(bào)、時(shí)統(tǒng)、氣象和系統(tǒng)狀態(tài)等信息，發(fā)送人工干預(yù)指令等;第二，信息綜合顯示與控制，包括地理信息、目標(biāo)狀態(tài)、裝備能力等通過態(tài)勢(shì)、表頁(yè)等形式的實(shí)時(shí)刷新顯示，面向各類任務(wù)的信息顯示控制等;第三，作戰(zhàn)指揮控制，向各類武器發(fā)送目標(biāo)指示及指揮命令，接收各武器系統(tǒng)狀態(tài)，接收各武器系統(tǒng)武器指向信息等［6］。

指控系統(tǒng)顯示控制軟件的基本功能紛雜，功能間信息交互類型凌亂，信息流程復(fù)雜，純粹從功能復(fù)用的角度進(jìn)行重用設(shè)計(jì)十分困難。要實(shí)現(xiàn)顯示控制軟件的復(fù)用設(shè)計(jì)，就需要采用框架技術(shù)進(jìn)行技術(shù)體制和功能構(gòu)件的設(shè)計(jì)。從技術(shù)體制角度分析，需要設(shè)計(jì)包括功能構(gòu)件配置調(diào)度管理、信息傳輸接口、人機(jī)交互接口、繪制接口、定時(shí)器接口和自定義接口;從功能構(gòu)件角度分析，需要設(shè)計(jì)信息接收和發(fā)送、信息緩存更新、地理信息、動(dòng)目標(biāo)、表頁(yè)顯示、人機(jī)界面、狀態(tài)信息顯示和各類業(yè)務(wù)相關(guān)的功能構(gòu)件，通過統(tǒng)一技術(shù)體制結(jié)合開發(fā)公共功能構(gòu)件的方法來支撐顯示控制軟件的復(fù)用設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

結(jié)合軟件框架技術(shù)，針對(duì)顯示控制軟件自身功能特性展開分析。如圖2所示，針對(duì)顯示控制軟件功能間信息交互類型多樣，需要具備能夠?qū)δ荛g信息進(jìn)行調(diào)度管理的功能，具體包括定義消息、命令、繪制、定時(shí)等通用接口，實(shí)現(xiàn)功能間的解耦，即圖中主控管理功能和功能間的通信機(jī)制部分;針對(duì)顯示控制軟件信息可視化基本都依托海地圖顯示、表頁(yè)顯示等，需要具備海地圖、表頁(yè)顯示基本功能，規(guī)范可視化手段，即圖中的地理構(gòu)件、表頁(yè)構(gòu)件部分;針對(duì)顯示控制軟件依賴圖形繪制，需要具備標(biāo)繪基本功能，實(shí)現(xiàn)圖形繪制與管理功能，即圖中的標(biāo)繪構(gòu)件部分;針對(duì)顯示控制軟件接入信息中主要是目標(biāo)信息，需要具備針對(duì)目標(biāo)的數(shù)據(jù)組織、顯示交互等功能，實(shí)現(xiàn)基于標(biāo)繪構(gòu)件的動(dòng)目標(biāo)顯示功能，即圖中的動(dòng)目標(biāo)構(gòu)件部分等。針對(duì)不同業(yè)務(wù)需求，需要具備支撐功能構(gòu)件的開發(fā)功能，實(shí)現(xiàn)功能的擴(kuò)展。

2.2 顯控框架設(shè)計(jì)

通過顯示控制領(lǐng)域分析可知，指控系統(tǒng)需求的變化，直接帶來顯示控制軟件的設(shè)計(jì)與開發(fā)產(chǎn)生變化，單純采用CBF黑盒式的框架設(shè)計(jì)方法難以實(shí)現(xiàn)全部業(yè)務(wù)功能，因此本文采用固定控制流、可選擇的應(yīng)用特性接口和開放的抽象類對(duì)象的灰盒框架設(shè)計(jì)思想進(jìn)行設(shè)計(jì)，這也體現(xiàn)了軟件框架技術(shù)的核心內(nèi)涵，即框架是面向特定領(lǐng)域的軟件產(chǎn)品［7-8］。

1)框架模型設(shè)計(jì)

