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船载综合信息显示系统半实物仿真设计与实现

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计算机工程与设计ComputerEngineering and Design 2010,31(9) 2041 ・开发与应用・ 船载综合信息显示系统半实物仿真设计与实现 吕 娜 , 吕 品 , 王宇一心 (1.中国科学院软件研究所综合信息系统技术国家级重点实验室,北京100190; 2.中国科学院研究生院,北京100049) 摘 要:针对船载综合信息显示系统在实体船舶内开发不方便的问题,提出了一种半实物仿真系统的设计与实现方法。结 合“科学三号”海洋科学考察船的综合信息显示系统的设计和开发过程,从体系结构、信息流程和实现方法3个方面对半实 物仿真系统的设计和实现过程进行了探索。实践结果表明,这种半实物仿真系统一方面可以为实际系统的体系结构、信息流 程设计提供支持,另一方面可以为实际系统应用软件的开发提供较为真实的环境,有效的缩短开发时间和降低开发风险。 关键词:船载综合信息显示;半实物仿真;体系结构;信息流程;实现方法 中图法分类号:TP391.9 文献标识码:A 文章编号:1000.7024(2010)09.2041.03 Design and implementation of ship--borne semi--physical simulation information display system LU Nal_ 。Li-7 Pin . WANG Yu—xin (1.National Key Laboratory ofIntegrated Information System Technology,Institute of Software,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China;2.Graduate University,Chinese Academy ofSciences,Beijing 100049,China) Abstract:To solve the problem that the development of ship-borne information display system is dificultf inside the vessel,a method of the semi—physical simulation system is put forward.The design and implementation of the information display system of the marine scientiic research shifp“Science Three”is used to explicitly illustrate the rchitaecture,information flow and realization methods ofthe semi-physical simulation system.The practice demonstrates that on one hand the semi-physical system can offer suppo ̄to the architecture implementation and he itnformation low desigfn ofthe practical system.On the other hand,it provides the real development and debug environment orf the development ofpractical applications.Compared with the normal way ofdesigning and implementing practical sys— tems directly,the semi—physical simulation information display system can shorten the development period nd areduce the development risks effectively. Key words:ship--borne information display;semi--physical simulation;system architecture;information low;implementatifon method 0引 言 船载综合信息显示系统是一个包含硬件和软件两大部分 统部署前,先实现了船载综合信息显示半实物仿真系统。 