測控數據實時監測軟件設計方法研究

童 艷，朱 丹

(中國人民解放軍91550部隊，遼寧 大連 116023)

測控數據實時監測軟件設計方法研究

童 艷，朱 丹

(中國人民解放軍91550部隊，遼寧 大連 116023)

測控數據實時監測軟件是測控系統中的關鍵分系統之一，承擔著大量測控信息的實時監視任務，由于其監測的數據具有信息量大、發送頻率高、種類多樣等特點，如何提升軟件的性能和效率，成為了測控軟件領域的一項重要課題；為實現該軟件信息監測功能實時、全面、可靠，從軟硬件平臺、軟件架構和算法設計等方面開展研究；采用多線程設計實現大量并行數據的接收，利用面向對象程序設計方法使數據處理層和展現層分離，對有曲線顯示需求的數據存儲方法進行了算法優化，從而實現軟件的全面效能提升設計；設計的軟件經實際環境測試，設計方法能夠有效提升軟件的效能，保證了測控數據監測功能的實時性和可靠性，增強了測控數據實時監測軟件的數據承載能力；同時該方法設計的軟件具有較好的可擴展性和可維護性。

高效能；測控；實時監測；面向對象；算法優化

0 引言

測控數據實時監測軟件是測控任務中用于實時監視測控數據信息必不可少的應用軟件之一，在測控數據實時處理系統中，是為測控任務指揮人員提供目標實時飛行信息以及測控系統運行情況的窗口[1]，是測控指揮員的眼睛。由于測控目標通常具有飛行速度快、測控信息量大、安全控制標準極高等特點[2]，對其測控數據實時監測軟件的實時性和可靠性要求會隨之提高。因此，在測控數據監測軟件的研制過程中，需要考慮測控數據信息量大、頻率高、種類復雜等特點，采取必要的手段最大限度的提高軟件效能。

1 影響軟件效能的因素

軟件效能是指軟件在一定條件下實現特定功能的能力和運行效率。影響軟件效能的因素有很多，有確定的和不確定的。本文立足于分析影響軟件效能的確定性因素，分析其對軟件效能的影響，力求在軟件設計研究中，實現軟件的高效能。

1.1 軟件運行的軟硬件平臺

1.1.1 硬件平臺

現如今計算機硬件設備發展迅猛，作為計算機硬件核心的CPU，已經從單核發展為雙核，甚至多核，使得計算機的并行處理速度顯著提升，內存配置也普遍達到4-16GB。因此，無論是計算機內存容量還是處理器速度都不能成為軟件發展的瓶頸。

1.1.2 軟件平臺

桌面操作系統主要分為兩大類，分別為類Unix操作系統和Windows操作系統。

其中，Windows操作系統以其在桌面操作方式和界面程序開發上占有絕對優勢，成為目前最流行的系統，具有豐富的開發平臺供選擇。

1.2 軟件結構

在收集到軟件需求之后，軟件架構工作就開始了。如果把軟件開發比喻成蓋房子，那么軟件的架構就是打地基和搭建框架，由此可以看出軟件結構設計的重要性。一個好的軟件架構師在軟件開始研發時，能夠為日后軟件的效能提升奠定堅實的基礎。軟件架構需要把系統作橫向和縱向的板塊劃分。板塊劃分的好處是任意板塊的變化可以局限在這一板塊，不會影響到其它板塊的設計。另外，板塊劃分可以使復雜的軟件功能和數據處理流程變得清晰而具有條理性。

值得一提的是，軟件架構的目標是：可靠性、安全性、可擴展性、可定制化、可維護性等。因此，這也是軟件架構時需要把握的原則。

1.3 軟件所采用的算法效率

作為軟件開發人員，我們都知道，同樣的功能可以通過不同種算法來實現。而不同的算法其運行效率是不一樣的。不得不承認有時一個優秀的算法能夠比普通算法提高軟件運行效率數十倍甚至上百倍。

然而，好的算法固然重要，但一味的從理論角度去研究提高算法效率，而不考慮實際應用環境是不科學的，事實上，算法適用才是最重要的。換言之，軟件所采用的算法與其應用的環境匹配度越高，軟件的運行效能才能達到最優。因此，采用什么算法，是要通過對軟件應用環境的透徹分析來決定的。例如，有時時間效率和空間效率在算法實現上會有對立，這時候就要根據實際需求做出合理的折中。

1.4 程序代碼的優化及其它

眾所周知，通過優化程序代碼可以節省更多存儲空間和運行時間。好的編程習慣也可以提升軟件運行效率。隨著測控任務執行密度和并發度的不斷加深，測控軟件準備實施的高效率能力也面臨考驗[3]。因此，對測控軟件功能的模塊化設計和組件提取技術近年來得到發展[4-5]，不但提升了軟件的開發效率，其模塊化封裝也有利于軟件的可靠性和穩定性。

