一種綜合電子信息系統(tǒng)仿真集成設(shè)計(jì)方法研究

肖雙愛，蔣其藝，吳靜，吳浩

（中國(guó)電子科學(xué)研究院，北京 100041）

一種綜合電子信息系統(tǒng)仿真集成設(shè)計(jì)方法研究

肖雙愛，蔣其藝，吳靜，吳浩

（中國(guó)電子科學(xué)研究院，北京 100041）

針對(duì)綜合電子信息系統(tǒng)仿真模型重用、柔性重組等需求，分析研究基于插件的模型集成方法、基于軟總線的模型集成方法和系統(tǒng)集成方法，提出基于插件的分布式仿真集成方法，并在實(shí)際項(xiàng)目中進(jìn)行實(shí)踐檢驗(yàn)。

仿真；集成；插件；軟總線

0 引言

建模仿真技術(shù)作為認(rèn)識(shí)世界改造世界的一種方法手段，在綜合電子信息系統(tǒng)規(guī)劃論證、系統(tǒng)研制、操作訓(xùn)練等方面發(fā)揮著重要作用。綜合電子信息系統(tǒng)是多種電子信息系統(tǒng)的綜合集成，具備許多功能，如指揮、控制、通信、情報(bào)、監(jiān)視、導(dǎo)航、定位、電子戰(zhàn)、信息戰(zhàn)等[1]，系統(tǒng)規(guī)模龐大，信息交互復(fù)雜。綜合電子信息系統(tǒng)仿真是典型的大型復(fù)雜系統(tǒng)仿真，在對(duì)其仿真設(shè)計(jì)和集成過程中，仿真模型重用、系統(tǒng)柔性重組、架構(gòu)開放可擴(kuò)展的需求日益明顯。

插件式軟件體系結(jié)構(gòu)在軟件重用研究中一直備受矚目，為解決仿真模型重用以及柔性組合問題，本文參考借鑒其思想和做法，研究了基于插件的模型集成方法；為解決系統(tǒng)的可伸縮性和可擴(kuò)展性，應(yīng)用ICE中間件技術(shù)，自研開發(fā)了仿真集成軟總線，并研究了基于仿真集成軟總線的模型集成方法和系統(tǒng)集成方法，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中分布式仿真系統(tǒng)集成。分析大型復(fù)雜信息系統(tǒng)的仿真需求，將插件式模型集成和總線式集成方式結(jié)合，提出基于插件的分布式仿真綜合集成方法。

1 基于插件的模型集成方法研究

插件式體系結(jié)構(gòu)是一種方便靈活的軟件體系結(jié)構(gòu)，它將程序分為主程序和若干擴(kuò)展模塊（即插件），主程序處理插件通信和功能調(diào)用，插件負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)具體功能，各插件物理上互相獨(dú)立，邏輯上可互相協(xié)同，實(shí)現(xiàn)軟件的“即插即用”和“組裝”[2-3]。

基于插件的模型集成是借鑒插件式軟件體系結(jié)構(gòu)的思想，將仿真模型分解成為若干組成部件，采用插件開發(fā)技術(shù)，將這些組成部件封裝成若干插件，再通過模型插件式集成框架生成具體仿真模型應(yīng)用。仿真應(yīng)用集成框架是針對(duì)軍事仿真領(lǐng)域插件式軟件開發(fā)和集成設(shè)計(jì)的自研基礎(chǔ)平臺(tái)，它能夠動(dòng)態(tài)集成按照插件開發(fā)規(guī)范開發(fā)的插件，支持以插件為單元的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)組裝[4]。如圖1所示，基于插件式的的模型具體集成過程具體為：

①模型功能組件分解和接口定義；

②通用、專用組件歸類；

③將各模型組件按照插件開發(fā)規(guī)范開發(fā)封裝成若干模型插件；

④單個(gè)模型插件插入模型集成框架，實(shí)現(xiàn)某個(gè)仿真功能；

⑤將模型插件兩兩插入模型集成框架，進(jìn)行雙邊調(diào)試和功能集成；

⑥將所有插件按照一定順序逐一插到模型集成框架，進(jìn)行系統(tǒng)綜合能力驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)整個(gè)信息系統(tǒng)仿真。之后還可根據(jù)需求增補(bǔ)插件，逐步擴(kuò)展系統(tǒng)功能，增強(qiáng)系統(tǒng)功能。

