韓慶偉 謝永亮 呂 楊 周俊山

（海軍蚌埠士官學(xué)校 蚌埠 233012）

1 引言

目前軍用模擬系統(tǒng)能有效地應(yīng)用于新型武器的研制，優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高武器系統(tǒng)性能以及診斷并排除隱患和故障，提高研制質(zhì)量，有效提高訓(xùn)練效果和減少訓(xùn)練使用經(jīng)費(fèi)，從而起到了節(jié)約經(jīng)費(fèi)，提高國(guó)防建設(shè)效費(fèi)比的作用［1］，引起了各國(guó)政府重視。

由于艦艇／潛艇外出執(zhí)行任務(wù)時(shí)通常處于戰(zhàn)備航行狀態(tài)，回到基地一般靠岸休整或者全方位檢修，因此聲納開機(jī)的機(jī)會(huì)少、時(shí)間短；且艦潛水下通信訓(xùn)練需要?jiǎng)佑玫难b備多，協(xié)調(diào)起來(lái)工作的難度大，崗位訓(xùn)練與協(xié)同訓(xùn)練得不到保障。訓(xùn)練一批通信聲納操作員，對(duì)照真實(shí)的聲納裝備固然好，但如果聲納由于保密原因不能開機(jī)或開機(jī)的代價(jià)太高，這樣很難實(shí)施訓(xùn)練大批次的軍事人才，且需要耗費(fèi)大量的人力和物力，代價(jià)昂貴。本模擬系統(tǒng)旨在解決通信聲納訓(xùn)練中存在的兩大難題：一是裝備開機(jī)的機(jī)會(huì)少、時(shí)間短，訓(xùn)練機(jī)會(huì)少；二是日常訓(xùn)練中沒(méi)有實(shí)戰(zhàn)環(huán)境和通信對(duì)象，訓(xùn)練效果差。

2 模擬系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用“軟硬結(jié)合”的方法和分布式交互仿真的方法，模擬各型聲納實(shí)裝，并開發(fā)了一個(gè)戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)演臺(tái)，通過(guò)交換機(jī)和網(wǎng)線連接，構(gòu)成了整個(gè)聲納通信系統(tǒng)。各型聲納模擬器結(jié)合通信聲納裝備特點(diǎn)、工作流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，在操作界面顯示與使用方法上做到與實(shí)裝一致。戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)演臺(tái)模擬產(chǎn)生水面艦艇、潛艇等各類目標(biāo)數(shù)據(jù)和戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)，結(jié)合通信聲納模擬操縱臺(tái)的功能操作，實(shí)現(xiàn)識(shí)別測(cè)距、電話、電報(bào)等通信功能。

系統(tǒng)首先搭建一個(gè)健壯的、可擴(kuò)展的、靈活的框架，它基于開放或共享標(biāo)準(zhǔn)［2］?？蚣艿脑O(shè)計(jì)要力求做到：完備性、靈活性、可擴(kuò)展性、可理解性，能同時(shí)用于不同的場(chǎng)合；用戶和框架的交互清晰，文檔齊全［3］。系統(tǒng)的工作流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作流程圖

接下來(lái)采用面向?qū)ο蟮木幊趟枷?，將系統(tǒng)有機(jī)地分解成各功能模塊，把系統(tǒng)看作相互協(xié)作的對(duì)象，這些對(duì)象是結(jié)構(gòu)和行為的封裝，都屬于某個(gè)類，那些類具有某種層次化的結(jié)構(gòu)［4］。模塊彼此之間通過(guò)接口協(xié)調(diào)工作，同時(shí)預(yù)留部分接口，以便軟件的擴(kuò)展和升級(jí)。各模塊關(guān)系如圖2所示。

