一种教员控制台软件系统设计.pdf

-43-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2024中国科技信息 2024 年第 8 期航空航天教 员 控 制 台 系 统（IOS-Instructors Operating Station）是直升机飞行训练模拟器的指挥和监控中心。教员通过教员控制台系统，及时监控训练员在驾驶舱的操作，掌握飞行状态，如控制学员的训练开始、训练结束，同时还可以设置直升机参数、机场数据、环境设置、故障设置等功能，对学员的训练成果有更好的效果。教员控制台系统作为模拟器和教练员之间的人机交互窗口，具有良好的界面交互功能，能够方便快捷地对模拟器其他分系统进行操作，同时教员控制台系统的一个质量要求是具备可重用性和可扩展性。教员控制台软件是教员控制台的核心。教员控制台软件设计应具有人机界面友好，操作方便，符合软件工程规范，软件主要功能完备、正确，系统维护方便，软件易于升级等特点。本文根据直升机模拟器系统需求和各分系统的功能特征，构建了教员控制台系统的系统架构，设计实现了教员控制台系统的软件框架，介绍了教员控制台的功能模块。采用了模块化的方法对系统功能进行分解，重新设计了软件类库层次结构，实现了数据双向绑定功能，软件架构具有一定的通用性和扩展性。软件架构教员控制台系统是飞行训练模拟器的子系统，它直接或间接与模拟器子系统交换飞行训练信息。根据飞行模拟器应用要求，模拟器计算机网络结构采用卫星网络拓扑结构，以计算机网络分系统为中心节点。教员控制台计算机作为网络上的节点，利用点对点通信存储、处理、传输来自其他子系统的信息，接收每个模拟子系统发送的实时数据，在教练控制台计算机的屏幕上显示系统状态信息和飞行训练参数，另一方面，教员可以通过教员控制台软件系统根据飞行训练任务，通过计算机网络子系统向每个系统发送飞行训练参数设置的管理命令。教员控制台系统的内部架构如图 1 所示。技术难点分析与实现需求分析根据对初期教员控制台系统的实现方式进行分析，现有使用的教员控制台系统存在以下四点缺陷。1.教员控制台系统的接口数据信息，在软件中以结构体的方式定义实现。通过此种实现方式，将导致当需求方的接口行业曲线开放度创新度生态度互交度持续度可替代度影响力可实现度行业关联度真实度一种教员控制台软件系统设计陈 昊陈 昊中国直升机设计研究所陈昊（1992），信息技术部，设计员，主要研究方向：计算机技术、软件开发。中国科技信息 2024 年第 8 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2024-44-航空航天控制文件发生变更时，无法快速响应用户需求，接口控制文件无法动态更新。此外通过结构体的方式实现，接口信息中的中英对照、数值范围、默认值、量纲单位、字节流位置及接口类型等随时会发生变更的信息都在代码中定义，这种实现方式极大降低了代码的可读性，后期软件维护将非常困难。2.教员控制台系统的控件和功能模块的数据同步直接对接结构体字节流数据。此种实现方式将导致软件实现控件功能与字节流数据耦合性过高，控件功能无法灵活变更，当接口控制信息变化时，需要同步更新控件实现部分的代码，增加了软件的维护成本。3.教员控制台系统的控件仅按照数据同步功能实现，未按照功能模块统一。此种实现方式使得软件功能模块创建复杂，程序可扩展性差，软件模块的可重用性低。4.教员控制台系统的控件数据同步没有统一的驱动机制。此种实现方式会使得软件同步状态不可控，软件在运行过程中数据同步不一致。以上四点缺陷使代码实现不符合“高内聚-低耦合”的软件开发原则，代码可重用性低，数据与功能耦合严重，使系统开发者无法快速响应用户的需求变更，不利于后期软件的维护更新；同时软件功能模块化设计不够灵活，不具有通用性和可扩展性。解决方案分析针对上述缺陷，本文提出基于面向对象技术中的继承、多态、封装三大特性，遵循“高内聚-低耦合”的软件设计原则，采用数据双向绑定的方式，在教员控制台系统的开发过程中实现了数据与功能的结构分离。同时通过设计了接口控制文件解析类实现了中间件的功能，实现从接口配置文件中动态读取接口参数，以达到接口参数的动态更新的效果。具体实现生成数据映射表在程序启动的初始阶段，一个关键步骤是读取接口配置文件。这一过程依赖于高效且准确的文件解析器FileParser，它根据预设的解析规则对接口配置文件进行精细的解析。这些规则确保了文件内容的正确解读和数据结构的准确构建。通过这一解析过程，静态的接口控制文件被转化为动态的数据映射表，这一转变赋予了接口信息实时更新的能力。一旦数据映射表生成，它将被安全地存储在数据中心的核心区域。此种数据管理方式不仅保障了信息的完整性，还提供了高效的数据检索和访问机制。对外，数据映射表通过一系列功能接口为其他模块提供服务，如字节流解析、数据同步、输入合法性验证等。集中式的数据管理方式实现了统一数据源的目标，从而消除了数据冗余和潜在的不一致性。利用数据映射表，系统能够轻松实现多种功能，如接口中英文对照显示，这极大地提升了软件的多语言支持能力。同时，它还能对数值输入进行合法性校验，确保数据的正确性和安全性。