基于空降兵的移動終端火控系統(tǒng)軟件架構(gòu)

劉宇軒，宋躍進(jìn)，張振華，霍文健，段宇江

（1.北方自動控制技術(shù)研究所，太原 030006；2.中國兵器科學(xué)研究院，北京 100089）

0 引言

現(xiàn)役空降兵火控系統(tǒng)基于陸軍體制進(jìn)行適配，采用車載終端，未從空降體系對裝備小型化、輕量化、攜行化的特定作戰(zhàn)需求統(tǒng)籌考慮。戰(zhàn)士在空降以后，必須尋找炮車、登上炮車才可以執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)。而使用移動終端戰(zhàn)士可以使用移動終端對所有炮車進(jìn)行定位，合理規(guī)劃、動態(tài)接入距離最近的炮車，實現(xiàn)車下遠(yuǎn)程操控，完成作戰(zhàn)任務(wù)。而且隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭戰(zhàn)場環(huán)境日益復(fù)雜，陸軍火控系統(tǒng)也要求裝備小型、輕量、攜行，以應(yīng)對不同的作戰(zhàn)要求。使用手持無線移動終端代替?zhèn)鹘y(tǒng)的車載火控終端［1］，成為了火控系統(tǒng)發(fā)展的一個必然趨勢。

車載終端火控系統(tǒng)軟件架構(gòu)參考MVC（模型（Model）、視圖（View）、控制器（Controller）），采用將視圖與控制器分離的模式設(shè)計，但由于車載終端與移動終端在硬件條件、交互方式、使用環(huán)境等方面有很大的不同，其軟件架構(gòu)并不能直接適配于移動終端中，移動終端火控系統(tǒng)尚缺乏一種較為完備且通用的軟件架構(gòu)。

面對這種問題的出現(xiàn)，同時兼顧移動終端的特性，基于此，本文通過設(shè)計劃分原有火控系統(tǒng)功能軟件、改變通信機(jī)制、分析移動終端的交互特性及具體需求，提出一種適用于移動終端的以交互層（Interaction）、中介層（Mediator）和數(shù)據(jù)訪問層（Data Access）為框架的火控系統(tǒng)軟件架構(gòu)。

1 移動終端與車載終端的對比

1.1 硬件資源

移動終端與車載終端相比，硬件資源更加受限，主要表現(xiàn)在：屏幕的大小、數(shù)據(jù)存儲能力、計算能力、電池的容量以及通信的成本等方面。傳統(tǒng)車載終端軟件架構(gòu)參考MVC 模型［2］，如圖1 所示，采用將視圖與控制器分離的軟件架構(gòu)。

圖1 MVC 架構(gòu)模型

這一設(shè)計在車載終端中的優(yōu)勢是，保證了系統(tǒng)構(gòu)建的低耦合性，提高了程序的靈活性和可維護(hù)性。但在移動終端中會大大增加程序的代碼量，并且，視圖與控制器兩個組件之間的大量傳遞數(shù)據(jù)，會耗費一定的時間，無法滿足移動終端快速語義反饋的需求；另一方面也會增加兩個組件之間的通信數(shù)據(jù)量，增大軟件系統(tǒng)的功耗，無法滿足移動終端低功耗的需求。

1.2 交互設(shè)計

車載終端使用屏邊按鍵作為唯一的輸入方式，既不同于人們常用的計算機(jī)鼠標(biāo)鍵盤輸入，也不具備移動設(shè)備的觸屏輸入，不能對交互對象進(jìn)行直接準(zhǔn)確的選擇，戰(zhàn)士需要將任務(wù)信息抽象成設(shè)備可以識別的模式進(jìn)行操作，只能通過上移下移等二維操作進(jìn)行選定對象，大大降低了任務(wù)操作中的效率，無法滿足移動終端操作簡單、學(xué)習(xí)成本低以及交互高效的需求［3］。

