基于DDS的空间平台仿真试验床信息交互技术研究

王航+陈勇+宋旭民+丁国振

摘 要： 为了研究大型复杂系统仿真平台的信息交互问题，首先针对空间平台仿真试验床的信息交互技术做了需求分析，通过分析，采用基于数据分发服务（DDS）规范对空间平台仿真试验床的信息交互技术进行了研究。建立了空间平台仿真试验床的信息交互系统体系结构，并且构造了它的全局数据空间，最终对信息交互的流程进行了规范。基于该方法的仿真试验床具有高便捷性、易集成性、高可靠性等特点，为整个仿真试验床的运行和开发打下了良好的基础。

关键词： DDS； 仿真试验床； 信息交互技术； 发布/订阅

中图分类号： TN911?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）20?0007?04

Research on information?exchange technology for space simulative test?bed based on DDS

WANG Hang1， CHEN Yong2， SONG Xu?min2 ， DING Guo?zhen1

（1. Department of Graduate Management， Equipment Academy of PLA， Beijing 101416， China；

2. Department of Space Command， Equipment Academy of PLA， Beijing 101416， China）

Abstract： In order to research the problem existing in information exchange for simulation platform of large?scale complex systems， the requirement analysis of information?exchange technology for simulative test?bed on space platform is conducted in this paper. The research on information?exchange technology for simulative test?bed on space platform was carried out based on specification for data distribution service （DDS）. An architecture of information?exchange technology for simulative test?bed on space platform was established and its global data space was constructed. The process of information exchange was specified. Based on this method， the simulation test?bed has the features of high convenience， easy integration and high reliability. A foundation was made for running and developmentof the simulative test?bed on space platform.

Keywords： DDS； simulative test?bed； information?exchange technology； distribution/subscription

0 引 言

空间平台仿真试验床是一个集成空间平台各个功能组件的复杂仿真体系结构。它能快速地对复杂的空间平台系统进行建模和仿真。信息交互技术是保证空间平台仿真试验床运行的重要技术。仿真试验床要求将各试验应用产生的数据在网络上进行实时传输，根据试验应用对数据需求的不同，将数据按照各自的来源和目的地进行传递，有效解决服务器瓶颈和单点失效的问题，实现试验应用和底层支撑服务之间的数据双向传递，同时使消息传递的异步通信，可靠性得到保证。

目前大多数流行的信息交互中间件已经能提供良好的开发平台和通信支持，但由于缺乏合适的系统控制接口和应用级服务质量（QoS）的有效支持，并不能很地的解决通信的实时性、快捷性和灵活性问题。而数据分发服务（DDS）能够为实时系统应用开发提供高级抽象接口、能有效合理地控制部署系统所需的QoS策略来满足实时应用需求。DDS中间件是一种轻便的、能够提供实时信息传送的中间件技术，它可以很好地配置和利用系统资源，协调可预测性与执行效率之间的平衡，具有实时性、松耦合性动态性、灵活性等优点。本文通过对DDS理论的研究，提出了基于DDS的空间平台仿真试验床信息交互管理系统的体系结构和信息交互流程。满足了空间平台仿真试验床对信息交互的实时性、可靠性、高效性等要求。

1 空间平台仿真试验床信息交互需求分析

空间平台仿真试验床是一个大型复杂的仿真平台。它集需求分析、组件集成、应用仿真等功能与一体，结构非常复杂，因此对信息交互技术的需求也比较多。具体有如下几点：

（1） 不同类别信息交互的能力。空间平台仿真试验床集成了各种不同类别的仿真成员，包含实物仿真成员和半实物仿真成员等，这些仿真成员之间传递的信息类别不同，这就需要仿真试验床的信息交互技术能够完成不同类别信息的交互需求。

（2） 能够传递大量数据的能力。空间平台仿真试验床结构复杂，有大量的仿真成员，涉及到大量的数据信息。例如：空间平台的轨道运行信息、载荷状态信息、空间环境信息、控制指令信息等。这些大量数据需要快频率的进行交互，对试验床的信息交互能力的要求非常高。

