基于數(shù)據(jù)模型驅(qū)動的艦載指控系統(tǒng)模型開發(fā)?

陳志剛 陳蘇杭

（1.91336部隊 秦皇島 066326）（2.92840部隊 青島 266000）

1 引言

艦載指控系統(tǒng)是一種具有高可靠性和實時性的復雜系統(tǒng)，是整個艦艇作戰(zhàn)指揮過程的核心部分。在作戰(zhàn)仿真中，艦載指控系統(tǒng)仿真是整個艦載作戰(zhàn)仿真的“中樞神經(jīng)”［1］，是作戰(zhàn)信息處理中心和指揮員實施指揮的直接部位，承擔著信息接收與存儲、信息融合、威脅目標指示等功能［2］。目前，隨著我海軍艦艇裝備的不斷更新和發(fā)展，艦載指控設備仿真系統(tǒng)的開發(fā)和研制面臨著需求不確定、應用環(huán)境快速變化等諸多問題［3］，系統(tǒng)的可移植性、可擴展性以及互操作性變得越來越重要［4～5］。

艦載指控系統(tǒng)在開發(fā)過程中存在許多結構性的重復代碼，這部分代碼可以由艦載指控系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換生成。通過在數(shù)據(jù)模型與結構性重復代碼之間建立映射關系，應用模型驅(qū)動思想指導該部分代碼的自動生成工作，可以很大程度地提高系統(tǒng)的開發(fā)效率。

2 數(shù)據(jù)模型驅(qū)動開發(fā)思想

艦載指控系統(tǒng)作為一種典型的軍事信息應用系統(tǒng)，其仿真軟件的開發(fā)和研制面臨著需求不確定、應用環(huán)境快速變化等諸多問題［6］，需要探索新的軟件研發(fā)思路和方法。目前，靶場構建多套艦載指控系統(tǒng)模型，分別應用于不同的仿真實現(xiàn)平臺，如RT-Space平臺、DWK平臺等，出現(xiàn)資源浪費嚴重，增加許多重復性工作，導致這種現(xiàn)象的主要原因是由于系統(tǒng)不具備可移植性、可重用性。應用數(shù)據(jù)模型驅(qū)動開發(fā)技術，可以實現(xiàn)艦載指控系統(tǒng)的應用邏輯和底層變化的分離，加大應用邏輯甚至應用子系統(tǒng)的大粒度重用，從而增強軟件系統(tǒng)的適應能力和變化能力，實現(xiàn)一次建模可以應用到不同的技術環(huán)境中。

模型驅(qū)動思想是一種仿真系統(tǒng)開發(fā)的思想。模型驅(qū)動架構（MDA）則是一個實現(xiàn)了模型驅(qū)動思想，并被廣泛應用于仿真系統(tǒng)開發(fā)的設計方法［8］。艦載指控系統(tǒng)的需求主要分為界面層和功能服務層，本文采用MDA技術可將系統(tǒng)的功能從平臺中脫離出來，以領域知識為基礎，元模型采用基于XSD的數(shù)據(jù)模型產(chǎn)生PIM模型，存入模型庫中。在模型庫中提出的模型，都可以映射到不同的平臺上，包括RT-Space平臺、DWK平臺、HLA等具體平臺，并實現(xiàn)代碼自動生成，并依托組件技術，最終實現(xiàn)整個系統(tǒng)的開發(fā)，主要實現(xiàn)框架如圖1所示。

圖1 艦載指控系統(tǒng)仿真開發(fā)框圖

文獻［7］中介紹了作戰(zhàn)系統(tǒng)接口協(xié)議輔助設計工具，提出了將存儲的相關作戰(zhàn)系統(tǒng)接口協(xié)議單元數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為XML模式文件（XSD），從而實現(xiàn)模型驅(qū)動方法。因此，實現(xiàn)在MDA環(huán)境下以數(shù)據(jù)模型為中心的仿真系統(tǒng)開發(fā)方法，構建艦載指控系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型是一項十分重要的內(nèi)容。