在程序編寫、建模設(shè)計(jì)上采用面向?qū)ο蟮姆椒ǎ嫦驅(qū)ο蠹夹g(shù)提供一種新的認(rèn)知和表示世界的思想和方法，它對(duì)計(jì)算機(jī)工業(yè)的影響是深遠(yuǎn)的［5］。同時(shí)面向?qū)ο蠹夹g(shù)為軟件工業(yè)實(shí)現(xiàn)工程化提供了強(qiáng)有力的支持，在軟件開發(fā)過(guò)程中，建立模型的正確性是軟件系統(tǒng)順利運(yùn)行的基本保障，是軟件系統(tǒng)開發(fā)順利進(jìn)行的保障。應(yīng)用平臺(tái)編程語(yǔ)言選擇發(fā)展成熟的Visua1C＋＋6.0編程語(yǔ)言，它將面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)方法和可視化的軟件開發(fā)環(huán)境完美地結(jié)合起來(lái)；它兼有高級(jí)和低級(jí)語(yǔ)言的雙重性，功能強(qiáng)大、靈活、執(zhí)行效率高。同時(shí)采用DirectX開發(fā)包進(jìn)行相應(yīng)功能的開發(fā)。DirectX是微軟公司開發(fā)的一套用于高性能多媒體程序的應(yīng)用程序接口，它主要優(yōu)勢(shì)是使Windows程序開發(fā)者既能夠直接訪問(wèn)硬件設(shè)備，又不破壞 Windows的設(shè)備獨(dú)立性，為程序開發(fā)者提供了一個(gè)健全并有良好支持的平臺(tái)，使其能夠開發(fā)出高性能的Windows游戲或多媒體應(yīng)用程序。這正是本系統(tǒng)采用DirectX來(lái)開發(fā)的一個(gè)重要因素。

圖2 各模塊接口關(guān)系圖

3 模擬系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要由通信聲納模擬操縱臺(tái)、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)演臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)成，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件組成框圖

戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)演臺(tái)由一臺(tái)PC機(jī)構(gòu)成，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為100M寬帶局域網(wǎng)，主要由交換機(jī)、網(wǎng)絡(luò)接口及網(wǎng)線網(wǎng)卡組成。通信聲納模擬操縱臺(tái)為海軍標(biāo)準(zhǔn)通用型模擬操縱臺(tái)，按照實(shí)裝進(jìn)行設(shè)計(jì)，部件尺寸盡量與實(shí)裝一致，其內(nèi)部為一臺(tái)通用計(jì)算機(jī)，完成各種操作響應(yīng)與顯示。硬件部分的顯示器、各種按鈕、開關(guān)、電鍵、通話器和耳機(jī)等通過(guò)專用定做、市場(chǎng)采購(gòu)等方式來(lái)獲取。

硬件操作與軟件虛擬的接口主要通過(guò)USB7408（N）接口模塊實(shí)現(xiàn)，其中輸入部分包括開關(guān)、按鈕、電鍵、話筒等，輸出部分包括指示燈、聲音等。USB7408（N）接口模塊開關(guān)量輸入為16路，輸出為16路，采用兩組分別共地方式。

模塊上的所有16路開關(guān)量輸入信號(hào)狀態(tài)均可以由CPU通過(guò)巡檢方式讀出，即CPU通過(guò)直接讀取I／O口上的數(shù)據(jù)來(lái)判斷輸入信號(hào)的狀態(tài)，其工作原理如圖4所示。

模塊的16路開關(guān)量輸出回路可用于外部電路的開關(guān)控制，其每路最大輸出電流500mA左右，開關(guān)量輸出部分工作原理如圖5所示。

圖4 開關(guān)量輸入部分工作原理

圖5 開關(guān)量輸出部分工作原理

模塊工作時(shí)，計(jì)算機(jī)送“1”使驅(qū)動(dòng)器三極管導(dǎo)通，計(jì)算機(jī)送“0”使驅(qū)動(dòng)器三極管截止。所有的開關(guān)量輸出信號(hào)均帶有鎖存功能。當(dāng)CPU對(duì)設(shè)定的一個(gè)I／O地址執(zhí)行一次寫操作，就送出了一組（16路）輸出信號(hào)。

