基于組件技術(shù)的虛擬試驗平臺研究

周彥菲，杜承烈，劉利江

（1.西北工業(yè)大學(xué) 計算機學(xué)院，陜西 西安 7101291；2.海軍試驗基地第二實驗區(qū) 山東 煙臺 265700）

虛擬試驗技術(shù)是基于先進(jìn)的建模技術(shù)、多領(lǐng)域協(xié)同仿真技術(shù)、信息集成與管理技術(shù)、工程設(shè)計分析技術(shù)、交互式用戶界面技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)不斷發(fā)展而來[1]，憑借其有效性、經(jīng)濟性、安全性、直觀性等特點而受到了廣泛的采用。但是隨著虛擬試驗系統(tǒng)的日益復(fù)雜，仿真軟件開發(fā)的工作量也成倍增加，總是從頭開發(fā)一個虛擬試驗平臺的工作效率越來越低。在這樣的情況下，采用支持軟件復(fù)用的組件技術(shù)來構(gòu)建具有開放性、通用性的虛擬試驗平臺，使得第三方開發(fā)的功能組件能夠像搭積木一樣運行在試驗平臺上，而實現(xiàn)軟件的大粒度復(fù)用，對縮短開發(fā)周期、降低維護(hù)成本和提高試驗可靠性具有重要意義。筆者分析了組件技術(shù)的特點，借鑒其思想搭建一個接口開放、可擴展的虛擬試驗平臺，并在該平臺基礎(chǔ)上實現(xiàn)了子母彈拋撒評估試驗。該平臺的搭建對今后視景仿真模擬軟件的開發(fā)打下良好的基礎(chǔ)，能夠有效的實現(xiàn)軟件的重用性，極大的縮短軟件的開發(fā)周期。

1 組件技術(shù)的特點

1.1 組件的基本概念

組件技術(shù)是近年發(fā)展起來的一種優(yōu)秀的軟件重用技術(shù)，已在工程領(lǐng)域廣泛使用，但由于其自身特性使得組件到目前還沒有統(tǒng)一的定義，組件的含義可以從以下幾方面來理解：

1）組件是一個分布對象。這表明組件須按統(tǒng)一接口規(guī)范想外界聲明服務(wù)。

2）組件是完成特定功能的軟件模塊。這又規(guī)定了組件與一般的簡單的控件的區(qū)別。從概念上講，簡單控件也可以屬于組件但組件的粒度比簡單空間粗，組件應(yīng)由簡單控件組成[2]。

3）組件是具有特定功能的、能夠跨越進(jìn)程的邊界，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、語言、應(yīng)用程序、開發(fā)工具和操作系統(tǒng)“即插即用”的獨立的對象[3]。

總結(jié)起來，可認(rèn)為組件包含技術(shù)和工程兩方面的因素：在技術(shù)方面，組件可以進(jìn)行二進(jìn)制級別上的繼承和重用，它提供對功能的封裝，外部通過接口來訪問它的服務(wù)，使得復(fù)用組件不一定需要源代碼；在工程方面，組件可被獨立的生產(chǎn)、獲得和配置，它允許被無縫地集成到第三方所開發(fā)的軟件系統(tǒng)中，從這個角度看，使用組件最理想的方式是采用拼圖的方法將已有的組件構(gòu)建一個應(yīng)用。

目前，隨著對軟件復(fù)用理解的深入，組件的概念已不再局限于源代碼，而是延伸到需求、系統(tǒng)和軟件的需求規(guī)約、系統(tǒng)和軟件的構(gòu)架、文檔、測試計劃、測試案例和數(shù)據(jù)等所有對開發(fā)活動有用的信息，這些信息都可以稱為可復(fù)用軟件的組件，其組件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 組件結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Model of component structure

1.2 組件方法與面向?qū)ο蟮年P(guān)系

面向?qū)ο蠓椒ǖ幕A(chǔ)是封裝，實現(xiàn)接口與實現(xiàn)分離，核心是多態(tài)。通過將信息隱藏，使調(diào)用者不需要了解實現(xiàn)細(xì)節(jié)而且使得對一個對象內(nèi)部的修改不會影響其他對象，系統(tǒng)的可維護(hù)性很好，易于修改；缺點是耦合度依然較高，例如對象間的交互必須了解被交互對象的標(biāo)志。而且若某一對象標(biāo)志改變了，顯式調(diào)用該對象的其他對象都需改變。組件方法是對面向?qū)ο蟮能浖_發(fā)方法的進(jìn)一步發(fā)展，其更核心的概念是接口，主要目標(biāo)是粗粒度的復(fù)用。通過引入屬性和事件作為更高級的支撐，很好的解決了類之間相互依賴/消息傳遞問題。面向?qū)ο蠓椒ê徒M件方法間的關(guān)系如表1所示。

表1 面向?qū)ο蠛徒M件技術(shù)的比較Tab.1 Differences between object-oriented and component technology

