楊曉彥，徐慧敏，石三將

(南京電子技術(shù)研究所，　南京 210039)

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基于插件集成技術(shù)的雷達顯示軟件設(shè)計

楊曉彥，徐慧敏，石三將

(南京電子技術(shù)研究所，南京 210039)

摘要：現(xiàn)代一體化戰(zhàn)爭的態(tài)勢瞬息萬變，戰(zhàn)場對各類傳感器信息保障的要求也越來越高。終端顯示軟件作為雷達人機信息與操作交互的窗口，需要能夠針對不同的作戰(zhàn)任務(wù)進行快速反應(yīng)，功能靈活可重構(gòu)?；谠撟鲬?zhàn)需求，文中提出了一種以開發(fā)庫QT為平臺，基于插件集成的雷達顯示軟件設(shè)計思路與方法，介紹插件技術(shù)，描述了本軟件的體系架構(gòu)以及具體的設(shè)計實現(xiàn)方法。該軟件設(shè)計技術(shù)現(xiàn)已在某型艦載雷達顯示終端上正式應(yīng)用，其滿足了系統(tǒng)的靈活性、高效性、擴展性要求，具有很高的實用意義及推廣價值。

關(guān)鍵詞：雷達顯示軟件；插件技術(shù)；集成框架 ；集成

0引言

雷達信息顯示界面為作戰(zhàn)指揮官、雷達操作員提供了與系統(tǒng)的人機交互接口，其信息的顯示向各作戰(zhàn)單元提供了實時可靠的態(tài)勢目標(biāo)信息、戰(zhàn)場電磁環(huán)境信息、戰(zhàn)術(shù)情報信息，為戰(zhàn)場指揮員的作戰(zhàn)決策提供了有效的信息支撐。

通常的雷達顯示軟件只針對特定波段雷達或特定的作戰(zhàn)任務(wù)需求而設(shè)計，功能單一，任務(wù)明確，軟件最終編譯為一個可執(zhí)行文件部署在若干個作戰(zhàn)臺位上。隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭信息化程度的不斷加強、作戰(zhàn)環(huán)境的日趨復(fù)雜、一體化作戰(zhàn)要求的與日俱增，對終端要求也越來越高[1]，要求雷達顯示軟件能夠適應(yīng)這些新的作戰(zhàn)需求，針對不同的空海作戰(zhàn)任務(wù)，不同類型的探測目標(biāo)靈活配置，對不同的功能進行快速整合。

近些年來，軟件插件集成技術(shù)已經(jīng)得到了深入廣泛的研究并日趨成熟完善。以此技術(shù)為基礎(chǔ)，全新的作戰(zhàn)需求為背景，本文提出并實現(xiàn)了一種能夠面向多

種作戰(zhàn)任務(wù)，進行快速定制、重構(gòu)的雷達顯示軟件技術(shù)。與以往的雷達顯示軟件相比，將數(shù)據(jù)、顯示、不同的應(yīng)用業(yè)務(wù)以插件的方式分開，保證了功能上的隔離性、獨立性和可擴展性，通過集成框架加載不同的插件組合，實現(xiàn)了面向不同作戰(zhàn)任務(wù)的軟件重構(gòu)功能。

1主要功能和特點

現(xiàn)代一體化空海戰(zhàn)爭都離不開雷達，而雷達探測、偵察到的信息只有疊加在海圖或地圖背景上才能將當(dāng)前戰(zhàn)場敵我態(tài)勢展現(xiàn)出來，從而為作戰(zhàn)指揮員的決策提供信息支撐保障，保證作戰(zhàn)效能。

雷達信息的顯示種類繁多，通常包括雷達原始視頻、有源點跡、有源航跡、無源探測信息、背景地圖、背景海圖、手工標(biāo)繪、各類表格表頁信息、設(shè)備自檢信息、干預(yù)操控界面等信息元素[2]。不同的作戰(zhàn)任務(wù)需要不同類型的元素組合提供信息支撐，例如近程反導(dǎo)跟蹤任務(wù)、遠程搜索任務(wù)、無源偵察任務(wù)、海面搜索任務(wù)，都需要不同類型的保障信息。本文提出的雷達顯示軟件在統(tǒng)一的集成框架基礎(chǔ)上，利用插件集成技術(shù)，可在信息態(tài)勢圖上針對不同作戰(zhàn)任務(wù)