聲納模擬操縱臺(tái)硬件設(shè)計(jì)原理圖如圖6所示。由圖可見，該電路主要由一個(gè)7408模塊和一個(gè)電源模塊以及設(shè)備開關(guān)、按鈕、指示燈、風(fēng)扇等組成。其中電源模塊輸出＋24V、＋12V、＋5V三種直流電壓供各部分直流供電。7408模塊的各個(gè)輸入、輸出分別對(duì)應(yīng)連接各開關(guān)、按鈕、指示燈等，模塊將采集到的電壓開關(guān)量輸入到計(jì)算機(jī)，供軟件調(diào)用，同時(shí)將軟件輸出的開關(guān)量信號(hào)輸出給硬件指示設(shè)備。

圖6 系統(tǒng)電路原理圖

4 模擬系統(tǒng)關(guān)鍵模塊的實(shí)現(xiàn)

4.1 通信模塊的實(shí)現(xiàn)

通信模塊用于實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)演臺(tái)與聲納模擬器之間指令和數(shù)據(jù)的傳遞和交換，以此模擬海水中的通信連接。

通信模塊主要采用傳輸控制／網(wǎng)際協(xié)議TCP／IP協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中Socket接口是TCP／IP網(wǎng)絡(luò)最為通用的API，它提供了不同主機(jī)間進(jìn)程通信的端點(diǎn)，屏蔽了底層通信軟件和具體操作系統(tǒng)的差異，使得任何兩臺(tái)安裝了TCP／IP協(xié)議軟件和實(shí)現(xiàn)了Socket規(guī)范的計(jì)算機(jī)之間的通信成為可能。

裝備的第一要求是可靠性，因此在選用套接字時(shí)選用面向連接的套接字而不選用面向非連接的數(shù)據(jù)報(bào)套接字，用以保證通信質(zhì)量。同時(shí)采用Socket基礎(chǔ)類編程，以提高通信效率。為了使管理數(shù)據(jù)收發(fā)更加便利，CSocket類和CSocketFile類可以與CArchive類一起合作來(lái)管理發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)。但是隨之帶來(lái)了問(wèn)題，阻塞問(wèn)題將給系統(tǒng)的通信帶來(lái)巨大麻煩［6］，而CSocket類的阻塞函數(shù)包括Receive（）、Send（）、ReceiveFrom（）、SendTo（）和 Accept（），這些函數(shù)須直到操作完成后才返回控制權(quán)。為了解決阻塞問(wèn)題，在編寫程序時(shí)，主要采取了三種策略：

1）采用了多線程編程，使通信線程獨(dú)立運(yùn)作，互不影響。

2）采用選擇模型進(jìn)行通信，能有效防止阻塞。

3）采用收發(fā)分置，使工作者線程有條不紊。

通過(guò)防阻塞處理，能保證較高的通信質(zhì)量，確保通信系統(tǒng)的有效性和可靠性。

4.2 自動(dòng)評(píng)分模塊的實(shí)現(xiàn)

自動(dòng)評(píng)分模塊主要在各想定訓(xùn)練科目下對(duì)各聲納模擬器操作員的操作情況進(jìn)行自動(dòng)評(píng)分。

隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展與普及，很多課程的考試都已經(jīng)能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò)在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行了。網(wǎng)上考試系統(tǒng)因具有考試組織方便、考試不受時(shí)間和地域的限制、可以快速客觀地給出考試成績(jī)和降低考試成本等優(yōu)點(diǎn)，將成為今后考試尤其是大規(guī)?？荚嚨陌l(fā)展趨勢(shì)［7］。因此在進(jìn)行科目式訓(xùn)練考核時(shí)，為了減少人為因素的不利影響，促進(jìn)考試的規(guī)范化和科學(xué)化，應(yīng)設(shè)計(jì)并選取最合適的評(píng)分策略，以實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的自動(dòng)評(píng)分。

由于在特定的情景下，對(duì)各裝備的操作使用是有規(guī)定要求和操作流程的，因此本模塊將各操作員的操作情況以文本的方式記錄下來(lái)，與標(biāo)準(zhǔn)答案進(jìn)行比較，并通過(guò)引入單向貼近度設(shè)計(jì)算法，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)評(píng)分的目標(biāo)。