利用半实物仿真系统,一方面很好的验证了实际系统的 软件体系结构设计,另一方面还为系统的开发提供一个相对真 实的硬件环境。半实物仿真系统中的软件系统可以方便无缝 地移植到真实的船载综合信息显示系统中,从而缩短整个船载 的复杂系统,是每艘大型船只必备的信息软件之一…。“科学 三号”是承担近海综合科学考察任务的一艘海洋科学考察船。 为了实现船上信息的高速传输,数据有效共享、信息集成自动 化管理等要求,迫切需要设计和开发一套基于船上现有的计 综合信息显示系统的开发时间,降低系统开发的成本和风险 。 算机信息点的船载综合信息显示系统。而在该系统的开发实 现过程中,涉及到一系列诸如与船上众多的硬件设备连接的 可靠性和与现有船载电子信息系统的兼容性等问题 。鉴于 半实物仿真系统能够很好的模拟真实系统的物理和逻辑关 系,便于进行功能和性能验证0 ,因此在系统开发、调试和系 收稿日期:2009—05—25;修订日期:2009—08—03。 1半实物仿真系统的体系结构 针对“科学三号”船载综合信息显示系统的实际部署情 况,设计半实物仿真系统的硬件模块图如图1所示。半实物 仿真系统中的实物包括:服务器、网络交换机、串口服务器和 多台PC客户机。半实物仿真系统中的非实物部分为模拟传 基金项目:中科院知识创新工程基金项目(5206020)。 作者简介:吕娜(1984--),女,辽宁人,硕士研究生,研究方向为虚拟现实与系统仿真技术、数据库技术: 吕品(1982一),男,河南南阳人, 博士,研究方向为虚拟现实与系统仿真技术、地形分析与可视化; 王宇心(1969一),男,黑龙江人,副研究员,研究方向为虚拟现实与系统仿 真、军事训练模拟。E—mail:lunarhappy@163.com 2042 2010,3 1(9) 计算机工程与设计Computer Engineering and Design 传感器数据源 网络交换机 图1半实物仿真系统的硬件模块 感器设备的传感器数据源。 结合前述的半实物仿真系统的硬件体系结构,采用C/S (客户机/服务器)软件体系结构 。具体设计半实物仿真系统 包括模拟数据源软件(对应图1的传感器数据源),服务器端软 件(部署于图1中的服务器)和客户端软件(部署于图1中的客 户机)3部分,其模块结构图如图2所示。 骰务器谶 、 / 罄卢端 、 串口 ’配置模块 实时数据接收 历史数据查询 外部文件i 服务器 I信息生剧 网络 {……’…、 网络 数据解析模块 通信 信息处理 \ / 。\ 由 / 圈圄 图2半实物仿真系统的软件模块结构 数据源软件,根据用户设定的模拟数据(用文件保存)产 生模拟数据,并通过串口服务器输出。服务器端软件主要分 为配置模块、数据采集模块和数据处理模块。配置模块主要 完成对相关信息的配置,如串口服务器IP地址、端口、采集频 客 ]率等;数据采集模块,完成对串口服务器各个串口输出数据的 采集功能;数据处理模块,包括数据发布和数据存储两大功 能。数据发布子模块负责将采集到的数据在局域网内广播; LL 数据存储子模块负责将采集到的数据存入数据库中。客户端 软件主要包括数据接收模块、数据解析模块、信息显示模块和 查询分析模块。数据接收模块,用来接收服务器端软件实时 转发的数据;数据解析模块,根据相应标准,将接收到的实时 数据解析为指定的格式:数据显示模块,可视化解析出的数据; 查询分析模块,按用户的要求,查询数据并转化为相应格式。 2半实物仿真系统的信息流程 开发船载综合信息显示系统,之所以先实现半实物仿真系 统是为了在构建的半实物硬件设备基础上完成实际系统信息 流程的模拟与验证。设计半实物仿真系统的信息流程如图3 所示。具体为:①数据源产生仿真数据,并通过串口服务器输 出:②启动服务器端软件,根据初始化的配置信息,启动信息 采集线程(信息采集模块);③信息采集线程定时从串曰服务器 中采集数据报文,并将读取的数据报文传递给信息处理模块; ④信息处理模块对数据进行存储和转发:数据存储主要是利用 数据库应用接口,进行本地文件存取;而数据转发,则利用网络 协议广播到局域内的所有主机;⑤若服务器端软件收到退出消 息,则退出,否则继续执行③;⑥客户端软件启动后,利用网络 协议,接收服务器端软件转发的传感器设备报文,并调用信息 解析模块;⑦信息解析模块将传感器原始报文解析成易于显示 和分析的格式 ,以供信息显示模块使用。信息解析模块解析 出的每条数据,都带有一条时间戳;⑧信息显示模块根据时间 戳和用户设置,以简单直观的方式将解析后数据显示在客户 端;⑨用户可以利用客户端软件对存入数据库中的数据进行查 询,客户端会对查询的数据进行显示;⑩若客户端收到退出消 息,则退出,否则继续执行⑥。注意:服务器端和客户端的启动 并没有严格的顺序或对应关系,它们的退出也不需要相互通信。 