CN114398747A - 飞行训练模拟器通信导航仿真松耦合架构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种飞行训练模拟器通信导航仿真松耦合架构，能够提高模拟仿真效率,复用性、灵活性和扩展性。本发明通过下述技术方案实现：应用层将复杂的飞机机载通信导航功能映射为仿真功能模块，实现功能的边界化，应用边界化剥离之间数据交互耦合性；服务层对飞行训练模拟器通信导航功能涉及到的所有模拟总线的输入输出数据进行分类和解耦形成基于模拟总线分类和总线传输服务；管理层对松耦合仿真架构内的应用层和服务层的组件或插件进行创建、注册、加载和卸载管理；交互层通过接口转换将数据转换为各类总线能够识别的数据格式，通过IO数据交互，完成对外部数据消息的组包、解包；驱动层通过框架驱动，驱动数据支撑架构内核和组件的应用。
Description
技术领域
本发明涉及飞行训练模拟应用领域，尤其是针对飞行训练模拟器的通信导航功能仿真和模拟总线数据交互的相关应用，以用于对飞行训练模拟器中通信导航功能进行松耦合处理，实现各个功能组件独立化的架构。
背景技术
飞机训练模拟器已成为各国飞行员在地面进行飞行训练的重要设备，而其涉及到的仿真技术是训练模拟器尤其重要的一环。随着计算机仿真学、虚拟现实技术及人在回路技术等相关学科的快速发展和深入研究，以及我国各型飞机的列装，对相应飞行训练模拟器的逼真度和研制进度要求越来越高，为了能快速适应其研制任务和研制周期，降低时间成本和人力成本的开销，就需要现行的飞行训练模拟器中的各类仿真子系统必须具有高复用性、强灵活性和易扩展性。
飞机训练模拟器是一套人在回路的实时仿真系统，重点模拟飞机的飞行控制、综合航电、人机交互操作等，其采用数字化仿真、半实物仿真和虚拟现实的技术构建了一套逼真的飞行训练仿真环境，能够用于基础级和战术级训练，更为重要的是多台模拟器联网后形成编队可以满足更复杂、更深层次的任务级训练需求，这些训练内容在实装飞行中很难进行。飞机训练模拟器的系统设计突出模块化、标准化、结构化等设计原则，便于维护、使用和升级。
飞行训练模拟器通信导航仿真功能是综合航电模拟的重要部分，其需要与航电模拟系统、机载设备模拟系统进行功能联合和数据同步，它们之间的接口协议复杂，数据通信量大且频繁，与航电接口和设备接口的匹配和管理成为其在多型号飞行训练模拟器的一大应用难点。现有的通信导航仿真功能架构主要包括多线程模型回调架构和分布式模型架构两类。其中多线程模型回调架构采用参数传递和事件消息两种方式进行数据交互，功能模型和数据接口同在一个处理函数中，功能与接口之间耦合严重，基于该架构的通信导航仿真功能只能为特定型号飞行训练模拟器使用，一旦出现功能、接口的升级或者想应用至其他型号飞行训练模拟器，涉及到的功能处理回调函数几乎是需要重新研发，不论是处理逻辑还是交互接口都不能复用，因此，该架构的功能应用模块边界模糊、可复用性低、移植灵活性差、不易扩展和不可快速重构，不能适应当前飞行训练模拟器多型号并发研制的需求，同时该架构也不便于数据交互过程中的监控和分析，不利于进行功能调试和故障定位。分布式模型架构是将功能模型部署在不同的分布式处理节点上，通过以太网络进行数据交互，其能解决部分的数据交互和功能应用的耦合问题，同时也能实现对数据交互过程中的监控和分析，但由于其物理形式采用以太网UDP的通信方式，在通信数据量大、数据通信频繁情况下，容易发生数据传输时延和网络容量拥塞的情况，导致数据交互丢包和处理不及时的问题，对于飞行训练模拟器这种对实时性要求较强的仿真系统，该问题是不能接受的。当前飞行训练模拟器分为飞行训练模拟器和任务训练模拟器两大类，两类模拟器都涉及到通信导航相关功能，但由于机型的不同以及应用场景的不同，导致相关功能有能力上的裁剪或增加，数据交互的定义也有所不同，分布式的计算资源必然使功能应用分散，其风险也必然比较分散，越分散的风险对于管理风险的人来说就是更多的成本。
