婁　紅

(鄭州廣播電視大學(xué),河南 鄭州 450000)

基于SOA的船舶電子信息系統(tǒng)仿真

婁紅

(鄭州廣播電視大學(xué),河南 鄭州 450000)

摘要：目前，SOA框架和相關(guān)技術(shù)已相當(dāng)成熟。其提供一種復(fù)雜系統(tǒng)的集成框架，在計算機(jī)各個領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用。本文研究SOA框架的概念、特點和優(yōu)勢，以及在異構(gòu)平臺上實現(xiàn)不同功能集成與復(fù)用的方法，并提出一種利用SOA進(jìn)行船舶電子信息系統(tǒng)仿真方案。對方案的流程和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行討論和闡述，為復(fù)雜船舶電子信息系統(tǒng)的集成仿真打下基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：SOA；電子信息系統(tǒng)；仿真

0引言

當(dāng)前，對于復(fù)雜船舶電子信息系統(tǒng)的仿真仍缺少有效方法，通常采用單個功能仿真測試方法，并通過socket或分布式數(shù)據(jù)服務(wù)(DDS)方式對整個系統(tǒng)進(jìn)行集成仿真[1-3]。在單個功能仿真中，往往采用面對對象編程語言仿真系統(tǒng)、仿真工具及各種嵌入式信息分析與仿真設(shè)備等，主要用來對船舶電子信息系統(tǒng)的需求、開發(fā)和設(shè)計進(jìn)行論證。然而，隨著船舶信息化水平的不斷提高，船舶電子信息系統(tǒng)產(chǎn)生和處理的信息以指數(shù)級增長，越來越多的子系統(tǒng)被應(yīng)用于船舶，使得整個信息系統(tǒng)的復(fù)雜性大大提高，不同子系統(tǒng)間的通信也越來越復(fù)雜，同時使得船舶的建造以及系統(tǒng)的集成仿真越來越困難，因此，傳統(tǒng)的單個系統(tǒng)功能仿真方法已經(jīng)無法適應(yīng)新的需求。

基于CORBA(Common Object Request Broker Architecture)及基于HLA(High-Level Architecture)[4]的仿真方法，在一定程度上能夠滿足上述要求，然而仍然采用的是對單一任務(wù)進(jìn)行仿真的模式，存在仿真結(jié)果綜合分析困難及仿真過程難以復(fù)用等問題。面向服務(wù)體系框架SOA(Service-Oriented Architecture)通過對服務(wù)以及服務(wù)交換信息格式的定義，能夠?qū)崿F(xiàn)方便的服務(wù)查詢、組合、分解、集成等功能，具有使用靈活、分布式處理、松耦合等優(yōu)點，在復(fù)雜系統(tǒng)的集成、分析、處理過程中，能夠發(fā)揮重要的作用，同時，SOA也具有較好的可復(fù)用性，因而能夠有效減少仿真過程中資源的浪費，具有較高的效率。本文針對SOA的優(yōu)點，對SOA的各項概念和技術(shù)特點進(jìn)行研究和討論，并提出利用SOA進(jìn)行船舶電子信息系統(tǒng)仿真的方法。

1面向服務(wù)體系結(jié)構(gòu)

面向服務(wù)體系結(jié)構(gòu)(SOA)是一種新的服務(wù)構(gòu)建方法，其包含分布式的軟件系統(tǒng)環(huán)境、運行平臺、編程模型、模型框架及相關(guān)技術(shù)。整個SOA的生命周期如圖1所示，其包含3個主要特性，即匹配已有的技術(shù)模塊，較好的使用靈活性和不同模塊間的松耦合。SOA是一個以服務(wù)為中心的框架，其能夠?qū)⑦\行于不同平臺的各個模塊，按照基于服務(wù)的原則集成，并提供一系列服務(wù)接口的設(shè)計規(guī)范。

