杜 兵，楊仁寶，李林峰，邵武長(zhǎng)，周 淦

(中國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司第六研究所，北京102209）

0 引言

指揮信息系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)戰(zhàn)自動(dòng)化、保障各級(jí)指揮機(jī)構(gòu)及其所屬人員、裝備實(shí)施科學(xué)高效的指揮控制與管理[1]。

一體化測(cè)發(fā)指揮決策系統(tǒng)將測(cè)發(fā)電測(cè)、測(cè)發(fā)地勤、測(cè)控系統(tǒng)、氣象系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等子系統(tǒng)不同格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，并以曲線、表格、圖像、二三維態(tài)勢(shì)等形象化方式進(jìn)行顯示，同時(shí)能夠提供數(shù)據(jù)判讀分析和查詢歷史數(shù)據(jù)的功能，讓用戶能夠準(zhǔn)確、直觀、快速全面地了解任務(wù)過(guò)程，為用戶的指揮決策提供可靠依據(jù)[2]。

目前一體化測(cè)發(fā)指揮決策系統(tǒng)不適應(yīng)一體化指揮顯示系統(tǒng)體系架構(gòu)的要求。隨著國(guó)產(chǎn)化技術(shù)的成熟，逐步實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)芯片、國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)、國(guó)產(chǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)等產(chǎn)品在航天發(fā)射領(lǐng)域成體系地集成應(yīng)用。

1 背景介紹

為實(shí)現(xiàn)在航天發(fā)射領(lǐng)域完全國(guó)產(chǎn)化，新一代測(cè)發(fā)指揮決策系統(tǒng)由以國(guó)產(chǎn)芯片為基礎(chǔ)構(gòu)建硬件設(shè)備層、以國(guó)產(chǎn)固件和操作系統(tǒng)為支撐的系統(tǒng)軟件層、以國(guó)產(chǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)和中間件等構(gòu)成的業(yè)務(wù)支撐層及國(guó)產(chǎn)應(yīng)用系統(tǒng)層搭建而成。

插件是遵循一定規(guī)范的應(yīng)用程序接口編寫(xiě)的程序，用于實(shí)現(xiàn)“即插即用”的軟件開(kāi)發(fā)[4]。 與傳統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)的單個(gè)程序集成所有功能不同，插件體系結(jié)構(gòu)將所有的業(yè)務(wù)功能置于插件中；一體化框架主要用于組織協(xié)調(diào)和調(diào)用插件[5]。這極大地降低了軟件功能模塊間的耦合性，形成了一套高內(nèi)聚、低耦合的體系架構(gòu)。

圖1顯示基于插件技術(shù)的軟件體系結(jié)構(gòu)，所有的業(yè)務(wù)功能通過(guò)插件接口接入一體化框架平臺(tái)中，各顯示插件互相獨(dú)立，在插件測(cè)試后集成到框架中，通過(guò)一體化框架平臺(tái)進(jìn)行管理[6]。

圖1 基于插件的一體化體系結(jié)構(gòu)

一體化指揮決策軟件將多個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)匯聚顯示，具備數(shù)據(jù)處理量大、數(shù)據(jù)協(xié)議多樣、頁(yè)面數(shù)量多等特點(diǎn)，采用插件技術(shù)能夠降低業(yè)務(wù)間耦合性，加快開(kāi)發(fā)速度。將數(shù)據(jù)的接收、解析和主題數(shù)據(jù)分發(fā)進(jìn)行抽象，基于不同傳輸方式的開(kāi)發(fā)為不同的數(shù)據(jù)處理插件；將各個(gè)顯示頁(yè)面提取為多類顯示插件，顯示插件主要負(fù)責(zé)主題數(shù)據(jù)的顯示效果及性能；數(shù)據(jù)基礎(chǔ)信息從數(shù)據(jù)庫(kù)獲取，將數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)的功能變?yōu)閿?shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)插件。各插件功能相對(duì)獨(dú)立，不僅加快了開(kāi)發(fā)速度，同樣方便后期維護(hù)工作。

2 測(cè)發(fā)指揮顯示系統(tǒng)軟件建設(shè)需求

(1）國(guó)產(chǎn)化需求。面對(duì)頻繁發(fā)生的網(wǎng)絡(luò)安全事件，建立完備的安全防護(hù)體系，可有效抵御網(wǎng)絡(luò)攻擊破壞，但對(duì)預(yù)置的邏輯炸彈、隱蔽通道等難以有效預(yù)防，使用國(guó)外產(chǎn)品存在安全風(fēng)險(xiǎn)。為從根本上解決安全威脅，必須走國(guó)產(chǎn)化道路[7]。建設(shè)全國(guó)產(chǎn)化的測(cè)發(fā)指揮顯示系統(tǒng)意義重大，在我國(guó)航天領(lǐng)域極具開(kāi)創(chuàng)性。

