一種綜合電子信息系統仿真集成設計方法研究

肖雙愛，蔣其藝，吳靜，吳浩

（中國電子科學研究院，北京 100041）

一種綜合電子信息系統仿真集成設計方法研究

肖雙愛，蔣其藝，吳靜，吳浩

（中國電子科學研究院，北京 100041）

針對綜合電子信息系統仿真模型重用、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集成方法，提出基于插件的分布式仿真集成方法，并在實際項目中進行實踐檢驗。

仿真；集成；插件；軟總線

0 引言

建模仿真技術作為認識世界改造世界的一種方法手段，在綜合電子信息系統規劃論證、系統研制、操作訓練等方面發揮著重要作用。綜合電子信息系統是多種電子信息系統的綜合集成，具備許多功能，如指揮、控制、通信、情報、監視、導航、定位、電子戰、信息戰等[1]，系統規模龐大，信息交互復雜。綜合電子信息系統仿真是典型的大型復雜系統仿真，在對其仿真設計和集成過程中，仿真模型重用、系統柔性重組、架構開放可擴展的需求日益明顯。

插件式軟件體系結構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；為解決系統的可伸縮性和可擴展性，應用ICE中間件技術，自研開發了仿真集成軟總線，并研究了基于仿真集成軟總線的模型集成方法和系統集成方法，實現了網絡環境中分布式仿真系統集成。分析大型復雜信息系統的仿真需求，將插件式模型集成和總線式集成方式結合，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

插件式體系結構是一種方便靈活的軟件體系結構，它將程序分為主程序和若干擴展模塊（即插件），主程序處理插件通信和功能調用，插件負責實現具體功能，各插件物理上互相獨立，邏輯上可互相協同，實現軟件的“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構的思想，將仿真模型分解成為若干組成部件，采用插件開發技術，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用。仿真應用集成框架是針對軍事仿真領域插件式軟件開發和集成設計的自研基礎平臺，它能夠動態集成按照插件開發規范開發的插件，支持以插件為單元的系統動態組裝[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規范開發封裝成若干模型插件；

④單個模型插件插入模型集成框架，實現某個仿真功能；

⑤將模型插件兩兩插入模型集成框架，進行雙邊調試和功能集成；

⑥將所有插件按照一定順序逐一插到模型集成框架，進行系統綜合能力驗證，實現整個信息系統仿真。之后還可根據需求增補插件，逐步擴展系統功能，增強系統功能。

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功能擴展和系統功能增強，尤其適用于綜合裝備或系統、復雜裝備或系統等在集中緊湊型仿真系統中的集成。在集中緊湊型仿真系統中，存在模型功能整體展現性強，資源緊張，功能相似重復較多等特點?；诓寮哪Ｐ图煞绞娇梢愿鶕抡嬲故拘枰?，將若干模型插件集中一個臺位上進行顯示；可以根據計算機的資源情況，靈活組合配置運行的仿真模型插件；可以將一些功能相似和功能重復部分統一開發、封裝并統一調用，不僅大大節約人力資源，還會大大提升運行效率。

2 基于軟總線的仿真系統集成技術研究

2.1 仿真系統集成軟總線研究與設計

（1）基礎背景

中間件（middleware）是一種獨立的系統軟件或服務程序,分布式應用軟件借助這種軟件可在不同的技術之間共享資源[5]。ICE（Internet Communications Engine），是ZeroC公司推出的分布式對象產品，具有跨平臺、跨語言和高效的性能，是強大的分布式系統集成中間件[6]。 因此本文基于ICE設計研發了仿真集成軟總線。

（2）組成結構設計

仿真集成軟總線包括系統運行總線服務和系統接入框架兩部分。系統運行總線服務采用網絡通信的TCP、UDP單播、UDP多播和UDP廣播技術，ICE RPC分發數據技術，ICE Slice消息定義技術，數據發布訂閱技術等，構建了分布式仿真系統數據傳輸軟總線，具備分布式、無中心、自組織、跨平臺、高效穩定的特點。系統接入框架基于系統運行總線的服務，提供成仿真員接入系統運行行為控制、系統運行狀態控制以及模型消息和分布式對象定義等，可為已有系統和新研系統提供快速集成的軟件框架和基礎服務。