（3） 信息交互的优先级能力。空间平台仿真试验床在仿真试验时，各信息都有着不同的紧急程度和重要程度，对数据传输的实时性要求也不一样，这就需要仿真试验床的信息交互能够根据信息的优先级，有序的进行信息的传输。

（4） 对数据历史进行记录的能力。试验床运行时会产生大量历史数据，这些数据对之后的验证分析、效能评估等有着重要作用，因此需要对收发的信息进行保存。

2 DDS相关理论

2.1 DDS结构模型

DDS规范是满足实时性要求、实现订阅/发布通信模式的标准，它是由对象管理组织（OMG）制定的。该规范对分布式实时系统中数据发布、传递和接收的接口和行为进行了标准化[1]。DDS结构框架分为两层，分别是数据本地重构层DLRL和以数据为中心的发布/订阅层DCPS[2]。其中DCPS层是DDS的核心和基础，负责数据的传输以及相关服务质量的控制保证等[3]。DLRL层是建立在DCPS层之上的一个可选层，能够将服务进行抽象，并与底层服务建立映射关系。这里对DDS的DCPS层进行研究。DCPS层的结构模型如图1所示[4]。

图1 DDS结构框图

该模型主要包括数据对象（Inforepo）、发布者（Publisher）、订阅者（Subscriber）、数据写入者（DataWriter）和数据读出者（DataReader）等5个参与者（其中前三个是系统的主要参与者；数据写入者是由发布者创立，一个发布者可以创立多个数据写入者；数据读出者是有订阅者创立，一个订阅者可以创立多个数据读出者）。发布者向信息库发送主题信息，订阅者向信息库发送它所感兴趣的订阅主题信息，信息库匹配发布主题信息和订阅主题信息，并且制定相关的QoS策略，然后发布者将相应的数据发送给对应的订阅者[5]。

2.2 DDS信息交互特点

DDS它是以数据为中心进行数据分发的。其中QoS参数用来表述并将资源状况、对资源的期待程度、网络状况等，这大大的增强了通信的灵活性和实时性。它大大简化了分布式系统中数据的发布效率，为实时环境下以数据为中心的分布式应用提供高效、有用的通信服务[6]。它主要有如下特点：

（1） 引入全局数据空间的概念，通过全局数据空间上的“主题”模式进行消息之间的传输，实现了一对多的连接。只要发布者和订阅者形成关联，就不需要再进行寻址过程，传输过程也不需要中心服务器等其他媒介。这样就大大的提高了信息的传输效率和传递大量数据的能力。

（2） 引入了QoS策略，通过对消息提供QoS服务，能够根据数据传输控制要求（如优先级等）进行传递，大大提高了消息传递的质量，从而提高了这个系统的可靠性。

（3） 拥有高效的动态配置能力。它根据系统的需要能够实时的增加新的主题消息或者删除主题消息，从而随时适应仿真系统的规模。

（4） 具备共享数据能力，无需考虑数据发布者和使用者实际的物理地址和组织结构中的位置。

3 空间平台仿真试验床信息交互的关键技术

3.1 仿真试验床信息交互系统体系结构

基于上节对DDS技术的特点分析，可知运用DDS技术能够满足空间平台仿真试验床对信息交互能力的需求。因此本文将采用DDS技术用于空间平台仿真试验床的信息交互。空间平台仿真试验床信息管理体系架构如图2所示。由图2可知系统架构主要分为三个层次：信息管理监控层，DDS信息交互层和信息控制层。每个层次之间都有着不同的作用。

