基于框架-插件架構(gòu)的軍事仿真系統(tǒng)設(shè)計方法研究

李春榮，劉筱

（中國電子科技集團(tuán)公司中國電子科學(xué)研究院，北京262500）

基于框架-插件架構(gòu)的軍事仿真系統(tǒng)設(shè)計方法研究

李春榮，劉筱

（中國電子科技集團(tuán)公司中國電子科學(xué)研究院，北京262500）

0　引言

隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，軟件體系結(jié)構(gòu)和開發(fā)方法也在發(fā)生著重大變化，近年來，以“框架+插件”為代表的軟件構(gòu)造方法正得到越來越多的應(yīng)用?！翱蚣?插件”式體系結(jié)構(gòu)是一種非常靈活的組件式結(jié)構(gòu)，它把程序功能分散在插件中來完成，插件是可獨立于系統(tǒng)開發(fā)的程序模塊，它能夠動態(tài)地插入到基于框架的系統(tǒng)中。因此，它有著相當(dāng)突出的優(yōu)點：能夠提高軟件開發(fā)的并行性和開發(fā)效率，降低設(shè)計開發(fā)難度，縮短開發(fā)周期，增強(qiáng)應(yīng)用程序的可運行性、可測試性和可維護(hù)性［1］，在業(yè)界廣受推崇。

雖然系統(tǒng)仿真技術(shù)經(jīng)歷多年發(fā)展已經(jīng)日趨成熟，但面對不同的應(yīng)用需求，軍事仿真系統(tǒng)構(gòu)建還存在模型重用率低，開發(fā)周期長，可靠性差等問題。為了更好解決這些問題，軍事系統(tǒng)仿真可嘗試插件式設(shè)計思想，利用“即插即用”的仿真模型插件來進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)。本文提出了一種基于“仿真應(yīng)用集成框架+仿真插件”模式的軍事仿真系統(tǒng)設(shè)計方法，該方法從仿真應(yīng)用集成框架的構(gòu)建，到基于框架的仿真插件設(shè)計給出了一整套解決方案，并在實際項目中進(jìn)行了應(yīng)用，證明了該方法是切實可行的。

1　仿真應(yīng)用集成框架實現(xiàn)

框架-插件架構(gòu)的基本思想是把軟件的擴(kuò)展功能做成插件的形式，通過一個公共平臺（即框架）統(tǒng)一管理起來［2］。插件針對標(biāo)準(zhǔn)接口編程，框架通過調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)接口把不同的插件有機(jī)集成起來，使它們協(xié)同工作。插件的本質(zhì)是在不修改主體程序（框架）的情況下，實現(xiàn)系統(tǒng)功能的擴(kuò)展，同時也可以由一組插件共同協(xié)作完成系統(tǒng)的全部功能。

仿真應(yīng)用集成框架是針對軍事仿真領(lǐng)域插件式軟件開發(fā)和集成設(shè)計的基礎(chǔ)平臺，它能夠動態(tài)集成按照插件開發(fā)規(guī)范開發(fā)的插件，支持以插件為單元的系統(tǒng)動態(tài)組裝，基于框架開發(fā)的仿真應(yīng)用系統(tǒng)由若干功能插件組成，進(jìn)行仿真應(yīng)用系統(tǒng)集成時只需在該框架下將插件按信息關(guān)系進(jìn)行逐步組裝即可完成，同時，該框架還支持復(fù)合應(yīng)用的集成，即在一個EXE集成框架內(nèi)實現(xiàn)多個仿真應(yīng)用的集成，協(xié)調(diào)多個仿真應(yīng)用組合的展現(xiàn)操作內(nèi)容［3］。

仿真應(yīng)用集成框架由仿真框架主體、插件容器和插件開發(fā)規(guī)范三部分組成，見圖1，仿真框架主體和插件容器是構(gòu)成仿真應(yīng)用系統(tǒng)的主體，而插件開發(fā)規(guī)范是用來指導(dǎo)基于該框架的插件開發(fā)。