實現(xiàn)不同的業(yè)務(wù)功能。

1.1功能

基于插件集成的雷達顯示軟件具備以下一些六點功能：

1) 插件管理

實現(xiàn)集成框架與插件，插件與插件之間的交互，完成插件的注冊、反注冊，啟用、禁用等通用功能，顯示插件版本、日期、與其他插件依賴關(guān)系等基本信息[3]。

2) 數(shù)據(jù)管理

軟件接收到雷達前端、探測目標(biāo)、戰(zhàn)場電磁環(huán)境、設(shè)備自檢信息、作戰(zhàn)任務(wù)命令等信息數(shù)據(jù)后，將這些信息數(shù)據(jù)進行歸類、組織，形成通用的基礎(chǔ)源信息，為不同插件需求的各種不同的信息應(yīng)用提供底層基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

3) 態(tài)勢圖層顯示

實現(xiàn)各種不同類型態(tài)勢圖層的生成、顯示與刷新。這些態(tài)勢圖層將對應(yīng)的目標(biāo)信息直觀的疊加在背景地圖或海圖之上顯示并周期性地刷新，最后呈現(xiàn)在雷達操作員面前的是所有圖層疊加后的整體態(tài)勢。常用的態(tài)勢圖層包括航跡顯示圖層、點跡顯示圖層、人工標(biāo)繪圖層、海圖圖層等。

4) 態(tài)勢圖層管理

實現(xiàn)各態(tài)勢圖層的生成、加載、刪除、顯示、隱藏等功能。

5) 信息顯示

實現(xiàn)不同類型信息的顯示，以及針對相同信息不同角度、不同方式的顯示，例如表格顯示、統(tǒng)計圖形顯示、對話框顯示。

6) 人機交互

為操作員提供針對不同類型的數(shù)據(jù)信息及當(dāng)前狀態(tài)、參數(shù)、任務(wù)進行人工干預(yù)的手段，包括鼠標(biāo)點擊，鍵盤輸入，觸控等。

1.2特點

基于插件集成技術(shù)的雷達顯示軟件通過組合集成不同插件的方式實現(xiàn)不同的應(yīng)用功能，展現(xiàn)不同類型的作戰(zhàn)場景態(tài)勢。靈活的策略配置功能支持用戶按需提取和展現(xiàn)操作員、指揮員所關(guān)注的態(tài)勢信息。其主要具備以下三個特點：

1) 靈活性

軟件的靈活性體現(xiàn)在兩個方面：一是軟件配置集成的靈活性，可以通過配置不同的功能插件組合來實現(xiàn)具體的功能，配置集成通過配置文件來實現(xiàn)，增加、刪減插件只需修改配置文件即可；二是開發(fā)方式上的靈活性，劃分好系統(tǒng)功能插件后，可以根據(jù)實際情況，開發(fā)全部或部分功能插件，也可以借助外部第三方的力量來輔助開發(fā)[4]。

2) 高效性

通過對軟件進行精細(xì)化的劃分，有效降低各插件之間的耦合度，在面向特定的作戰(zhàn)任務(wù)時只需加載任務(wù)相關(guān)插件，剔除了冗余功能，保證了軟件高效率的運行。

3) 可復(fù)用性與可擴展性強

可以根據(jù)不同用戶的特定需求，擴展軟件功能，加入新的功能插件。有效的運用插件技術(shù)，可以開發(fā)出伸縮性良好，便于維護與擴充的應(yīng)用軟件。

2插件技術(shù)

所謂插件技術(shù)就是在軟件開發(fā)里，將軟件應(yīng)用程序分為集成框架主程序和插件兩個部分，集成框架和插件之間可以通過定義接口規(guī)范相互通信?；诓寮摹翱蚣?插件”結(jié)構(gòu)體系框架，如圖1所示。

圖1　集成框架+插件的軟件體系框架

集成框架為軟件應(yīng)用程序提供了統(tǒng)一規(guī)范的開發(fā)方式以及穩(wěn)定的入口應(yīng)用程序，并可以在不對系統(tǒng)主程序進行修改和影響現(xiàn)有功能插件運行的情況下，通過修改或增加新的功能插件以擴充應(yīng)用軟件的功能。集成框架的主要功能包括：

1) 提供標(biāo)準(zhǔn)的接口集，用于建立起主程序與插件之間的通信。通信的接口信息包括獲取插件基礎(chǔ)配置信息、獲取各類插件指針、初始化插件、運行加載插件、釋放插件資源、插件面板UI創(chuàng)建、插件菜單響應(yīng)等。

2) 初始化時通過讀入特定配置文件，來獲得對應(yīng)配置所需要加載的插件列表，獲取相應(yīng)的插件信息，根據(jù)插件之間的相互依賴關(guān)系決定各插件的加載順序，將功能插件加入框架所需加載的控制鏈表之中，依次完成所有插件的動態(tài)加載。