系統(tǒng)先通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將各模擬器操作臺(tái)的操作情況記錄在文本中：

date.Format（"1.工作方式選擇正確；已完成"）；

destFile.Write（date，date.GetLength（））；

destFile.Write（date，date.GetLength（））；

等待訓(xùn)練完成后，系統(tǒng)將各操作員的操作情況與部隊(duì)在此作戰(zhàn)情景下的操作規(guī)范和流程進(jìn)行一一對(duì)比，給出成績(jī)?cè)u(píng)定。

4.3 聲納模擬器的實(shí)現(xiàn)

通信聲納主要由通信模塊和功能實(shí)現(xiàn)模塊兩大部分，程序框架如圖7所示。

通信聲納主要的四項(xiàng)基本功能是：“識(shí)別測(cè)距”、“電傳報(bào)”、“電話”和“電報(bào)”。因此，模擬器設(shè)置了對(duì)應(yīng)的四個(gè)功能模塊，功能模塊從操作流程、裝備響應(yīng)上應(yīng)與實(shí)際裝備保持一致。

圖7 聲納模擬器框圖

以識(shí)別測(cè)距模塊為例，識(shí)別測(cè)距模塊的主要功能是實(shí)現(xiàn)敵我識(shí)別、測(cè)距功能；模擬實(shí)現(xiàn)水聲通信的延時(shí)效果；對(duì)接收信號(hào)的幅度譜和頻率譜進(jìn)行模擬。

當(dāng)模擬器工作在識(shí)別測(cè)距工作模式時(shí)，首先要設(shè)置詢問(wèn)碼和應(yīng)答碼，確保通信方式一致。當(dāng)按下“單組識(shí)別”、“多組識(shí)別”、“測(cè)距”或“清除”按鈕時(shí)，USB7408采集模塊中的對(duì)應(yīng)的輸入通道將向?qū)⑾虺绦蜉斔汀?”，程序會(huì)判斷通信目標(biāo)是否在該聲納工作的作用范圍內(nèi)，如果在，程序則會(huì)觸發(fā)相應(yīng)的處理函數(shù) OnSingleIdentify（）、OnMultiIdentify（）、OnDetect（）或OnClear（），對(duì)相應(yīng)的按鈕進(jìn)行響應(yīng)。在響應(yīng)過(guò)程中，主要依據(jù)與通信目標(biāo)的距離和水文環(huán)境來(lái)設(shè)置合理的延遲時(shí)間，水文環(huán)境的模擬主要采用延遲通信技術(shù)和控制通信誤碼率來(lái)實(shí)現(xiàn)，以實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練環(huán)境和態(tài)勢(shì)的模擬。

其中界面的文字響應(yīng)可通過(guò)SetDlgItemText（）來(lái)實(shí)。界面的圖標(biāo)響應(yīng)可以通過(guò)SetBitmap（）來(lái)實(shí)現(xiàn)。顯控臺(tái)的燈光響應(yīng)可以通過(guò)USB7408模塊的一路輸出信號(hào)控制指示燈來(lái)實(shí)現(xiàn)。聲音信號(hào)，則先應(yīng)在實(shí)裝中對(duì)不同狀態(tài)下的音響進(jìn)行錄制，然后用DirectX提 供 的 Direct－Sound組件進(jìn)行播放控制。對(duì)接收信號(hào)的幅度譜和頻率譜進(jìn)行模擬，首先查看各型聲納的技術(shù)資料，對(duì)接受信號(hào)的幅度譜和頻率譜建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，然后通過(guò)VC在識(shí)別測(cè)距模塊的對(duì)應(yīng)界面畫出逼真的譜線圖。識(shí)別測(cè)距的譜線圖最終效果如果8所示。

圖8 識(shí)別測(cè)距譜線圖面圖

5 軟件的測(cè)試與分析

IEEE定義軟件測(cè)試為：使用人工或自動(dòng)手段來(lái)運(yùn)行或測(cè)定某個(gè)系統(tǒng)的過(guò)程，其目的在于檢驗(yàn)它是否滿足規(guī)定的需求或弄清預(yù)期結(jié)果與實(shí)際結(jié)果之間的差別［8］。

