基于多線程的大批量航跡處理方法研究

◆李璋靜 周祿華

基于多線程的大批量航跡處理方法研究

◆李璋靜1周祿華2

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第二十八研究所 江蘇 210007； 2.南京萊斯信息技術(shù)股份有限公司 江蘇 210014)

在現(xiàn)有指揮信息系統(tǒng)中，單進(jìn)程的航跡處理方法已經(jīng)不能滿足大批量、更新頻率高的航跡處理，本文提出了一種分布式大批量航跡處理方法，具體是涉及在Linux環(huán)境下，基于多線程的航跡處理方法，能夠快速處理和顯示大批量航跡數(shù)據(jù)。

信息系統(tǒng)；大批量航跡；多線程

0 引言

隨著海上運(yùn)輸和航空運(yùn)輸?shù)目焖侔l(fā)展，電子信息系統(tǒng)中需要處理的航跡數(shù)量越來越多，現(xiàn)有的單進(jìn)程處理航跡的方法越來越不能滿足系統(tǒng)處理能力的要求，只能通過增加硬件配置的方法暫時解決處理上的瓶頸。為了能在不依賴硬件升級的基礎(chǔ)上，可以通過對大批量航跡處理方法進(jìn)行優(yōu)化創(chuàng)新，采用基于多線程技術(shù)，處理大量航跡并發(fā)需求，提高處理后的響應(yīng)速度，為后續(xù)航跡顯示提供基礎(chǔ)。

1 Linux下的多線程技術(shù)介紹

在電子信息處理系統(tǒng)中，會根據(jù)功能需要在每個處理服務(wù)器的Linux 系統(tǒng)上，部署不同的處理功能模塊，每個功能模塊就是一個進(jìn)程。在一個進(jìn)程中，包含一個線程或多個線程，多線程服務(wù)器程序在處理不同業(yè)務(wù)功能是，進(jìn)程只需要啟動一個，再通過該進(jìn)程中的多個線程，可以處理不同業(yè)務(wù)的并發(fā)需求，提高處理速度。

目前，主流多任務(wù)操作系統(tǒng)（如Linux、Unix）大多提供線程機(jī)制[2]。利用多線程可將進(jìn)程的任務(wù)劃分為多個線程執(zhí)行，尤其在多核處理器的環(huán)境中，線程被調(diào)度到不同的處理核上執(zhí)行，使程序運(yùn)行效率得到顯著提高。線程是程序中一個單一的順序控制流程。在單個程序中同時運(yùn)行多個線程完成不同的工作，稱為多線程。線程和進(jìn)程的區(qū)別在于，子進(jìn)程和父進(jìn)程有不同的代碼和數(shù)據(jù)空間，而多個線程則共享數(shù)據(jù)空間，每個線程有自己的執(zhí)行堆棧和程序計(jì)數(shù)器為其執(zhí)行上下文，多線程主要是為了節(jié)約CPU時間。

使用多線程的優(yōu)點(diǎn)：使用線程可以把占據(jù)長時間的程序中的任務(wù)放到后臺去處理;用戶界面可以更加吸引人，這樣比如用戶點(diǎn)擊了一個按鈕去觸發(fā)某些事件的處理，可以彈出一個進(jìn)度條來顯示處理的進(jìn)度;程序的運(yùn)行速度可能加快;在一些等待的任務(wù)實(shí)現(xiàn)上如用戶輸入、文件讀寫和網(wǎng)絡(luò)收發(fā)數(shù)據(jù)等，線程就比較有用了，在這種情況下可以釋放一些珍貴的資源如內(nèi)存占用等。

2 航跡融合處理原理

在航跡融合處理為電子信息系統(tǒng)的核心和關(guān)鍵，能引接并處理系統(tǒng)各種航跡數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)航跡信息的融合。包括原始航跡的質(zhì)量分析與監(jiān)控、單路航跡的平滑處理、航跡的融合處理等。