2 基于組件的虛擬試驗平臺系統(tǒng)設(shè)計

2.1 虛擬試驗平臺的需求分析

通過深入研究現(xiàn)有驗證系統(tǒng)對虛擬試驗平臺的需求，并結(jié)合子母彈拋撒評估試驗需求，總結(jié)出平臺架構(gòu)需要滿足參數(shù)錄入、2D/3D目標(biāo)場景建立以及試驗?zāi)M引擎幾大模塊，其中目標(biāo)場景建立的2D／3D表現(xiàn)部分相對獨立。由于目前的虛擬試驗軟件大多使用結(jié)構(gòu)化的開發(fā)方法，系統(tǒng)耦合高，難以復(fù)用，導(dǎo)致即使用戶需求的發(fā)生輕微的變化，都需要對模型進(jìn)行重新開發(fā)。針對這些問題，要求搭建的平臺滿足以下需求：

1）可擴展性：新添加組件不依賴現(xiàn)有的功能組件，添加的新組件可在平臺中得到動態(tài)支持，并能協(xié)同工作；

2）易用性：包含對硬件設(shè)備要求低和軟件設(shè)計界面的簡潔實用；

3）數(shù)據(jù)重視性：強大的數(shù)據(jù)管理功能，包括數(shù)據(jù)的精度、記錄、管理及分析功能，方便用戶在試驗后的分析或場景重現(xiàn)的建立。

2.2 平臺框架搭建

虛擬試驗平臺提供一個集成的可視化的編輯環(huán)境，使用MS3D制作模型，通過解析XML文件動態(tài)生成所需的配置界面，調(diào)用OpenGL提供的API實現(xiàn)可視化功能，利用網(wǎng)絡(luò)通信組件進(jìn)行分步節(jié)點間的通信，集合這些關(guān)鍵技術(shù)搭建一個易于擴展的平臺架構(gòu)，平臺架構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 虛擬試驗平臺結(jié)構(gòu)Fig.2 Model of virture test platform

組件形式化文檔采用基于XML的元數(shù)據(jù)進(jìn)行描述，主要包括兩大類組件信息：一方面是組件內(nèi)實現(xiàn)環(huán)境和細(xì)節(jié)相關(guān)的信息，包括：組件名稱，實現(xiàn)語言，可執(zhí)行代碼的位置，初始化參數(shù)，API，圖標(biāo)菜單等。另一方面是與組件間相關(guān)的信息，如組件間搭載的依賴關(guān)系，使用限制條件等。

組件管理器是平臺的核心，負(fù)責(zé)管理其他所有組件的實例化和釋放。組件管理器使用工廠模式實現(xiàn)。首先，組件管理器解析XML配置文件，通過工廠模式的統(tǒng)一接口為系統(tǒng)產(chǎn)生組件實例；然后組件管理器使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)記錄所有組件的關(guān)鍵信息，便于對所有組件進(jìn)行統(tǒng)一管理；最后組件管理器解析配置文件，為其他組件建立通信渠道，保證組件間的信息流暢通。

二維顯示模塊負(fù)責(zé)配置界面的生成，進(jìn)行試驗參數(shù)、模型選擇和評估準(zhǔn)則的錄入。通過解析XML文件獲取配置界面信息及所處位置生成界面，并將輸入的參數(shù)保存在XML文件中；通過搭載三維顯示窗口可在配置界面對所選模型進(jìn)行三維預(yù)覽。

三維顯示模塊負(fù)責(zé)虛擬試驗的可視化顯示?？刂平M件通過解析XML文件，在分布式環(huán)境下選擇不同窗口中顯示的可視化組件，同時負(fù)責(zé)試驗的全局時鐘推進(jìn)；顯示組件是場景、導(dǎo)彈、目標(biāo)等功能組件的統(tǒng)稱，使用OpenGL技術(shù)模擬顯示；根據(jù)需求將相關(guān)的控制信息保存在XML文件中，用于場景重現(xiàn)和試驗評估。

評估組件負(fù)責(zé)試驗后對結(jié)果數(shù)據(jù)的詳細(xì)分析，按照用戶需求進(jìn)行具體組件開發(fā)。在子母彈拋撒試驗中包括以二維曲線繪制V_T、H_T圖、毀傷概率、毀傷半徑等。

模型庫提供已使用第三方軟件繪制完的模型，如飛行器、靶場目標(biāo)等。使用常用的三維模型軟件如3DSMax、MilkShape3D建模，可在程序中避免使用點、線、面等簡單圖元和一些標(biāo)準(zhǔn)椎體來構(gòu)建復(fù)雜模型帶來的繁瑣工作，同時提高了模型的逼真度。

網(wǎng)絡(luò)通信組件提供在分布式試驗環(huán)境下各節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸。由于軍工領(lǐng)域?qū)崟r性要求高，采用虛擬共享內(nèi)存提供的高速、實時、確定性的網(wǎng)絡(luò)，可有效地解決試驗系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性問題。