指控系統(tǒng)顯控框架采用灰盒框架設(shè)計(jì)方法，由主控模塊(黑盒)、固態(tài)構(gòu)件(黑盒)、擴(kuò)展構(gòu)件(白盒)、代碼生成器軟件和相關(guān)的配置文件等部分構(gòu)成，如圖3所示。

顯控框架主控模塊包含功能構(gòu)件的注冊(cè)管理、接口定義兩大類功能，其中構(gòu)件注冊(cè)是通過讀取構(gòu)件配置文件中的應(yīng)用功能構(gòu)件集，將功能構(gòu)件調(diào)起并進(jìn)行容器管理，并對(duì)功能構(gòu)件包含的接口進(jìn)行調(diào)度。接口定義功能包括三個(gè)方面的接口，固定、可選和自定義接口。其中固定接口為消息類型的接口，包括消息標(biāo)識(shí)和數(shù)據(jù)地址等參數(shù)，支撐構(gòu)件之間的數(shù)據(jù)交互，這類接口要求任何功能構(gòu)件都要進(jìn)行接口的實(shí)現(xiàn);可選接口定義為命令、繪制、定時(shí)器和工具等類型的接口，包括命令標(biāo)識(shí)、視圖繪制指針、時(shí)間、事件等參數(shù)的定義，支撐界面響應(yīng)、刷新繪圖、定時(shí)響應(yīng)等功能，功能構(gòu)件根據(jù)功能定位選擇相應(yīng)的接口實(shí)現(xiàn);自定義接口為各功能構(gòu)件提供了構(gòu)件特殊功能接口，在構(gòu)件內(nèi)部通過接口的定義、抽象、注冊(cè)，實(shí)現(xiàn)自定義接口的主控管理，實(shí)現(xiàn)具體功能。

圖3 顯控框架模型

固態(tài)構(gòu)件是根據(jù)顯示控制領(lǐng)域分析結(jié)果，將顯示控制軟件的一部分公共功能進(jìn)行封裝，實(shí)現(xiàn)具體功能，以固定、可選、自定義接口的形式提供給其他功能構(gòu)件調(diào)用使用，該構(gòu)件功能相對(duì)固定，具有豐富的通用功能接口。

擴(kuò)展構(gòu)件是根據(jù)系統(tǒng)軟件的具體需求，進(jìn)行具體業(yè)務(wù)功能實(shí)現(xiàn)的功能構(gòu)件，通過代碼生成器生成固定和可選接口類，以實(shí)現(xiàn)構(gòu)件間的信息交互。

代碼生成器軟件面向顯控框架下功能構(gòu)件具體開發(fā)，生成標(biāo)準(zhǔn)的接口類代碼。

配置文件包括功能構(gòu)件、交互等相關(guān)配置文件，便于功能、界面的定制和適配。

2)框架軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)顯控框架模型進(jìn)行框架主控類、構(gòu)件抽象類、固定和可選接口基類的設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)主控類，具備構(gòu)件注冊(cè)與管理方法，通過獲得構(gòu)件類指針，實(shí)現(xiàn)注冊(cè)信息的容器存儲(chǔ);具備命令、消息、定時(shí)器等管理方法，通過標(biāo)識(shí)和注冊(cè)信息，實(shí)現(xiàn)信息的分發(fā)等。主控類是一個(gè)黑盒功能類，通過各類方法封裝了構(gòu)件間、界面與構(gòu)件間數(shù)據(jù)交換的具體實(shí)現(xiàn)，定義了框架構(gòu)件封裝、數(shù)據(jù)交換機(jī)制。

設(shè)計(jì)構(gòu)件抽象類，具備功能構(gòu)件標(biāo)識(shí)的獲取接口，支撐主控內(nèi)部構(gòu)件定位;具備構(gòu)件的初始化接口，支持構(gòu)件初始化功能;具備構(gòu)件描述接口，支持構(gòu)件功能說明功能;具備構(gòu)件界面布局接口，支持構(gòu)件界面的定位、大小、顯隱等控制功能。構(gòu)件抽象類是一個(gè)抽象類，功能構(gòu)件的開發(fā)必須進(jìn)行繼承，進(jìn)而納入到主控的管理，才能實(shí)現(xiàn)接口類的調(diào)度。