发明内容
本发明的目的是针对现有飞行训练模拟器的通信导航功能应用和数据交互进行分离的架构在的不足之处，提供一种能够提高飞行训练模拟仿真效率,复用性、灵活性和扩展性,降低各个型号通信导航专用数据交互消息与通用功能应用的耦合性，飞行训练模拟器通信导航仿真松耦合架构，以解决现有架构的功能应用模块边界模糊、可复用性低、移植灵活性差、不易扩展和不可快速重构的问题。
本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，一种飞行训练模拟器通信导航仿真松耦合架构，包括：从上自下分为应用层、服务层、管理层、交互层和驱动层的分层式通信导航功能的松耦合仿真架构，其特征在于：松耦合仿真架构内的所有功能应用，通过解耦，采用通信导航功能组件或者插件的方式放入应用层，应用层将复杂的飞机机载通信导航功能映射为仿真功能模块，通过服务接口调用相应的服务组件，实现功能的边界化，应用边界化剥离之间数据交互耦合性；在服务层通过服务接口调用相应的服务组件，对飞行训练模拟器通信导航功能涉及到的所有模拟总线的输入输出数据进行分类和解耦形成基于模拟总线分类和总线传输服务，并通过总线数据监视服务，对架构中的模拟总线交互数据进行可视化监控和飞行训练模拟器的通信导航功能进行数据故障监视和定位，实现对应组件和服务组件之间事件消息的调用、适配管理、事件响应、控制管理和对整个架构运行状态进行日志记录；管理层通过管理接口与服务层进行通信，根据控制台发送的控制指令，对总线数据传输服务和总线数据监视服务进行管理，统一管理总线、事件、组件和日志服务调用，对日志服务的记录、导出和查询进行管理，对松耦合仿真架构内的应用层和服务层的组件或插件进行创建、注册、加载和卸载管理；交互层作为整个架构的通信中间件，根据配置文件实现对外数据的接口转换，通过接口转换将数据转换为各类总线能够识别的数据格式，通过IO数据交互，完成对外部数据消息的组包、解包，实现驱动接口的封装和驱动数据的传递供管理层调用；驱动层通信驱动IO数据交互与操作系统接口驱动、应用驱动、运行环境驱动，通过框架驱动，驱动数据支撑架构内核和组件的应用，保证系统架构能正常运行。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
本发明采用从上自下分为应用层、服务层、管理层、交互层和驱动层的通信导航功能仿真架构，在应用层通过合理的功能应用边界化，剥离之间数据交互耦合性，使得各个功能之间的数据交互只能通过服务层的分类总线服务组件来发布和订阅，功能之间有了联系但又是相对独立互不影响；通过管理层对通信导航仿真功能组件和总线服务组件进行有效的统一管理，实现功能组件标准化接口，方便快捷的实现仿真系统对复杂通信导航功能组件的创建、注册、加载、卸载，灵活有效的利用现有通信导航功能仿真软件资源快速重构，适应匹配新机型的训练模拟器，另外管理层的总线管理对可识别的数据进行总线分配；同时，通过在服务层的总线数据监视服务，对架构中的模拟总线交互数据进行可视化监控，并加入相应的数据分析工具，便于开发者和用户对飞行训练模拟器的通信导航功能进行数据故障监视和定位，为系统级调试和联试提供手段。由交互层的通信中间件实现对外部数据消息的组包、解包，通过接口转换将数据转换为各类总线能够识别的数据格式，对于不同类型的飞行训练模拟器的通信导航仿真功能具有较好的通用性、重构性和扩展性。