3 艦載指控系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型

艦載指控系統(tǒng)是一個十分復雜的系統(tǒng)，而系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型在仿真開發(fā)中又起著至關重要的作用。采用基于模型驅(qū)動的方法開發(fā)系統(tǒng)過程中，數(shù)據(jù)模型的修改能自動反映到設計的各個階段，如更新系統(tǒng)對象屬性、更新系統(tǒng)接口協(xié)議、更新仿真模型、更新仿真系統(tǒng)的實現(xiàn)代碼等。

3.1 基于XSD的系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型

在艦載指控系統(tǒng)的開發(fā)過程中，即使有較好的頂層設計，但隨著用戶需求的不斷變化，系統(tǒng)的設計仍會調(diào)整，接口會不斷的發(fā)生變化，接口解析也需做出較大調(diào)整。采用XML模式定義（XML Sche?ma Definitions，XSD）建立數(shù)據(jù)模型，能夠解決在系統(tǒng)開發(fā)過程中適應這種接口的變化問題，以提高系統(tǒng)開發(fā)效率，降低開發(fā)成本，使接口具備較強的適應能力。

針對艦載指控系統(tǒng)接口協(xié)議中定義的信息單元和相關數(shù)據(jù)字段，采用XSD建立數(shù)據(jù)模型，主要對模型的基本信息、數(shù)據(jù)類型、模型的組件信息進行描述，描述信息元素之間的結構關系以及用來約束每個元素的詳細信息，例如，數(shù)據(jù)字段的名稱、類型、長度、最大值、最小值等。艦載指控系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型的信息結構如圖2所示。

圖2 艦載指控系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型的信息結構

3.1.1 模型基本信息

模型基本信息描述艦載指控系統(tǒng)仿真程序模型中英文名稱、模型的開發(fā)語言、模型開發(fā)平臺等管理類信息，其信息結構如圖3所示。

圖3 模型基本信息的信息結構

3.1.2 自定義數(shù)據(jù)類型

自定義數(shù)據(jù)類型描述整個艦載指控系統(tǒng)所使用的枚舉數(shù)據(jù)類型、復合結構數(shù)據(jù)類型、數(shù)組類型，以及可變長的string類型等，其信息結構如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)類型信息結構

3.1.3 模型組件信息

模型組件信息描述艦載指控系統(tǒng)的模型組件描述信息、想定初始化參數(shù)、屬性類輸入信息、屬性類輸出信息、事件類輸入信息、事件類輸出信息等模型信息。其信息結構如圖5所示。

圖5 模型組件信息信息結構

其中，想定初始化信息用于描述仿真對象的固有屬性，如艦載指控系統(tǒng)目標航跡對象的航向、航速等。屬性類信息用于描述仿真對象之間交互的對象類信息，如雷達上報的目標航跡信息。事件類信息用于描述仿真對象之間的交互類信息，如硬武器目標指示消息、雷達狀態(tài)上報消息等。

3.2 數(shù)據(jù)模型在接口描述中的應用

結合SOA思想，引入了服務的概念。服務可以接受請求并發(fā)送響應結果，接收到的請求消息和反饋的響應消息的格式定義源自基于XSD的數(shù)據(jù)模型。實現(xiàn)具體的服務時，通過網(wǎng)絡對該服務進行發(fā)布的時候需要與一種特定的網(wǎng)絡通信協(xié)議相綁定。艦載指控系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型主要描述了接口中消息的格式和內(nèi)容定義，需要增加對于服務接口信息的描述，即需要在數(shù)據(jù)模型中增加描述操作、端口以及協(xié)議綁定信息。

4 艦載指控系統(tǒng)開發(fā)的數(shù)據(jù)模型驅(qū)動方法

通常來說軟件代碼可以分為通用代碼，個性代碼和結構性重復代碼這三個部分。在艦載指控系統(tǒng)仿真軟件中，通用代碼是包含軟件基本框架在內(nèi)的，實現(xiàn)仿真系統(tǒng)的基礎代碼；個性代碼則是實現(xiàn)艦載指控系統(tǒng)特定功能的代碼；結構性重復代碼則主要包含了有關描述艦載指控系統(tǒng)信息報文具體格式，以及報文解析程序的代碼，通過進一步的研究發(fā)現(xiàn)，該部分代碼是艦載指控系統(tǒng)開發(fā)中的主要內(nèi)容。