客户端 服务器端 初始化配置 初始化配置 调用采集模块 调用处理模块卜-{数据库存储 数据显示 -l数据库查询l l数据库查询}・叫数据显示 图3半实物仿真系统的信息流程 上述系统的总体信息流程又可以根据对应模块的功能不 同而具体分为信息生成流程、信息采集流程、信息处理流程和 信息显示流程4个部分。 2.1半实物仿真系统的信息生成流程 在半实物仿真系统中,仿真数据是由用户事先保存在文 件中的。数据源软件运行时,根据用户指定的文件,循环产生  仿真数据报文。数据源软件具体的仿真流程是:①宿动数据 源软件;②根据用户设置,初始化文件信息;⑨根据设定的时 间问隔,读取文件中的每一条数据,当读到文件尾时,则再从 文件头开始读取数据;④将读取的数据,在界面显示,以供用 户校对;⑤将仿真数据输出到串口服务器;⑥继续执行⑧,直 到收到退出消息。 2.2半实物仿真系统的信息采集流程 信息采集模块负责从串口服务器读取船载传感器设备的 实时信息,并将采集到的数据以字符串形式传递给信息处理模 块。信息采集流程是:①启动服务器端软件,初始化配置信息; ②为每个传感器(每个串口)建立一个采集线程;③采集线程利 用串口服务器提供的接口从指定的串口读取数据,并将读取到 的信号电平转化成字符串格式,写入缓冲区:④在服务器端的 显示窗口内报告采集状态,采集状态包括采集时间、是否成功 采集、采集数据长度等;⑤继续执行④,直到收到退出消息。 2-3半实物仿真系统的信息处理流程 半实物仿真系统的信息处理模块包括3部分功能:①封 装采集到的数据,为采集到的数据添加数据报头,包括采集日 吕娜,吕品,王宇心:船载综合信息显示系统半实物仿真设计与实现 期、采集时间、串口号、传感器设备名等内容;②将封装好的数 据发送给客户端;③保存数据到数据痒中。数据库中的数据 可以用来实现历史数据查询、数据回放等功能。 对应于上述功能,半实物仿真系统的信息处理流程是: 2010,31(9) 2043 1:国际统一标准时间,格式为时分秒; 2:状态信息,V表示为警告信息; 3:纬度; 4:N表示北纬,s表示南纬; 5:经度: 6:E表示东经,W表示西经; ①为每个传感器设备建立一个处理线程;②每个处理线程分 别读取采集缓冲区的状态信息,读取到数据后,进行数据封 装;并将封装好的数据传递给转发模块和存储模块;③转发模 7:相对地的速度,单位是节; 块利用网络协议和网络接口,在局域局内广播数据,并在服务 器端的显示窗口内报告转发状态;④存储模块将数据报头和 原始数据分别存入数据库中,并在显示窗口内报告存储状 态;⑤继续执行②,直到收到退出消息。 2.4半实物仿真系统的信息显示流程 信息显示功能包括实时数据显示和历史数据查询。实时 数据显示是指客户端软件实时显示服务器端软件发送过来的 数据。历史数据查询,是指用户输入起始时间后,查询模块从 数据库中查询符合要求的数据,并在客户端显示。 半实物仿真系统的实时数据显示流程是:①解析实时数 据:客户端收到服务器端发送过来的数据后,调用解析模块进 行数据解析,根据不同串口使用的协议不同,解析模块会调用 不同的函数进行解析;②将解析出的数据,按用户设定的格式 进行显示。用户可以对数据的单位、精度进行设置,显示函数 会根据用户设置,对解析出的数据进行再处理,并显示出来。 历史数据查询的流程是:①用户输入查询条件;②调用数 据库查询接口,查询出原始数据;③判断客户要求显示的是原 始数据还是解析出的数据,如果用户要求原始数据,就执行④, 如果用户要求的是解析后的数据,就调用解析模块;④根据用 户设定,进行数据格式处理;⑤显示数据;⑥用户可选择保存 数据,或对数据进行分析。 3船载综合信息显示系统的半实物仿真实现 3.1仿真数据报格式 半实物仿真系统的数据源软件主要模拟“科学三号”的传 感器设备。数据源软件仿真的传感器数据报文的格式和内容均 与实际传感器一致,数据格式遵循NMEA0183标准。NMEA0183 格式的数据串的所有字符均为ASCII文本字符。数据传输以 “语句”方式进行,每语句均以“¥”开头,紧接着是“会话I【)”和3 个字母的“语句ID”其后是数据体,数据字段以逗号分隔,语句 末尾为校验和(可选),最后以回车换行表示结束 。不同传感 器设备的会话II)和语句I【)不同,并具有对应的数据报文格式。 这里举例说明GPS传感器的数据报文,其它传感器的数据报文 与此相类似。GPS会话I【)为GP,对应的语句ID有RMB、RMC、 GLL、ZTG等 。这里选择RMC,GPS仿真数据报如下: (1)数据报格式 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1O  lI l l  lI l I l I ¥一RMC,hhmmss.ss,A,1111.11,a,YYYYY.YY ̄a,x.x,x.x,xxxx,x.x, a hh<CR><LF> I J l1 12 (2)各字段含义 8:航迹方向,以北为正; 9:时间信息,格式为日月年; 10:磁偏角变化; 11:磁偏角变化方向,E表示方向向东,w表示方向向西; 12:校验和。 (3)举例 SGPI C,225446,A,37 1 6.05,N,1 23 l1.02,W 000.0,054.0, 191190,020.0,E 61 ¥GPRMC,225447,A,3616.15,N,12411.12,W,100.1,154.1, 191190,020.1,E 67 3.2半实物仿真系统的实现 结合“科学三号”船载综合信息系统的硬件模块图,将装 有数据源仿真软件的PC机串口与串口服务器相连接,通过数 据源仿真软件模拟实际传感器设备产生的数据报文,利用串 口服务器将仿真数据输出;服务器半实物仿真系统的服务器 端软件,负责采集串口服务器输出的数据,并对数据加以处理 并在局域网内发布:客户机安装半实物仿真系统的客户端软 件,负责对接收到的数据进行信息显示等。 在不影响系统整体运行和信息流程的基础上,半实物仿 真系统采用的是支持两口输入的Nport5610串口服务器设备。 它的原理、使用的协议、接口均与船上真实设备一致,与船用 串口服务器的差别只是串口数目较少,以达到节约成本的目 的。Nport系列产品是专为串口转以太网设计的连接桥梁,能 够让众多的串口设备连接上网络…。 串口服务器与其它计算机可以采用TCP、UDP、COM等多 种方式建立连接。 服务器端软件与客户端软件通信采用UDP和Socket套 接字 ’,访问数据库采用ADO接口。 4仿真结果与分析 半实物仿真系统硬件部署如图4所示,数据源软件界面 如图5所示。服务器端软件界面如图6所示。客户端软件实 时数据显示界面如图7所示。 c… … 端 图4半实物仿真系统的硬件部署 (-F转第2064页) 2064 2010,31(9) 计算机工程与设计Computer Engineering and Design (上接第2043页) 在“科学三号”船载综合信息显示系统的部署实践中,上 述半实物仿真系统中的服务器端和客户端软件无需改动便可 与真正船载网络、串口服务器、传感器设备等系统硬件无缝衔 接和协同工作,实现了船载综合信息系统的功能。通过设计 实现半实物仿真系统,有效的缩短了整个项目的开发时间并 降低了开发风险。 5结束语 以“科学三号”海洋考察船的综合信息显示系统的设计和 开发过程为背景,提出了一种船载综合信息显示系统的半实 图5半实物仿真系统的仿真数据源界面 物仿真实现。在对“科学三号”船载设备进行深入调研的基础 上,利用软硬件模拟实现船载设备的信息输出、网络数据传输 和处理,并在此仿真平台上进行系统软件的开发。利用上述 的半实物仿真系统可以有效的模拟真实的开发环境,解决船 载综合信息系统在真实船体内开发不方便的问题。 下一步的工作一方面是增加数据源模拟软件可模拟船载 设备的数量,另一方面是提高半实物仿真系统中网络通信仿 真的真实性,更加准确的模拟船载网络的传输性能,进一步分 析船载综合信息显示系统中网络负载情况,提升系统中各主 要功能软件的实时处理能力。 图6半实物仿真系统的服务器端软件界面 参考文献: [1】 杨灿军,赵伟.“大洋一号”科学考察船现场数据管理系统的研 究与开发[J].海洋工程,2003,21(4):1 10—1 14. [2】 康凤举,高立娥,杨惠珍,等.一种新型水下航行器半实物仿真系 统的实现【J].系统仿真学报,2004,16(7):1453.1456. [3】 单家元,孟秀云,丁艳.半实物仿真【M】.北京:国防工业出版社, 2008:21-30. 【4] 安丰增,吴兆欣,王海锋,等.雷达型空空导弹半实物仿真系统方 案[J].航空兵器,2004(3):38—41. [5 5]张福斌,徐德民,严卫生.水下航行器导航与控制一体化系统的 图7半实物仿真系统客户端软件实时数据显示界面 实践证明,在“科学三号”船载综合信息显示系统的设计 半实物仿真试验设计[J].系统仿真学报,2006,1 8(3):604—606. 【6】Larry L Peterson,Bruce S Davie.Computer networks:a system approach[M].北京:机械工业出版社,2005:18 23. [7】 钱德俊,张哲,胡晨.NMEA01 83协议解析【J】.电子器件,2007,30 (2):698—701. 过程的前期,半实物仿真系统可用于对系统中各功能模块间 逻辑关系的确定和接口的设计。利用半实物仿真系统的串口 服务器和数据源软件,能够很好的仿真船舶的软、硬件环境, 实现了在船体外也可以进行船载信息显示系统的开发。 [8】 肖远亮.NMEA.0183数据标准在GPS技术中的应用[J].物探 装备,2003,13(2):127.133. 

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