本发明采用5个层级的系统架构，对通信导航功能模型进行统一封装，实现共性功能和输入输出接口标准化，利用模拟总线技术，让数据交互发生在服务层，采用服务/事件的机制发布订阅数据，对真实机载的总线交互与功能应用进行剥离，使依赖不同模拟总线的多功能组件之间数据交互和功能应用解耦，减少通信导航功能组件变化与机载数据接口变化之间的耦合，降低功能变更、接口变更对其系统相互之间的影响。内部的各个功能模块，一组设备中的功能模块可以单独的进行操作而不会影响到其他的模块，这样运维人员可以轻松的进行一些本来很有风险的操作。同时采用总线类型与机载保持一致的分类模拟方式，提升对整个架构应用层与服务层之间数据监控和分析的手段，有利于对架构中各个功能进行调试和数据故障定位。
通过管理层的事件管理，可以将飞行训练模拟器教员控制台对飞行全过程的控制事件，如训练开始、训练结束、设置飞机数据、机场数据、飞行环境、特情等，相对于通信导航功能进行隔离，使得不同机型或不同单位研制的飞行训练模拟器教员控制台差异性对通信导航功能组件不会产生较大影响，教员控制台发送的控制指令由管理层的事件管理组件进行统一管理，“事件→功能”的控制指令都由功能组件通过标准化的发布订阅接口进行接收，实现对差异性外部控制系统的解耦。
本发明在系统架构运行阶段，可以通过总线数据监视服务，对飞行训练模拟器通信导航功能涉及到的所有模拟总线的输入输出数据进行合理分类和解耦，便于与可视化的模拟总线监控软件进行对接，为架构的使用人员提供数据的监控手段和分析途径，可有效的定位在整个仿真系统中出现的数据异常导致的故障。另外，本架构的分类模拟总线设计方法，还能便捷的实现半实物仿真，通过在对应的总线服务适配的通信中间件中加入真实总线的驱动再配上总线通信板卡，便可实现与实装设备的控制管理和数据交互，具有可重构的特征。
本发明对架构中数据交互的总线模拟形式进行分类，保持与机载数据交互的总线类型一致，便于数据监控、分析，以及实现机载仿真功能升级的一致性。交换层模块共享使用，对于不同的应用和应用安全要求，可以在一组设备上分配一定配额的功能模块来满足不同应用安全的要求，还可能根据用户需求对功能组件和总线服务组件进行增加或裁剪，同时也能在不影响其他组件的前提下，对指定的功能组件中的处理逻辑或总线服务组件中的消息进行变更或升级，体现了架构的强灵活性和易扩展性。
综上所述，本发明提出了一种用于飞行训练模拟器的功能松耦合通信导航仿真架构，通过对功能应用和数据交互解耦以及模拟总线服务分类管理方式，实现各个功能组件独立化，模拟总线数据通信清晰化，功能升级裁剪灵活化，提高了本类仿真的可重构性、测试性和扩展性，能将复杂的通信导航仿真功能边界化和标准化，基于模拟总线分类和服务/事件的数据通信机制，使得依赖不同模拟总线的多功能组件之间数据交互和功能应用的解耦，实现各个功能组件独立化的架构，便于用户进行快速的功能开发和升级，在增加工作效率的同时也降低人力资源成本。
本发明形成的架构从上自下分为应用层、服务层、管理层、交互层和驱动层，架构内的所有功能应用通过解耦并采用组件或者插件的方式放入应用层，实现应用层内的功能之间没有任何数据交互，所有数据都采用发布订阅的方式并根据真实机载总线的分类在总线数据传输服务中实现交互；管理层对架构内的应用层和服务层的组件或插件进行创建、注册、加载、卸载等管理；交互层为整个架构的通信中间件，实现对外的数据交互和格式转换；驱动层实现架构的驱动内核和组件框架。为飞行训练模拟器通信导航仿真的实现提供了便利手段，提高复用性、灵活性和扩展性。
本发明提供的复杂功能松耦合式分层级架构，可适用于各类飞行训练模拟器通信导航仿真功能的实现，其可应用到实物训练仿真、半实物仿真，测试应用环境建设等领域的功能松耦合架构。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明飞行训练模拟器通信导航仿真松耦合架构的示意图。
图2本发明架构的初始化流程图。
图3本发明架构的工作流程图。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
具体实施方式