3) 插件加載完成后，集成框架通過定義的接口信息，與各插件進行通信，并響應(yīng)已加載插件的運行和退出。

3軟件設(shè)計與實現(xiàn)

3.1軟件體系架構(gòu)

基于插件集成技術(shù)的雷達顯示軟件采用框架+插件的軟件體系架構(gòu)。此體系架構(gòu)將待開發(fā)的目標(biāo)軟件系統(tǒng)分成兩大部分：一部分為集成框架，即是程序的主體，主要具備框架內(nèi)核控制與插件管理兩大功能；另一部分為插件，用于實現(xiàn)特定的功能和業(yè)務(wù)應(yīng)用。插件又分為基礎(chǔ)插件和功能插件，其中：基礎(chǔ)插件主要負(fù)責(zé)應(yīng)用軟件主窗口、界面元素、基礎(chǔ)公用數(shù)據(jù)的組織和管理，并為功能插件提供必要的基礎(chǔ)功能接口和數(shù)據(jù)支撐；功能插件負(fù)責(zé)具體作戰(zhàn)相關(guān)業(yè)務(wù)應(yīng)用需求的實現(xiàn)，功能插件的成功運行需要依賴相應(yīng)的基礎(chǔ)插件。整個軟件的總體體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　基于插件集成技術(shù)的雷達顯示軟件總體體系架構(gòu)

3.2集成框架設(shè)計

集成框架功能包含了兩個部分，內(nèi)核控制和插件管理。內(nèi)核控制部分封裝了軟件應(yīng)用程序入口及插件管理模塊的初始化過程；插件管理負(fù)責(zé)管理集成框架的所有插件，完成框架與插件的協(xié)調(diào)，對插件狀態(tài)進行跟蹤，完成插件的加載、管理和調(diào)用，為插件提供標(biāo)準(zhǔn)接口[5]。

3.2.1框架接口和插件管理

集成框架為插件提供標(biāo)準(zhǔn)接口，具體接口的實現(xiàn)由插件去完成?？蚣艿慕涌陬怣Interface聲明了virtual QString init(const QString &message) = 0和virtual QString extensionInit(const QString &message) = 0這兩個純虛函數(shù)，所有需要集成在框架中的插件類必須去實現(xiàn)這兩個函數(shù)。init(const QString &message)函數(shù)用于完成插件內(nèi)部功能應(yīng)用對象的創(chuàng)建及初始化，其在插件庫被載入且實例化之后調(diào)用；extensionInit(const QString &message) 插件及其依賴插件庫全部初始化后被調(diào)用，其用于與依賴插件之間的通信和功能擴展。

集成框架通過插件管理類PluginManage對插件進行管理，采用單件模式實現(xiàn)，在整個應(yīng)用程序中只有唯一的實例，提供了實例的全局訪問點PluginManage：：instance()。PluginManage類中的插件對象列表QList用來存儲所有插件的實例對象。PluginMana通過readPluginInfo(paths:QStringList)讀入插件庫的路徑信息，通過addPlugObj(obj:QObject)添加一個具體的插件對象，通過 removePlugObj(obj:QObject)刪除一個具體的插件對象。集成框架初始化時生成一個MpluginLoader框架類對象在其功能函數(shù)loadPlugin(obj:QObject)的定義中通過實例化的PluginManage加載所有查詢到的插件-pPluginManage->addPlugObj(obj:QObject)。在PluginManage類的統(tǒng)一調(diào)度之下，所有插件被依次加載與初始化，隨之進入正常的運行狀態(tài)。集成框架相關(guān)類圖如圖3所示。

