娄　红

(郑州广播电视大学,河南 郑州 450000)

基于SOA的船舶电子信息系统仿真

娄红

(郑州广播电视大学,河南 郑州 450000)

摘要：目前，SOA框架和相关技术已相当成熟。其提供一种复杂系统的集成框架，在计算机各个领域中发挥着重要作用。本文研究SOA框架的概念、特点和优势，以及在异构平台上实现不同功能集成与复用的方法，并提出一种利用SOA进行船舶电子信息系统仿真方案。对方案的流程和关键技术进行讨论和阐述，为复杂船舶电子信息系统的集成仿真打下基础。

关键词：SOA；电子信息系统；仿真

0引言

当前，对于复杂船舶电子信息系统的仿真仍缺少有效方法，通常采用单个功能仿真测试方法，并通过socket或分布式数据服务(DDS)方式对整个系统进行集成仿真[1-3]。在单个功能仿真中，往往采用面对对象编程语言仿真系统、仿真工具及各种嵌入式信息分析与仿真设备等，主要用来对船舶电子信息系统的需求、开发和设计进行论证。然而，随着船舶信息化水平的不断提高，船舶电子信息系统产生和处理的信息以指数级增长，越来越多的子系统被应用于船舶，使得整个信息系统的复杂性大大提高，不同子系统间的通信也越来越复杂，同时使得船舶的建造以及系统的集成仿真越来越困难，因此，传统的单个系统功能仿真方法已经无法适应新的需求。

基于CORBA(Common Object Request Broker Architecture)及基于HLA(High-Level Architecture)[4]的仿真方法，在一定程度上能够满足上述要求，然而仍然采用的是对单一任务进行仿真的模式，存在仿真结果综合分析困难及仿真过程难以复用等问题。面向服务体系框架SOA(Service-Oriented Architecture)通过对服务以及服务交换信息格式的定义，能够实现方便的服务查询、组合、分解、集成等功能，具有使用灵活、分布式处理、松耦合等优点，在复杂系统的集成、分析、处理过程中，能够发挥重要的作用，同时，SOA也具有较好的可复用性，因而能够有效减少仿真过程中资源的浪费，具有较高的效率。本文针对SOA的优点，对SOA的各项概念和技术特点进行研究和讨论，并提出利用SOA进行船舶电子信息系统仿真的方法。

1面向服务体系结构

面向服务体系结构(SOA)是一种新的服务构建方法，其包含分布式的软件系统环境、运行平台、编程模型、模型框架及相关技术。整个SOA的生命周期如图1所示，其包含3个主要特性，即匹配已有的技术模块，较好的使用灵活性和不同模块间的松耦合。SOA是一个以服务为中心的框架，其能够将运行于不同平台的各个模块，按照基于服务的原则集成，并提供一系列服务接口的设计规范。

图1　SOA仿真框架Fig.1　The architecture of SOA-based simulation

在SOA框架中，服务被作为软件设计、开发、部署的基本单位，能够进行分解和组合，从而实现灵活可定制的功能。服务可以单个执行以满足特定的需求，也可以通过标准化的接口实现不同服务间的协作，这一松耦合特性，使得SOA具有很好的可扩展性，能够应用于多种环境和应用之中。

1.1　SOA的概念和框架

IBM对SOA的定义为：SOA是一个包含了多个部分的软件模型，其能够通过标准化的接口和交互格式，将不同应用的功能单元组合起来，向用户提供集成化、统一化的服务。

在SOA中，服务接口的定义以及服务的描述采用特定的格式，独立于硬件平台、操作系统以及编程语言，具有较好的通用性和灵活性。不同的服务之间则通过这些良好定义的接口实现交互和通信。

SOA包含服务寄存器、服务请求者、服务提供者3个部分。3种主要的交互动作为服务发布、服务发现和服务请求。服务提供者将自己服务的描述信息发布给服务寄存器，供服务请求者查询；服务请求者通过用户接口或其他服务，查询并定位需要的服务，然后向服务提供者提出服务请求。其中服务描述和服务发现是SOA的基础，服务描述主要提供服务接口信息和服务部署信息，通过这些信息和服务发现，可以使服务请求者匹配自身需求，从而定位服务和相应的服务提供者。

1.2　SOA技术标准

由于缺少统一的SOA标准，不同的企业和组织，在不同的层次上开发了多种SOA标准，如Web服务描述语言(WSDL)、全局描述发现与集成(UDDI)、简单对象访问协议(SOAP)等。其中WSDL能够生成XML格式的服务描述文件，用来描述Web服务的功能、位置和调用方法。UDDI是一个在Internet上进行Web服务注册、发布、请求的标准，UDDI寄存器(UDDI服务器)用来接收Web服务的注册信息，对全部的注册信息进行管理，对服务请求进行应答，并提供WSDL文件或其他Web服务信息。SOAP是不同服务间的通信标准，定义了多种XML格式的消息类型。SOAP消息分为SOAP包、SOAP编码规则、SOAP RPC及SOAP绑定4个部分。