此外，在处理复杂的字节流数据时，数据映射表能够准确地截取所需信息，为后续的数据处理和分析提供有力支持。通过这些功能，软件不仅能够提供更加友好的用户界面，还能在数据处理层面实现更高的效率和准确性。实现逻辑如图 2 所示。解析字节流数据在数据映射表解析生成后，系统可通过数据中心对外暴露的服务接口来调用和读取之前生成的数据映射表。数据映射表在软件架构中扮演着中介者的角色，它能够高效地将接收和发送的字节流信息进行解析。在解析过程中，数据映射表会准确地截取和拼接字节流信息，这些操作确保了数据的正确性和完整性。此外，数据映射表还会根据接收和发送的数据来更新数据结构体的键值对，这种动态的数据处理方式使得软件能够灵活地应对各种数据变化。更新后的数据结构体会被保存至数据中心，对外，数据图 1 教员控制台内部架构图图 2 生成数据映射表逻辑图图 3 解析字节流数据逻辑图-45-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2024中国科技信息 2024 年第 8 期航空航天中心通过一系列标准化的数据接口为其他功能模块和控件提供数据服务。这种设计方式实现了控件模块与数据的分离，从而大大降低了代码的耦合性，提高了系统的可维护性和可扩展性。通过数据驱动的软件架构，功能模块和控件能够更加专注于实现各自的业务逻辑，而无需关心底层的数据处理细节。这不仅提高了软件的开发效率，还使得软件能够更加灵活地应对未来的业务需求变化。实现逻辑如图 3 所示。继承创建模块类在系统中，为了实现功能模块的高效管理和数据同步，系统创建了功能模块基类 ModuleSync。该基类作为所有功能模块的抽象表示，提供了两个关键的虚方法：数据读取和数据设置。两个方法的具体实现被留给子类去完成，这样的设计赋予了子类极大的灵活性和扩展性，使得它们可以根据不同的业务需求来定制数据同步的行为。为 了 进 一 步 简 化 功 能 模 块 的 创 建 和 管 理，系 统采用了设计模式中的工厂模式，并创建了模块工厂类ModuleFactory。工厂类负责统一创建和管理所有的功能模块子类。每当需要一个新的功能模块时，开发者只需通过工厂类来创建，而无需关心具体的创建细节。ModuleFactory不仅负责创建功能模块子类，还将这些子类的列表保存至数据中心。数据中心作为系统的核心组件，负责存储和管理所有的数据，包括功能模块子类的列表。对外，数据中心提供了一系列的接口，使得其他功能或服务可以轻松地获取和使用这些功能模块子类。通过这样的设计，系统实现了功能模块的高度抽象和统一管理，大大提高了系统的可维护性和可扩展性。同时，工厂模式和数据中心的结合使用，也使得系统的数据同步功能更加高效和可靠。实现逻辑如图 4 所示。统一数据同步机制为了进一步优化系统的数据管理和同步机制，系统还创建了数据调度类。该类被设计为系统中的数据中枢，专门负责数据的读取和设置同步操作。通过提供数据读取和数据设置两个静态方法，数据调度类为系统其他部分提供了统一且便捷的数据访问接口。数据调度类并不直接处理数据，而是通过数据中心提供的接口来调用并获得之前创建的功能模块类列表。这一设计确保了数据调度类能够获取到最新、最全的功能模块信息，从而在静态方法中正确地遍历并触发功能模块基类ModuleSync 中的数据读取和数据设置两个虚方法。这种触发机制是数据驱动功能的核心。每当数据发生变化时，数据调度类都会自动调用相应的方法，确保所有功能模块都能及时获取到最新的数据，并据此更新自己的状态。统一的数据驱动方式不仅保证了数据同步的一致性，还大大提高了系统的响应速度和准确性。此外，由于数据读取和数据设置方法都是静态的，它们可以在不创建数据调度类实例的情况下被直接调用，这进一步简化了代码结构，提高了系统的运行效率。通过这种方式，数据调度类成为系统中不可或缺的一部分，为实现高效、准确的数据同步提供了有力支持。实现逻辑如图 5 所示。技术总结通过上述精心设计的解决方案，我们成功地完善了原有教员控制台软件的设计缺陷。新的软件体系架构不仅显示信息丰富、设置功能齐全，还展现出了强大的通用性和可扩展性。我们采用模块化方法，对教员控制台的功能进行了细致而合理地划分，这不仅提高了软件的开发效率，还使得每个功能模块都更加独立、易于维护。在系统设计与实现的过程中，我们始终坚持模块化的思想，对系统功能进行层层分解。这种做法不仅增强了软件的变更灵活性，还确保了每个功能模块都具有高度的独立性和可扩展性。同时，通过严格的数据管理和同步机制，我们保证了系统数据的一致性和准确性。这些优势共同构成了新教员控制台软件的核心竞争力，为用户提供了更加优质、高效的使用体验。结束语本文所介绍了教员控制台系统采用了模块化的方法对系统功能进行分解，遵照“高内聚-低耦合”的软件开发原则设计了软件类库层次结构，采用“发布者-订阅者”模式实现了数据双向绑定功能，具有一定的通用性和扩展性。在后期通过对教员控制台系统的系统架构和软件框架的不断完善，整个系统的健壮性和可重用性将不断提升。在面对不同直升机型号模拟器的任务需求，可以在此架构和框架上进行多样性的改造，以更好地适应快速交付与迭代的系统开发流程。图 5 统一数据同步机制逻辑图图 4 继承创建模块类逻辑图