一种综合电子信息系统仿真集成设计方法研究

肖双爱，蒋其艺，吴静，吴浩

（中国电子科学研究院，北京 100041）

一种综合电子信息系统仿真集成设计方法研究

肖双爱，蒋其艺，吴静，吴浩

（中国电子科学研究院，北京 100041）

针对综合电子信息系统仿真模型重用、柔性重组等需求，分析研究基于插件的模型集成方法、基于软总线的模型集成方法和系统集成方法，提出基于插件的分布式仿真集成方法，并在实际项目中进行实践检验。

仿真；集成；插件；软总线

0 引言

建模仿真技术作为认识世界改造世界的一种方法手段，在综合电子信息系统规划论证、系统研制、操作训练等方面发挥着重要作用。综合电子信息系统是多种电子信息系统的综合集成，具备许多功能，如指挥、控制、通信、情报、监视、导航、定位、电子战、信息战等[1]，系统规模庞大，信息交互复杂。综合电子信息系统仿真是典型的大型复杂系统仿真，在对其仿真设计和集成过程中，仿真模型重用、系统柔性重组、架构开放可扩展的需求日益明显。

插件式软件体系结构在软件重用研究中一直备受瞩目，为解决仿真模型重用以及柔性组合问题，本文参考借鉴其思想和做法，研究了基于插件的模型集成方法；为解决系统的可伸缩性和可扩展性，应用ICE中间件技术，自研开发了仿真集成软总线，并研究了基于仿真集成软总线的模型集成方法和系统集成方法，实现了网络环境中分布式仿真系统集成。分析大型复杂信息系统的仿真需求，将插件式模型集成和总线式集成方式结合，提出基于插件的分布式仿真综合集成方法。

1 基于插件的模型集成方法研究

插件式体系结构是一种方便灵活的软件体系结构，它将程序分为主程序和若干扩展模块（即插件），主程序处理插件通信和功能调用，插件负责实现具体功能，各插件物理上互相独立，逻辑上可互相协同，实现软件的“即插即用”和“组装”[2-3]。

基于插件的模型集成是借鉴插件式软件体系结构的思想，将仿真模型分解成为若干组成部件，采用插件开发技术，将这些组成部件封装成若干插件，再通过模型插件式集成框架生成具体仿真模型应用。仿真应用集成框架是针对军事仿真领域插件式软件开发和集成设计的自研基础平台，它能够动态集成按照插件开发规范开发的插件，支持以插件为单元的系统动态组装[4]。如图1所示，基于插件式的的模型具体集成过程具体为：

①模型功能组件分解和接口定义；

②通用、专用组件归类；

③将各模型组件按照插件开发规范开发封装成若干模型插件；

④单个模型插件插入模型集成框架，实现某个仿真功能；

⑤将模型插件两两插入模型集成框架，进行双边调试和功能集成；

⑥将所有插件按照一定顺序逐一插到模型集成框架，进行系统综合能力验证，实现整个信息系统仿真。之后还可根据需求增补插件，逐步扩展系统功能，增强系统功能。

图1 基于插件的仿真模型集成过程

基于插件的模型集成方式方便地支持系统功能扩展和系统功能增强，尤其适用于综合装备或系统、复杂装备或系统等在集中紧凑型仿真系统中的集成。在集中紧凑型仿真系统中，存在模型功能整体展现性强，资源紧张，功能相似重复较多等特点。基于插件的模型集成方式可以根据仿真展示需要，将若干模型插件集中一个台位上进行显示；可以根据计算机的资源情况，灵活组合配置运行的仿真模型插件；可以将一些功能相似和功能重复部分统一开发、封装并统一调用，不仅大大节约人力资源，还会大大提升运行效率。

2 基于软总线的仿真系统集成技术研究

2.1 仿真系统集成软总线研究与设计

（1）基础背景

中间件（middleware）是一种独立的系统软件或服务程序,分布式应用软件借助这种软件可在不同的技术之间共享资源[5]。ICE（Internet Communications Engine），是ZeroC公司推出的分布式对象产品，具有跨平台、跨语言和高效的性能，是强大的分布式系统集成中间件[6]。 因此本文基于ICE设计研发了仿真集成软总线。