通过服务组件框架和服务数据对象描述不断的发展和改善，SOA已经成为一种实用的技术。

1.3　SOA的基本特性与优势

SOA具有若干传统软件结构不具备的特性，这些特性使得SOA在系统集成方面具有较强的功能。

1)独立性：SOA完全的独立性，使得SOA框架能够包含多种异构的平台、应用和功能；

2)互操作性：通过开放的标准化接口，SOA能够提供不同服务间强大的交互能力；

3)松耦合性：SOA的松耦合特性，使得SOA能够集成多种服务，且单个服务的变动，不会影响其他服务和整个系统的正常执行；

4)方便性：用户不需要知道服务的提供者和IP地址等信息，只需要向服务寄存器发送请求，就能够自动获取相应的服务；

5)灵活性：在SOA中不同的模块组成服务，通过将不同层次的应用抽象，SOA能够将异构的功能单元通过“模块——服务——应用”流程，集成为用户需要的应用。

SOA具有的以上优点，使得在船舶电子信息系统构建和仿真过程中应用该技术具有能够充分利用已有资源、降低系统集成和管理的复杂性、提高不同情况和需求的反应速度及具有更好的可重用性等优势。

2基于SOA的船舶电子信息系统仿真

2.1　需求描述

对于基于单个子系统的仿真方法来说，采用socket或DDS等技术可行，然而采用SOA方法时，需要在开始设计时就将不同模块仿真需求的集成问题考虑进去，因而需要采用不同的方法。

由于子系统运行软硬件平台的不同，以及子系统仿真工具采用的具体开发技术不同，使得基于SOA的船舶电子信息系统仿真具有以下特殊需求：

1)较好的集成程度：在对复杂系统进行仿真时，需要集成不同的仿真工具，使得不同工具的仿真结果，能够通过不同的接口注册和提取，进行进一步的加工和分析；

2)较好的稳定程度：和基于单个子系统的仿真工具不同，利用SOA可能会出现不同服务之间的响应时间不同、数据格式不同等问题，因而为了取得较好的仿真效果，要求SOA平台具有较好的稳定程度；

3)较好的可用性：在仿真过程中，需要对不同的数据进行仿真，因而需要切换不同的服务，展示不同类型的数据等，为了能够方便的对仿真过程进行控制，以及向用户展示仿真的结果，需要提供完备的用户界面，实现较好的可用性。

2.2　战舰火控信息系统仿真

战舰火控信息系统是当前船舶系统中自动化、信息化程度最高的系统之一，其具有高实时性、高精确性、高稳定性等需求，因而在装备之前，需要对整个系统进行完备的仿真和实验，确保各项功能的绝对可靠。基于以上分析，本文选取该系统验证本文提出的基于SOA的船舶电子信息系统仿真方法，通过该实例，说明整个仿真的过程，以及对SOA相关技术的应用。

数据呈现、数据融合、命令决策、武器控制等子仿真系统独立，包含其自身的操作规范、通信接口等特性，能够对单一的功能进行独立的仿真。以上各个仿真工具运行于不同的软硬件平台，为了实现集成化的仿真效果，需要根据SOA的基本原则和框架特点，构建基于SOA的服务总线(SOA-based Service Bus，SSB)，该总线用来将不同仿真工具的接口，转化为标准化的、统一的接口，实现不同仿真工具之间的互操作。

服务用户可以根据仿真的具体需要，设计各个服务的执行逻辑，控制不同服务的操作和行为，对服务进行绑定和调用，通过SSB实现不同服务消息的传递等，从而实现有效的集成化仿真。

业务逻辑设计模块的功能是描述注册服务所提供的具体操作，以及服务的执行逻辑。数据采集模块统一处理各种不同工具和设备提供的仿真数据，并将这些数据传递给数据融合模块，之后经过融合的数据被送往命令决策仿真，该仿真用于测试火力系统的可靠性。武器控制仿真用来检查各种武器装备的状态以及命令信息的完整性和有效性。数据融合模块同时将融合的数据传送给武器控制仿真，之后，武器控制仿真将得到的结果发送给命令决策仿真，用于模拟武器装备开火命令下达前的各项准备，以及对武器装备火力执行行为的控制，从而完成整个仿真逻辑，仿真流程如图2所示。

图2　仿真流程图Fig.2　The flow chart of simulation

通过业务逻辑设计模块可以设计仿真流程，完成各个服务的组合和交互过程。

2.3　仿真改进

在第2.2节中我们以战舰火控信息系统为例，阐述了基于SOA仿真的具体实现方法，然而在仿真过程中，不同的服务定义方法，以及不同的执行方式等因素，可能会对仿真的结果产生影响。通过对多种应用场景的分析和总结，在本节中将对影响仿真结果的多种因素进行研究和讨论。