2.3 接口定義

文中采用VC6.0版本進(jìn)行平臺開發(fā)，圖3顯示了平臺基本組件間的關(guān)系和一些重要的接口。下面詳細(xì)介紹各組件及接口的作用。

圖3 組件及接口的關(guān)系Fig.3 The relationship of components and interfaces

1）DisplayElement:基本繪圖組件，提供圖形的繪制接口，功能組件調(diào)用或重載該Draw接口，完成具體的繪制功能。

2）Component:基本通信組件，提供兩個基本接口，用于組件間消息的傳遞，其中Notify接口用于向上一級組件傳遞消息，Report接口用于向底層組件回報消息。

3）DisplayPanel:基本窗口組件，用于提供顯示窗口的重繪和刷新等基本功能。

4）DisplayComponent:繼承自 Component和 DisplayElement，具備消息通信能力以及圖形繪制能力，添加DrawComponent接口用于指定為第幾號組件提供DC。

5）DisplayPanelComponent:基本窗口組件， 繼承自DisplayPanel和Component，具備消息通信能力，同時提供用于界面或圖形的顯示窗口。

6）EditPanel:基本界面配置組件，繼承自Component和DisplayPanel，具備消息通信及界面編輯能力，用于試驗參數(shù)等信息配置窗口的生成；通過DrawComponent接口獲得配置組件的XML信息和工具條生成配置界面，并通過SaveProject接口將錄入信息保存在指定的XML中。

7）2DDisplayComponent:基本二維圖形繪制組件，繼承自DisplayComponent，通過重載Draw接口，具備類似于 WORD中二維圖形繪制能力，同時添加Move、Delete等功能接口。

8）3DDisplayComponent:基本三維圖形繪制組件，繼承自DisplayComponent，重載Draw接口來調(diào)用OpenGL提供的函數(shù)，實現(xiàn)三維顯示功能，其中Rotate就是調(diào)用OpenGL函數(shù)的一個典型接口，它實現(xiàn)了對指定模型的三維旋轉(zhuǎn)。

繪圖組件和界面配置組件都需要加載在窗口組件上。窗口組件通過調(diào)用Draw接口，通知掛在在他之上的繪圖組件，繪圖組件依次調(diào)用自己的Draw方法進(jìn)行繪制，并在窗口上顯示，完成可視化；窗口組件通過響應(yīng)菜單命令，讀取相關(guān)的XML文件完成配置界面的生成。

3 子母彈拋撒在平臺上的應(yīng)用

使用上述虛擬試驗平臺接口，通過開發(fā)并加載需要的功能組件實現(xiàn)了某型號子母彈拋撒評估試驗，完整的實現(xiàn)了從模型選取、參數(shù)配置到可視化仿真以及詳細(xì)的試驗結(jié)果評估。Q其中，子彈參數(shù)、目標(biāo)形態(tài)、評價方案等配置界面可使用統(tǒng)一的組件，通過解析各自的XML文件獲取界面信息；二維圖形繪制組件完成子母彈攻擊目標(biāo)的生成，并將所繪圖形的ID和節(jié)點按規(guī)定格式保存在目標(biāo)庫內(nèi)；三維顯示組件包括飛行場景、導(dǎo)彈、尾焰、爆炸、拋撒及計算組件，其中計算組件負(fù)責(zé)導(dǎo)彈飛行和子彈拋撒時模型的飛行引導(dǎo)。圖4分別給出了程序運行時子母彈飛行和爆破后子彈拋撒的效果圖。

圖4 子母彈飛行及子彈拋撒示意圖Fig.4 Schematic diagram of shrapnel flight and ejection

4 結(jié)束語

通過在將組件技術(shù)用于開發(fā)虛擬試驗平臺的實踐證明，雖然利用組件技術(shù)在設(shè)計試驗初期，需要在領(lǐng)域內(nèi)對平臺需求進(jìn)行深入分析，搭建具有許多冗余接口的框架，而且在編寫基本的程序組件看不到系統(tǒng)實現(xiàn)的進(jìn)度，使用的精力、時間要多一些，但很多通用功能組件能在擴展中得到重用，可以大大提高軟件開發(fā)效率，大幅度降低系統(tǒng)的開發(fā)費用；同時當(dāng)一個系統(tǒng)需求發(fā)生變化和擴展系統(tǒng)時，只需修改或開發(fā)相應(yīng)的組件而不改變系統(tǒng)的其他部分，如需要災(zāi)難事故模擬時，只需添加新的模型，修改部分控制組件即可，這些工作可以并行進(jìn)行，提高時效性。結(jié)合文獻(xiàn)[5][6]等人使用組件技術(shù)的經(jīng)驗，今后可以在框架基礎(chǔ)上開發(fā)更多目標(biāo)明確的組件接口，以適應(yīng)更廣泛的虛擬試驗需求。

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