移動終端更貼近戰(zhàn)士的生活，有較低的學(xué)習(xí)成本。戰(zhàn)士只需要在交互界面上進(jìn)行點擊、滑動等操作，由移動終端將信號轉(zhuǎn)化為設(shè)備可識別的指令信息，完成操作。如圖2 所示。

圖2 車載終端與移動終端的人機(jī)交互方式對比

1.3 功能劃分

終端將所有戰(zhàn)術(shù)功能集成為一個軟件，導(dǎo)致易用性較差，戰(zhàn)士完成所有的任務(wù)都需要從主界面開始，一步一步地進(jìn)行操作，交互流程復(fù)雜且冗余，無法直接定位到想要看到的信息、想要執(zhí)行的操作。

移動終端根據(jù)任務(wù)之間的關(guān)聯(lián)性，更科學(xué)的將作戰(zhàn)流程劃分為多APP 的設(shè)計，如作戰(zhàn)應(yīng)用、系統(tǒng)維護(hù)、報文管理、地圖導(dǎo)航等，任務(wù)多具有臨時性。故車載終端無法滿足移動終端多任務(wù)之間的數(shù)據(jù)共享、任務(wù)遷移以及多APP 間的相互調(diào)用和資源互斥管理的需求。

2 擬采用的解決方案

2.1 通過改變通信機(jī)制解決資源受限問題

在車載終端的軟件模式中，各個組件之間采用直接通信，而且移動終端采用圖形界面與手勢輸入相結(jié)合的交互方式，具有高連續(xù)性，緊密的輸入輸出的特點，如果采用原有通信方式，會給系統(tǒng)帶來極大的通信負(fù)擔(dān)。

在移動終端的軟件架構(gòu)中，對原有的MVC 模型進(jìn)行改進(jìn)，將視圖與控制器結(jié)合，以此適應(yīng)移動終端手勢輸入交互模式下，輸入輸出過于緊密的特性。在層與層之間的通信采用事件全局廣播與粗粒度通信相結(jié)合的通信方式，采用事件全局廣播的設(shè)計，使每一層不需要時刻監(jiān)視各個組件的當(dāng)前狀態(tài)信息，而是可以對相應(yīng)的組件廣播進(jìn)行注冊，這樣就可以接收到組件的狀態(tài)信息，從而作出響應(yīng)。粗粒度通信可以大大降低系統(tǒng)復(fù)雜度，因為移動終端采用手勢交互，所以用戶的操作具有連續(xù)性。例如用戶在屏幕上用手指劃出一個不規(guī)則的軌跡，如果采用細(xì)粒度通信，系統(tǒng)需要軌跡上每個點精確地計算出坐標(biāo)位置，然后構(gòu)成完整的操作軌跡，這樣的通信開銷對于移動終端而言是無法接受的。

2.2 采用“所見即所得”的理念進(jìn)行交互設(shè)計

所見即所得是這樣一種狀態(tài)：你在屏幕上看到的就是結(jié)果，即用戶不需要過多地考慮，進(jìn)行保存設(shè)置或編輯以后應(yīng)該是什么樣子直接可以呈現(xiàn)在屏幕上［4，7］。例如對一個復(fù)選框進(jìn)行操作，直接勾選即可自動保存，不需要再點擊“保存”或者“應(yīng)用”［10］。

移動終端的交互設(shè)計具體包括以下幾個方面：

1）可學(xué)習(xí)性

用戶在已有知識和經(jīng)驗以及系統(tǒng)提示或幫助的基礎(chǔ)下，無需花費過多時間思考即可正確理解交互界面，可學(xué)習(xí)性主要是指：了解當(dāng)前界面能夠進(jìn)行哪些操作，接下來能進(jìn)行哪些操作并且能夠快速辨別界面中的組件并明確其具體功能。

2）一致性

在相似的場景下，一方面要與生活中移動設(shè)備的APP 保持一致，另一方面不同的界面中保持一致。主要體現(xiàn)在以下方面：視覺效果、交互行為、操作結(jié)果。保持一致性可以降低用戶的學(xué)習(xí)成本。