（1） 实时信息层。实时信息层主要包含了数据库和各个仿真节点。各仿真节点主要是空间平台仿真试验床中主要的仿真成员。它主要包括空间环境监测节点、空间平台动力控制节点、载荷控制节点、目标观测节点等。它可以根据空间平台功能的扩展，随时添加进来相应的仿真节点。数据库中存储了大量的仿真需要用到的各种数据和模型。仿真开始时，它会把信息以主题的模式发送给信息交互层，然后再由信息交互层按照DDS规范把信息发送给各个仿真节点，从而使仿真顺利运行。同时数据库会存储仿真时产生的数据，随时准备下一次数据传输，这样就实现了数据的实时交互和非实时交互。

图2 基于DDS的仿真试验床信息管理体系架构示意图

（2） 信息控制层。信息控制层是通过接收到的各种仿真实时信息，决策产生出控制指令，并且发出控制指令，从而对整个仿真进行控制。它主要由仿真控制台和仿真决策支持服务器组成。仿真决策支持服务器主要是通过订阅接收DDS信息交互层传来的各种仿真数据，并且进行分析作出辅助控制决策再将决策控制信息通过DDS发送给仿真控制台；仿真控制台是与人进行交互的系统，它同样接收各仿真节点的实时数据，和辅助控制决策，操作人员对它们进行分析，发出控制指令，从而随时调整和控制整个仿真的运行。

（3） DDS信息交互层。DDS信息交互层主要利用全局数据空间和信息传输网络，对各个系统进行整合，提供了仿真试验床统一的信息交互平台。平台管理整个仿真试验床的各个仿真节点，并且以发布/订阅主题的方式来获取各仿真节点的信息和发送其他各节点所需的信息。在整个信息收发的过程中，它不需要考虑接口协议、收发地址等限制条件，实现了硬件与软件的分离以及信息的应用与交互的分离。

这种基于DDS的仿真试验床信息管理体系架构可以根据空间平台的功能扩展随时接入相应的系统组件和仿真节点，这大大增强了仿真试验床的可扩展性。

3.2 全局数据空间

全局数据空间（Global Data Space，GDS）是数据分发模型的核心，仿真试验床利用GDS实现公共数据总线的管理和驱动。分发模型中消息主题的管理和匹配、发布者和订阅者连接时间通知、基于主题的消息交换等功能都是基于GDS完成的。根据信息交互的需求，它主要由四个部分组成：发布登记表，订阅登记表，发布数据缓冲区间和接收数据缓冲区间。

发布/订阅登记表主要负责记录所有发布/订阅消息的主题（如表1所示就是空间平台仿真试验床各设备的发布/订阅主题表），发布者/订阅者的地址和该类信息的主要特征如数据可靠性，优先级，有效期等，发布/订阅登记表实时更新。发布数据缓冲区负责保存发布者需要保存的发送数据，即使发布的消息在有效期内仍保留一段时间，从而支持订阅者在这段时间内能够索取到相应的数据。接收数据缓冲区主要是用于给订阅者缓冲其已经接收了的却没有来的及处理的信息。这样就能很好的满足部分数据对优先级的要求。

表1 空间平台仿真试验床设备信息发布/订阅主题表

3.3 空间平台仿真试验床交互流程

图3可以直观的表示仿真试验床各系统的发布/订阅的信息交互情况。

由于空间平台的结构非常复杂，仿真试验床的仿真节点比较多。本文只简单的列举相对比较主要的各仿真节点传输信息。各仿真节点主要包括空间环境节点、飞行动力系统节点，载荷控制节点，姿态调整控制节点等。它们之间所涉及到的信息很多，这里主要包括平台与载荷的飞行状态信息、空间环境信息、控制指令等。

根据图3：仿真开始时数据库发布初始模型和数据信息主题，各个仿真节点通过订阅相应的主题接收到数据后开始运行；仿真运行后，各个仿真节点会产生实时数据，并且向GDS发布相关信息的主题；支持决策服务器和仿真控制台将订阅空间平台及载荷的状态信息、空间环境信息等相关信息主题，其中支持决策系统会通过订阅的主题信息，产生操控辅助决策信息，并进行综合集成显示，控制台同时订阅了操控决策信息的主题，然后再综合产生决策控制指令。控制台产生的平台和载荷控制指令通过主题的形式发布到GDS，再被各个仿真节点订阅，从而实现对各仿真节点的控制。