2.1 原始航跡的質(zhì)量分析與監(jiān)控

原始航跡的質(zhì)量分析與監(jiān)控就是對進(jìn)入電子信息系統(tǒng)的雷達(dá)信號質(zhì)量進(jìn)行分析、監(jiān)視和控制，并根據(jù)監(jiān)視和控制的結(jié)果計(jì)算雷達(dá)校正因子和各個雷達(dá)的融合權(quán)系數(shù)，該功能可以人工或自動補(bǔ)償雷達(dá)在方位和距離上的偏差，提高雷達(dá)探測精度，同時為后續(xù)的多雷達(dá)跟蹤處理提供必要的融合參數(shù)。主要是考慮通訊線路的傳輸質(zhì)量和雷達(dá)的性能等因素，通過統(tǒng)計(jì)下列信息，進(jìn)行各雷達(dá)融合權(quán)系數(shù)的實(shí)時計(jì)算：

（1）在某個時間段內(nèi)接收航跡信息的統(tǒng)計(jì)；

（2）接收的數(shù)據(jù)幀中正確和錯誤數(shù)據(jù)項(xiàng)的統(tǒng)計(jì)；

（3）傳輸項(xiàng)中必須傳輸項(xiàng)的丟失統(tǒng)計(jì)；

（4）雷達(dá)天線周期的估算和統(tǒng)計(jì)；

（5）測試目標(biāo)的位置誤差的正確性統(tǒng)計(jì)；

（6）測試目標(biāo)的方位誤差統(tǒng)計(jì)；

（7）監(jiān)視源置信度標(biāo)志統(tǒng)計(jì)。

當(dāng)發(fā)現(xiàn)監(jiān)視的數(shù)據(jù)異常時，將在系統(tǒng)監(jiān)控界面上實(shí)時告警，當(dāng)單個或者多個數(shù)據(jù)源質(zhì)量異?；蛘咧袛鄷r，系統(tǒng)能對其進(jìn)行隔離，可以使得系統(tǒng)航跡工作正常；系統(tǒng)能根據(jù)數(shù)據(jù)源置信度標(biāo)志來判斷數(shù)據(jù)的可用性。

對于數(shù)據(jù)輸入，系統(tǒng)地監(jiān)視數(shù)據(jù)處理功能和監(jiān)控功能能提供軟件和硬件故障隔離機(jī)制。在硬件方面，對于所有串口輸入/輸出分配器可以通過硬件開關(guān)單獨(dú)控制某一通道的開關(guān)，關(guān)閉的串口在監(jiān)視畫面上有明顯的LED指示。在軟件方面，在系統(tǒng)監(jiān)控席位上可以通過可視化選項(xiàng)單獨(dú)開關(guān)某一通道的輸入輸出。關(guān)斷后監(jiān)控界面能有明顯的區(qū)別顯示。

2.2 單路航跡的平滑處理

系統(tǒng)通過接口設(shè)備完成多部雷達(dá)其它或者信息系統(tǒng)的綜合航跡信息，并且經(jīng)過前置處理和監(jiān)視數(shù)據(jù)處理完成每個單雷達(dá)的航跡形成功能，包括雷達(dá)信息的解析、目標(biāo)時空對準(zhǔn)、單航跡的配對以及單航跡的跟蹤，形成單監(jiān)視源航跡信息，并且通過系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)把這些信息發(fā)送到席位上。

在各個席位上都可以顯示單雷達(dá)點(diǎn)跡、單雷達(dá)航跡、多雷達(dá)航跡，實(shí)時模式和回放模式可同時顯示航跡顯示，這樣維護(hù)人員可以進(jìn)行故障分析。當(dāng)單監(jiān)視源航跡形成后，通過監(jiān)視數(shù)據(jù)處理形成融合航跡，并且在各自的席位上顯示。單個雷達(dá)輸入信號異常時，系統(tǒng)能保證系統(tǒng)航跡不產(chǎn)生影響。