3）及時反饋

當(dāng)用戶對界面組件進(jìn)行任何操作后，都應(yīng)及時給予反饋，讓用戶了解操作是否生效。反饋的內(nèi)容主要是指：用戶操作反饋和元素狀態(tài)反饋。用戶操作反饋是指界面中的元素在用戶執(zhí)行操作時元素的變化反饋；元素狀態(tài)反饋是指，當(dāng)被操作元素運行中需要用戶等待或者出現(xiàn)錯誤時的反饋。

4）容錯性

軟件應(yīng)允許用戶操作錯誤，并在犯錯后給用戶重新嘗試的機(jī)會。在設(shè)計交互時，要盡量幫助用戶避免犯錯，在交互過程中給予用戶幫助或者提示。當(dāng)錯誤發(fā)生后，需要提供撤銷返回功能，使用戶返回至上一步重新進(jìn)行操作，并給予相應(yīng)的提示。

2.3 通過函數(shù)實現(xiàn)App 間的跳轉(zhuǎn)及數(shù)據(jù)傳遞

在移動終端的環(huán)境下，用戶需要對多個app 進(jìn)行操作來完成一個完整的作戰(zhàn)流程。例如，在報文管理app 中收到報文信息后跳轉(zhuǎn)至作戰(zhàn)應(yīng)用app 使用報文信息進(jìn)行下一步操作，在這個過程中兩個關(guān)鍵的需求是實現(xiàn)app 間的相互調(diào)用以及數(shù)據(jù)傳遞。實現(xiàn)app 間的交互和通信，最常見的是使用Intent函數(shù)。Intent 函數(shù)負(fù)責(zé)對app 中一次操作的動作、動作涉及的數(shù)據(jù)進(jìn)行描述，操作系統(tǒng)根據(jù)此描述找到對應(yīng)的app，將Intent 傳遞給被調(diào)用的app。這個方法的缺陷是當(dāng)涉及兩個以上的app 交互時，數(shù)據(jù)傳遞效率低下，每一級傳遞都需要進(jìn)行讀取，重新寫入Intent 函數(shù)的操作，而采用Bundle 函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞時，只需要將Bundle 傳遞即可，所以本架構(gòu)采用Intent 函數(shù)進(jìn)行app 間的跳轉(zhuǎn)與Bundle 函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞相結(jié)合的方法。

3 軟件架構(gòu)模型詳細(xì)設(shè)計

本文從傳統(tǒng)車載終端軟件架構(gòu)借鑒的同時，考慮到移動終端的特定需求［6，8］，結(jié)合民用移動平臺的發(fā)展趨勢［5，9］，基于安卓操作系統(tǒng)，提出了IMDA軟件架構(gòu)模型，將軟件系統(tǒng)分為3 個層次，如圖3所示。

圖3 IMDA 軟件邏輯架構(gòu)分層圖

交互層I 主要由View、Activity 和XML 文件組成。負(fù)責(zé)和用戶直接進(jìn)行交互。主要由兩方面的功能，一方面是用戶通過手勢交互，將信息輸入，交互層獲取用戶輸入的信息。另一方面，交互層將軟件系統(tǒng)的處理結(jié)果輸出顯示給用戶。將輸入與輸出結(jié)合，采用粗粒度通信的機(jī)制，并將用戶界面切換的邏輯放在交互層，減少與底層的通信，以此來滿足移動終端對通信和能耗的高需求。一個應(yīng)用中有多個Activity，Activity 使用方法setContentView 調(diào)用對應(yīng)得View 顯示在屏幕中。每一個Activity 都可以使用方法startActivity 啟動其他的Activity，從而滿足用戶的切換功能。當(dāng)用戶執(zhí)行操作時，一個新的Activity 啟動，原先的Activity 會暫時掛起，放入后臺棧中，遵循先進(jìn)后出的原則，當(dāng)用戶完成操作后，返回原先的Activity。在View 中注冊并綁定事件監(jiān)聽器，如果XML 文件發(fā)生變化，Activity 會重新加載View。Activity 通過Bundle 函數(shù)進(jìn)行通信，提高傳輸效率。事件轉(zhuǎn)換器用于實現(xiàn)語義的轉(zhuǎn)換，將低級的、具體的用戶事件轉(zhuǎn)換為高級的、抽象的計算機(jī)可識別的指令，把指令傳遞給中介層的事件處理器進(jìn)行處理。