图3 空间平台仿真试验床信息订阅/发布示意图

4 基于DDS的仿真试验床信息管理系统的优点

基于DDS的空间平台仿真试验床信息管理系统主要具有如下优点：

（1） 提高信息交互的便捷性。仿真试验床的各个设备节点只需要根据发布者的主题就可以随时订阅自己需要的信息，而不用去管信息发布者是哪种设备，这大大地提升了信息交互的效率。

（2） 利于系统集成的组件化。基于DDS的空间仿真试验床信息管理系统中的信息交互与设备硬件，软件应用，仿真成员的实体半实体无关，各设备之间只通过信息的交互进行控制和管理，实现了软件硬件的分离。空间平台需要扩充相应功能只需要研制相关方面的软件，然后把这些软件加载到相应的设备上即可。这样就大大提高了空间平台仿真试验床的可集成性和可扩展性。

（3） 利于提高数据交换的松耦合性。基于DDS的信息交互技术提供了一种基于主题的数据交互方式，减少了数据发送者与接收者之间的相互依赖，不需要考虑信息传输网络、对端通信设备地址的条件实现了数据的应用和传输的分离，设备之间没有直接的关联。单点失效并不会影响整个系统的其他功能，从而提高了系统的可靠性。

（4） 利于提高数据传输的可靠性。基于DDS的仿真试验床信息交互技术为应用软件提供了多种QoS保障，能够更好的满足系统中数据的传输需求。

（5） 利于提高信息交互的可监视性。基于DDS的仿真试验床信息交互技术为仿真试验的数据交换制定了规范，打破了传统的点对点的封闭式通信，为重要数据的监视、跟踪等需求提供了手段。

5 结 语

本文基于DDS技术理论对空间平台仿真试验床信息交互的技术进行了研究。基于DDS的空间平台仿真试验床信息交互技术能够快捷有效的对数据进行分发；它提供的各种QoS策略能够有效的保证系统的可靠性、实时性和灵活性，从而有效的解决实时分布式条件下的空间平台仿真通信问题。它能够保证系统之间的数据控制和通信透明，可为空间平台仿真试验床的运行、开发和组建集成提供了重要的保障。

参考文献

[1] 张云勇.中间件技术原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004.

[2] Object Management Group. Data distribution service for real?time systems specification， version 1.0 [R]. [S.l.]： Object Management Group， 2004.

[3] 陈春甫.基于DDS的数据分发系统的设计与实现[D].上海：复旦大学，2008.

[4] 杨瑾.基于DDS和XML的数据集成模型的设计和实现[D].北京：北京邮电大学，2009.

[5] 谢蓓，刘毅，曹万华，等.实时系统数据分布服务DDS技术综述[J].舰船电子工程，2006，26（2）：16?20.

[6] 姚兵，蔡婷，李峻林，等.基于DDS模型的数据分发中间件的设计与实现[J].计算机软件与算法，2009，30（3）：619?623.

[7] 孙文俊，冯燕，张宏宇.基于DDS的实时信息交换平台研究[J].指挥信息系统与技术，2011（2）：49?53.