隨著軟件開發(fā)的進(jìn)行，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不斷擴(kuò)大，軟件設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度不斷提高，軟件開發(fā)中出現(xiàn)錯(cuò)誤或缺陷的機(jī)會(huì)越來(lái)越多。軟件必需經(jīng)過(guò)測(cè)試，測(cè)試是驗(yàn)證軟件是否能達(dá)到期望功能的唯一有效的方法［9］。軟件測(cè)試是軟件開發(fā)的一個(gè)重要組成部分。

對(duì)于本系統(tǒng)，通信模塊的測(cè)試可以通過(guò)各模塊間的傳遞數(shù)據(jù)包來(lái)測(cè)試［10］，系統(tǒng)在模塊間測(cè)試發(fā)送10000個(gè)具有32個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)包，丟失率為0%，平均時(shí)間為1ms。說(shuō)明系統(tǒng)間通信模塊正常。

接下來(lái)的各功能模塊，主要在戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)演臺(tái)和模擬器上測(cè)試，對(duì)各功能模塊設(shè)定測(cè)試方案，并預(yù)先給定應(yīng)該出現(xiàn)的響應(yīng)，與實(shí)際響應(yīng)進(jìn)行對(duì)比。

以聲納模擬器為例，本系統(tǒng)做了如下測(cè)試，部分如表1所示。

表1 系統(tǒng)模擬操縱臺(tái)功能檢測(cè)表

此外，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行五天五夜的不間斷運(yùn)作，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)程序崩潰或死機(jī)的現(xiàn)象。

同時(shí)，組織了不同單位對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行試用，反應(yīng)良好。通過(guò)以上測(cè)試，表明了該系統(tǒng)是一個(gè)功能齊全、體系健壯的系統(tǒng)。該系統(tǒng)不但操作響應(yīng)快、運(yùn)行穩(wěn)定，而且占用系統(tǒng)資源少、容錯(cuò)能力強(qiáng)。

6 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)綜合集成了計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、圖形圖像技術(shù)、多媒體技術(shù)、軟件工程、信息處理等多個(gè)高新技術(shù)領(lǐng)域的知識(shí)，成功地研制了水下通信訓(xùn)練系統(tǒng)，有效地解決了水下通信訓(xùn)練缺乏訓(xùn)練環(huán)境和訓(xùn)練手段的難題，為通信聲納的教學(xué)訓(xùn)練提供了有力的保障和較為理想的訓(xùn)練環(huán)境。系統(tǒng)平臺(tái)通用性強(qiáng)，運(yùn)行環(huán)境和硬件設(shè)施要求不高，可大大的減少為教學(xué)和訓(xùn)練配備新型實(shí)裝而造成的巨額經(jīng)濟(jì)開支，具有十分廣泛的應(yīng)用前景。

［1］Eskelinen E，Ruuskanen P，Rasanen U，et al.Lowcost simu－lator for basic radar gignals［J］.IEEE Aerospace and Electronics System Magazine，1994，9（6）：7－11.

［2］韓萬(wàn)江.軟件工程案例教程［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006：18－29.

［3］Raphael Maiveau，Thomas J.Mowbray.軟件架構(gòu)師教程［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2003：21－53.

［4］陳松.組件化程序開發(fā)模式［J］.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，1998，35（9）：33－35.

［5］譚鈞元.面向?qū)ο蠹夹g(shù)的企業(yè)門戶信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.重慶：重慶大學(xué)，2007：3－31.

［6］符廣全.基于高速以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)控制傳輸技術(shù)研究［C］／／中國(guó)控制與決策會(huì)議論文集，2009：213－231.

［7］嵇敏.自動(dòng)評(píng)分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.遼寧師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，29（2）：193－196.

［8］Ron Patton.軟件測(cè)試［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007：23－33.

［9］Glenford J.Myers.The Art of Software Testing［M］.John Wiley ＆ Sons Publishing，1997：25－57.

［10］呂國(guó)云，許學(xué)忠，趙銳.戰(zhàn)場(chǎng)目標(biāo)被動(dòng)噪聲識(shí)別技術(shù)［J］.探測(cè)與控制學(xué)報(bào)，2001，23（4）：22－25.