圖1 基于插件的仿真模型集成過程

基于插件的模型集成方式方便地支持系統(tǒng)功能擴(kuò)展和系統(tǒng)功能增強(qiáng)，尤其適用于綜合裝備或系統(tǒng)、復(fù)雜裝備或系統(tǒng)等在集中緊湊型仿真系統(tǒng)中的集成。在集中緊湊型仿真系統(tǒng)中，存在模型功能整體展現(xiàn)性強(qiáng)，資源緊張，功能相似重復(fù)較多等特點(diǎn)?；诓寮哪Ｐ图煞绞娇梢愿鶕?jù)仿真展示需要，將若干模型插件集中一個(gè)臺(tái)位上進(jìn)行顯示；可以根據(jù)計(jì)算機(jī)的資源情況，靈活組合配置運(yùn)行的仿真模型插件；可以將一些功能相似和功能重復(fù)部分統(tǒng)一開發(fā)、封裝并統(tǒng)一調(diào)用，不僅大大節(jié)約人力資源，還會(huì)大大提升運(yùn)行效率。

2 基于軟總線的仿真系統(tǒng)集成技術(shù)研究

2.1 仿真系統(tǒng)集成軟總線研究與設(shè)計(jì)

（1）基礎(chǔ)背景

中間件（middleware）是一種獨(dú)立的系統(tǒng)軟件或服務(wù)程序,分布式應(yīng)用軟件借助這種軟件可在不同的技術(shù)之間共享資源[5]。ICE（Internet Communications Engine），是ZeroC公司推出的分布式對(duì)象產(chǎn)品，具有跨平臺(tái)、跨語言和高效的性能，是強(qiáng)大的分布式系統(tǒng)集成中間件[6]。 因此本文基于ICE設(shè)計(jì)研發(fā)了仿真集成軟總線。

（2）組成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

仿真集成軟總線包括系統(tǒng)運(yùn)行總線服務(wù)和系統(tǒng)接入框架兩部分。系統(tǒng)運(yùn)行總線服務(wù)采用網(wǎng)絡(luò)通信的TCP、UDP單播、UDP多播和UDP廣播技術(shù)，ICE RPC分發(fā)數(shù)據(jù)技術(shù)，ICE Slice消息定義技術(shù)，數(shù)據(jù)發(fā)布訂閱技術(shù)等，構(gòu)建了分布式仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸軟總線，具備分布式、無中心、自組織、跨平臺(tái)、高效穩(wěn)定的特點(diǎn)。系統(tǒng)接入框架基于系統(tǒng)運(yùn)行總線的服務(wù)，提供成仿真員接入系統(tǒng)運(yùn)行行為控制、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)控制以及模型消息和分布式對(duì)象定義等，可為已有系統(tǒng)和新研系統(tǒng)提供快速集成的軟件框架和基礎(chǔ)服務(wù)。

（3）使用模式設(shè)計(jì)

系統(tǒng)運(yùn)行總線服務(wù)以總線核心運(yùn)行庫(kù)形式為總線成員提供使用，各模型軟件通過總線核心運(yùn)行庫(kù)進(jìn)行接入總線。如圖2所示。總線核心運(yùn)行庫(kù)在運(yùn)行后通過分布式的訂閱發(fā)現(xiàn)機(jī)制在網(wǎng)絡(luò)上形成邏輯的運(yùn)行總線，支持分布式、無中心的數(shù)據(jù)發(fā)布訂閱。

圖2 系統(tǒng)運(yùn)行總線使用模式

系統(tǒng)接入框架集成了運(yùn)行總線服務(wù)，以庫(kù)的形式為仿真系統(tǒng)成員提供使用。如圖3所示。仿真系統(tǒng)成員軟件通過集成系統(tǒng)接入框架庫(kù)，獲取服務(wù)。