在前面章節(jié)中，艦載指控系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型描述的內(nèi)容主要就是報文的相關信息，在開發(fā)過程中，艦載指控系統(tǒng)中將存在許多結構性重復代碼，這部分可由該系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換生成。通過在數(shù)據(jù)模型與結構性重復代碼之間建立映射關系，應用模型驅(qū)動思想指導該部分代碼的自動生成工作，很大程度的提高艦載指控系統(tǒng)的開發(fā)效率。

4.1 基于XSD的報文解析代碼生成

為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)模型驅(qū)動的艦載指控系統(tǒng)代碼開發(fā)，實際上就是實現(xiàn)了MDA思想中的PIM到實際代碼的轉(zhuǎn)換。

XML文件的定義方式采用了樹狀結構，這種定義方式的特點是結構化好，利于程序分析，可通過樹的遍歷及生成算法對其進行處理。為了提高接口代碼開發(fā)效率，基于如圖6所示的思路。在讀取XSD文件之后，首先分析XSD文件結構，根據(jù)文件結構生成解析代碼，代碼生成結束后，針對生成的代碼進行編譯鏈接，生成XML的解析組件并發(fā)布。

圖6 代碼生成解析方法

4.2 PIM到PSM的轉(zhuǎn)換

在設計平臺無關模型（PIM）時不用考慮最終實現(xiàn)的中間件平臺，也不用考慮最終代碼運行的平臺，它是描述系統(tǒng)功能和結構的模型，不包括任何平臺的技術。平臺相關模型（PSM）的設計與具體的平臺密切相關，它依賴于平臺所提供的功能和服務，涉及到系統(tǒng)在平臺上的實現(xiàn)細節(jié)。

平臺的例子包括HLA、CORBA等，而艦載指控系統(tǒng)仿真采用的DWK也是一種平臺。將PIM轉(zhuǎn)換到PSM，也就是從概念性的分析模型到計算機仿真模型的實現(xiàn)，通過PSM自動轉(zhuǎn)換工具可以自動化地進行。

由艦載指控系統(tǒng)PIM轉(zhuǎn)換到滿足DWK平臺實現(xiàn)規(guī)約的PSM，要求PIM按照DWK規(guī)定的對象模型結構、仿真驅(qū)動方式、服務獲取方式，以及異常機制、參數(shù)類型等實現(xiàn)到PSM的轉(zhuǎn)換。

4.3 模型代碼的自動生成

通過代碼自動生成工具編輯模型解析模板來實現(xiàn)PSM代碼的自動生成。用代碼自動生成工具生成代碼不僅能夠提高系統(tǒng)的開發(fā)效率，而且能夠保證系統(tǒng)的整體代碼風格一致，大大提高代碼的可讀性和可維護性。

采用通用仿真模型設計語言Python［9］進行PSM代碼的設計，Python是一種面向?qū)ο蟮摹⒅弊g式計算機程序設計語言，語法簡潔清晰，可以方便地轉(zhuǎn)換為各種高級編程語言，如：C++、C#、Java等。可將計算機程序代碼直接編譯形成可執(zhí)行代碼組件.pyc文件，或者根據(jù)運行環(huán)境的需要先將Python代碼轉(zhuǎn)換為其他高級編程語言格式，然后再編譯形成可執(zhí)行代碼組件，如.dll和.exe文件等。

5 結語

本文針對系統(tǒng)通用性低、開發(fā)過程中結構性重復代碼多的問題，采用數(shù)據(jù)模型驅(qū)動的方法，建立基于XSD的艦載指控系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型，借助模型驅(qū)動思想，通過代碼生成工具，實現(xiàn)PIM到PSM的實際代碼轉(zhuǎn)換，提高系統(tǒng)的開發(fā)效率，提高代碼的可讀性和可維護性。