設(shè)計(jì)消息接口抽象類，具備消息個(gè)數(shù)、標(biāo)識(shí)獲取接口，支撐主控內(nèi)部的消息定位;具備消息響應(yīng)接口，支撐構(gòu)件實(shí)現(xiàn)訂閱消息的響應(yīng)功能。消息接口抽象類是框架固定接口部分，功能構(gòu)件必須繼承，以支撐構(gòu)件的基本數(shù)據(jù)交換能力。

設(shè)計(jì)命令接口抽象類，具備命令個(gè)數(shù)、標(biāo)識(shí)獲取接口，支撐主控內(nèi)部的命令定位;具備命令響應(yīng)接口，支撐構(gòu)件實(shí)現(xiàn)訂閱命令的響應(yīng)功能。命令接口抽象類是框架可選接口部分，功能構(gòu)件根據(jù)需求進(jìn)行繼承，以支撐構(gòu)件的操作交互能力。

3 框架軟件產(chǎn)品開發(fā)流程

顯控框架軟件能夠支撐各功能構(gòu)件的運(yùn)行，更重要的是它規(guī)范了軟件功能的開發(fā)流程和構(gòu)建方式，因此功能構(gòu)件具備較強(qiáng)的重用和擴(kuò)展能力，如圖4所示為顯控框架軟件產(chǎn)品開發(fā)流程示意圖，具體開發(fā)流程步驟如下:

第一步，根據(jù)業(yè)務(wù)需求設(shè)計(jì)軟件功能，劃分共性和業(yè)務(wù)功能以及相互依賴、信息關(guān)聯(lián)和控制關(guān)系，如果已經(jīng)有儲(chǔ)備的共性功能構(gòu)件，則在共性功能構(gòu)件基礎(chǔ)上進(jìn)行功能設(shè)計(jì);

第二步，以功能構(gòu)件為單位，通過界面布局工具編輯和存儲(chǔ)軟件的主體布局，形成軟件界面配置策略集，顯控框架可在線讀取界面配置策略，根據(jù)臺(tái)位需要隨時(shí)變換軟件界面布局風(fēng)格;

第三步，通過代碼生成器，根據(jù)功能需求配置相關(guān)接口，生成功能開發(fā)代碼模板，以代碼模板為基礎(chǔ)，封裝能夠被框架調(diào)起并運(yùn)行的基本構(gòu)件;

第四步，以基本構(gòu)件為基礎(chǔ)，根據(jù)業(yè)務(wù)需求，引入相應(yīng)的顯示控件，開發(fā)相應(yīng)的顯示、人機(jī)交互功能，獲取并發(fā)送相關(guān)信息，形成軟件功能構(gòu)件庫(kù);

第五步，通過配置構(gòu)件庫(kù)中功能構(gòu)件的調(diào)起順序和依賴關(guān)系，形成功能完備的軟件產(chǎn)品。

圖4 顯控框架軟件產(chǎn)品開發(fā)流程

通過以上五個(gè)步驟，完成了基于顯控框架的軟件產(chǎn)品開發(fā)，形成了構(gòu)件式的軟件產(chǎn)品，便于后期的軟件維護(hù)和功能擴(kuò)展。

4 顯控框架實(shí)現(xiàn)

按照顯控框架軟件設(shè)計(jì)內(nèi)容，進(jìn)行顯控框架軟件的具體實(shí)現(xiàn)。顯控框架產(chǎn)品包括框架主控，每個(gè)應(yīng)用程序開發(fā)依賴唯一的主控，應(yīng)用程序?qū)蚣苤骺剡M(jìn)行初始化，實(shí)現(xiàn)主控對(duì)構(gòu)件和接口進(jìn)行調(diào)度。

以典型態(tài)勢(shì)顯示軟件為例，從功能層面劃分為為目標(biāo)分類管理、目標(biāo)屬性顯示、目標(biāo)態(tài)勢(shì)顯示、時(shí)間任務(wù)顯示、目標(biāo)表頁(yè)顯示等五個(gè)功能，根據(jù)具體功能設(shè)計(jì)，分別劃分為目標(biāo)分類管理、目標(biāo)屬性顯示、地理信息、圖形標(biāo)繪、動(dòng)目標(biāo)顯示、提示信息顯示和目標(biāo)表頁(yè)顯示等七個(gè)功能構(gòu)件，通過引入樹形控件、列表控件、Gis控件、圖形控件、時(shí)間控件和表頁(yè)控件，支撐功能構(gòu)件的開發(fā)，如圖5所示。