（3）使用模式設計

系統運行總線服務以總線核心運行庫形式為總線成員提供使用，各模型軟件通過總線核心運行庫進行接入總線。如圖2所示?？偩€核心運行庫在運行后通過分布式的訂閱發現機制在網絡上形成邏輯的運行總線，支持分布式、無中心的數據發布訂閱。

圖2 系統運行總線使用模式

系統接入框架集成了運行總線服務，以庫的形式為仿真系統成員提供使用。如圖3所示。仿真系統成員軟件通過集成系統接入框架庫，獲取服務。

圖3 系統接入框架使用模式

（4）主要運作流程

系統運行總線服務負責仿真集成軟總線的數據傳輸，系統接入框架負責仿真集成軟總線的應用控制。按照仿真系統中軟件的功能角色，可將其分為系統控制成員和普通應用成員?？刂瞥蓡T可控制系統成員加入或退出系統，對系統運行狀態進行控制。普通應用成員主要模擬仿真對象功能，實現系統具體仿真應用。仿真集成軟總線中的系統接入框架，需要根據仿真軟件角色，提供相應的控制服務。主要運作流程見圖4和圖5所示。

系統成員接入控制：系統成員的接入控制基于總線核心庫的消息分發服務實現，主要流程如圖4所示。系統成員向系統接入框架庫發起成員接入調用，系統接入框架通過總線核心庫以消息的方式向系統運行控制軟件發送成員加入信息，系統運行控制處理后返回結果?？偩€核心庫以消息的方式接受成員加入結果，并將通過消息接收入口反饋給系統接入框架。系統接入框架回調系統成員，通知成員接入的結果。系統接入框架通過總線核心庫通用的數據分發服務，提供支持系統運行的各類服務。

系統運行狀態控制：系統運行狀態控制流程如圖5所示。系統運行控制軟件使用系統接入框架獲取系統運行總線服務，通過與系統接入框架配合對系統的狀態進行控制。各系統成員軟件通過系統接入框架庫接入系統運行總線，接收系統運行控制軟件的控制。

2.2 基于仿真集成軟總線的集成方法

圖4 系統成員接入控制運作流程

圖5 系統運行狀態控制運作流程

（1）集成對象范圍

基于仿真軟總線的集成方法可應用于網絡環境中分布式仿真系統集成，也可應用于具體仿真程序應用內部集成?；诜抡孳浛偩€的仿真系統集成就是基于仿真軟總線對同一仿真系統中不同應用領域和問題的模型進行接合，協同構成一個具體仿真應用體系。例如將雷達模型、通信模型、指控模型集成為一個綜合電子信息仿真系統?；诜抡孳浛偩€的仿真程序應用集成就是基于仿真軟總線對同一仿真應用的若干個組成程序軟件進行連接，共同模擬完成一個具體仿真對象。例如：雷達模型分為雷達顯控模型與雷達處理模型兩個模型軟件，這兩個模型軟件之間通過仿真集成軟總線進行內部信息交互與集成，共同完成雷達仿真模擬。

（2）集成過程與方法

仿真系統層面集成要依賴仿真集成軟總線的系統接入框架和系統運行總線服務，仿真對象程序應用內部集成只需仿真集成軟總線的系統運行總線服務。當基于仿真軟總線集成的仿真應用，集成到分布式仿真系統中時，也可根據需要創建若干條運行總線，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