参阅图1。在以下描述的示意性优选实施例中，一种飞行训练模拟器通信导航仿真松耦合架构，包括：从上自下分为应用层、服务层、管理层、交互层和驱动层的分层式通信导航功能的松耦合仿真架构，其特征在于：松耦合仿真架构内的所有功能应用，通过解耦，采用通信导航功能组件或者插件的方式放入应用层，应用层将复杂的飞机机载通信导航功能映射为仿真功能模块，通过服务接口调用相应的服务组件，实现功能的边界化，应用边界化剥离之间数据交互耦合性；在服务层通过服务接口调用相应的服务组件，对飞行训练模拟器通信导航功能涉及到的所有模拟总线的输入输出数据进行分类和解耦形成基于模拟总线分类和总线传输服务，并通过总线数据监视服务，对架构中的模拟总线交互数据进行可视化监控和飞行训练模拟器的通信导航功能进行数据故障监视和定位，实现对应组件和服务组件之间事件消息的调用、适配管理、事件响应、控制管理和对整个架构运行状态进行日志记录；管理层通过管理接口与服务层进行通信，根据控制台发送的控制指令，对总线数据传输服务和总线数据监视服务进行管理，统一管理总线、事件、组件和日志服务调用，对日志服务的记录、导出和查询进行管理，对松耦合仿真架构内的应用层和服务层的组件或插件进行创建、注册、加载和卸载管理；交互层作为整个架构的通信中间件，根据配置文件实现对外数据的接口转换，通过接口转换将数据转换为各类总线能够识别的数据格式，通过IO数据交互，完成对外部数据消息的组包、解包，实现驱动接口的封装和驱动数据的传递供管理层调用；驱动层通信驱动IO数据交互与操作系统接口驱动、应用驱动、运行环境驱动，通过框架驱动，驱动数据支撑架构内核和组件的应用，保证系统架构能正常运行。
松耦合仿真架构内的所有功能应用，通过解耦，采用通信导航功能组件或者插件的方式放入应用层，应用层将复杂的飞机机载通信导航功能映射为仿真功能模块，实现功能的边界化，应用边界化剥离之间数据交互耦合性。
应用层根据飞行训练模拟器通信导航的功能来构建相应的功能组件模块，调用每个组件的组件控制接口来实现对功能组件的控制管理，采用启动接口和停止接口实现功能组件的创建、注册、加载以及数据初始化等相关工作，停止接口实现功能组件的卸载以及一些资源回收，而真正的功能业务处理则封装在两个组件接口之间，保证在应用层的功能组件之间没有任何的数据交互。
应用层内所有数据都采用发布订阅的方式，并根据真实机载总线的分类在总线数据传输服务中实现交互；服务层通过总线数据传输服务模块，按照飞机真实使用的总线类型进行分类，形成不同的总线类，每类模拟总线服务模块由统一的约束文件进行描述，形成标准化的发布和订阅服务接口。
应用层的功能组件从框架获取相应总线的服务接口，通过调用的形式向服务层发布或订阅消息主题，实现功能应用之间的数据交互隔离；服务层的总线数据监视服务对总线服务组件的所有数据交互进行监视，并向外提供数据服务监视接口，通过可视化总线数据监控软件的接入。
管理层、交互层，都属于框架的核心层级，与上层的功能应用和数据交互无关。管理层、交互层，都属于框架的核心层级，核心层级由可加载组件配置文件、框架核心库、组件化框架库、组件框架启动库、仿真系统IO、总线管理组件、事件管理组件、日志管理组件、仿真系统对外接口头文件、仿真系统库头文件、仿真系统库输出宏定义头文件等组成，其中，仿真系统IO是架构唯一的对外接口，一方面接收外部数据，然后转换成内部总线数据并通过管理层和服务层发布在总线数据传输服务组件上，另一方面接收总线组件数据，转换成外部接口数据并发送到外部系统。
驱动层实现架构的驱动内核和组件框架与操作系统的通信驱动、应用驱动、运行环境驱动的对接，保证系统架构能正常运行。
如图2所示，整个系统架构首先由驱动层实现与操作系统各类驱动的初始化，获取相关驱动的句柄和底层函数，创建驱动与应用之间的通信中间件，通信中间件通过通信交互接口，获取中间件的总线管理接口，向总线管理接口注册总线服务接口，创建功能应用服务接口，建立物理通信与架构总线通信的连接。