圖3 系統(tǒng)接入框架使用模式

（4）主要運(yùn)作流程

系統(tǒng)運(yùn)行總線服務(wù)負(fù)責(zé)仿真集成軟總線的數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)接入框架負(fù)責(zé)仿真集成軟總線的應(yīng)用控制。按照仿真系統(tǒng)中軟件的功能角色，可將其分為系統(tǒng)控制成員和普通應(yīng)用成員?？刂瞥蓡T可控制系統(tǒng)成員加入或退出系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制。普通應(yīng)用成員主要模擬仿真對(duì)象功能，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)具體仿真應(yīng)用。仿真集成軟總線中的系統(tǒng)接入框架，需要根據(jù)仿真軟件角色，提供相應(yīng)的控制服務(wù)。主要運(yùn)作流程見圖4和圖5所示。

系統(tǒng)成員接入控制：系統(tǒng)成員的接入控制基于總線核心庫(kù)的消息分發(fā)服務(wù)實(shí)現(xiàn)，主要流程如圖4所示。系統(tǒng)成員向系統(tǒng)接入框架庫(kù)發(fā)起成員接入調(diào)用，系統(tǒng)接入框架通過總線核心庫(kù)以消息的方式向系統(tǒng)運(yùn)行控制軟件發(fā)送成員加入信息，系統(tǒng)運(yùn)行控制處理后返回結(jié)果?？偩€核心庫(kù)以消息的方式接受成員加入結(jié)果，并將通過消息接收入口反饋給系統(tǒng)接入框架。系統(tǒng)接入框架回調(diào)系統(tǒng)成員，通知成員接入的結(jié)果。系統(tǒng)接入框架通過總線核心庫(kù)通用的數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)，提供支持系統(tǒng)運(yùn)行的各類服務(wù)。

系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)控制：系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)控制流程如圖5所示。系統(tǒng)運(yùn)行控制軟件使用系統(tǒng)接入框架獲取系統(tǒng)運(yùn)行總線服務(wù)，通過與系統(tǒng)接入框架配合對(duì)系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行控制。各系統(tǒng)成員軟件通過系統(tǒng)接入框架庫(kù)接入系統(tǒng)運(yùn)行總線，接收系統(tǒng)運(yùn)行控制軟件的控制。

2.2 基于仿真集成軟總線的集成方法

圖4 系統(tǒng)成員接入控制運(yùn)作流程

圖5 系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)控制運(yùn)作流程

（1）集成對(duì)象范圍

基于仿真軟總線的集成方法可應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中分布式仿真系統(tǒng)集成，也可應(yīng)用于具體仿真程序應(yīng)用內(nèi)部集成?；诜抡孳浛偩€的仿真系統(tǒng)集成就是基于仿真軟總線對(duì)同一仿真系統(tǒng)中不同應(yīng)用領(lǐng)域和問題的模型進(jìn)行接合，協(xié)同構(gòu)成一個(gè)具體仿真應(yīng)用體系。例如將雷達(dá)模型、通信模型、指控模型集成為一個(gè)綜合電子信息仿真系統(tǒng)?；诜抡孳浛偩€的仿真程序應(yīng)用集成就是基于仿真軟總線對(duì)同一仿真應(yīng)用的若干個(gè)組成程序軟件進(jìn)行連接，共同模擬完成一個(gè)具體仿真對(duì)象。例如：雷達(dá)模型分為雷達(dá)顯控模型與雷達(dá)處理模型兩個(gè)模型軟件，這兩個(gè)模型軟件之間通過仿真集成軟總線進(jìn)行內(nèi)部信息交互與集成，共同完成雷達(dá)仿真模擬。