圖3　集成框架插件管理類圖

3.2.2框架運行過程

主程序啟動后的調(diào)用運行過程，如圖4所示。

圖4　框架運行調(diào)用序列

1) 軟件主程序初始化，初始化框架類對象實例；

2) 框架類在指定目錄中對插件配置文件進行讀??；

3) 插件管理類從插件配置文件中獲取插件基礎(chǔ)信息；

4) 插件管理類對插件的合法性進行驗證，對非法插件庫進行過濾；

5) 驗證插件間的依賴關(guān)系，確定插件加載順序；

6) 框架類調(diào)用插件管理類對象實例，去加載插件；

7) 插件管理類對象加載插件組件；

8) 插件庫通過接口實現(xiàn)自己的初始化功能定義；

9) 調(diào)用插件庫擴展接口，加載插件的擴展功能；

10) 插件庫通過接口實現(xiàn)自己的擴展功能定義。

3.3插件設(shè)計

插件負(fù)責(zé)了雷達顯示軟件的功能實現(xiàn)，依層次及功能將所有插件劃分為基礎(chǔ)插件與功能插件兩大類。

3.3.1基礎(chǔ)插件

數(shù)據(jù)管理插件(DataManage.dll)與核心管理插件(CoreManage.dll)為本軟件的基礎(chǔ)插件。軟件中其他功能插件均依賴此兩個基礎(chǔ)插件。數(shù)據(jù)管理插件繼承自框架接口MInterface類，負(fù)責(zé)了雷達信息顯示軟件與外系統(tǒng)所有的通訊接口，數(shù)據(jù)報文收發(fā)，信息數(shù)據(jù)例如雷達航跡數(shù)據(jù)、點跡數(shù)據(jù)、作戰(zhàn)任務(wù)參數(shù)數(shù)據(jù)的組織存儲，并為功能插件提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)查詢、調(diào)看以及修改的接口。 DataManage類實現(xiàn)了框架接口的定義，類中包含了單件模式的Global 類靜態(tài)對象m_sGlobal，Global 類中實現(xiàn)了用于通訊的套接字與接口處理線程、命令解析線程、控制命令發(fā)送接口、雷達顯示控制接口、參數(shù)控制顯示接口、公共函數(shù)接口等，數(shù)據(jù)管理插件相關(guān)類圖如圖5所示。

圖5　數(shù)據(jù)管理插件類圖

核心管理插件為整個應(yīng)用程序提供了封裝界面的主窗口類與關(guān)鍵窗口部件的擴展點，允許功能插件定制自己的個性化界面擴展業(yè)務(wù)，提供態(tài)勢圖層疊加功能。關(guān)鍵的窗口部件包括主顯示區(qū)、主控窗口欄、工具欄與狀態(tài)欄。圖層管理類(Layer Manage)為雷達各種態(tài)勢顯示圖層提供了指定的顯示區(qū)域，并提供態(tài)勢圖層疊加或切換的接口管理功能；窗口管理類(Wnd Manage)為各類作戰(zhàn)操控、目標(biāo)干預(yù)界面UI提供了停靠區(qū)域，工具欄與狀態(tài)欄類則為特殊的UI擴展提供了相應(yīng)的接口。海圖圖層類(Sea Map)提供了PPI區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)海圖圖層的繪制以及對海圖顯示控制的相關(guān)管理接口。核心管理插件內(nèi)部組成如圖6所示。

圖6　核心管理插件內(nèi)部功能組成圖

3.3.2功能插件

在雷達信息顯示軟件中，具體的作戰(zhàn)業(yè)務(wù)應(yīng)用由各功能插件實現(xiàn)。本軟件的功能插件分為航跡態(tài)勢圖層插件、顯示控制插件、系統(tǒng)監(jiān)測插件、設(shè)備操作插件等。本文以航跡態(tài)勢圖層插件為例，對功能插件加以具體說明。

航跡態(tài)勢圖層插件(TrackLayer.dll)實現(xiàn)了雷達有源航跡目標(biāo)的態(tài)勢顯示，并提供對航跡的人工干預(yù)操作。航跡圖層顯示TrackLayerDisp類利用的是QT的圖形化視圖框架技術(shù)。圖形視圖框架包含視圖、場景、圖元三個組成部分。視圖是用戶定制的二維圖形為進行管理和交互提供一個平臺，同時為圖元的可視化提供視圖窗口。場景為圖元提供顯示平臺。圖元是圖形顯示的單元，可以將基本圖形如線、矩形、圓周等作為一個圖元，也可以將多個基本圖形組合成一個復(fù)雜圖形作為一個圖元。

航跡態(tài)勢圖層插件將雷達航跡作為一種二維圖元QGraphicsItem進行管理與交互，圖層作為一種QGraphicsView為航跡圖元的顯示提供了視圖窗口，場景QGraphicsScene為圖元提供了顯示的平臺。ActiveTrack為航跡顯示類，航跡顯示元素包括當(dāng)前航跡點、歷史航跡點、航跡標(biāo)牌。從QGraphicsItem中派生出定制的圖元類TrackLabelItem表征當(dāng)前最新航跡點，航跡標(biāo)牌以及當(dāng)前點與標(biāo)牌的連接線；從QGraphicsPolygonItem中派生出定制的圖元類TrackDotItem表征航跡歷史點。

