基于時鐘同步和通信解析的某型導調系統(tǒng)設計*

舒 暢

（1.武昌工學院，武漢 430065；2.陸軍工程大學軍械士官學校，武漢 430075）

0 引言

軍事裝備武器系統(tǒng)間的無縫鏈接、協(xié)調和配合、信息交互是未來戰(zhàn)爭發(fā)揮整體效能，最大程度滿足作戰(zhàn)需要的必經(jīng)之路，各系統(tǒng)需要在同一導調系統(tǒng)的控制和指揮下，按照時間軸、信息流、人員配置合理規(guī)劃作戰(zhàn)方案，也是充分發(fā)揮全系統(tǒng)效能的必然要求。過去，分散的武器系統(tǒng)各自為政，自成體系，沒有統(tǒng)一的導調系統(tǒng)指揮協(xié)調，最多也就是簡單的通信協(xié)調，很難適應信息化條件下復雜快速的作戰(zhàn)需要。為此，依據(jù)某武器系統(tǒng)間的信息互聯(lián)關系，研制開發(fā)了某武器系統(tǒng)導調系統(tǒng)。

該導調系統(tǒng)將某型中低空目標指示雷達系統(tǒng)、某型指揮控制系統(tǒng)、某型自行高炮武器系統(tǒng)和某型地空導彈系統(tǒng)，按照信息流、時間軸和人員分工合理配屬方案，將系統(tǒng)管理、預案生成、導調控制、態(tài)勢顯示、事件報告、系統(tǒng)監(jiān)控和重演顯示等席位組建成一套全系統(tǒng)，確保發(fā)揮整體效能。各武器系統(tǒng)向導調系統(tǒng)發(fā)請求指令，導調分發(fā)或廣播導調文電，按時間軸運行。

同時，系統(tǒng)需要解決以下問題：一是各武器分系統(tǒng)執(zhí)行節(jié)奏不一致，復雜性不同，導調系統(tǒng)如何合理導調，這是難點；二是導調方案設置是否合理和科學，如何選擇方案。對于復雜系統(tǒng)，信息流、網(wǎng)絡傳輸?shù)姆€(wěn)定性和帶寬需求，還需要加強研究。

1 總體設計

導調系統(tǒng)由系統(tǒng)管理、預案生成、導調控制、態(tài)勢顯示、事件報告、系統(tǒng)監(jiān)控和重演顯示等模塊組成，全系統(tǒng)結構組成如圖1 所示。系統(tǒng)連接某型指揮控制系統(tǒng)、某型中低空目標指示雷達系統(tǒng)、某型自行高炮武器系統(tǒng)和某型地空導彈系統(tǒng)，通過訓練網(wǎng)和接口協(xié)議轉換系統(tǒng)組建成一個整系統(tǒng)；導調系統(tǒng)通過導調控制席完成導調控制（方案編輯、方案下發(fā)、導調控制、狀態(tài)顯示），通過態(tài)勢管理席完成態(tài)勢管理（態(tài)勢編輯、態(tài)勢顯示），通過事件報告席完成事件報告（事件顯示、事件過濾、歷史查詢），通過監(jiān)控席完成系統(tǒng)監(jiān)控（狀態(tài)監(jiān)控、視頻監(jiān)控），通過系統(tǒng)管理席完成系統(tǒng)管理（席位管理、用戶管理、權限管理），通過重演席完成系統(tǒng)回放管理（方案管理、重演控制）。

圖1 全系統(tǒng)結構組成圖

系統(tǒng)采用“平臺+功能構件”的設計思想，以柔性開發(fā)平臺為基礎，定制開發(fā)功能構件來靈活組建。整系統(tǒng)采用開放式體系結構，基于統(tǒng)一的基礎平臺，遵照規(guī)范標準化接口。功能構件開發(fā)采用原型迭代、靈活集成、動態(tài)部署、集中管控，且部分功能使用開源腳本開發(fā)，在提升系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時降低維護工作量。系統(tǒng)軟件使用C++語言進行開發(fā)，界面庫為Qt，配置文件使用XML，態(tài)勢顯示使用二維態(tài)勢顯示。