1)服务定义粒度：在实际应用过程中，一个仿真工具可能具有多个功能单元，能够被定义为多个仿真服务，甚至不同的仿真服务之间还存在重叠关系。如果采用细粒度的方式定义仿真服务，那么对于一个仿真应用来说，可能会包含大量的、复杂的服务，从而导致整个仿真业务逻辑非常复杂，降低了可靠性和实用性；如果采用粗粒度的方式定义仿真服务，将仿真工具之间封装为仿真服务，那么对于一个仿真应用来说，其业务逻辑可能非常简单，但不同的服务之间，接口难以统一且可能会出现功能重叠，降低仿真应用的灵活性。因而，在定义服务时应确保：首先，定义的仿真服务之间相互独立；其次，定义的仿真服务应当具有方便的接口以供使用；最后，定义的仿真服务应当尽量降低业务逻辑的复杂性。

2)服务交互实时性：在单个子系统仿真时，通过紧耦合的硬件平台和软件系统，能够做到数据、消息、结果的实时传递和呈现，然而在基于SOA的仿真过程中，不同的服务之间采用松耦合的机制，难以做到交互的实时性。为了提高基于SOA仿真的实时性，应当做到以下几个方面：首先，应当对实时数据和非实时数据进行区分，在SSB上进行区分，确保实时数据的传输；其次，应当对服务接口进行统一，减少数据传递和处理的中间流程；最后，应当对不同服务交互的数据结构和格式进行标准化，省去不同消息处理和转换的过程。

3实验验证

为验证本文提出的基于SOA的船舶电子信息系统仿真方法，搭建模拟船舶实验模型，如图3所示。

图3　仿真船舶模型Fig.3　The model of simulation ship

在该模型中，部署有若干传感器节点及1个导航服务器。为了验证传感器网络的有效性，采用Java编写了一个简易的传感器网络仿真工具，其具有消息验证、节点状态采集、不同节点通信等功能；同时为了验证导航服务器的可靠性和实时性，设计了船舶自动控制仿真工具，验证导航服务器决策的实时性、可靠性和精确性。

在单个系统仿真时，导航服务器自身产生若干实验数据，仿真得到的时延特性，然而该时延并未考虑传感器网络之间的传输时延，不具有可信性，为了综合仿真整个基于传感器的船舶导航系统的时延特性，采用SOA的方法，通过定义传感器网络时延仿真服务和导航信息处理时延仿真服务，并设计2种服务的简单业务逻辑，可以得到仿真结果如图4所示。

图4中虚线为单个系统仿真的结果，显示时延特性较为平缓，然而考虑到不同情况下传感器网络的传输时延，则使得整个系统时延特性大大降低，基于SOA仿真的结果如实线所示。由此可以看出，相比与传统的单系统仿真方法，本文提出的基于SOA仿真方法具有更好的可靠性和可信性。

图4　仿真结果图Fig.4　The result of the simulation

4结语

面向服务的体系结构是一种新的软件体系结构,实现了异构平台的集成和应用，提高了不同应用的功能共享，降低了复杂系统实现的复杂性。本文介绍了面向服务的体系结构基本结构和的特点，并提出了一种基于SOA的船舶电子信息系统仿真模型，结合一个简单的、粗粒度的火力控制信息系统，阐述了该仿真方法的应用与实现，并采用实际实验验证了本方法的可靠性。

参考文献：

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[2]VARADAN R K,CHANNABASAVAIAH S,SIMPSON K.HOLLEY A.Increasing business flexibility and SOA adoption through effective SOA governance[J].IBM Systems Journal,2008(3):229-238.

[3]MAO Xin-sheng,JIN Ge,HUANG Ruo-bo.SOA principles, methods, practices[M].Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2007:79-86.

[3]蒋心怡,冀欣,黄靖.基于复杂网络理论的舰船电力网络脆弱性研究[J].舰船科学技术,2014,36(8):89-95.

JIANG Xin-yi,JI Xin,HUANG Jing.Research on ship power network vulnerability based on complex network theory[J].Ship Science and Technology,2014,36(8):89-95.

The simulation system of electronic information system based on SOA

LOU Hong

(Zhengzhou Radio and TV University,Zhengzhou 450000,China)

Abstract：SOA framework and related technologies, through decades of development， have been quite mature. It provides a kind of complex system integration framework, and plays an important role in various computer fields. This paper studies the concept, characteristics and advantages of the SOA framework, how to realize different function integration and reuse methods on the heterogeneous platform, and puts forward a kind of simulation method of electronic information system by using the SOA technology. The solution of the process and key technology are discussed and expounded, which laid the foundation for complex integrated simulation system of electronic information system.

Key words：SOA; electronic information system; simulation

作者简介：娄红( 1979 - ) ，女，硕士，讲师，主要研究方向为计算机软件。

收稿日期：2014-11-17； 修回日期： 2014-12-28

文章编号：1672-7649(2015)02-0188-04

doi：10.3404/j.issn.1672-7649.2015.02.042

中图分类号：TP391

文献标识码：A