(2）解決“信息孤島”問(wèn)題。測(cè)發(fā)指揮顯示系統(tǒng)包括測(cè)發(fā)電測(cè)、測(cè)發(fā)地勤、測(cè)控系統(tǒng)、氣象系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等多個(gè)子系統(tǒng)。建設(shè)一體化指揮顯示系統(tǒng)軟件，將各子系統(tǒng)信息集成顯示并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，打破不同分系統(tǒng)間的信息壁壘，實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)、跨地域、跨部門的信息融合共享，為任務(wù)的指揮發(fā)射提供決策支撐，解決航天發(fā)射指揮中遇到的決策難的問(wèn)題。

(3）跨平臺(tái)軟件復(fù)用。一體化測(cè)發(fā)指揮決策系基于國(guó)產(chǎn)體系，能夠在國(guó)產(chǎn)化終端進(jìn)行使用，同時(shí)可根據(jù)系統(tǒng)配置環(huán)境與應(yīng)用需求做出適應(yīng)性擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)一體化指揮決策軟件的快速開(kāi)發(fā)和跨平臺(tái)復(fù)用[8]。

3 一體化測(cè)發(fā)指揮決策系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

一體化測(cè)發(fā)指揮決策系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)接口程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序、一體化指揮決策軟件、遠(yuǎn)程控制軟件等配置項(xiàng)。其中數(shù)據(jù)接口程序主要用于數(shù)據(jù)的接收及轉(zhuǎn)發(fā)、協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等，通過(guò) UDP指定源方式進(jìn)行接收測(cè)發(fā)電測(cè)分系統(tǒng)、測(cè)發(fā)地勤分系統(tǒng)、氣象分系統(tǒng)和通信分系統(tǒng)等網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，并將測(cè)發(fā)電測(cè)及測(cè)發(fā)地勤數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序主要用于測(cè)發(fā)電測(cè)及測(cè)發(fā)地勤數(shù)據(jù)解析，并將解析數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至國(guó)產(chǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)；一體化指揮顯示軟件通過(guò)加載各類插件，具備數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)分析以及輔助決策等功能，是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分；遠(yuǎn)程控制軟件主要用于管理安裝于各顯示終端的一體化指揮顯示軟件，包括客戶端及服務(wù)端，通過(guò)服務(wù)端可遠(yuǎn)程啟動(dòng)、關(guān)閉以及升級(jí)一體化指揮顯示軟件。圖2描述了一體化測(cè)發(fā)指揮決策軟件的結(jié)構(gòu)框架圖。

一體化指揮決策軟件由主體顯控框架程序以及各類插件組成；插件包括數(shù)據(jù)接收插件、數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)插件以及各類顯示插件(主要包括曲線插件、表格插件、源碼插件、設(shè)備狀態(tài)跟蹤插件等）。另外，一體化指揮顯示軟件還包括輔助功能插件，包括即時(shí)通信、畫(huà)面定制、快速導(dǎo)航等。

一體化指揮決策軟件開(kāi)發(fā)語(yǔ)言采用支持跨平臺(tái)語(yǔ)言 Qt5.9，開(kāi)發(fā)環(huán)境基于 QtCreator；數(shù)據(jù)庫(kù)采用國(guó)產(chǎn)達(dá)夢(mèng)數(shù)據(jù)庫(kù)。開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)了一體化指揮決策軟件主框架及各類插件。

一體化框架為管理插件主要通過(guò)接口函數(shù)實(shí)現(xiàn)的，主要包括loadConfig和createObject兩個(gè)接口。其中l(wèi)oadConfig主要功能是初始化插件配置信息，createObject實(shí)例化插件對(duì)象。當(dāng)組件需要提供新的功能，現(xiàn)有接口不滿足時(shí)，可以通過(guò)定義新的接口進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

4 一體化測(cè)發(fā)指揮決策軟件關(guān)鍵問(wèn)題研究

4.1 數(shù)據(jù)訂閱分發(fā)機(jī)制

圖2 一體化測(cè)發(fā)指揮決策軟件結(jié)構(gòu)圖

如何將不同系統(tǒng)上報(bào)的數(shù)據(jù)解析完成后分發(fā)到顯示組件是一體化指揮決策軟件實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵問(wèn)題之一，本文采用數(shù)據(jù)訂閱分發(fā)[9]機(jī)制進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

數(shù)據(jù)接收解析插件將接收到的數(shù)據(jù)幀按照協(xié)議解析完成后，將制作主題數(shù)據(jù)所需要的字段值從數(shù)據(jù)幀中提前出來(lái)；然后按照主題配置信息，將收到的數(shù)據(jù)生成主題數(shù)據(jù)；一體化框架根據(jù)組件訂閱信息再將主題數(shù)據(jù)進(jìn)行分發(fā)，分發(fā)手段采用Qt框架提供的信號(hào)槽機(jī)制實(shí)現(xiàn)，處理流程如圖3所示。

