基于框架-插件架構的軍事仿真系統設計方法研究

李春榮，劉筱

（中國電子科技集團公司中國電子科學研究院，北京262500）

基于框架-插件架構的軍事仿真系統設計方法研究

李春榮，劉筱

（中國電子科技集團公司中國電子科學研究院，北京262500）

0　引言

隨著計算機技術的發展，軟件體系結構和開發方法也在發生著重大變化，近年來，以“框架+插件”為代表的軟件構造方法正得到越來越多的應用?！翱蚣?插件”式體系結構是一種非常靈活的組件式結構，它把程序功能分散在插件中來完成，插件是可獨立于系統開發的程序模塊，它能夠動態地插入到基于框架的系統中。因此，它有著相當突出的優點：能夠提高軟件開發的并行性和開發效率，降低設計開發難度，縮短開發周期，增強應用程序的可運行性、可測試性和可維護性［1］，在業界廣受推崇。

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

1　仿真應用集成框架實現

框架-插件架構的基本思想是把軟件的擴展功能做成插件的形式，通過一個公共平臺（即框架）統一管理起來［2］。插件針對標準接口編程，框架通過調用標準接口把不同的插件有機集成起來，使它們協同工作。插件的本質是在不修改主體程序（框架）的情況下，實現系統功能的擴展，同時也可以由一組插件共同協作完成系統的全部功能。

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，基于框架開發的仿真應用系統由若干功能插件組成，進行仿真應用系統集成時只需在該框架下將插件按信息關系進行逐步組裝即可完成，同時，該框架還支持復合應用的集成，即在一個EXE集成框架內實現多個仿真應用的集成，協調多個仿真應用組合的展現操作內容［3］。

仿真應用集成框架由仿真框架主體、插件容器和插件開發規范三部分組成，見圖1，仿真框架主體和插件容器是構成仿真應用系統的主體，而插件開發規范是用來指導基于該框架的插件開發。

圖1　仿真應用集成框架組成

（1）框架主體：系統主程序負責仿真軟件的整體運行，它清楚插件的調用流程，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用需要使用的插件，通過插件管理器加載和調用插件，來實現軟件的真正功能，其中，插件管理器由以下幾個模塊組成：

①插件接口插槽：負責插件的動態加載及初始化，實現與插件的動態掛接；

②窗體消息管理：負責仿真應用系統窗體消息的訂購及發布，根據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：負責插件的注冊和查詢，加載完成的插件在系統中通過唯一標識進行注冊，其他插件可以通過標識來查詢已注冊的插件；

④接口注冊管理：負責插件實現的公共服務接口的注冊和查詢，插件通過接口公布自身提供的服務集合，其他插件通過接口注冊管理來獲取接口，使用服務；

⑤界面管理：根據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：負責插件間消息的發布、訂購和傳遞，各類消息具有唯一標識，插件根據需要訂購消息，當其他插件發送該消息時，插件會收到消息回調。

（2）插件容器：統一存放插件的地方，仿真系統運行時，根據插件配置在該容器中查找相應插件完成插件動態加載。插件在實現自身功能的同時也可以注冊接口，為其他插件提供服務，本框架將插件分為兩類，基礎服務插件和仿真業務插件。

①基礎服務插件：應用集成框架提供了態勢標繪、線程管理、空間位置計算和地圖工具操作插件4個基礎服務插件，對外提供服務接口，供其他插件調用；

②仿真業務插件：與仿真應用軟件功能、業務邏輯緊密相關的插件，如流程控制插件、仿真模型插件等。

（3）插件開發規范：規定了基于仿真應用集成框架開發插件的一系列開發規范。

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

②服務接口集：供插件開發使用，由遵循插件接口規范的接口描述文件構成。

仿真應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），通過插件的標準繼承函數即可實現，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，在功能插件中實例化了這些虛函數，當有相應的消息事件發生時，仿真框架主體就會回調相應插件的處理函數執行處理，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消息。插件間的通信方式有兩種，主動獲?。ú寮涌谡{用）與被動接收（消息的發布-訂購機制）。無論哪種方式，都需要一塊內存區域來存儲通信的“信息”。圖3示意了插件間如何通信，插件間通信主要應用于兩種場景：①某一插件狀態發生改變通知其他插件，即消息的發布-訂購；②某插件要將導出對象信息傳給依賴于它的插件，指插件接口調用［4］。

2　基于框架的仿真系統設計

采用基于框架的插件式開發方法最大的特點是實現軟件的“即插即用”和“組裝”，提高插件的復用性，然而增強插件的復用性不僅需要插件內部良好的設計，更需要對仿真業務功能進行合理的劃分，對插件粒度進行合理的掌握，本文給出以下3條仿真業務插件的設計劃分原則。

圖3　插件間通信

（1）分層原則

本文將仿真業務插件分為三個層次，如圖4所示，基礎服務插件層、仿真模型插件層和仿真應用插件層?；A服務插件為與領域無關的通用服務，可由框架提供，也可由用戶根據業務需要自行開發；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；仿真應用層建立在仿真模型插件層基礎上，負責業務界面的顯示及協調調度仿真模型插件完成軟件功能。