中介層M 由多種算法以及事件轉(zhuǎn)換器組成，算法包括處理接口與各類數(shù)據(jù)的交換、對進(jìn)程的控制及處理app 間的交互和通信。事件轉(zhuǎn)換器主要負(fù)責(zé)接收交互層傳遞的抽象事件，將其分解成統(tǒng)可執(zhí)行的原子命令，并進(jìn)行封裝。進(jìn)而調(diào)用數(shù)據(jù)訪問層的接口，實現(xiàn)后臺的方法間的映射關(guān)系，完成進(jìn)程控制和語義轉(zhuǎn)換。

數(shù)據(jù)訪問層DA 主要包括數(shù)據(jù)部分和邏輯部分，邏輯部分核心為事件處理器，主要負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)、執(zhí)行后臺服務(wù)、完成系統(tǒng)的業(yè)務(wù)邏輯。具體表現(xiàn)為實現(xiàn)用戶所操作的功能，接收由中介層傳遞的數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，最終由交互層顯示給用戶；數(shù)據(jù)部分主要負(fù)責(zé)存取所涉及的各種數(shù)據(jù)、配置文件。數(shù)據(jù)流程如圖4 所示。

圖4 數(shù)據(jù)流程圖

4 IMDA 軟件架構(gòu)驗證方法

對于軟件架構(gòu)的驗證而言，國內(nèi)外還沒有成熟的驗證方法，因為軟件架構(gòu)是軟件系統(tǒng)的最頂層的設(shè)計，是整個軟件的框架。所以本文采用接口匹配法和半實物仿真相結(jié)合的方式來進(jìn)行驗證。

接口匹配法驗證步驟：

1）抽象IMDA 軟件架構(gòu)，確定最小功能組件的接口與外部的連接關(guān)系；

2）對最小功能組件進(jìn)行功能、交互模擬，是其具備正確的響應(yīng)關(guān)系。

此方法是軟件架構(gòu)階段最直接、最簡潔的驗證方。后期采用半實物仿真試驗，運用的半實物仿真試驗結(jié)構(gòu)如圖5 所示。待測單體為移動終端，通過無線自組網(wǎng)與火控系統(tǒng)機(jī)箱相連，執(zhí)行基本操作流程，通過外圍模擬工裝查看是否可以完成操作，如果有問題，通過串口調(diào)試線以及CAN 盒查找問題所在。在編碼完成之后進(jìn)行綜合驗證，采用相同環(huán)境進(jìn)行閉環(huán)試驗。這樣，對系統(tǒng)前期、后期分別進(jìn)行驗證，軟件開發(fā)過程中采用軟件測試方法進(jìn)行跟蹤測試，使軟件架構(gòu)的穩(wěn)定性得以保證。

圖5 半實物仿真試驗結(jié)構(gòu)圖

5 結(jié)論

由于現(xiàn)有車載終端軟件架構(gòu)在移動終端移植中的種種缺陷和填補現(xiàn)存火控領(lǐng)域移動終端的空白，本文提出一種基于火控領(lǐng)域的移動終端軟件架構(gòu)IMDA。通過改變通信方式克服移動終端的局限性，并集成化解決了移動終端資源受限性、交互方式及多APP 交互問題。最后提出了IMDA 軟件架構(gòu)的驗證方法。試驗表明，此架構(gòu)能夠適配與移動終端的開發(fā)，提高開發(fā)效率。為武器裝備的小型化、輕量化、攜行化提供基礎(chǔ)。