圖3 一體化軟件數(shù)據(jù)訂閱分發(fā)流程

各主題數(shù)據(jù)均是依照預(yù)先配置好的制作策略進(jìn)行生產(chǎn)的，以滿足頁(yè)面組件的使用需求，各組件只需要訂閱其所需要的數(shù)據(jù)即可。一種主題數(shù)據(jù)可以被不同組件進(jìn)行重復(fù)訂閱，而只需要生產(chǎn)一次即可，大大提高了使用效率。

4.2 顯示頁(yè)面快速定制

一體化測(cè)發(fā)指揮決策軟件為用戶提供了“可見(jiàn)即所得”的可視化頁(yè)面快速定制軟件，通過(guò)從組件庫(kù)中拖曳頁(yè)面所需要的組件，將其放置到頁(yè)面顯示位置；然后通過(guò)可視化定制工具提供的屬性配置器配置組件的屬性信息，完成組件信息配置，進(jìn)而快速完成顯示頁(yè)面的配置?？梢暬?yè)面快速定制軟件的主要功能設(shè)計(jì)如圖4所示。

另外，為進(jìn)一步提高頁(yè)面配置效率，軟件系統(tǒng)提供了頁(yè)面模板功能，相近型號(hào)任務(wù)可通過(guò)模塊功能快速生成顯示頁(yè)面配置文件。

4.3 軟件性能適配及優(yōu)化

基礎(chǔ)軟硬件平臺(tái)終端在性能上還存在不足，為保證軟件流暢運(yùn)行，在軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中需要重點(diǎn)考慮性能問(wèn)題。主要從以下幾點(diǎn)進(jìn)行了優(yōu)化：

圖4 頁(yè)面快速定制軟件功能設(shè)計(jì)

(1）對(duì)曲線組件開(kāi)發(fā)庫(kù)進(jìn)行了測(cè)試，選擇了性能更高的Qwt開(kāi)發(fā)庫(kù)。曲線組件是平臺(tái)中使用最多的插件，其性能直接影響軟件的運(yùn)行效果。Qt下曲線開(kāi)發(fā)常見(jiàn)有 QChart、Qwt、QCustomPlot三個(gè)開(kāi)源圖 表庫(kù)，從性能、最大點(diǎn)數(shù)支持、輔助功能支持等方面展開(kāi)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖5所示(頁(yè)面每 10分鐘 180萬(wàn)點(diǎn)數(shù)）。

圖5 不同圖表庫(kù)性能比對(duì)

其他組件包括狀態(tài)跟蹤組件也同樣采用了性能更高的Qwt庫(kù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)。

(2）設(shè)置數(shù)據(jù)緩存機(jī)制，避免大數(shù)據(jù)量造成軟件運(yùn)行壓力。數(shù)據(jù)接口程序能夠根據(jù)要求在本地硬盤中緩存各種數(shù)據(jù)電文，當(dāng)顯示客戶端需要某個(gè)電文的緩存數(shù)據(jù)的時(shí)候，它向數(shù)據(jù)接口程序發(fā)出申請(qǐng)，而數(shù)據(jù)接口程序通知一體化指揮決策軟件所要緩存文件的全路徑，進(jìn)而讀取該緩存文件。

(3）采用多線程機(jī)制。Qt編程中同樣提供了多線程機(jī)制，在結(jié)合使用信號(hào)槽機(jī)制時(shí)，需要注意選取合適的信號(hào)槽連接方式。信號(hào)槽機(jī)制中的槽函數(shù)調(diào)用線程是由調(diào)用emit發(fā)送信號(hào)的線程、接受者對(duì)象所在的線程以及connect函數(shù)的第五個(gè)參數(shù)來(lái)決定的。采用直接連接時(shí)，槽函數(shù)在發(fā)送信號(hào)的線程中執(zhí)行；采用隊(duì)列連接時(shí)，槽函數(shù)在接受者所在線程執(zhí)行。

經(jīng)過(guò)以上措施優(yōu)化后，經(jīng)測(cè)試，在發(fā)射過(guò)程中數(shù)據(jù)量大的情況下，國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)下顯示終端CPU占用率滿足了任務(wù)需求。

5 結(jié)論

本文從國(guó)產(chǎn)化基礎(chǔ)軟硬件出發(fā)，通過(guò)研究基于插件的技術(shù)，提出了基于插件的一體化軟件架構(gòu)技術(shù)，顯著增強(qiáng)了一體化指揮決策軟件的復(fù)用性，同時(shí)方便了軟件功能擴(kuò)展以及開(kāi)發(fā)效率的提高，為指顯平臺(tái)在國(guó)產(chǎn)化平臺(tái)下的應(yīng)用有一定借鑒意義。在今后的工作中，隨著研究的逐步深入，將把重點(diǎn)集中在可視化界面與業(yè)務(wù)邏輯的徹底分離、跨平臺(tái)復(fù)用、組件屬性人性化配置以及軟件功能定制。