圖1　SOA仿真框架Fig.1　The architecture of SOA-based simulation

在SOA框架中，服務(wù)被作為軟件設(shè)計、開發(fā)、部署的基本單位，能夠進(jìn)行分解和組合，從而實現(xiàn)靈活可定制的功能。服務(wù)可以單個執(zhí)行以滿足特定的需求，也可以通過標(biāo)準(zhǔn)化的接口實現(xiàn)不同服務(wù)間的協(xié)作，這一松耦合特性，使得SOA具有很好的可擴(kuò)展性，能夠應(yīng)用于多種環(huán)境和應(yīng)用之中。

1.1　SOA的概念和框架

IBM對SOA的定義為：SOA是一個包含了多個部分的軟件模型，其能夠通過標(biāo)準(zhǔn)化的接口和交互格式，將不同應(yīng)用的功能單元組合起來，向用戶提供集成化、統(tǒng)一化的服務(wù)。

在SOA中，服務(wù)接口的定義以及服務(wù)的描述采用特定的格式，獨立于硬件平臺、操作系統(tǒng)以及編程語言，具有較好的通用性和靈活性。不同的服務(wù)之間則通過這些良好定義的接口實現(xiàn)交互和通信。

SOA包含服務(wù)寄存器、服務(wù)請求者、服務(wù)提供者3個部分。3種主要的交互動作為服務(wù)發(fā)布、服務(wù)發(fā)現(xiàn)和服務(wù)請求。服務(wù)提供者將自己服務(wù)的描述信息發(fā)布給服務(wù)寄存器，供服務(wù)請求者查詢；服務(wù)請求者通過用戶接口或其他服務(wù)，查詢并定位需要的服務(wù)，然后向服務(wù)提供者提出服務(wù)請求。其中服務(wù)描述和服務(wù)發(fā)現(xiàn)是SOA的基礎(chǔ)，服務(wù)描述主要提供服務(wù)接口信息和服務(wù)部署信息，通過這些信息和服務(wù)發(fā)現(xiàn)，可以使服務(wù)請求者匹配自身需求，從而定位服務(wù)和相應(yīng)的服務(wù)提供者。

1.2　SOA技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

由于缺少統(tǒng)一的SOA標(biāo)準(zhǔn)，不同的企業(yè)和組織，在不同的層次上開發(fā)了多種SOA標(biāo)準(zhǔn)，如Web服務(wù)描述語言(WSDL)、全局描述發(fā)現(xiàn)與集成(UDDI)、簡單對象訪問協(xié)議(SOAP)等。其中WSDL能夠生成XML格式的服務(wù)描述文件，用來描述Web服務(wù)的功能、位置和調(diào)用方法。UDDI是一個在Internet上進(jìn)行Web服務(wù)注冊、發(fā)布、請求的標(biāo)準(zhǔn)，UDDI寄存器(UDDI服務(wù)器)用來接收Web服務(wù)的注冊信息，對全部的注冊信息進(jìn)行管理，對服務(wù)請求進(jìn)行應(yīng)答，并提供WSDL文件或其他Web服務(wù)信息。SOAP是不同服務(wù)間的通信標(biāo)準(zhǔn)，定義了多種XML格式的消息類型。SOAP消息分為SOAP包、SOAP編碼規(guī)則、SOAP RPC及SOAP綁定4個部分。

通過服務(wù)組件框架和服務(wù)數(shù)據(jù)對象描述不斷的發(fā)展和改善，SOA已經(jīng)成為一種實用的技術(shù)。

1.3　SOA的基本特性與優(yōu)勢

SOA具有若干傳統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)不具備的特性，這些特性使得SOA在系統(tǒng)集成方面具有較強(qiáng)的功能。

1)獨立性：SOA完全的獨立性，使得SOA框架能夠包含多種異構(gòu)的平臺、應(yīng)用和功能；

2)互操作性：通過開放的標(biāo)準(zhǔn)化接口，SOA能夠提供不同服務(wù)間強(qiáng)大的交互能力；

3)松耦合性：SOA的松耦合特性，使得SOA能夠集成多種服務(wù)，且單個服務(wù)的變動，不會影響其他服務(wù)和整個系統(tǒng)的正常執(zhí)行；