系統層面集成主要內容和過程為：

①規定通信協議，配置啟動總線服務，各系統模型連接同一服務，實現通信層面連接；

②使用系統接入框架，系統控制作為服務端發布控制邏輯，各仿真應用響應控制指令，完成系統控制管理，實現系統一致運行和統一監控；

③各系統模型軟件通過總線服務，進行信息交互，實現系統功能集成。

仿真模型內部集成主要內容和過程為：

①規定通信協議，配置啟動總線服務，各模型組成軟件連接同一服務，實現通信層面連接；

②各模型組成軟件通過總線服務，進行信息交互，實現具體應用組成部件集成。

3 基于插件的分布式仿真集成設計方法

大型復雜信息體系仿真集成面臨仿真對象系統組成龐大、信息關系復雜，且仿真開發資源和環境資源也有限，但仿真計算展示需求又較高的問題，其中既包括分布式仿真系統集成，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用集成問題。通過插件式仿真集成可實現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，擴展仿真系統規模，提高仿真推演能力。因此本文將兩種集成方式結合，提出基于插件的分布式仿真集成方法，架構設計如圖7所示。這種集成方法一方面可提高系統仿真展示推演能力，一方面又兼顧提高了仿真系統開發構建效率，為解決大型復雜信息體系仿真應用集成提供一種高效實用的方法。

圖7 基于插件的分布式仿真集成架構設計

主要集成過程為：

①總體規劃體系仿真中插件式集成仿真系統、總線集成式仿真系統；

②插件式集成仿真模型系統設計、內部集成；

③總線集成式仿真模型系統設計、內部集成；

④基于插件式集成的仿真模型/仿真系統通過大系統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/仿真系統通過大系統仿真集成軟總線加入體系仿真；

⑥插件式仿真系統與總線集成式仿真系統共存的體系仿真系統通過大系統仿真集成軟總線進行信息交互，實現體系仿真集成。

4 應用案例

某項目需要開展由若干搭載雷達、AIS、ADS-B、電磁感知、環境探測等設備的綜合信息系統組成的信息體系仿真，項目中不僅要求對每個綜合信息系統節點要素進行建模仿真，還需對整個信息體系能力進行仿真試驗。

在項目實際開發和集成中，對綜合信息系統節點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：將綜合信息系統節點的各組成設備分解成一個個計算類組件和顯示類組件，然后將各個組件封裝成若干插件，之后將計算類插件插入到一個模型計算框架中集成為后臺計算模型，顯示類插件插入到一個模型界面集成框架中集成為前臺顯示模型，后臺計算模型與前臺顯示模型通過總線集成為一個完整信息節點仿真模型。信息節點仿真模型通過集成總線集成為一個信息體系仿真系統。主要應用情況如圖8、圖9、圖10所示。

圖8 仿真插件集成配置結果圖

5 結語

本文針對綜合電子信息系統仿真模型重用、系統柔性重組等需求，分析了插件式軟件體系結構以及基于消息中間件的系統集成技術，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，為大型復雜信息系統網絡環境中分布式仿真系統集成提供了一種高效實用的方法，可為大型復雜信息系統仿真提供設計參考。

圖9 仿真插件組裝運行示意圖

圖10 仿真系統總體集成運行示意圖

[1]童志鵬，劉興等編著.綜合電子信息系統——信息化戰爭的中流砥柱[M].北京：國防工業出版社，2008.

[2]徐宏興.插件體系結構軟件開發方法研究.四川大學，2005.

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

[4]李春榮，劉筱.基于框架——插件架構的軍事仿真系統設計方法研究[J].現代計算機，2015.08上.

[5]周園春，李淼，張建等.中間件技術綜述[J].計算機工程與應用，2002.15.

[6]王寧，王錚.ICE插件技術研究[J].計算機技術與發展，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，河北獻縣人，高級工程師，研究方向為系統仿真、系統設計等

蔣其藝（1988-），男，四川都江堰人，助理工程師，研究方向為系統仿真、應用軟件等

吳靜（1959-），女，江蘇豐縣人，研究員級高級工程師，研究方向為信息系統總體、系統仿真、應用軟件等

吳浩（1982-），男，四川瀘定人，高級工程師，研究方向為系統仿真

2016-06-25

2016-07-01