圖1　仿真應(yīng)用集成框架組成

（1）框架主體：系統(tǒng)主程序負(fù)責(zé)仿真軟件的整體運行，它清楚插件的調(diào)用流程，但并不知道每個插件具體做什么，它通過插件配置文件在插件容器中查找應(yīng)用需要使用的插件，通過插件管理器加載和調(diào)用插件，來實現(xiàn)軟件的真正功能，其中，插件管理器由以下幾個模塊組成：

①插件接口插槽：負(fù)責(zé)插件的動態(tài)加載及初始化，實現(xiàn)與插件的動態(tài)掛接；

②窗體消息管理：負(fù)責(zé)仿真應(yīng)用系統(tǒng)窗體消息的訂購及發(fā)布，根據(jù)插件的配置要求將仿真主體框架的窗體消息傳遞給插件；

③插件注冊管理：負(fù)責(zé)插件的注冊和查詢，加載完成的插件在系統(tǒng)中通過唯一標(biāo)識進(jìn)行注冊，其他插件可以通過標(biāo)識來查詢已注冊的插件；

④接口注冊管理：負(fù)責(zé)插件實現(xiàn)的公共服務(wù)接口的注冊和查詢，插件通過接口公布自身提供的服務(wù)集合，其他插件通過接口注冊管理來獲取接口，使用服務(wù)；

⑤界面管理：根據(jù)插件要求完成框架界面的定制，并將界面菜單消息反饋給插件；

⑥插件消息管理：負(fù)責(zé)插件間消息的發(fā)布、訂購和傳遞，各類消息具有唯一標(biāo)識，插件根據(jù)需要訂購消息，當(dāng)其他插件發(fā)送該消息時，插件會收到消息回調(diào)。

（2）插件容器：統(tǒng)一存放插件的地方，仿真系統(tǒng)運行時，根據(jù)插件配置在該容器中查找相應(yīng)插件完成插件動態(tài)加載。插件在實現(xiàn)自身功能的同時也可以注冊接口，為其他插件提供服務(wù)，本框架將插件分為兩類，基礎(chǔ)服務(wù)插件和仿真業(yè)務(wù)插件。

①基礎(chǔ)服務(wù)插件：應(yīng)用集成框架提供了態(tài)勢標(biāo)繪、線程管理、空間位置計算和地圖工具操作插件4個基礎(chǔ)服務(wù)插件，對外提供服務(wù)接口，供其他插件調(diào)用；

②仿真業(yè)務(wù)插件：與仿真應(yīng)用軟件功能、業(yè)務(wù)邏輯緊密相關(guān)的插件，如流程控制插件、仿真模型插件等。

（3）插件開發(fā)規(guī)范：規(guī)定了基于仿真應(yīng)用集成框架開發(fā)插件的一系列開發(fā)規(guī)范。

①插件集成開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)：定義了插件的初始化、釋放、插件消息訂購和發(fā)送、插件消息處理以及插件接口注冊及使用等一些列接口標(biāo)準(zhǔn)，插件的開發(fā)必需遵循該標(biāo)準(zhǔn)，遵循標(biāo)準(zhǔn)的插件才能夠被自動加載和集成；

②服務(wù)接口集：供插件開發(fā)使用，由遵循插件接口規(guī)范的接口描述文件構(gòu)成。

仿真應(yīng)用集成框架插件集成原理如圖2所示，①框架搜索插件配置目錄獲取所有需要加載的插件；

圖2　插件集成原理圖

該框架中存在兩類插件通信問題：①仿真框架主體（主要是指界面窗體）與插件間的通信；②插件之間的消息通信。

對于（1），通過插件的標(biāo)準(zhǔn)繼承函數(shù)即可實現(xiàn)，即每個功能插件都繼承于插件基類，插件基類中定義了一系列主體框架與插件通信的虛函數(shù)，在功能插件中實例化了這些虛函數(shù)，當(dāng)有相應(yīng)的消息事件發(fā)生時，仿真框架主體就會回調(diào)相應(yīng)插件的處理函數(shù)執(zhí)行處理，這些處理主要包括菜單命令處理、命令菜單的控制、窗體消息的處理（如按下鼠標(biāo)左鍵）、命令菜單的控制等。