4)方便性：用戶不需要知道服務(wù)的提供者和IP地址等信息，只需要向服務(wù)寄存器發(fā)送請求，就能夠自動獲取相應(yīng)的服務(wù)；

5)靈活性：在SOA中不同的模塊組成服務(wù)，通過將不同層次的應(yīng)用抽象，SOA能夠?qū)悩?gòu)的功能單元通過“模塊——服務(wù)——應(yīng)用”流程，集成為用戶需要的應(yīng)用。

SOA具有的以上優(yōu)點，使得在船舶電子信息系統(tǒng)構(gòu)建和仿真過程中應(yīng)用該技術(shù)具有能夠充分利用已有資源、降低系統(tǒng)集成和管理的復(fù)雜性、提高不同情況和需求的反應(yīng)速度及具有更好的可重用性等優(yōu)勢。

2基于SOA的船舶電子信息系統(tǒng)仿真

2.1　需求描述

對于基于單個子系統(tǒng)的仿真方法來說，采用socket或DDS等技術(shù)可行，然而采用SOA方法時，需要在開始設(shè)計時就將不同模塊仿真需求的集成問題考慮進(jìn)去，因而需要采用不同的方法。

由于子系統(tǒng)運行軟硬件平臺的不同，以及子系統(tǒng)仿真工具采用的具體開發(fā)技術(shù)不同，使得基于SOA的船舶電子信息系統(tǒng)仿真具有以下特殊需求：

1)較好的集成程度：在對復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行仿真時，需要集成不同的仿真工具，使得不同工具的仿真結(jié)果，能夠通過不同的接口注冊和提取，進(jìn)行進(jìn)一步的加工和分析；

2)較好的穩(wěn)定程度：和基于單個子系統(tǒng)的仿真工具不同，利用SOA可能會出現(xiàn)不同服務(wù)之間的響應(yīng)時間不同、數(shù)據(jù)格式不同等問題，因而為了取得較好的仿真效果，要求SOA平臺具有較好的穩(wěn)定程度；

3)較好的可用性：在仿真過程中，需要對不同的數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，因而需要切換不同的服務(wù)，展示不同類型的數(shù)據(jù)等，為了能夠方便的對仿真過程進(jìn)行控制，以及向用戶展示仿真的結(jié)果，需要提供完備的用戶界面，實現(xiàn)較好的可用性。

2.2　戰(zhàn)艦火控信息系統(tǒng)仿真

戰(zhàn)艦火控信息系統(tǒng)是當(dāng)前船舶系統(tǒng)中自動化、信息化程度最高的系統(tǒng)之一，其具有高實時性、高精確性、高穩(wěn)定性等需求，因而在裝備之前，需要對整個系統(tǒng)進(jìn)行完備的仿真和實驗，確保各項功能的絕對可靠?；谝陨戏治?，本文選取該系統(tǒng)驗證本文提出的基于SOA的船舶電子信息系統(tǒng)仿真方法，通過該實例，說明整個仿真的過程，以及對SOA相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用。

數(shù)據(jù)呈現(xiàn)、數(shù)據(jù)融合、命令決策、武器控制等子仿真系統(tǒng)獨立，包含其自身的操作規(guī)范、通信接口等特性，能夠?qū)我坏墓δ苓M(jìn)行獨立的仿真。以上各個仿真工具運行于不同的軟硬件平臺，為了實現(xiàn)集成化的仿真效果，需要根據(jù)SOA的基本原則和框架特點，構(gòu)建基于SOA的服務(wù)總線(SOA-based Service Bus，SSB)，該總線用來將不同仿真工具的接口，轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)化的、統(tǒng)一的接口，實現(xiàn)不同仿真工具之間的互操作。