2.3 多路航跡的融合處理

電子信息系統(tǒng)一般采用多雷達(dá)數(shù)據(jù)跟蹤濾波算法，該算法采用交互模型的卡爾曼動態(tài)跟蹤算法[3]，該算法包括三種處理模型：固定速度直線的航空器運(yùn)動、持續(xù)轉(zhuǎn)彎率的航空器運(yùn)動、持續(xù)縱向加速，根據(jù)航空器不同的飛行階段采用不同的模型，每種階段的模型都需要保證系統(tǒng)航跡輸出的穩(wěn)定和準(zhǔn)確。

3 基于多線程的大批量航跡處理方法架構(gòu)實(shí)現(xiàn)

將原始航跡的質(zhì)量分析與監(jiān)控、單路航跡的平滑處理和航跡的融合處理之間單個任務(wù)能夠獨(dú)立運(yùn)行。在正常情況下，可以接入32路雙通道雷達(dá)數(shù)據(jù)，1000批航跡數(shù)據(jù)的處理要求，航跡融合處理可以實(shí)現(xiàn)按順序控制流程進(jìn)行處理，保證系統(tǒng)航跡的連續(xù)性和易處理性。當(dāng)發(fā)展到可以接入64路雙通道雷達(dá)、2048批航跡數(shù)據(jù)的需求時，原有的處理流程不能完全滿足系統(tǒng)要求，此時就需要采用基于多線程的大批量航跡處理方法，合理配置和調(diào)度航跡數(shù)據(jù)處理子線程，達(dá)到服務(wù)器能夠承受的負(fù)載范圍內(nèi)取得高效的處理結(jié)果?？傮w設(shè)計(jì)工作流程圖如圖1。

如何合理地配置以及調(diào)度不同業(yè)務(wù)的子線程，以達(dá)到在服務(wù)器能夠承受的負(fù)荷范圍內(nèi)取得高效的大批量航跡處理效果是本系統(tǒng)的研究難點(diǎn)，本文通過以下方案解決該問題：

3.1 采用多線程單路處理技術(shù)

圖1 多線程的航跡處理流程圖

在原始航跡的質(zhì)量分析與監(jiān)控模塊中，采用多線程單路處理技術(shù)，因?yàn)榉侄嗌賳温返臄?shù)量與服務(wù)器性能有關(guān)，現(xiàn)有服務(wù)器都是多CPU、多核配置，可以根據(jù)以往單CPU、單核的處理經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合實(shí)際測試測試情況進(jìn)行分路處理，具體測試方法如下：

將不同數(shù)量的雷達(dá)分配各自的線程處理，并模擬輸出相當(dāng)?shù)暮桔E數(shù)據(jù)（每路可產(chǎn)生500批航跡），記錄機(jī)器資源的使用情況，包括內(nèi)存、CPU 使用率等。然后還可以再進(jìn)行不斷增加每個線程處理的雷達(dá)數(shù)量，最終應(yīng)滿足在保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的前提下實(shí)現(xiàn)高效的、實(shí)時的質(zhì)量分析與監(jiān)控工作[4]。通過測試，在CPU2.4，四核的處理機(jī)上，分配四個線程、每個線程處理16路雷達(dá)時，性能和處理效果最佳。

3.2 多線程多路處理技術(shù)

在單路航跡的平滑處理模塊中，接收到的每路航跡經(jīng)過航跡的質(zhì)量分析和監(jiān)控，航跡的質(zhì)量因子也進(jìn)行區(qū)分，因此不需要再進(jìn)行每路航跡的分析處理，因此在進(jìn)行單路航航跡平滑處理時，采用多線程多路處理技術(shù)，根據(jù)之前單進(jìn)程處理機(jī)制，將其分為兩個線程，每個線程可以處理32路雷達(dá)數(shù)據(jù)，對單航跡進(jìn)行跟蹤，形成單監(jiān)視源航跡信息。

3.3 多線程分區(qū)域處理技術(shù)