對于（2），插件通過主體框架的插件消息管理器中轉(zhuǎn)消息。插件間的通信方式有兩種，主動獲取（插件接口調(diào)用）與被動接收（消息的發(fā)布-訂購機(jī)制）。無論哪種方式，都需要一塊內(nèi)存區(qū)域來存儲通信的“信息”。圖3示意了插件間如何通信，插件間通信主要應(yīng)用于兩種場景：①某一插件狀態(tài)發(fā)生改變通知其他插件，即消息的發(fā)布-訂購；②某插件要將導(dǎo)出對象信息傳給依賴于它的插件，指插件接口調(diào)用［4］。

2　基于框架的仿真系統(tǒng)設(shè)計

采用基于框架的插件式開發(fā)方法最大的特點是實現(xiàn)軟件的“即插即用”和“組裝”，提高插件的復(fù)用性，然而增強(qiáng)插件的復(fù)用性不僅需要插件內(nèi)部良好的設(shè)計，更需要對仿真業(yè)務(wù)功能進(jìn)行合理的劃分，對插件粒度進(jìn)行合理的掌握，本文給出以下3條仿真業(yè)務(wù)插件的設(shè)計劃分原則。

圖3　插件間通信

（1）分層原則

本文將仿真業(yè)務(wù)插件分為三個層次，如圖4所示，基礎(chǔ)服務(wù)插件層、仿真模型插件層和仿真應(yīng)用插件層?；A(chǔ)服務(wù)插件為與領(lǐng)域無關(guān)的通用服務(wù)，可由框架提供，也可由用戶根據(jù)業(yè)務(wù)需要自行開發(fā)；仿真模型插件層是最重要的一層，它是對客觀軍事仿真對象的概念、原理、行為的抽象模擬［5］形成的仿真實體模型；仿真應(yīng)用層建立在仿真模型插件層基礎(chǔ)上，負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)界面的顯示及協(xié)調(diào)調(diào)度仿真模型插件完成軟件功能。

圖4　仿真業(yè)務(wù)插件層次劃分

（2）分離原則

為實現(xiàn)軟件“高聚合，低耦合”的目標(biāo)，軟件軍事仿真系統(tǒng)在設(shè)計上應(yīng)遵循軟件三層架構(gòu)的設(shè)計原則，即在整個軟件層次上分為表現(xiàn)層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)訪問層。表現(xiàn)層主要用于顯示數(shù)據(jù)和接收用戶輸入；業(yè)務(wù)邏輯層是整個系統(tǒng)架構(gòu)中最核心的部分，它包括仿真實體模型及對于整個實體模型算法的控制調(diào)度；數(shù)據(jù)訪問層主要負(fù)責(zé)對于仿真系統(tǒng)共用數(shù)據(jù)的管理和維護(hù)。

（3）特殊應(yīng)用考慮原則

有些仿真系統(tǒng)在運行時有特殊應(yīng)用需求，對于這一點在進(jìn)行插件劃分時要給予充分考慮，如要求能夠調(diào)速1～50倍運行，此時，需要考慮仿真流程調(diào)度頻率問題，眾所周知，計算模型消耗計算機(jī)資源相對較少，而在地圖上繪圖顯示刷新則耗費大量的計算機(jī)資源，在此情況下，一定要將仿真模型計算與繪圖顯示分離，并且仿真模型計算可調(diào)速運行，而繪圖顯示一般按照固定的頻率進(jìn)行刷新，以保證足夠的系統(tǒng)資源支持模型加速運行。