服務(wù)用戶可以根據(jù)仿真的具體需要，設(shè)計各個服務(wù)的執(zhí)行邏輯，控制不同服務(wù)的操作和行為，對服務(wù)進(jìn)行綁定和調(diào)用，通過SSB實現(xiàn)不同服務(wù)消息的傳遞等，從而實現(xiàn)有效的集成化仿真。

業(yè)務(wù)邏輯設(shè)計模塊的功能是描述注冊服務(wù)所提供的具體操作，以及服務(wù)的執(zhí)行邏輯。數(shù)據(jù)采集模塊統(tǒng)一處理各種不同工具和設(shè)備提供的仿真數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)傳遞給數(shù)據(jù)融合模塊，之后經(jīng)過融合的數(shù)據(jù)被送往命令決策仿真，該仿真用于測試火力系統(tǒng)的可靠性。武器控制仿真用來檢查各種武器裝備的狀態(tài)以及命令信息的完整性和有效性。數(shù)據(jù)融合模塊同時將融合的數(shù)據(jù)傳送給武器控制仿真，之后，武器控制仿真將得到的結(jié)果發(fā)送給命令決策仿真，用于模擬武器裝備開火命令下達(dá)前的各項準(zhǔn)備，以及對武器裝備火力執(zhí)行行為的控制，從而完成整個仿真邏輯，仿真流程如圖2所示。

圖2　仿真流程圖Fig.2　The flow chart of simulation

通過業(yè)務(wù)邏輯設(shè)計模塊可以設(shè)計仿真流程，完成各個服務(wù)的組合和交互過程。

2.3　仿真改進(jìn)

在第2.2節(jié)中我們以戰(zhàn)艦火控信息系統(tǒng)為例，闡述了基于SOA仿真的具體實現(xiàn)方法，然而在仿真過程中，不同的服務(wù)定義方法，以及不同的執(zhí)行方式等因素，可能會對仿真的結(jié)果產(chǎn)生影響。通過對多種應(yīng)用場景的分析和總結(jié)，在本節(jié)中將對影響仿真結(jié)果的多種因素進(jìn)行研究和討論。

1)服務(wù)定義粒度：在實際應(yīng)用過程中，一個仿真工具可能具有多個功能單元，能夠被定義為多個仿真服務(wù)，甚至不同的仿真服務(wù)之間還存在重疊關(guān)系。如果采用細(xì)粒度的方式定義仿真服務(wù)，那么對于一個仿真應(yīng)用來說，可能會包含大量的、復(fù)雜的服務(wù)，從而導(dǎo)致整個仿真業(yè)務(wù)邏輯非常復(fù)雜，降低了可靠性和實用性；如果采用粗粒度的方式定義仿真服務(wù)，將仿真工具之間封裝為仿真服務(wù)，那么對于一個仿真應(yīng)用來說，其業(yè)務(wù)邏輯可能非常簡單，但不同的服務(wù)之間，接口難以統(tǒng)一且可能會出現(xiàn)功能重疊，降低仿真應(yīng)用的靈活性。因而，在定義服務(wù)時應(yīng)確保：首先，定義的仿真服務(wù)之間相互獨立；其次，定義的仿真服務(wù)應(yīng)當(dāng)具有方便的接口以供使用；最后，定義的仿真服務(wù)應(yīng)當(dāng)盡量降低業(yè)務(wù)邏輯的復(fù)雜性。

2)服務(wù)交互實時性：在單個子系統(tǒng)仿真時，通過緊耦合的硬件平臺和軟件系統(tǒng)，能夠做到數(shù)據(jù)、消息、結(jié)果的實時傳遞和呈現(xiàn)，然而在基于SOA的仿真過程中，不同的服務(wù)之間采用松耦合的機(jī)制，難以做到交互的實時性。為了提高基于SOA仿真的實時性，應(yīng)當(dāng)做到以下幾個方面：首先，應(yīng)當(dāng)對實時數(shù)據(jù)和非實時數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)分，在SSB上進(jìn)行區(qū)分，確保實時數(shù)據(jù)的傳輸；其次，應(yīng)當(dāng)對服務(wù)接口進(jìn)行統(tǒng)一，減少數(shù)據(jù)傳遞和處理的中間流程；最后，應(yīng)當(dāng)對不同服務(wù)交互的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和格式進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，省去不同消息處理和轉(zhuǎn)換的過程。

