基于軟件架構(gòu)設(shè)計的多源信息融合系統(tǒng)

高 義，劉承禹

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊050081;2.二炮裝備研究院，北京100085)

0 引言

多源信息融合，也可稱為多傳感器信息綜合處理，是一種對信息的多層次、多方面的處理過程。多源信息融合系統(tǒng)中各融合節(jié)點對應(yīng)的數(shù)據(jù)源是多種傳感器，由于各傳感器的功能不同、性能各異，它們所能提取的信息也不同。傳統(tǒng)的多源信息融合系統(tǒng)的實現(xiàn)主要是針對融合系統(tǒng)中不同節(jié)點、不同層次、不同信息處理需求等設(shè)計相應(yīng)的軟件，來完成相應(yīng)的融合功能，這種實現(xiàn)方法最終會導(dǎo)致整個信息融合系統(tǒng)異常龐大，融合系統(tǒng)中各部分組成關(guān)系異常復(fù)雜。

為優(yōu)化多源信息融合系統(tǒng)的綜合處理和集成能力，針對多源信息融合系統(tǒng)這一領(lǐng)域工程進行分析，采用目前較為流行的軟件架構(gòu)設(shè)計思路，來設(shè)計一種混合多級式多源信息處理系統(tǒng)架構(gòu)模型。

1 基本概念

1.1 軟件架構(gòu)

軟件架構(gòu)是一種由特定領(lǐng)域的軟件體系結(jié)構(gòu)所決定的軟件構(gòu)造框架，是整個或部分系統(tǒng)的可重用設(shè)計。軟件架構(gòu)都是針對特定領(lǐng)域進行分析，識別這些應(yīng)用的共同特征和可變特征，對刻畫這些特征的對象和操作進行選擇和抽象。

基于領(lǐng)域工程軟件架構(gòu)設(shè)計，首先對多源信息融合系統(tǒng)進行領(lǐng)域需求獲取，構(gòu)建領(lǐng)域模型，進而進行領(lǐng)域設(shè)計，最終完成多源信息融合系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計。

1.2 多源信息融合系統(tǒng)領(lǐng)域分析

目前，多源信息融合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系通常采用3種信息處理結(jié)構(gòu):集中式、分布式和混合式，另外還有一種拓展結(jié)構(gòu):多級式。

對于單級小型融合節(jié)點或中心，大多可采用集中式或分布式融合結(jié)構(gòu)，融合節(jié)點對傳感器數(shù)據(jù)直接或經(jīng)過局部預(yù)處理后，進行數(shù)據(jù)對準、聯(lián)合檢測、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、航跡相關(guān)、航跡合成、特征提取和屬性判定等。

圖1 單級融合節(jié)點結(jié)構(gòu)框圖

對于多級式融合處理系統(tǒng)，具有多個局部融合節(jié)點。各局部融合節(jié)點可以是集中、分布或混合式融合處理中心，它們接收、處理多個(種)傳感器的數(shù)據(jù)，可形成初級的信息融合結(jié)果;系統(tǒng)融合中心或高級融合節(jié)點又可將各局部融合節(jié)點看作為其輸入傳感器，再次對各局部融合節(jié)點傳送來的航跡數(shù)據(jù)(目標屬性)進行關(guān)聯(lián)和合成，形成更準確、全面的融合結(jié)果。

基于多級式的多源信息綜合處理系統(tǒng)框架如圖2所示。

圖2 多級多源信息綜合處理系統(tǒng)框架

圖中單級融合節(jié)點可以是某一類承載平臺，其上的融合處理器對平臺搭載的多種傳感器匯集的數(shù)據(jù)進行融合處理，形成本節(jié)點的初級結(jié)果數(shù)據(jù);多級融合節(jié)點可以是一個區(qū)域信息融合中心或者綜合處理中心，可采用混合式融合處理結(jié)構(gòu)，既可接收初級融合節(jié)點的數(shù)據(jù)，也直接獲得初級融合節(jié)點傳感器的原始數(shù)據(jù)，對這些數(shù)據(jù)的處理可采用特殊的數(shù)據(jù)處理軟件，也可采用與初級節(jié)點相同的融合處理軟件構(gòu)件。