基于仿真插件設(shè)計劃分原則，本文將仿真業(yè)務(wù)插件劃分為如圖5所示的分類及層次結(jié)構(gòu)，每類插件可由多個插件組成。

圖5　仿真插件分類及層次劃分

（1）信息收發(fā)：隔離底層通信平臺，負(fù)責(zé)仿真應(yīng)用軟件與外部軟件的交互信息的接收和發(fā)送；

（2）時間管理：負(fù)責(zé)系統(tǒng)作戰(zhàn)時間和天文時間的維護(hù)，并對外提供時間服務(wù)接口；

（3）參數(shù)獲?。贺?fù)責(zé)仿真應(yīng)用軟件配置信息、相應(yīng)信息等數(shù)據(jù)的獲取；

（4）模型算法：是對仿對象行為、決策等的抽象，如雷達(dá)監(jiān)測、跟蹤算法，威脅評估算法等；

（5）仿真實體模擬：基于仿真模型算法，對仿真實體的行動及響應(yīng)行為的流程組織［6］；

（6）數(shù)據(jù)管理：管理仿真模型算法、仿真實體的描述數(shù)據(jù)、輸入及輸出數(shù)據(jù)，并負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲和獲??；

（7）界面顯示：負(fù)責(zé)仿真軟件界面操作元素的創(chuàng)建和顯示，如操作對話框、工具條等；

（8）信息顯示：負(fù)責(zé)仿真過程中重要信息的顯示，如信息輸出框，重要信息提示框等；

（9）仿真流程調(diào)度：依據(jù)仿真進(jìn)程控制（仿真初始化、開始、停止等），控制仿真軟件的狀態(tài)，組織調(diào)度各插件協(xié)同完成軟件功能。

3　應(yīng)用案例

在某大型仿真系統(tǒng)項目中，利用“仿真應(yīng)用集成框架+仿真插件”的系統(tǒng)開發(fā)方式實現(xiàn)了某機(jī)載雷達(dá)和天波超視距雷達(dá)模擬軟件，主要模擬該兩型雷達(dá)對空、海目標(biāo)的探測和跟蹤能力，兩個軟件的輸入、輸出接口一致，仿真控制過程一致，不同的是兩型雷達(dá)的工作機(jī)理不同。

經(jīng)過對該兩型雷達(dá)的工作機(jī)制和仿真流程進(jìn)行分析，開發(fā)圖6所示14個功能插件，基于這些插件組裝，分別組裝成某機(jī)載雷達(dá)模擬軟件和天波超視距雷達(dá)模擬軟件，如圖7、圖8所示。

（1）軟件顯示單元動態(tài)組裝效果

在機(jī)載雷達(dá)模擬軟件插件加載配置文件中配置圖7插件容器中的所有插件，運行效果如圖9所示。而在天波超視距雷達(dá)模擬軟件的插件配置文件中刪除兩個信息顯示相關(guān)插件，運行效果如圖10所示，該效果表明軟件功能插件單元是可以動態(tài)添加、刪除的。

圖6　雷達(dá)探測系統(tǒng)軟件仿真業(yè)務(wù)插件

圖7　某機(jī)載雷達(dá)模擬軟件插件組裝圖

圖8　天波超視距雷達(dá)模擬軟件插件組裝圖

圖9　某機(jī)載雷達(dá)模擬軟件插件組裝圖

圖10　天波超視距雷達(dá)模擬軟件插件組裝圖

（2）復(fù)合應(yīng)用組裝效果

在機(jī)載雷達(dá)仿真應(yīng)用中集成天波超視距雷達(dá)應(yīng)用的功能，只需將機(jī)載雷達(dá)模擬軟件插件配置文件中添加四個天波雷達(dá)專用業(yè)務(wù)插件的配置，并將這四個插件放入機(jī)載雷達(dá)模擬軟件的插件容器中，其運行效果如圖11所示。