（2）组成结构设计

仿真集成软总线包括系统运行总线服务和系统接入框架两部分。系统运行总线服务采用网络通信的TCP、UDP单播、UDP多播和UDP广播技术，ICE RPC分发数据技术，ICE Slice消息定义技术，数据发布订阅技术等，构建了分布式仿真系统数据传输软总线，具备分布式、无中心、自组织、跨平台、高效稳定的特点。系统接入框架基于系统运行总线的服务，提供成仿真员接入系统运行行为控制、系统运行状态控制以及模型消息和分布式对象定义等，可为已有系统和新研系统提供快速集成的软件框架和基础服务。

（3）使用模式设计

系统运行总线服务以总线核心运行库形式为总线成员提供使用，各模型软件通过总线核心运行库进行接入总线。如图2所示。总线核心运行库在运行后通过分布式的订阅发现机制在网络上形成逻辑的运行总线，支持分布式、无中心的数据发布订阅。

图2 系统运行总线使用模式

系统接入框架集成了运行总线服务，以库的形式为仿真系统成员提供使用。如图3所示。仿真系统成员软件通过集成系统接入框架库，获取服务。

图3 系统接入框架使用模式

（4）主要运作流程

系统运行总线服务负责仿真集成软总线的数据传输，系统接入框架负责仿真集成软总线的应用控制。按照仿真系统中软件的功能角色，可将其分为系统控制成员和普通应用成员。控制成员可控制系统成员加入或退出系统，对系统运行状态进行控制。普通应用成员主要模拟仿真对象功能，实现系统具体仿真应用。仿真集成软总线中的系统接入框架，需要根据仿真软件角色，提供相应的控制服务。主要运作流程见图4和图5所示。

系统成员接入控制：系统成员的接入控制基于总线核心库的消息分发服务实现，主要流程如图4所示。系统成员向系统接入框架库发起成员接入调用，系统接入框架通过总线核心库以消息的方式向系统运行控制软件发送成员加入信息，系统运行控制处理后返回结果。总线核心库以消息的方式接受成员加入结果，并将通过消息接收入口反馈给系统接入框架。系统接入框架回调系统成员，通知成员接入的结果。系统接入框架通过总线核心库通用的数据分发服务，提供支持系统运行的各类服务。

系统运行状态控制：系统运行状态控制流程如图5所示。系统运行控制软件使用系统接入框架获取系统运行总线服务，通过与系统接入框架配合对系统的状态进行控制。各系统成员软件通过系统接入框架库接入系统运行总线，接收系统运行控制软件的控制。

2.2 基于仿真集成软总线的集成方法

图4 系统成员接入控制运作流程

图5 系统运行状态控制运作流程

（1）集成对象范围

基于仿真软总线的集成方法可应用于网络环境中分布式仿真系统集成，也可应用于具体仿真程序应用内部集成。基于仿真软总线的仿真系统集成就是基于仿真软总线对同一仿真系统中不同应用领域和问题的模型进行接合，协同构成一个具体仿真应用体系。例如将雷达模型、通信模型、指控模型集成为一个综合电子信息仿真系统。基于仿真软总线的仿真程序应用集成就是基于仿真软总线对同一仿真应用的若干个组成程序软件进行连接，共同模拟完成一个具体仿真对象。例如：雷达模型分为雷达显控模型与雷达处理模型两个模型软件，这两个模型软件之间通过仿真集成软总线进行内部信息交互与集成，共同完成雷达仿真模拟。

（2）集成过程与方法

仿真系统层面集成要依赖仿真集成软总线的系统接入框架和系统运行总线服务，仿真对象程序应用内部集成只需仿真集成软总线的系统运行总线服务。当基于仿真软总线集成的仿真应用，集成到分布式仿真系统中时，也可根据需要创建若干条运行总线，具体见图6所示。

图6 基于仿真集成总线的模型集成示意图

系统层面集成主要内容和过程为：

①规定通信协议，配置启动总线服务，各系统模型连接同一服务，实现通信层面连接；

②使用系统接入框架，系统控制作为服务端发布控制逻辑，各仿真应用响应控制指令，完成系统控制管理，实现系统一致运行和统一监控；

③各系统模型软件通过总线服务，进行信息交互，实现系统功能集成。

仿真模型内部集成主要内容和过程为：

①规定通信协议，配置启动总线服务，各模型组成软件连接同一服务，实现通信层面连接；

②各模型组成软件通过总线服务，进行信息交互，实现具体应用组成部件集成。

3 基于插件的分布式仿真集成设计方法

大型复杂信息体系仿真集成面临仿真对象系统组成庞大、信息关系复杂，且仿真开发资源和环境资源也有限，但仿真计算展示需求又较高的问题，其中既包括分布式仿真系统集成，也包括集中式仿真席位集成。