（2）集成過程與方法

仿真系統(tǒng)層面集成要依賴仿真集成軟總線的系統(tǒng)接入框架和系統(tǒng)運(yùn)行總線服務(wù)，仿真對(duì)象程序應(yīng)用內(nèi)部集成只需仿真集成軟總線的系統(tǒng)運(yùn)行總線服務(wù)。當(dāng)基于仿真軟總線集成的仿真應(yīng)用，集成到分布式仿真系統(tǒng)中時(shí)，也可根據(jù)需要?jiǎng)?chuàng)建若干條運(yùn)行總線，具體見圖6所示。

圖6 基于仿真集成總線的模型集成示意圖

系統(tǒng)層面集成主要內(nèi)容和過程為：

①規(guī)定通信協(xié)議，配置啟動(dòng)總線服務(wù)，各系統(tǒng)模型連接同一服務(wù)，實(shí)現(xiàn)通信層面連接；

②使用系統(tǒng)接入框架，系統(tǒng)控制作為服務(wù)端發(fā)布控制邏輯，各仿真應(yīng)用響應(yīng)控制指令，完成系統(tǒng)控制管理，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)一致運(yùn)行和統(tǒng)一監(jiān)控；

③各系統(tǒng)模型軟件通過總線服務(wù)，進(jìn)行信息交互，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能集成。

仿真模型內(nèi)部集成主要內(nèi)容和過程為：

①規(guī)定通信協(xié)議，配置啟動(dòng)總線服務(wù)，各模型組成軟件連接同一服務(wù)，實(shí)現(xiàn)通信層面連接；

②各模型組成軟件通過總線服務(wù)，進(jìn)行信息交互，實(shí)現(xiàn)具體應(yīng)用組成部件集成。

3 基于插件的分布式仿真集成設(shè)計(jì)方法

大型復(fù)雜信息體系仿真集成面臨仿真對(duì)象系統(tǒng)組成龐大、信息關(guān)系復(fù)雜，且仿真開發(fā)資源和環(huán)境資源也有限，但仿真計(jì)算展示需求又較高的問題，其中既包括分布式仿真系統(tǒng)集成，也包括集中式仿真席位集成。

基于仿真集成總線的模型集成面向的是分布式仿真應(yīng)用集成問題，基于插件式的模型集成面向的是集中式仿真應(yīng)用集成問題。通過插件式仿真集成可實(shí)現(xiàn)模型組件的重用和柔性組合；通過總線集成可提升仿真性能容量，擴(kuò)展仿真系統(tǒng)規(guī)模，提高仿真推演能力。因此本文將兩種集成方式結(jié)合，提出基于插件的分布式仿真集成方法，架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖7所示。這種集成方法一方面可提高系統(tǒng)仿真展示推演能力，一方面又兼顧提高了仿真系統(tǒng)開發(fā)構(gòu)建效率，為解決大型復(fù)雜信息體系仿真應(yīng)用集成提供一種高效實(shí)用的方法。

圖7 基于插件的分布式仿真集成架構(gòu)設(shè)計(jì)

主要集成過程為：

①總體規(guī)劃體系仿真中插件式集成仿真系統(tǒng)、總線集成式仿真系統(tǒng)；

②插件式集成仿真模型系統(tǒng)設(shè)計(jì)、內(nèi)部集成；

③總線集成式仿真模型系統(tǒng)設(shè)計(jì)、內(nèi)部集成；

④基于插件式集成的仿真模型/仿真系統(tǒng)通過大系統(tǒng)仿真集成總線加入體系仿真；

⑤基于仿真軟總線集成的仿真模型/仿真系統(tǒng)通過大系統(tǒng)仿真集成軟總線加入體系仿真；

⑥插件式仿真系統(tǒng)與總線集成式仿真系統(tǒng)共存的體系仿真系統(tǒng)通過大系統(tǒng)仿真集成軟總線進(jìn)行信息交互，實(shí)現(xiàn)體系仿真集成。

4 應(yīng)用案例

某項(xiàng)目需要開展由若干搭載雷達(dá)、AIS、ADS-B、電磁感知、環(huán)境探測(cè)等設(shè)備的綜合信息系統(tǒng)組成的信息體系仿真，項(xiàng)目中不僅要求對(duì)每個(gè)綜合信息系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)要素進(jìn)行建模仿真，還需對(duì)整個(gè)信息體系能力進(jìn)行仿真試驗(yàn)。