圖11　復(fù)合應(yīng)用插件組裝圖

4　結(jié)語

本文提出了一種基于框架-插件的軍事仿真系統(tǒng)設(shè)計方法，該方法的關(guān)鍵點在于設(shè)計一種適合本業(yè)務(wù)領(lǐng)域的通用應(yīng)用集成框架和基于框架的仿真業(yè)務(wù)插件設(shè)計原則。前者解決了基于插件的單仿真應(yīng)用系統(tǒng)和多種仿真應(yīng)用快速集成的問題，后者解決了仿真應(yīng)用系統(tǒng)業(yè)務(wù)插件粒度劃分及設(shè)計問題?；凇翱蚣?插件”的設(shè)計開發(fā)方法，使技術(shù)人員更專注于仿真功能模型的開發(fā)，而不必關(guān)心系統(tǒng)集成的事情，縮減了軟件開發(fā)周期，提高了軟件可靠性，由于單元插件、模型功能插件不同粒度的插件都可以復(fù)用，使得仿真插件的復(fù)用率大大提高。同時，由于該架構(gòu)體系具有較高可擴(kuò)展性和易用性，相信其在軍事仿真應(yīng)用領(lǐng)域頗具應(yīng)用前景。

［1］孫昌愛，金茂忠，劉超．軟件體系結(jié)構(gòu)研究綜述［J］.軟件學(xué)報，2002，13（7）：1228-1229.

［2］吳亮，楊凌云，尹艷斌.基于插件技術(shù)的GIS應(yīng)用框架的研究與實現(xiàn)［J］.中國地質(zhì)大學(xué)學(xué)報，2006，31（5）：610-614．

［3］戴仔強(qiáng)，金曉雪，余俊.基于插件的表現(xiàn)集成技術(shù)［J］.指揮信息系統(tǒng)與技術(shù)，2013，4（1）：39．

［4］李祥，吳瑞祥，薛雯.基于插件的可擴(kuò)展戰(zhàn)場態(tài)勢展現(xiàn)框架的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與應(yīng)用，2013.7：80．

［5］王俊，邵堃，劉磊，劉宗田.一種可復(fù)用的插件粒度劃分方法［J］.計算機(jī)工程，2009，35（22）：79-80．

［6］史華明，毛文華.指揮對抗訓(xùn)練信息系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能設(shè)計研究［J］.中國電子科學(xué)研究院學(xué)報，2014，9（2）：149-154．

Ntegration Framework；Plug-in；Simulation System；Plug-in Design

Research on the Design Method of Military Simulation System Based on Framework and Plug-in

LI Chun-rong LIU Xiao
（China Academy of Electronics and Information Technology，Beijing 262500）

1007-1423（2015）22-0071-07

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.22.018

李春榮（1981-），女，山東人，碩士研究生，工程師，研究方向為軍事電子信息系統(tǒng)建模與仿真

2015-06-26

2015-07-31

針對軍事仿真系統(tǒng)模型重用率低、開發(fā)周期長等問題，提出一種基于“框架+插件”的軍事仿真系統(tǒng)設(shè)計方法，給出仿真應(yīng)用集成框架的實現(xiàn)途徑和仿真插件的設(shè)計原則，基于框架和插件設(shè)計原則，展示兩型雷達(dá)模擬軟件的插件設(shè)計和運行效果，證明該方法的切實可行。

集成框架；插件；仿真系統(tǒng)；插件設(shè)計

劉筱（1979-），男，湖南人，本科，高級工程師，研究方向為軍事電子信息系統(tǒng)軟件集成技術(shù)

Modeling&Simulation（M&S）has been widely used in nearly all aspects of Military related fields.However，the low reusability and long development cycle of the models in military simulation system have become emerging problems.Discusses an approach of designing military simulation system based on Framework+Plug-in methodology to address the above problems.In addition，by using this approach to design the Plug-in for two types of Radar detection software，the improved operation effect has clearly demonstrated the applicability and practicability of the proposed Framework+Plug-in method.