2 多源信息融合系統(tǒng)軟件架構(gòu)設(shè)計

2.1 領(lǐng)域需求分析

通過對多源信息融合系統(tǒng)領(lǐng)域進行分析，從該領(lǐng)域的應(yīng)用模式來看系統(tǒng)需求和功能配置具有顯著的共性，同時不同的應(yīng)用系統(tǒng)(平臺)側(cè)重點以及結(jié)構(gòu)層次又不盡相同。它們的不同點體現(xiàn)在:系統(tǒng)的規(guī)模、結(jié)構(gòu)層級不同，系統(tǒng)的傳感器種類、功能不同，信息融合處理側(cè)重點不同。它們的共性體現(xiàn)在:數(shù)據(jù)級的融合模塊針對同類傳感器數(shù)據(jù)可進行直接處理;特征級融合模塊可針對不同層級的傳感器數(shù)據(jù)進行融合;不同層級的融合節(jié)點對于同類傳感器數(shù)據(jù)的融合算法基本相通;基于數(shù)據(jù)庫的融合信息管理模塊可以通用。

通過以上分析發(fā)現(xiàn)，多源信息融合系統(tǒng)作為特定領(lǐng)域的應(yīng)用，其業(yè)務(wù)方式和業(yè)務(wù)范圍相對比較規(guī)范、穩(wěn)定，雖然對于不同應(yīng)用環(huán)境，其業(yè)務(wù)處理不盡相同，但在業(yè)務(wù)流程以及基本數(shù)據(jù)處理算法上基本都是類似的，其應(yīng)用模式具有非常大的相似性，這一點符合實施軟件架構(gòu)領(lǐng)域工程的前提，即領(lǐng)域特征的相對穩(wěn)定性。基于多源信息融合這一特定應(yīng)用領(lǐng)域，完全可以建立一套合理、可行的該領(lǐng)域軟件架構(gòu)的解決方案，從而改變目前該領(lǐng)域軟件開發(fā)模塊復(fù)雜、研制周期長、擴展能力差和維護困難等現(xiàn)實問題。

2.2 領(lǐng)域設(shè)計

通過對多源信息融合系統(tǒng)架構(gòu)的分析，可以看到對于多級多平臺的信息融合系統(tǒng)可利用軟件構(gòu)件化設(shè)計思想，將各級融合算法模塊進行構(gòu)件化設(shè)計，將特征層和決策層融合方法相結(jié)合，來構(gòu)建多級混合式信息融合系統(tǒng)。

在進行多源信息融合系統(tǒng)領(lǐng)域的通用架構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)該遵循領(lǐng)域工程的基本原則，同時，為了使通用架構(gòu)更加具有生命力，必須考慮到該領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展和需求變化情況，盡可能采用構(gòu)件技術(shù)和設(shè)計模式，以達到最大限度地重用和擴展目的。

根據(jù)對多源信息融合系統(tǒng)的領(lǐng)域分析，提取領(lǐng)域通用架構(gòu)需求，在此基礎(chǔ)上，對領(lǐng)域軟件架構(gòu)進行如圖3設(shè)計。

圖3 多源信息融合系統(tǒng)領(lǐng)域軟件架構(gòu)模型

(1)服務(wù)管理(構(gòu)件管理)構(gòu)件

服務(wù)管理模塊是整個架構(gòu)的核心和支撐，用來管理組成應(yīng)用系統(tǒng)的各個業(yè)務(wù)功能構(gòu)件和架構(gòu)通用構(gòu)件。服務(wù)管理模塊包含一個全局的服務(wù)管理器和若干服務(wù)。

(2)用戶界面管理構(gòu)件

用戶界面管理模塊只是實現(xiàn)了一個架構(gòu)的通用模式，在具體應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)時，開發(fā)者可以開發(fā)具體的應(yīng)用界面。

(3)通信管理構(gòu)件

多源信息融合系統(tǒng)需要對多級融合節(jié)點、多種傳感器的信息進行交互，各應(yīng)用節(jié)點內(nèi)以及應(yīng)用節(jié)點間的通信需求非常復(fù)雜，為了提高系統(tǒng)內(nèi)通信傳輸?shù)男剩枰⒁粋€通用的通信管理平臺。包括:組成應(yīng)用系統(tǒng)和架構(gòu)的各個構(gòu)件之間、各個平臺之間、軟件和傳感器設(shè)備之間的數(shù)據(jù)、消息、指令的交互管理。通信管理并不關(guān)心所接收和分發(fā)的具體信息，僅負責整個應(yīng)用系統(tǒng)內(nèi)部和外部的通信收發(fā)。

(4)數(shù)據(jù)庫管理構(gòu)件

提供增、刪、改、查、備份、恢復(fù)等數(shù)據(jù)管理功能。

(5)傳感器驅(qū)動構(gòu)件

多源信息融合系統(tǒng)要完成一定的傳感器數(shù)據(jù)采集工作，必須指揮控制相應(yīng)的傳感器設(shè)備。在以往的系統(tǒng)開發(fā)過程中，每增加一種新的設(shè)備，或者原有設(shè)備功能改造升級后，往往需要改動相應(yīng)的軟件，以適應(yīng)新的接口和功能需求。為了減少這樣的工作量，在通用架構(gòu)中設(shè)計一個傳感器驅(qū)動管理構(gòu)件。該驅(qū)動構(gòu)件是一類特殊的適配器，它負責將標準的設(shè)備控制命令轉(zhuǎn)換成各種設(shè)備特有的控制指令。針對不同的設(shè)備只需構(gòu)造不同的設(shè)備驅(qū)動構(gòu)件，設(shè)備升級或更換時只需替換相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動構(gòu)件，而無需修改程序的其他部分。