具體設計特點是：

1）采用開放式體系結構，使本系統(tǒng)具有可移植、可擴展、可互操作、可剪裁等特點，提高系統(tǒng)的可集成性和集成效率；

2）基于統(tǒng)一的基礎平臺，按照各個項目實現(xiàn)界面庫和通用中間件，提高平臺開發(fā)的效率；

3）遵照規(guī)范標準化接口，進行標準化設計，方便功能擴充和第三方研制軟件的接入；

4）吸取借鑒商用技術（Qt），充分采用成熟的商用技術，提高系統(tǒng)研制的效率；

5）平臺開發(fā)采用模塊化和中間件技術，消除系統(tǒng)緊耦合現(xiàn)象，減少模塊之間的依賴性，便于升級維護。

導調系統(tǒng)連接圖如圖2 所示，由5 臺PC，每臺配置為主機：聯(lián)想Intel i5/4 G/1 T，顯示器：21 寸或以上；1 臺服務器，Intel E3/4 G/1 T；1 臺路由器；1 套網(wǎng)絡監(jiān)控設備組成。

圖2 導調系統(tǒng)連接圖

導調系統(tǒng)通過訓練網(wǎng)和接口協(xié)議轉換系統(tǒng)，將導調系統(tǒng)插件集和各武器系統(tǒng)鏈接起來，各部分信息流和控制流通過協(xié)議轉換相互銜接和控制，實現(xiàn)流程控制。

2 關鍵技術

首先，因為各武器系統(tǒng)采用不同的操作平臺，且不在一個物理區(qū)域內，這就需要考慮各系統(tǒng)間的通信和指令解析問題，通信解析問題是該導調系統(tǒng)的核心關鍵問題之一；其次，系統(tǒng)時間軸同步問題是保證導調在同一時鐘節(jié)奏下有序運行的關鍵；再者，導調時鐘觸發(fā)執(zhí)行指令，是導調實時發(fā)送電文、武器系統(tǒng)接收和執(zhí)行電文的重點之一。為了解決各武器系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通信，需要一種通用的通信手段，這種通信手段要求格式簡單、性能高效、低帶寬、高可靠、支持一對一/一對多/多對多的通信。為此，系統(tǒng)提供了一種基于消息隊列的多線程網(wǎng)絡庫，其對套接字類型、連接處理、幀，甚至路由的底層細節(jié)進行抽象，提供跨多種傳輸協(xié)議的套接字，可分布式并行運行。

系統(tǒng)關鍵技術有：

1）數(shù)據(jù)通信和指令解析技術；

2）系統(tǒng)時間軸同步控制技術；

3）時鐘觸發(fā)驅動技術。

通過模塊劃分，接口設計，packet.xml、network.xml、packet_adapter.xml 插件實現(xiàn)，時鐘同步和觸發(fā)等方法實現(xiàn)了導調系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信等關鍵問題。

3 設計實現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)通信和指令解析

3.1.1 packet.xml 文件

packet.xml 文件的主要作用為描述數(shù)據(jù)模型，正確配置此文件是系統(tǒng)間進行數(shù)據(jù)通信的基礎。packet.xml 根節(jié)點為報文協(xié)議，子節(jié)點包含多個報文結點，packet.xml 配合network.xml、packet_adapter.xml 完成通信服務的基本設置，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

1）報文標識

報文標識主要用來指明數(shù)據(jù)本身是何種類型，在整個系統(tǒng)中，報文標識應該事先規(guī)劃好，避免在系統(tǒng)通信中發(fā)生混亂，出現(xiàn)不應該出現(xiàn)的報文。報文標識包含一級標識和二級標識，如圖3 所示。

圖3 報文標識

2）標識定位

標識定位主要用來指明所有字段子節(jié)點中哪個字段用來存儲一級標識或二級標識數(shù)據(jù)。在當前報文或引用的報文中，如果不定義標識定位，Roshan通信服務子系統(tǒng)將無法判斷正確的數(shù)據(jù)類型，無法正確收發(fā)數(shù)據(jù)。標識定位包含一級標識屬性和二級標識屬性，如圖4 所示。

圖4 標識定位

3）字段結點

字段結點用來描述通信數(shù)據(jù)的所有字段集合，通過大量不同的字段集合來組成一串通信數(shù)據(jù)流，系統(tǒng)將通過字段結點來將其序列化成二進制流發(fā)送出去，或從一段二進制流中反序列化為字段，正確定義字段結點是系統(tǒng)正確解析數(shù)據(jù)的重要手段。

3.1.2 network.xml 文件

network.xml 文件的主要作用為配置網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的接收，正確配置此文件能夠讓系統(tǒng)接收外部二進制流數(shù)據(jù)，并將二進制流數(shù)據(jù)映射到packet.xml 文件所描述的數(shù)據(jù)模型中，免去編寫C++代碼進行解析的過程。

