基于插件的協(xié)同組網(wǎng)探測系統(tǒng)軟件設計與實現(xiàn)

張 超，李華君，周 元，李 強

（中國船舶集團有限公司第八研究院，南京211153）

0 引 言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中電子對抗的程度非常激烈，雷達的生存也變得越來越困難。［1］使用單部雷達進行各自為戰(zhàn)的探測以獲取空間信息的效果將變得越來越差。［2］依托現(xiàn)有裝備部署和協(xié)同作戰(zhàn)體系的不斷完善，在節(jié)約經(jīng)濟成本的情況下實現(xiàn)雷達之間的最優(yōu)配置［3］，可提升某區(qū)域在復雜、對抗環(huán)境下傳感器體系的探測能力。通過優(yōu)化設計協(xié)同組網(wǎng)探測系統(tǒng)的軟件架構，有效實現(xiàn)區(qū)域內傳感器資源統(tǒng)一調度控制和情報資源共享，形成統(tǒng)一戰(zhàn)場態(tài)勢，并有針對性地對重點目標進行綜合目標協(xié)同識別，形成體系合力，從而快速、有效地獲得目標信息是當前一項重要的研究課題。［4］

針對傳統(tǒng)的雷達組網(wǎng)系統(tǒng)軟件架構柔性不足，以及不便于對系統(tǒng)進行升級、擴展和維護的問題，本文采用開放式分層設計思想實現(xiàn)了基于插件的協(xié)同探測系統(tǒng)軟件，實現(xiàn)了協(xié)同組網(wǎng)探測系統(tǒng)顯示與數(shù)據(jù)處理高度解耦。協(xié)同組網(wǎng)探測系統(tǒng)軟件采用插件化和參數(shù)化設計，解決了軟硬件耦合程度高、功能模塊可重用程度低、研發(fā)周期長、系統(tǒng)升級難度大、維護成本高等問題，提高了系統(tǒng)的可維護性和可擴展性。

1 插件式軟件開發(fā)

1.1 插 件

插件是按照統(tǒng)一接口規(guī)范編寫的一種程序，能夠動態(tài)地加入或退出系統(tǒng)，是插件式軟件系統(tǒng)的重要組成部分。插件式軟件系統(tǒng)通過在程序中插入大量的插件來增強系統(tǒng)功能，完善系統(tǒng)的能力。插件結構如圖1所示。

圖1 插件結構圖

1.2 插件式軟件特點

一個使用插件結構的軟件由一個可執(zhí)行程序和許多完成子功能的插件組成，主要分為宿主程序、插件、接口3個部分。插件式軟件系統(tǒng)主要有以下特點：

（1）降低系統(tǒng)的復雜度，提高軟件并行開發(fā)效率

將功能復雜的軟件系統(tǒng)分解為具有單一功能且耦合程度更低的插件集合，并根據(jù)插件間的組織關系和交互方式抽象出符合需求的策略文件，大大降低系統(tǒng)軟件的復雜程度，從而為快速構建大規(guī)模的軟件系統(tǒng)提供支持；得益于插件的獨立性，不同的軟件開發(fā)人員專注于不同插件的開發(fā)，大大縮短了軟件的研發(fā)周期，節(jié)約了研發(fā)成本，提高了軟件并行開發(fā)效率。

（2）提高系統(tǒng)的可擴展性和可維護性

傳統(tǒng)軟件的體系結構可重用性低且不易對功能模塊進行改進升級，無法適應用戶多變的需求。插件軟件系統(tǒng)通過動態(tài)地增加、減少或替換功能插件來實現(xiàn)系統(tǒng)的升級，而不影響整個系統(tǒng)的體系結構，提高了系統(tǒng)了可擴展性和可維護性。

（3）提高系統(tǒng)可重構能力

軟件系統(tǒng)可分解為插件、插件間組織關系和交互關系的集合，插件組織關系和交互關系以策略文件的形式進行描述。通過加載不同的插件或調整插件間組織關系對外提供不同的能力，從而提高了系統(tǒng)的動態(tài)重構能力，使得系統(tǒng)能夠適應動態(tài)多變的應用環(huán)境。

2 系統(tǒng)軟件設計

2.1 系統(tǒng)軟件體系架構

協(xié)同組網(wǎng)探測系統(tǒng)軟件的主要功能在于實現(xiàn)區(qū)域內某型雷達間協(xié)同探測，系統(tǒng)應具備以下幾點功能：

（1）具備對入網(wǎng)雷達的組網(wǎng)配置及管理功能；

（2）具備目標及環(huán)境特性分析、協(xié)同策略生成、協(xié)同方案擬定等信息處理功能；

（3）具備對重點目標進行引導探測、融合、定位及聯(lián)合識別功能；

（4）具備整合區(qū)域內雷達主、被動探測資源跨平臺遠程調度及探測功能；

（5）具備監(jiān)控各雷達裝備的運行狀態(tài)，完成區(qū)域內探測信息的共享、整合、處理和集成，形成組網(wǎng)雷達綜合態(tài)勢顯示功能。