2 測控數據實時監測軟件的效能提升設計

結合測控數據實時監測軟件的應用需求，通過對以上影響軟件運行效率四大因素的分析，主要從以下幾個方面提升測控數據實時監測軟件的效能。

2.1 軟硬件平臺的選擇

為滿足實時處理能力，硬件平臺選擇酷睿3.6 GHz雙核CPU，4 GB內存。

為滿足測控信息多樣化顯示需求，軟件平臺選擇Windows 2007操作系統，編程環境基于VC++集成MapInfo地理信息管理系統，有利于實現包括電子地圖背景下測控目標軌跡的測控信息監測界面，全方位多角度展現測控目標軌跡、參數以及測控設備的測量信息，供測控技術人員和指揮人員了解測控系統運行情況和作出重要決策。

2.2 軟件架構

2.2.1 按照信息源設計多線程處理程序

測控信息監測軟件的信息源通常包括光測、雷測、GPS/BD等外測設備測量數據、遙測設備測量數據、發射艦軌跡信息、實時數據處理節點的中間結果信息以及配合測控的其它指揮控制中心的交換信息。這些信息同時以1 Hz-20 Hz的不同頻率通過組播方式被轉發到數據處理中心的主干網上，它們屬于不同的組播地址，測控數據監測軟件從主干網上接收這些信息，通過信息校驗及解析，最終需要把所有信息以地圖、表格、曲線、示意圖等形式直觀的顯示出來。作為測控指揮決策依據，顯示的數據必須全面，不能有漏點。因此，對其可靠性和實時性要求較高。

由于信息源發送信息的并行性，設計多線程處理程序，提升軟件的運行效率[6]。設計每個線程對應一個信息源接收，從而保證數據接收的實時性。多線程數據接收模型如圖1所示。

圖1 多線程數據接收模型

2.2.2 采用面向對象的數據處理方法

由于數據種類繁多，對接收的數據需要分類存儲和顯示。為保證實時性，采用數據處理層和展現層分離的方式，設計數據接收類和數據顯示類，如圖2所示，它們之間用消息和共享內存達到同步通信的目的[7]。為了防止內存使用沖突，采用同步讀寫鎖的方式共享內存數據。

圖2 面向對象數據處理結構設計

其中，數據接收類按照不同數據幀格式解析數據并存儲，供數據接收線程調用。數據顯示類是基于多文檔應用程序創建的多個窗口顯示類，屬于主線程類。由于數據接收類和數據顯示類屬于不同線程，如此可以充分發揮計算機并行處理能力，大大提高軟件數據處理與顯示的效率。

2.2.3 實時測控數據監測算法優化設計

由于接收數據的頻率為1～20 Hz，而顯示頻率需求為4 Hz，因此，在主線程設置定時器以控制窗口刷新頻率為4 Hz。同時根據組播組數由主線程創建多個數據接收線程。每個數據接收線程在完成網絡初始化工作后開始等待網上數據信息。當收到網上數據時，調用數據接收類，對信息進行分類解析。對需要以表格、示意圖等方式顯示的信息直接存儲到相應的共享內存數據結構中。而對于需要以曲線顯示的數據，由于接收頻率(20 Hz)大于顯示刷新頻率(4 Hz)，需要將其以20 Hz的頻率積累存儲，以4 Hz頻率刷新顯示。考慮到數據量大，存儲頻率高，將其交由較為空閑的數據顯示類處理，通過消息驅動數據顯示類存儲曲線數據。數據顯示類的消息響應函數調用其對應的文檔結構類，采用MFC類庫提供的CObArray類動態存儲數據，供數據顯示類在收到定時器發送的窗口刷新消息時作為曲線數據源使用。其算法流程如圖3所示。

圖3 實時測控數據監測算法流程

主要實現過程如下：在VC++ 環境下創建工程Project，建立多文檔應用程序。在CProjectApp::InitInstance()函數中創建線程如圖1，并用如下語句設置定時器：

SetTimer(hSJWnd,1,250,NULL);

其中hSJWnd為定時器響應窗口句柄。該窗口中的定時器響應函數為void CSJView::OnTimer(UINT nIDEvent)，在該函數中向各窗口發送窗口刷新消息如下：

SendMessageTimeout(hXXXWnd,WM_XXX,0,0,SMTO_ABORTIFHUNG,100,NULL);

hXXXWnd為各窗口句柄，WM_XXX為消息。

線程響應函數設計如下：

UINT ReceiveXSD ata_JDXX(LPVOID lpParam)

{

// 聲明局部變量 // 初始化客戶端 // 初始化服務器端 //

……

//加入組地址//

WSAJoinLeaf(m_socks,(SOCKADDR*)&m_sevaddr,sizeof(m_sevaddr),NULL,NULL,NULL,NULL,JL_RECEIVER_ONLY)

// 初始化網絡事件 //

……

// 接收網絡數據信息 //

while(1)

{// 等待網上信息 //

Index = WSAWaitForMultipleEvents(2,EventArray,FALSE,WSA_INFINITE,FALSE);