在航跡的融合處理模塊中，將采用多線程分區(qū)域融合處理技術(shù)。因?yàn)樵诖笈?、大范圍的環(huán)境中，基本都采用卡爾曼濾波算法，該算法在信息系統(tǒng)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用以后，也逐漸稱為多傳感器信息融合系統(tǒng)的主要技術(shù)手段之一，在此基礎(chǔ)上又設(shè)計(jì)了聯(lián)合卡爾曼濾波器。聯(lián)合卡爾曼濾波器設(shè)計(jì)的基本思想是先分散處理、再全局融合，即在諸多非相似子系統(tǒng)中選擇一個信息全面、輸出速率高、可靠性絕對保證的子系統(tǒng)作為公共參考系統(tǒng)，與其它子系統(tǒng)兩兩結(jié)合，形成若干子濾波器。各子濾波器并行運(yùn)行，獲得建立在子濾波器局部量測基礎(chǔ)上的局部最優(yōu)估計(jì)，這些局部最優(yōu)估計(jì)在主濾波器內(nèi)按加權(quán)平均融合算法合成，從而獲得建立在所有量測基礎(chǔ)上的全局估計(jì)。該算法可以通過多線程分區(qū)域進(jìn)行處理，每個線程處理一片區(qū)域，在該區(qū)域中使用卡爾曼濾波算法進(jìn)行融合處理，減少同時對所有航跡進(jìn)行融合所占用的資源，而在區(qū)域之間的邊緣處，在采用融合拼接的算法，對航跡進(jìn)行處理，達(dá)到完整的綜合航跡處理效果。具體處理結(jié)構(gòu)圖如圖2。

圖2 多線程分區(qū)域處理結(jié)構(gòu)圖

3.4 多線程技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

本技術(shù)的實(shí)現(xiàn)是在Linux平臺下使用C語言開發(fā)完成，通訊方面使用進(jìn)程間的消息隊(duì)列接口?？紤]有多個功能模塊都采用多線程來實(shí)現(xiàn)，在方案中實(shí)際需求最多建立4個線程，以及1 個主進(jìn)程。因此以實(shí)現(xiàn)原始航跡的質(zhì)量分析與監(jiān)控模塊為例，進(jìn)行多線程技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。為實(shí)現(xiàn)線程控制和調(diào)度，應(yīng)對計(jì)算機(jī)控制中的事件驅(qū)動任務(wù)和內(nèi)部時鐘進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先內(nèi)部時鐘線程的優(yōu)先級高于其他工作任務(wù)的線程，因此在中斷設(shè)置中藥實(shí)時處理內(nèi)部時鐘線程。具體實(shí)現(xiàn)流程圖如圖3。

圖3 多線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)流程圖

具體軟件代碼實(shí)現(xiàn)如下：

pthread_t pid[3];

if(pthread_create(&pid[0],NULL,send_ds25,NULL)!=0)

perror(" pthread create error !!");

/*創(chuàng)建時鐘同步線程 */

void *send_ds25()

{

int i = 0,j = 0,pid_recv,rt;

for(;;)

{

rt=send_msg(buff_25ds);// 輸出0.25秒同步時鐘

zlsleep(0,250000);

i++;

if(i == 4)

{

send_msg(buff_ds); //輸出1秒同步時鐘

i = 0;

}

}

4 結(jié)束語

本文提出了基于多線程的大批量航跡處理方法，通過合理的配置以及調(diào)度多線程，采用多線程單路處理技術(shù)、多線程分路處理技術(shù)以及以及多線程分區(qū)域融合處理技術(shù)，解決了傳統(tǒng)單進(jìn)程大批量航跡處理給服務(wù)器造成負(fù)載過重的瓶頸問題，實(shí)現(xiàn)了高效、實(shí)時的大批量航跡處理。

[1]唐自峰，劉竹旺，閆修林.分布式系統(tǒng)緩存一致性設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].指揮信息系統(tǒng)與技術(shù)，2015.

[2]唐靖飚.Unix 平臺下C 語言高級編程指南[M].北京:希望電子出版社，2000．

[3]聶健蓀，游志等.多雷達(dá)數(shù)據(jù)處理(MRDP)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2000.

[4]唐靖飚，周良源.基于多線程機(jī)制的電力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2015.