3.1.3 packet_adapter.xml 文件

packet_adapter.xml 文件有兩個主要功能：一是將接收到的數(shù)據(jù)通過packet.xml 描述映射到model.xml 描述中去；二是將model.xml 中的模型數(shù)據(jù)直接映射到packet.xml 描述中并通過網(wǎng)絡配置發(fā)送。正確配置此文件能夠讓開發(fā)人員編寫代碼進行數(shù)據(jù)接收、解析、設置模型、更新界面，以及界面操作、更新模型、打包數(shù)據(jù)、發(fā)送，達到開發(fā)人員只關心業(yè)務頂層設計和模型算法實現(xiàn)。

1）adapter 結點

adapter 結點用來定義每一種packet 的收發(fā)模式，處于接收模式時recvPackets 中的值必須存在于packet.xml 中，處于發(fā)送模式時子節(jié)點sender 必須存在。在一個adapter 結點中收發(fā)模式不能同時存在，也就是說recvPackets 屬性和sender 結點不能同時存在。

2）sender 結點

sender 結點用來定義在什么時刻什么條件下如何進行數(shù)據(jù)發(fā)送，triggers 結點定義“什么時刻”和“什么條件”，network 結點定義了“如何發(fā)送”。

3）mapper 報文結點

mapper 結點定義了在收發(fā)模式下packet 與model 之間的映射關系。在接收模式下，系統(tǒng)會將packetProperty 屬性映射到modelProperty 屬性中，同樣的在發(fā)送模式下，系統(tǒng)會將modelProperty 屬性映射到packetProperty 屬性中。

3.2 系統(tǒng)時間軸同步控制

時間軸同步控制是系統(tǒng)時序控制，統(tǒng)一各席位之間的時間同步，保證各席位業(yè)務處理一致性的關鍵。系統(tǒng)中設置有天文時間軸、計劃時間軸、實際時間軸和倒計時功能，通過“開啟時統(tǒng)服務”按鈕，可進行時間統(tǒng)一校驗，統(tǒng)一進程運行。

系統(tǒng)在導調方案中設置各席位時間軸，在導調系統(tǒng)下達開機指令時，各武器系統(tǒng)按方案進度運行，席位時間軸設置如圖5 所示。

圖5 席位時間軸設置

系統(tǒng)中目標指示雷達子系統(tǒng)導調任務執(zhí)行過程如圖6 所示，在導調系統(tǒng)的時鐘控制下，按預定方案有序執(zhí)行。

圖6 目標指示雷達子系統(tǒng)導調任務執(zhí)行過程

3.3 時鐘觸發(fā)驅動技術

系統(tǒng)在時間軸編輯中設置時間斷點，該斷點是前一任務結束點，也是后一任務觸發(fā)點。當運行至斷點時，導調發(fā)送時間報文給武器系統(tǒng)，武器系統(tǒng)及時轉換工作程序，記錄前一任務完成情況，進入后一任務運行。本系統(tǒng)中采用標識技術很好地解決了系統(tǒng)與系統(tǒng)之間接口通信問題。系統(tǒng)采用大量配置化的方式對通信雙方進行約束，簡化維護成本，降低運行時間錯誤，避免了因接口發(fā)生變動需要重新編譯代碼，幫助開發(fā)人員將精力完全放在業(yè)務開發(fā)上。時鐘觸發(fā)驅動運行界面如圖7 所示。

圖7 時鐘觸發(fā)驅動運行效果圖

以一個雷達子系統(tǒng)的接收數(shù)據(jù)為例，使用本系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)接收代碼如下：

事實證明，這種設計在項目后期進行系統(tǒng)聯(lián)調聯(lián)試時非常行之有效，節(jié)省了大量的調試時間。

4 結論

為了解決武器系統(tǒng)導調系統(tǒng)通信問題，通過基于統(tǒng)一的基礎平臺，采用時鐘同步和通信解析相關技術，設計packet.xml、network.xml、packet_adapter.xml 插件來實現(xiàn)系統(tǒng)間數(shù)據(jù)通信，在提高開發(fā)效率的同時，也提高了穩(wěn)定性和可靠性。平臺開發(fā)采用模塊化和中間件技術，避免了傳統(tǒng)代碼開發(fā)的復雜性，各功能構件相互獨立，使本系統(tǒng)具有更好的可移植、可擴展、可互操作、可剪裁性，提高了系統(tǒng)的可集成性和集成效率。技術進步點主要有：采用模塊化、組合化和松耦合設計技術；采用“平臺+ 插件”的開發(fā)方式；突破傳統(tǒng)代碼編寫方法，設計插件來實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和通信。不足之處在于需要開發(fā)各武器系統(tǒng)接口協(xié)議轉換程序，增大了數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_銷，降低了傳輸效率。