基于仿真集成总线的模型集成面向的是分布式仿真应用集成问题，基于插件式的模型集成面向的是集中式仿真应用集成问题。通过插件式仿真集成可实现模型组件的重用和柔性组合；通过总线集成可提升仿真性能容量，扩展仿真系统规模，提高仿真推演能力。因此本文将两种集成方式结合，提出基于插件的分布式仿真集成方法，架构设计如图7所示。这种集成方法一方面可提高系统仿真展示推演能力，一方面又兼顾提高了仿真系统开发构建效率，为解决大型复杂信息体系仿真应用集成提供一种高效实用的方法。

图7 基于插件的分布式仿真集成架构设计

主要集成过程为：

①总体规划体系仿真中插件式集成仿真系统、总线集成式仿真系统；

②插件式集成仿真模型系统设计、内部集成；

③总线集成式仿真模型系统设计、内部集成；

④基于插件式集成的仿真模型/仿真系统通过大系统仿真集成总线加入体系仿真；

⑤基于仿真软总线集成的仿真模型/仿真系统通过大系统仿真集成软总线加入体系仿真；

⑥插件式仿真系统与总线集成式仿真系统共存的体系仿真系统通过大系统仿真集成软总线进行信息交互，实现体系仿真集成。

4 应用案例

某项目需要开展由若干搭载雷达、AIS、ADS-B、电磁感知、环境探测等设备的综合信息系统组成的信息体系仿真，项目中不仅要求对每个综合信息系统节点要素进行建模仿真，还需对整个信息体系能力进行仿真试验。

在项目实际开发和集成中，对综合信息系统节点的仿真模拟采用了基于插件的集成方式和基于总线的集成方式两种方法；整个信息体系的集成采用了基于总线的集成方式。具体方法是：将综合信息系统节点的各组成设备分解成一个个计算类组件和显示类组件，然后将各个组件封装成若干插件，之后将计算类插件插入到一个模型计算框架中集成为后台计算模型，显示类插件插入到一个模型界面集成框架中集成为前台显示模型，后台计算模型与前台显示模型通过总线集成为一个完整信息节点仿真模型。信息节点仿真模型通过集成总线集成为一个信息体系仿真系统。主要应用情况如图8、图9、图10所示。

图8 仿真插件集成配置结果图

5 结语

本文针对综合电子信息系统仿真模型重用、系统柔性重组等需求，分析了插件式软件体系结构以及基于消息中间件的系统集成技术，研究了基于插件的模型集成方法、基于软总线的模型集成方法和系统集成方法，提出了基于插件的分布式仿真集成方法，为大型复杂信息系统网络环境中分布式仿真系统集成提供了一种高效实用的方法，可为大型复杂信息系统仿真提供设计参考。

图9 仿真插件组装运行示意图

图10 仿真系统总体集成运行示意图

[1]童志鹏，刘兴等编著.综合电子信息系统——信息化战争的中流砥柱[M].北京：国防工业出版社，2008.

[2]徐宏兴.插件体系结构软件开发方法研究.四川大学，2005.

[3]王俊，邵堃，刘磊等.一种可复用的插件粒度划分方法[J].计算机工程，2009，35（22）.

[4]李春荣，刘筱.基于框架——插件架构的军事仿真系统设计方法研究[J].现代计算机，2015.08上.

[5]周园春，李淼，张建等.中间件技术综述[J].计算机工程与应用，2002.15.

[6]王宁，王铮.ICE插件技术研究[J].计算机技术与发展，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

肖双爱（1977-），女，河北献县人，高级工程师，研究方向为系统仿真、系统设计等

蒋其艺（1988-），男，四川都江堰人，助理工程师，研究方向为系统仿真、应用软件等

吴静（1959-），女，江苏丰县人，研究员级高级工程师，研究方向为信息系统总体、系统仿真、应用软件等

吴浩（1982-），男，四川泸定人，高级工程师，研究方向为系统仿真

2016-06-25

2016-07-01