在項(xiàng)目實(shí)際開發(fā)和集成中，對(duì)綜合信息系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的仿真模擬采用了基于插件的集成方式和基于總線的集成方式兩種方法；整個(gè)信息體系的集成采用了基于總線的集成方式。具體方法是：將綜合信息系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的各組成設(shè)備分解成一個(gè)個(gè)計(jì)算類組件和顯示類組件，然后將各個(gè)組件封裝成若干插件，之后將計(jì)算類插件插入到一個(gè)模型計(jì)算框架中集成為后臺(tái)計(jì)算模型，顯示類插件插入到一個(gè)模型界面集成框架中集成為前臺(tái)顯示模型，后臺(tái)計(jì)算模型與前臺(tái)顯示模型通過總線集成為一個(gè)完整信息節(jié)點(diǎn)仿真模型。信息節(jié)點(diǎn)仿真模型通過集成總線集成為一個(gè)信息體系仿真系統(tǒng)。主要應(yīng)用情況如圖8、圖9、圖10所示。

圖8 仿真插件集成配置結(jié)果圖

5 結(jié)語

本文針對(duì)綜合電子信息系統(tǒng)仿真模型重用、系統(tǒng)柔性重組等需求，分析了插件式軟件體系結(jié)構(gòu)以及基于消息中間件的系統(tǒng)集成技術(shù)，研究了基于插件的模型集成方法、基于軟總線的模型集成方法和系統(tǒng)集成方法，提出了基于插件的分布式仿真集成方法，為大型復(fù)雜信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中分布式仿真系統(tǒng)集成提供了一種高效實(shí)用的方法，可為大型復(fù)雜信息系統(tǒng)仿真提供設(shè)計(jì)參考。

圖9 仿真插件組裝運(yùn)行示意圖

圖10 仿真系統(tǒng)總體集成運(yùn)行示意圖

[1]童志鵬，劉興等編著.綜合電子信息系統(tǒng)——信息化戰(zhàn)爭(zhēng)的中流砥柱[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2008.

[2]徐宏興.插件體系結(jié)構(gòu)軟件開發(fā)方法研究.四川大學(xué)，2005.

[3]王俊，邵堃，劉磊等.一種可復(fù)用的插件粒度劃分方法[J].計(jì)算機(jī)工程，2009，35（22）.

[4]李春榮，劉筱.基于框架——插件架構(gòu)的軍事仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法研究[J].現(xiàn)代計(jì)算機(jī)，2015.08上.

[5]周園春，李淼，張建等.中間件技術(shù)綜述[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2002.15.

[6]王寧，王錚.ICE插件技術(shù)研究[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2012，22（5）.

Simulation;Integration;Plug-in;Software Bus

Simulation Integrated Design Method for Integrated Electronic Information System

XIAO Shuang-ai，JIANG Qi-yi，WU Jing，WU Hao
（China Academy of Electronics and Information Technology，Beijing 100041）

In order to satisfy the demand of integrated electronic information system simulation reuse,flexible restructuring etc.,investigates the method for model integration based on plug-in,the method for model integration and system integration based on software bus,introduces a combination method for distributed simulation integration.It has been applied to a project.

1007-1423（2016）19-0068-06

10.3969/j.issn.1007-1423.2016.19.017

肖雙愛（1977-），女，河北獻(xiàn)縣人，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)橄到y(tǒng)仿真、系統(tǒng)設(shè)計(jì)等

蔣其藝（1988-），男，四川都江堰人，助理工程師，研究方向?yàn)橄到y(tǒng)仿真、應(yīng)用軟件等

吳靜（1959-），女，江蘇豐縣人，研究員級(jí)高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樾畔⑾到y(tǒng)總體、系統(tǒng)仿真、應(yīng)用軟件等

吳浩（1982-），男，四川瀘定人，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)橄到y(tǒng)仿真

2016-06-25

2016-07-01