6)業(yè)務(wù)處理構(gòu)件包

業(yè)務(wù)處理構(gòu)件包是多源信息融合系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域需求核心，主要是針對不同傳感器對象、不同融合層級實現(xiàn)相應(yīng)的融合處理功能。包括:目標融合業(yè)務(wù)構(gòu)件包、目標識別業(yè)務(wù)構(gòu)件包和態(tài)勢綜合業(yè)務(wù)構(gòu)件包等。

各業(yè)務(wù)處理構(gòu)件以插件形式集成在多源融合信息系統(tǒng)框架中，不同應(yīng)用領(lǐng)域、不同融合節(jié)點層級可根據(jù)需要進行靈活組件，這樣既能滿足不同融合系統(tǒng)的業(yè)務(wù)需求，又保持了整個系統(tǒng)框架標準統(tǒng)一，有利于靈活配置、系統(tǒng)維護。

3 通用構(gòu)件實現(xiàn)

3.1 通用構(gòu)件提取

為增強系統(tǒng)的復(fù)用性、可擴展性，提高系統(tǒng)的運行效率，將系統(tǒng)中一些公共的、使用頻度較高的模塊抽取出來通用化，形成系統(tǒng)通用的構(gòu)件庫。隨著系統(tǒng)架構(gòu)模型的不斷完善，通用構(gòu)件庫中的構(gòu)件可以不同的升級和完善，同時新的構(gòu)件可以不斷地增加進來。

領(lǐng)域通用構(gòu)件的提取一般分為3個步驟:① 標識構(gòu)件和操作;②對構(gòu)件進行抽象，將分解后的實體所擁有的共同屬性抽象出來。③構(gòu)件的分類、合并和優(yōu)化。

下面以最常用的數(shù)據(jù)庫管理構(gòu)件為例說明通用構(gòu)件設(shè)計實現(xiàn)方法。

3.2 通用構(gòu)件設(shè)計

3.2.1 數(shù)據(jù)庫管理構(gòu)件需求分析

數(shù)據(jù)庫管理構(gòu)件完成數(shù)據(jù)庫表的查詢、新增、編輯、刪除、打印和數(shù)據(jù)庫的備份、恢復(fù)功能。由于該構(gòu)件可以依據(jù)不同的數(shù)據(jù)庫構(gòu)成和權(quán)限，分配對不同庫表的操作權(quán)限，因此構(gòu)件設(shè)計時，必須滿足以上的要求。

3.2.2 數(shù)據(jù)庫管理構(gòu)件設(shè)計實現(xiàn)

數(shù)據(jù)庫維護構(gòu)件的開發(fā)完全基于COM技術(shù)規(guī)范，由于該構(gòu)件定位在嵌入其它軟件內(nèi)，因此采用進程內(nèi)方式。由于以往信息處理領(lǐng)域軟件中的數(shù)據(jù)庫都使用Oracle數(shù)據(jù)庫，在此選用OO40實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的連接、數(shù)據(jù)集的訪問等功能。

數(shù)據(jù)庫管理功能可提取的公共模塊包括:增、刪、查、改等，其中數(shù)據(jù)庫查詢功能是通用構(gòu)件中重要部分，下面以數(shù)據(jù)庫查詢功能為例，說明其實現(xiàn)過程。

數(shù)據(jù)庫查詢功能可分為無條件查詢和條件查詢2種類型。查詢功能中一個關(guān)鍵技術(shù)是動態(tài)SQL語句生成。這其中的難點又是過濾條件的生成。根據(jù)用戶所選字段的類型不同，相應(yīng)的該字段的組合條件也不同。當用戶選擇多個條件時，各個條件之間還要依靠連接符進行連接。連接符最常用的就是與(＆＆)和或(||)。

實現(xiàn)條件查詢的部分代碼如下:

4 結(jié)束語

通過對軟件架構(gòu)技術(shù)基本理論和方法的介紹，針對多源信息融合系統(tǒng)工程領(lǐng)域的應(yīng)用分析，設(shè)計了一個基于軟件架構(gòu)體系的多源信息融合系統(tǒng)框架模型，從系統(tǒng)角度對混合多級式多源信息融合系統(tǒng)的構(gòu)建提出了一種新的設(shè)計思路。

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