WSAEnumNetworkEvents(m_socks,EventArray[Index - WSA_WAIT_EVENT_0],&NetworkEvents);

……

if(NetworkEvents.lNetworkEvents & FD_READ)

{

……

re=recvfrom(m_socks,pBuff,MAXBUFFSIZE_JD,0,(LPSOCKADDR)&m_from,&clilen);

pBuffer=&pBuff[0];

PackOK=bufferpool.DispartPack(pBuffer);//調用解包類函數

……

}

}

}

各窗口中的曲線類數據存儲過程如下(以脈沖雷達測量數據為例)：

void CMCView::OnMC(WPARAM wParam)//積累存儲消息響應函數

{ CXXXDoc* pDoc =(CXXXDoc*)GetDocument();

pDoc->AddXXXLine(j,m_t[j],cl.mc[j].R*0.001,cl.mc[j].A,cl.mc[j].E,cl.mc[j].VR,zt);

……

}

其中，AddXXXLine為CXXXDoc類中設計的數據存儲函數，除此函數之外還設計了GetXXXLine、GetTotalXXXLine等函數對CObArray對象進行讀寫操作，便于完成數據存儲和顯示。

2.2.4 軟件基類模型設計

雖然測控軟件接收的數據種類繁多，但按照其數據種類可以劃分為：測量設備數據、軌跡坐標數據、遙測參數、中心交換數據等。按照這些數據的不同顯示需求，利用C++語言提供的繼承機制，設計不同的顯示基類，包括：曲線顯示基類、表格顯示基類、曲線表格顯示基類、電子地圖顯示基類，這樣做有利于提高軟件開發效率，保證系統穩定性[8]。同時采用配置文件管理方式，靈活配置設備數量、目標數量、遙測參數等。這樣做不但能提高軟件維護效率，還有利于提高軟件復用能力，為不同型號目標的測控數據實時監測軟件開發提供技術支持。

3 軟件測試結果

在實際測控系統中搭建測試環境，測試數據配置情況如表1所示。以25路原始測量數據、7路節點數據、2路中心交換信息進行測試，基于UDP/IP以組播方式發送，數據發送頻率為1～20 Hz。軟件測試結果表明，軟件能夠正確接收測控信息并顯示，對各種數據窗口和分頁面進行切換測試，反應時間均小于1秒。軟件運行前后計算機性能比較見表2。在軟件運行時CPU占用率最大為15%，內存占用最大為1.06 GB，遠小于軟件性能需求中對資源占用率<70%的要求。

表1 測試數據配置情況

表2 計算機性能記錄

圖4為實際測試時截取的曲線類數據顯示畫面之一的發射系目標軌跡圖，通過畫線和畫點兩種方式結合顯示軌跡數據，畫線方式的好處是當數據出現跳點時能夠清晰顯示數據變化情況。以畫點方式顯示接收數據點，可以清晰記錄數據有無漏點情況。如圖可見顯示數據為20點/秒，與目標軌跡數據的發送頻率20 Hz相符，漏點率為0。

圖4 曲線類顯示結果圖

4 結論

本文從軟件架構和算法優化入手，力爭最大限度的發揮軟硬件性能，旨在提高測控數據實時監測軟件的效能。實際測試結果表明，采用的軟件效能提升設計方法，能夠保證軟件很好的完成在多種信息源、高頻大數據環境下的接收與顯示功能，有效提升了軟件效能，保證測控數據監測軟件的實時性和可靠性。同時，其獨立的模塊化設計算法，使軟件具有很好的可擴展性和可維護性。

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[5] 朱 偉，許春雷，孔 軍，等. 基于功能部件的指揮控制系統軟件設計[J]. 指揮控制與仿真，2010, 32(6): 98-100.

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Study on Design Method of Measurement and Control Data Real-time Monitor Software

Tong Yan, Zhu Dan

(PLA Unit 91550，Dalian 116023，China)

Measurement and control data monitor software is one of the key subsystem of measurement and control system. It undertakes the real-time monitor of mass measurement and control data. Due to the monitor data with a large amount of information, send a high frequency, species diversity and other characteristics, how to improve the performance and efficiency of software has become an important subject in the measurement and control field. In order to realize the software information real-time monitoring function, comprehensive, reliable, carried out the research on hardware and software platform, software architecture and algorithm design. A large number of parallel data is realized by using multi-threaded design. Using object-oriented program design method makes the data processing layer and layer separated. The method of storage data for demand curve is optimized. So as to realize the comprehensive performance of the software design. Through testing by the actual environment, the design method improves the efficiency of software effectively, to ensure the real-time and reliability of measurement and control data monitoring function. The carrying capacity of the real-time monitoring software is enhanced. At the same time, the software designed by this method has good scalability and maintainability.

high-effect; measurement and control; real-time monitor; object-oriented; algorithm optimization

2016-08-05；

2016-09-13。

童 艷(1982-)，女，碩士，工程師，主要從事測控軟件系統方向的研究。

1671-4598(2017)01-0101-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.01.029

TP311

A