服务组件通过服务接口创建服务与功能应用之间的连接，向功能应用服务接口注册功能应用组件，根据约束文件加载对应的功能应用组件，完成整个架构的初始化流程。
如图3所示，架构初始化完成后，事件服务以消息的方式通知管理层的组件管理调用服务进行功能加载，服务层等待加载完成，对加载结果进行判断，若加载失败，通知通信导航仿真功能应用组件加载失败，自动卸载加载失败的通信导航仿真功能应用组件的当前功能，结束本流程，成功则进入下一步的处理。本流程结束。
通信导航仿真功能功能应用组件加载成功后，事件服务通知管理层通信导航仿真功能应用组件加载成功，服务层根据约束文件进行相关服务资源配置，交互层的仿真数据IO组件收发外部数据和数据格式的转换，利用总线管理接口向总线服务组件进行数据的发布和订阅，判断总线数据是否正确，是则进入应用层功能应用处理，否则监视服务对总线数据的正确性进行校验，对数据有误则进行修订；进入应用层进行功能应用处理后，判断是否有功能间数据交互，是则发布订阅功能间数据至总线服务，否则，判断应用处理是否完成，是则仿真数据IO向外发送功能处理结果，卸载当前相关功能应用，否则返回功能应用继续进行功能处理。
在整个架构的应用开发中，使用Export里的仿真数据IO(Extern IO)实现对架构外的数据交互，通过插件的方式创建多个种类的模拟总线服务接口以及服务事件，通过不同的事件函数来实现具体的总线服务发布订阅功能；功能应用组件采用插件的方式集成进架构的应用开发中，由不同的源文件来实现每个功能应用组件的具体功能；所有的插件可以通过服务层和应用层的配置文件灵活的选择和裁剪，满足不同型号飞行训练模拟器通信导航仿真功能的开发和应用。
Claims (10)
1.种飞行训练模拟器通信导航仿真松耦合架构，包括：从上自下分为应用层、服务层、管理层、交互层和驱动层的分层式通信导航功能的松耦合仿真架构，其特征在于：松耦合仿真架构内的所有功能应用，通过解耦，采用通信导航功能组件或者插件的方式放入应用层，应用层将复杂的飞机机载通信导航功能映射为仿真功能模块，实现功能的边界化，应用边界化剥离之间数据交互耦合性；服务层通过服务接口调用相应的服务组件，对飞行训练模拟器通信导航功能涉及到的所有模拟总线的输入输出数据进行分类和解耦形成基于模拟总线分类和总线传输服务，并通过总线数据监视服务，对架构中的模拟总线交互数据进行可视化监控和飞行训练模拟器的通信导航功能进行数据故障监视和定位，实现对应组件和服务组件之间事件消息的调用、适配管理、事件响应、控制管理和对整个架构运行状态进行日志记录；管理层通过管理接口与服务层进行通信，根据控制台发送的控制指令，对总线数据传输服务和总线数据监视服务进行管理，统一管理总线、事件、组件和日志服务调用，对日志服务的记录、导出和查询进行管理，对松耦合仿真架构内的应用层和服务层的组件或插件进行创建、注册、加载和卸载管理；交互层作为整个架构的通信中间件，根据配置文件实现对外数据的接口转换，通过接口转换将数据转换为各类总线能够识别的数据格式，通过IO数据交互，完成对外部数据消息的组包、解包，实现驱动接口的封装和驱动数据的传递供管理层调用；驱动层通信驱动IO数据交互与操作系统接口驱动、应用驱动、运行环境驱动，通过框架驱动，驱动数据支撑架构内核和组件的应用，保证系统架构能正常运行。
2.如权利要求1所述的飞行训练模拟器通信导航仿真松耦合架构，其特征在于：整个松耦合仿真架构从上自下分为应用层、服务层、管理层、交互层和驱动层，5个层级，每个层级有特定的组件属性、配置参数、接口约束等信息，每个层级之间由框架的接口约束文件来控制交互数据的流向和数据格式，实现数据交互和功能应用的隔离。