針對雷達組網(wǎng)系統(tǒng)的功能特點，本文提出了一種支持插件配置與組裝的開放式分層軟件體系結構框架。該體系結構以插件作為系統(tǒng)的基本功能單元，從整體上反映了軟件的組織結構、設計思想和數(shù)據(jù)交互。

軟件體系架構如圖2所示，從下至上依次是網(wǎng)絡接收層、協(xié)同處理層、協(xié)同調度層和綜合顯示層。

圖2 協(xié)同組網(wǎng)探測系統(tǒng)軟件體系架構

（1）網(wǎng)絡接收層對系統(tǒng)外部的各種數(shù)據(jù)源進行數(shù)據(jù)處理轉換和數(shù)據(jù)匯集分發(fā)，提高軟件顯示能力及異型產(chǎn)品間的接口適配能力。數(shù)據(jù)轉換實現(xiàn)了將外部數(shù)據(jù)源轉化為內部統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，使得其他功能軟件只關注于功能和邏輯，同時將來自其他功能軟件的數(shù)據(jù)轉化為外部系統(tǒng)能夠識別的數(shù)據(jù)格式并下發(fā)；數(shù)據(jù)分發(fā)實現(xiàn)了系統(tǒng)對數(shù)據(jù)流的過濾和管理，大大減少了功能軟件之間的關聯(lián)復雜度，有利于軟件升級和系統(tǒng)維護。

（2）協(xié)同處理層主要實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)整合、分析、加工、挖掘等處理，實現(xiàn)對各站主動探測目標進行匹配識別、被動探測的輻射源配對進行聯(lián)合協(xié)同快速定位，并將處理后結果發(fā)送至綜合顯示層進行數(shù)據(jù)信息的整合展示。

（3）協(xié)同調度層主要實現(xiàn)區(qū)域內資源協(xié)同調度，主要對接收到的航跡信息、輻射源信息和網(wǎng)內各雷達工作狀態(tài)等信息進行融合處理生成相應策略并下發(fā)，實現(xiàn)目標交接、協(xié)同定位、目標引導等功能。

（4）綜合顯示層主要根據(jù)雷達組網(wǎng)系統(tǒng)的功能，構建友好的用戶圖形界面，實現(xiàn)系統(tǒng)的人機交互功能、綜合顯示控制功能和管理維護功能，實現(xiàn)原始及加工信息的集成綜合顯示。用戶也可以根據(jù)個人喜好，改變軟件界面顯示風格。

分層軟件架構是一個具有高度擴展性的開放的系統(tǒng)架構，實現(xiàn)了系統(tǒng)的高度解耦。將協(xié)同組網(wǎng)探測系統(tǒng)劃分為帶有明確接口定義的功能層，保證了各層次之間的相對穩(wěn)定與獨立，不需暴露層內的實現(xiàn)邏輯，減少了各層次之間的關聯(lián)復雜度。上下層之間通過消息傳遞，數(shù)據(jù)流從下層至上層傳遞，原始數(shù)據(jù)被逐漸抽象和融合后進行綜合顯示；控制命令從上層至下層傳遞，用來下發(fā)用戶發(fā)起的引導、協(xié)同定位和目標處理等命令。

分層軟件架構為系統(tǒng)重構提供了指導和約束。協(xié)同組網(wǎng)探測系統(tǒng)軟件采用插件化方法進行開發(fā)，在系統(tǒng)進行修改、維護或者功能擴展時只需修改、替換或添加相關插件而不影響其他軟件或整個系統(tǒng)的集成，使得系統(tǒng)能依據(jù)動態(tài)多變的戰(zhàn)場環(huán)境進行動態(tài)集成，大大提高了系統(tǒng)的重構能力。

2.2 系統(tǒng)軟件中插件的設計

根據(jù)插件功能與職責的不同，本項目給出一種插件的分層組織模式，將插件劃分為功能插件和服務插件，如圖3所示。

圖3 插件層次化組織結構

功能插件實現(xiàn)具體共性的、與業(yè)務無關的功能，具有較高的復用性。此類插件的特點是提供特定的顯示、計算或通信能力，主要包括態(tài)勢管理插件、坐標轉換插件、網(wǎng)絡通信插件、表頁擴展插件等。功能插件的物理實體是一個動態(tài)庫或靜態(tài)庫，并且以自定義接口形式向外暴露自身的能力。

服務插件實現(xiàn)具體領域相關的功能，組織多個功能插件，它可以調用功能插件的各個能力以便對外提供服務。服務插件是在功能插件的基礎上抽象出來的更高一層主體，它們之間相互協(xié)作，對外提供更為復雜的能力，主要包括態(tài)勢綜合顯示插件、平臺操控插件、網(wǎng)絡服務插件、可視化顯示插件等。服務插件物理實體是一個動態(tài)庫，支持動態(tài)加載，與系統(tǒng)集成框架接口統(tǒng)一，可以被系統(tǒng)集成框架識別管理。