3實驗驗證

為驗證本文提出的基于SOA的船舶電子信息系統(tǒng)仿真方法，搭建模擬船舶實驗?zāi)Ｐ停鐖D3所示。

圖3　仿真船舶模型Fig.3　The model of simulation ship

在該模型中，部署有若干傳感器節(jié)點及1個導(dǎo)航服務(wù)器。為了驗證傳感器網(wǎng)絡(luò)的有效性，采用Java編寫了一個簡易的傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真工具，其具有消息驗證、節(jié)點狀態(tài)采集、不同節(jié)點通信等功能；同時為了驗證導(dǎo)航服務(wù)器的可靠性和實時性，設(shè)計了船舶自動控制仿真工具，驗證導(dǎo)航服務(wù)器決策的實時性、可靠性和精確性。

在單個系統(tǒng)仿真時，導(dǎo)航服務(wù)器自身產(chǎn)生若干實驗數(shù)據(jù)，仿真得到的時延特性，然而該時延并未考慮傳感器網(wǎng)絡(luò)之間的傳輸時延，不具有可信性，為了綜合仿真整個基于傳感器的船舶導(dǎo)航系統(tǒng)的時延特性，采用SOA的方法，通過定義傳感器網(wǎng)絡(luò)時延仿真服務(wù)和導(dǎo)航信息處理時延仿真服務(wù)，并設(shè)計2種服務(wù)的簡單業(yè)務(wù)邏輯，可以得到仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4中虛線為單個系統(tǒng)仿真的結(jié)果，顯示時延特性較為平緩，然而考慮到不同情況下傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸時延，則使得整個系統(tǒng)時延特性大大降低，基于SOA仿真的結(jié)果如實線所示。由此可以看出，相比與傳統(tǒng)的單系統(tǒng)仿真方法，本文提出的基于SOA仿真方法具有更好的可靠性和可信性。

圖4　仿真結(jié)果圖Fig.4　The result of the simulation

4結(jié)語

面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)是一種新的軟件體系結(jié)構(gòu),實現(xiàn)了異構(gòu)平臺的集成和應(yīng)用，提高了不同應(yīng)用的功能共享，降低了復(fù)雜系統(tǒng)實現(xiàn)的復(fù)雜性。本文介紹了面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)和的特點，并提出了一種基于SOA的船舶電子信息系統(tǒng)仿真模型，結(jié)合一個簡單的、粗粒度的火力控制信息系統(tǒng)，闡述了該仿真方法的應(yīng)用與實現(xiàn)，并采用實際實驗驗證了本方法的可靠性。

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The simulation system of electronic information system based on SOA

LOU Hong

(Zhengzhou Radio and TV University,Zhengzhou 450000,China)

Abstract：SOA framework and related technologies, through decades of development， have been quite mature. It provides a kind of complex system integration framework, and plays an important role in various computer fields. This paper studies the concept, characteristics and advantages of the SOA framework, how to realize different function integration and reuse methods on the heterogeneous platform, and puts forward a kind of simulation method of electronic information system by using the SOA technology. The solution of the process and key technology are discussed and expounded, which laid the foundation for complex integrated simulation system of electronic information system.

Key words：SOA; electronic information system; simulation

作者簡介：婁紅( 1979 - ) ，女，碩士，講師，主要研究方向為計算機(jī)軟件。

收稿日期：2014-11-17； 修回日期： 2014-12-28

文章編號：1672-7649(2015)02-0188-04

doi：10.3404/j.issn.1672-7649.2015.02.042

中圖分類號：TP391

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A