3.如权利要求1所述的飞行训练模拟器通信导航仿真松耦合架构，其特征在于：应用层根据飞行训练模拟器通信导航的功能来构建相应的功能组件模块，调用每个组件的组件控制接口来实现对功能组件的控制管理，采用启动接口和停止接口实现功能组件的创建、注册、加载以及数据初始化相关工作，停止接口实现功能组件的卸载以及一些资源回收。
4.如权利要求1所述的飞行训练模拟器通信导航仿真松耦合架构，其特征在于：应用层内所有数据都采用发布订阅的方式，并根据真实机载总线的分类在总线数据传输服务中实现交互；服务层通过总线数据传输服务模块，按照飞机真实使用的总线类型进行分类，形成不同的总线类，每类模拟总线服务模块由统一的约束文件进行描述，形成标准化的发布和订阅服务接口。
5.如权利要求1所述的飞行训练模拟器通信导航仿真松耦合架构，其特征在于：应用层的功能组件从框架获取相应总线的服务接口，通过调用的形式向服务层发布或订阅消息主题，实现功能应用之间的数据交互隔离；服务层的总线数据监视服务对总线服务组件的所有数据交互进行监视，并向外提供数据服务监视接口，通过可视化总线数据监控软件的接入。
6.如权利要求1所述的飞行训练模拟器通信导航仿真松耦合架构，其特征在于：管理层、交互层，都属于框架的核心层级，核心层级由可加载组件配置文件、框架核心库、组件化框架库、组件框架启动库、仿真系统IO、总线管理组件、事件管理组件、日志管理组件、仿真系统对外接口头文件、仿真系统库头文件、仿真系统库输出宏定义头文件组成，其中，仿真系统IO是架构唯一的对外接口，一方面接收外部数据，然后转换成内部总线数据并通过管理层和服务层发布在总线数据传输服务组件上，另一方面接收总线组件数据，转换成外部接口数据并发送到外部系统。
7.如权利要求1所述的飞行训练模拟器通信导航仿真松耦合架构，其特征在于：整个系统架构首先由驱动层实现与操作系统各类驱动的初始化，获取相关驱动的句柄和底层函数，创建驱动与应用之间的通信中间件，通信中间件通过通信交互接口，获取中间件的总线管理接口，向总线管理接口注册总线服务接口，创建功能应用服务接口，建立物理通信与架构总线通信的连接；服务组件通过服务接口创建服务与功能应用之间的连接，向功能应用服务接口注册功能应用组件，根据约束文件加载对应的功能应用组件，完成整个架构的初始化流程。
8.如权利要求1所述的飞行训练模拟器通信导航仿真松耦合架构，其特征在于：架构初始化完成后，事件服务以消息的方式通知管理层的组件管理调用服务进行功能加载，服务层等待加载完成，对加载结果进行判断，若加载失败，通知通信导航仿真功能应用组件加载失败，自动卸载加载失败的通信导航仿真功能应用组件的当前功能，结束本流程，成功则进入下一步的处理，本流程结束。
9.如权利要求8所述的飞行训练模拟器通信导航仿真松耦合架构，其特征在于：通信导航仿真功能功能应用组件加载成功后，事件服务通知管理层通信导航仿真功能应用组件加载成功，服务层根据约束文件进行相关服务资源配置，交互层的仿真数据IO组件收发外部数据和数据格式的转换，利用总线管理接口向总线服务组件进行数据的发布和订阅，判断总线数据是否正确，是则进入应用层进行功能应用处理，否则监视服务对总线数据的正确性进行校验，对数据有误则进行修订。
10.如权利要求9所述的飞行训练模拟器通信导航仿真松耦合架构，其特征在于：进入应用层进行功能应用处理后，判断是否有功能间数据交互，是则发布订阅功能间数据至总线服务，否则，判断应用处理是否完成，是则仿真数据IO向外发送功能处理结果，卸载当前相关功能应用，否则返回功能应用继续进行功能处理。
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| Publication number | Publication date |
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