2.3 系統(tǒng)軟件中插件的集成

系統(tǒng)軟件插件集成過程如圖4所示。根據(jù)協(xié)同組網(wǎng)探測系統(tǒng)軟件功能，協(xié)同組網(wǎng)探測系統(tǒng)包括綜合態(tài)勢顯控、綜合識別與數(shù)據(jù)庫、綜合協(xié)同調度、綜合協(xié)同處理和數(shù)據(jù)接口處理5個軟件實體。

圖4 插件集成過程

在開發(fā)設計階段，首先應分析系統(tǒng)各個軟件的組織架構，然后將其劃分為若干可由插件替換的軟件單元，并使用工具完成插件開發(fā)。在此階段還需抽取各插件之間的組織關系和交互方式，并對其進行形式化描述，生成具體的策略文件用以指導插件的具體交互行為。策略文件的實體是若干個XML（Extensible Markup Language，可擴展標記語言）文件，其內容主要包括插件名稱、插件唯一ID值、插件類型、插件大小以及插件位置和插件間交互方式的描述。

軟件集成框架是一個與插件統(tǒng)一接口的可執(zhí)行程序，框架通過加載不同插件對外提供不同的服務并提供插件管理、插件能力注冊、插件通信服務、插件XML策略文件解析等功能。當進入系統(tǒng)運行階段，軟件集成框架加載、激活指定目錄下的插件，集成框架中解析控制模塊將加載并解析XML策略文件，并依據(jù)策略文件對插件進行基本信息配置，使插件根據(jù)策略文件既定的組織關系和交互方式進行插件間的自主協(xié)作，從而根據(jù)用戶需求實現(xiàn)了插件的自動化集成。

當用戶需求發(fā)生變化或有新功能插件加入系統(tǒng)時，用戶只需按照規(guī)則編寫新的策略文件，并將策略加載到框架中，系統(tǒng)即可在以后運行的過程中針對特定策略動態(tài)調整插件的組織關系和交互方式，從而改變系統(tǒng)的構態(tài)，適應動態(tài)變化的外部需求。

3 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

協(xié)同組網(wǎng)探測系統(tǒng)軟件以基于VPX架構的硬件平臺為運行載體，實現(xiàn)顯示與數(shù)據(jù)處理高度解耦的開放式軟件體系架構，實現(xiàn)基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)源的協(xié)同數(shù)據(jù)處理模式，同時提供基于配置的數(shù)據(jù)接口層進行數(shù)據(jù)預處理、轉碼、整合、分發(fā)等，提高軟件的顯示能力及異型產(chǎn)品間的接口適配能力。遵循“系統(tǒng)功能軟件可配置”的思路，展開協(xié)同組網(wǎng)探測功能軟件的模塊化和參數(shù)化設計，為系統(tǒng)的可重構性和可擴展性奠定良好的基礎。

系統(tǒng)軟件采用插件化實現(xiàn)，開發(fā)準備階段依照應用需求，將系統(tǒng)軟件劃分為若干可相對完整、獨立的功能軟件。配置階段開發(fā)人員根據(jù)功能單元的特點抽象出相應能力，使用統(tǒng)一的開發(fā)方法生成相應插件；程序運行階段使用軟件集成框架對插件進行加載、卸載、激活、停用、查詢等管理，并提供插件間的通信服務。軟件集成框架對插件進行實例化加載，形成面向用戶需求的應用模式。使用插件開發(fā)方法增加了軟件的靈活性和可復用性，當某個插件出現(xiàn)問題時可以單獨修改此插件而不需要更改整個軟件，便于軟件的管理和維護。

系統(tǒng)運行情況如圖5所示。系統(tǒng)軟件的實現(xiàn)驗證了本文所提出系統(tǒng)軟件體系架構的有效性。系統(tǒng)完成了區(qū)域內3站6部某型雷達的資源協(xié)同調度，全局掌握及監(jiān)控雷達各站點的運行狀態(tài)，實現(xiàn)各雷達的遠程引導及控制；完成了區(qū)域內主動探測信息的共享，建立目標航跡級的整合；完成了區(qū)域內被動探測信息的整合，根據(jù)協(xié)同需求生成協(xié)同策略；提供了基于分站／區(qū)域的多層次信息集成顯示界面，實現(xiàn)原始及加工信息的集成綜合顯示。系統(tǒng)以軟件體系架構為指導，通過復用、集成各種不同功能的插件，可以構建出面向不同應用需求的構態(tài)，以適應動態(tài)變換的作戰(zhàn)場景的需求。

圖5 協(xié)同組網(wǎng)探測系統(tǒng)態(tài)勢展示

4 結束語

本文依托和挖掘現(xiàn)役某型雷達協(xié)同探測功能，采用分層模式設計某海域戰(zhàn)場雷達協(xié)同組網(wǎng)探測系統(tǒng)軟件架構，實現(xiàn)了網(wǎng)絡接收、信息處理、協(xié)同調度、數(shù)據(jù)可視化的高度解耦；采用插件化思想開發(fā)系統(tǒng)軟件，提升了系統(tǒng)可復用性、可移植性及可靠性，形成基于配置的產(chǎn)品級軟件靈活重構，充分發(fā)揮了系統(tǒng)的協(xié)同探測能力。