航跡圖層場景中的每條雷達有源航跡用一個ActiveTrack對象來表示，當(dāng)收到新航跡數(shù)據(jù)或舊航跡數(shù)據(jù)更新時，通過savePoint(QPointF pt)將新航跡點保存進來，同時根據(jù)需要更新歷史航跡點。若航跡消失，則通過Remove()接口將相應(yīng)的航跡單元從場景中清除。航跡圖層在程序主線程timer中刷新，刷新率可以根據(jù)硬件平臺性能效率做相應(yīng)修改，航跡圖層中有源航跡單元的信息數(shù)據(jù)取自基礎(chǔ)插件(DataManage.dll)。航跡態(tài)勢圖層插件相關(guān)類圖如圖7所示。

3.4軟件集成

完成集成框架與所有插件的設(shè)計之后，軟件通過集成加載不同的插件集來實現(xiàn)不同的作戰(zhàn)應(yīng)用。

圖7　航跡態(tài)勢圖層插件類圖

不同的插件集由加載的xml類型的配置文件決定，配置文件的規(guī)范如下所示：

Core

DataManage

DispCtrl

TrackLayer

Sys_Bit

這段配置文件說明了名為XXX設(shè)備的軟件配置項由以下5個插件組成，分別是Core.dll、Datamanage.dll、DispCtrl.dll、TrackLayer.dll、Sys_Bit.dll。

當(dāng)作戰(zhàn)需求發(fā)生變更時，不需要對集成框架、基礎(chǔ)插件進行修改，只需對功能插件進行對應(yīng)的修改，或增加針對需求的功能插件；然后，修改配置文件，增加或刪減對應(yīng)的軟件配置項即可滿足系統(tǒng)不同類型的作戰(zhàn)要求。

3.5應(yīng)用實例

在一個項目上，運用此技術(shù)進行雷達信息顯示軟件的開發(fā)，顯示界面如圖8所示。

圖8　基于插件集成技術(shù)的雷達顯示軟件應(yīng)用實例

在實際工程應(yīng)用中，此軟件可根據(jù)選擇的不同軟件配置項進行插件的重新加載，實現(xiàn)軟件重構(gòu)，方便軟件功能的裁剪增加。例如，在對空戰(zhàn)應(yīng)用時，軟件加載航跡圖層插件用于顯示空情態(tài)勢，而在系統(tǒng)監(jiān)測應(yīng)用時，只需在配置文件中刪除航跡圖層插件，增加系統(tǒng)監(jiān)測插件即可，無需對主框架或其他功能插件進行代碼上的修改。

4結(jié)束語

基于插件集成技術(shù)的軟件與傳統(tǒng)開發(fā)軟件相比，具有靈活性、高效性、擴展性和維護性好，代碼復(fù)用率高等優(yōu)勢。只要保證框架和插件接口不變，那么對插件或者框架的修改都不會影響已有功能的實現(xiàn)。功能插件之間也相互獨立，對某個特定插件的修改不會影響其他插件的正常運行。通過在某型艦載雷達顯示軟件設(shè)計中的應(yīng)用，表明該軟件的設(shè)計架構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)雷達終端顯示軟件針對不同作戰(zhàn)任務(wù)的快速部署重構(gòu)，具有較高的工程應(yīng)用價值。

參 考 文 獻

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楊曉彥男，1984年生，工程師。研究方向為雷達綜合顯示技術(shù)。

徐慧敏女，1978年生，工程師。研究方向為雷達綜合顯示技術(shù)。

石三將男，1979年生，高級工程師。研究方向為雷達綜合顯示技術(shù)。

Radar Display Software Design Based on

Plug-in Unit Integration Technology

YANG Xiaoyan，XU Huimin，SHI Sanjiang

(Nanjing Research Institute of Electronics Technology,Nanjing 210039, China)

Abstract：The trend of modern integrated warfare is changing rapidly, the demand for the information security of various types of sensors is becoming higher and higher. The terminal display software as the window of the interaction between the radar information and the operation needs to be able to react quickly to different operational tasks, and the function can be reconstructed. Based on the operational requirements, this article puts forward a kind of software design method based on QT, which is based on plug-in integration. This software design technology is applied to a certain type of ship borne radar display terminal, which can satisfy the system's flexibility, high efficiency and expansibility. It has high practical significance and popularization value.

Key words：radar display software；plug-in technology；integration framework ；integration

收稿日期：2015-07-18

修訂日期：2015-09-20

通信作者：楊曉彥Email：tdbeyond@sina.com

中圖分類號：TN957.7；TP319

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1004-7859(2015)12-0088-05