圖4　仿真業務插件層次劃分

（2）分離原則

為實現軟件“高聚合，低耦合”的目標，軟件軍事仿真系統在設計上應遵循軟件三層架構的設計原則，即在整個軟件層次上分為表現層、業務邏輯層和數據訪問層。表現層主要用于顯示數據和接收用戶輸入；業務邏輯層是整個系統架構中最核心的部分，它包括仿真實體模型及對于整個實體模型算法的控制調度；數據訪問層主要負責對于仿真系統共用數據的管理和維護。

（3）特殊應用考慮原則

有些仿真系統在運行時有特殊應用需求，對于這一點在進行插件劃分時要給予充分考慮，如要求能夠調速1～50倍運行，此時，需要考慮仿真流程調度頻率問題，眾所周知，計算模型消耗計算機資源相對較少，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速運行，而繪圖顯示一般按照固定的頻率進行刷新，以保證足夠的系統資源支持模型加速運行。

基于仿真插件設計劃分原則，本文將仿真業務插件劃分為如圖5所示的分類及層次結構，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：隔離底層通信平臺，負責仿真應用軟件與外部軟件的交互信息的接收和發送；

（2）時間管理：負責系統作戰時間和天文時間的維護，并對外提供時間服務接口；

（3）參數獲?。贺撠煼抡鎽密浖渲眯畔ⅰ⑾鄳畔⒌葦祿墨@?。?/p>

（4）模型算法：是對仿對象行為、決策等的抽象，如雷達監測、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行為的流程組織［6］；

（6）數據管理：管理仿真模型算法、仿真實體的描述數據、輸入及輸出數據，并負責數據的存儲和獲?。?/p>

（7）界面顯示：負責仿真軟件界面操作元素的創建和顯示，如操作對話框、工具條等；

（8）信息顯示：負責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）仿真流程調度：依據仿真進程控制（仿真初始化、開始、停止等），控制仿真軟件的狀態，組織調度各插件協同完成軟件功能。

3　應用案例

在某大型仿真系統項目中，利用“仿真應用集成框架+仿真插件”的系統開發方式實現了某機載雷達和天波超視距雷達模擬軟件，主要模擬該兩型雷達對空、海目標的探測和跟蹤能力，兩個軟件的輸入、輸出接口一致，仿真控制過程一致，不同的是兩型雷達的工作機理不同。

經過對該兩型雷達的工作機制和仿真流程進行分析，開發圖6所示14個功能插件，基于這些插件組裝，分別組裝成某機載雷達模擬軟件和天波超視距雷達模擬軟件，如圖7、圖8所示。

（1）軟件顯示單元動態組裝效果

在機載雷達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模擬軟件的插件配置文件中刪除兩個信息顯示相關插件，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添加、刪除的。

圖6　雷達探測系統軟件仿真業務插件

圖7　某機載雷達模擬軟件插件組裝圖

圖8　天波超視距雷達模擬軟件插件組裝圖

圖9　某機載雷達模擬軟件插件組裝圖

圖10　天波超視距雷達模擬軟件插件組裝圖

（2）復合應用組裝效果

在機載雷達仿真應用中集成天波超視距雷達應用的功能，只需將機載雷達模擬軟件插件配置文件中添加四個天波雷達專用業務插件的配置，并將這四個插件放入機載雷達模擬軟件的插件容器中，其運行效果如圖11所示。

圖11　復合應用插件組裝圖

4　結語

本文提出了一種基于框架-插件的軍事仿真系統設計方法，該方法的關鍵點在于設計一種適合本業務領域的通用應用集成框架和基于框架的仿真業務插件設計原則。前者解決了基于插件的單仿真應用系統和多種仿真應用快速集成的問題，后者解決了仿真應用系統業務插件粒度劃分及設計問題?；凇翱蚣?插件”的設計開發方法，使技術人員更專注于仿真功能模型的開發，而不必關心系統集成的事情，縮減了軟件開發周期，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用，使得仿真插件的復用率大大提高。同時，由于該架構體系具有較高可擴展性和易用性，相信其在軍事仿真應用領域頗具應用前景。

［1］孫昌愛，金茂忠，劉超．軟件體系結構研究綜述［J］.軟件學報，2002，13（7）：1228-1229.

［2］吳亮，楊凌云，尹艷斌.基于插件技術的GIS應用框架的研究與實現［J］.中國地質大學學報，2006，31（5）：610-614．

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

［4］李祥，吳瑞祥，薛雯.基于插件的可擴展戰場態勢展現框架的設計與實現［J］.網絡安全技術與應用，2013.7：80．

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

［6］史華明，毛文華.指揮對抗訓練信息系統結構及功能設計研究［J］.中國電子科學研究院學報，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建模與仿真

2015-06-26

2015-07-31

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

集成框架；插件；仿真系統；插件設計

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軟件集成技術

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.