通過布局工具進(jìn)行界面布局，如圖6所示。布局包括標(biāo)題欄、菜單欄、工具欄、列表區(qū)、屬性區(qū)、態(tài)勢(shì)區(qū)、信息區(qū)和表頁(yè)區(qū)等八個(gè)部分組成，保存形成界面配置策略。

利用框架代碼生成器，根據(jù)構(gòu)件的具體功能需求，分別生成相應(yīng)的框架代碼模板。

依托顯控框架技術(shù)體制，開發(fā)目標(biāo)分類組織管理功能構(gòu)件，以樹形方式將目標(biāo)按照相關(guān)類型進(jìn)行分類顯示和控制，功能界面對(duì)應(yīng)到界面配置策略中的列表區(qū);開發(fā)目標(biāo)屬性顯示功能構(gòu)件，以列表形式顯示目標(biāo)的屬性信息，功能界面對(duì)應(yīng)到界面配置策略中的屬性區(qū);開發(fā)地理信息、圖形標(biāo)繪和動(dòng)目標(biāo)顯示構(gòu)件，以地理信息顯示為基礎(chǔ)，疊加顯示各種標(biāo)識(shí)符號(hào)，功能界面對(duì)應(yīng)到界面配置策略中的態(tài)勢(shì)區(qū);開發(fā)提示信息顯示功能構(gòu)件，顯示系統(tǒng)時(shí)間和各類提示信息，功能界面對(duì)應(yīng)到界面配置策略中的信息區(qū);開發(fā)目標(biāo)表頁(yè)顯示功能構(gòu)件，以表頁(yè)形式實(shí)時(shí)更新顯示目標(biāo)信息，功能界面對(duì)應(yīng)到界面配置策略中表頁(yè)區(qū);通過標(biāo)題、菜單、工具配置工具進(jìn)行配置，實(shí)現(xiàn)軟件標(biāo)題的顯示、菜單和工具的加載，功能界面對(duì)應(yīng)到界面配置策略中的標(biāo)題欄、菜單欄和工具欄。

圖5 典型態(tài)勢(shì)顯示軟件結(jié)構(gòu)

圖6 界面布局策略

配置構(gòu)件啟動(dòng)依賴關(guān)系，動(dòng)目標(biāo)顯示構(gòu)件依賴圖形標(biāo)繪和地理信息構(gòu)件，圖形標(biāo)繪構(gòu)件依賴地理信息構(gòu)件，其他構(gòu)件無依賴關(guān)系。根據(jù)構(gòu)件依賴關(guān)系，啟動(dòng)構(gòu)件，根據(jù)界面配置策略，形成軟件界面布局，軟件啟動(dòng)界面如圖7所示。

圖7 框架產(chǎn)品應(yīng)用

5 結(jié)束語(yǔ)

本文在指控系統(tǒng)顯示控制軟件功能領(lǐng)域分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)重用框架技術(shù)，對(duì)面向指控系統(tǒng)的顯控框架技術(shù)進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)了顯示控制軟件功能在統(tǒng)一的框架技術(shù)體制下進(jìn)行功能的設(shè)計(jì)、開發(fā)與運(yùn)行，提高了顯示控制軟件模塊的復(fù)用、擴(kuò)展和維護(hù)能力，滿足指控系統(tǒng)顯示控制軟件產(chǎn)品適應(yīng)需求不斷變化進(jìn)行修改完善的要求。在整個(gè)開發(fā)過程中，充分體現(xiàn)了運(yùn)用框架技術(shù)帶來的優(yōu)勢(shì)和顯控軟件領(lǐng)域知識(shí)，隨著顯示控制軟件業(yè)務(wù)功能構(gòu)件功能的不斷豐富，積累更多的公共功能構(gòu)件，逐漸提升指控系統(tǒng)軟件的重用度。該顯控框架軟件，是長(zhǎng)期從事指控系統(tǒng)顯示控制軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)的產(chǎn)物，在不同類型需求條件下進(jìn)行了驗(yàn)證，效果顯著，明顯提升了軟件設(shè)計(jì)和開發(fā)的重用能力，該技術(shù)推廣到其他軟件設(shè)計(jì)開發(fā)中也具有一定的實(shí)際意義。

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