发布/订阅登记表主要负责记录所有发布/订阅消息的主题（如表1所示就是空间平台仿真试验床各设备的发布/订阅主题表），发布者/订阅者的地址和该类信息的主要特征如数据可靠性，优先级，有效期等，发布/订阅登记表实时更新。发布数据缓冲区负责保存发布者需要保存的发送数据，即使发布的消息在有效期内仍保留一段时间，从而支持订阅者在这段时间内能够索取到相应的数据。接收数据缓冲区主要是用于给订阅者缓冲其已经接收了的却没有来的及处理的信息。这样就能很好的满足部分数据对优先级的要求。

表1 空间平台仿真试验床设备信息发布/订阅主题表

3.3 空间平台仿真试验床交互流程

图3可以直观的表示仿真试验床各系统的发布/订阅的信息交互情况。

由于空间平台的结构非常复杂，仿真试验床的仿真节点比较多。本文只简单的列举相对比较主要的各仿真节点传输信息。各仿真节点主要包括空间环境节点、飞行动力系统节点，载荷控制节点，姿态调整控制节点等。它们之间所涉及到的信息很多，这里主要包括平台与载荷的飞行状态信息、空间环境信息、控制指令等。

根据图3：仿真开始时数据库发布初始模型和数据信息主题，各个仿真节点通过订阅相应的主题接收到数据后开始运行；仿真运行后，各个仿真节点会产生实时数据，并且向GDS发布相关信息的主题；支持决策服务器和仿真控制台将订阅空间平台及载荷的状态信息、空间环境信息等相关信息主题，其中支持决策系统会通过订阅的主题信息，产生操控辅助决策信息，并进行综合集成显示，控制台同时订阅了操控决策信息的主题，然后再综合产生决策控制指令。控制台产生的平台和载荷控制指令通过主题的形式发布到GDS，再被各个仿真节点订阅，从而实现对各仿真节点的控制。

图3 空间平台仿真试验床信息订阅/发布示意图

4 基于DDS的仿真试验床信息管理系统的优点

基于DDS的空间平台仿真试验床信息管理系统主要具有如下优点：

（1） 提高信息交互的便捷性。仿真试验床的各个设备节点只需要根据发布者的主题就可以随时订阅自己需要的信息，而不用去管信息发布者是哪种设备，这大大地提升了信息交互的效率。

（2） 利于系统集成的组件化。基于DDS的空间仿真试验床信息管理系统中的信息交互与设备硬件，软件应用，仿真成员的实体半实体无关，各设备之间只通过信息的交互进行控制和管理，实现了软件硬件的分离。空间平台需要扩充相应功能只需要研制相关方面的软件，然后把这些软件加载到相应的设备上即可。这样就大大提高了空间平台仿真试验床的可集成性和可扩展性。

（3） 利于提高数据交换的松耦合性。基于DDS的信息交互技术提供了一种基于主题的数据交互方式，减少了数据发送者与接收者之间的相互依赖，不需要考虑信息传输网络、对端通信设备地址的条件实现了数据的应用和传输的分离，设备之间没有直接的关联。单点失效并不会影响整个系统的其他功能，从而提高了系统的可靠性。

（4） 利于提高数据传输的可靠性。基于DDS的仿真试验床信息交互技术为应用软件提供了多种QoS保障，能够更好的满足系统中数据的传输需求。

（5） 利于提高信息交互的可监视性。基于DDS的仿真试验床信息交互技术为仿真试验的数据交换制定了规范，打破了传统的点对点的封闭式通信，为重要数据的监视、跟踪等需求提供了手段。

5 结 语

本文基于DDS技术理论对空间平台仿真试验床信息交互的技术进行了研究。基于DDS的空间平台仿真试验床信息交互技术能够快捷有效的对数据进行分发；它提供的各种QoS策略能够有效的保证系统的可靠性、实时性和灵活性，从而有效的解决实时分布式条件下的空间平台仿真通信问题。它能够保证系统之间的数据控制和通信透明，可为空间平台仿真试验床的运行、开发和组建集成提供了重要的保障。

参考文献

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[7] 孙文俊，冯燕，张宏宇.基于DDS的实时信息交换平台研究[J].指挥信息系统与技术，2011（2）：49?53.

发布/订阅登记表主要负责记录所有发布/订阅消息的主题（如表1所示就是空间平台仿真试验床各设备的发布/订阅主题表），发布者/订阅者的地址和该类信息的主要特征如数据可靠性，优先级，有效期等，发布/订阅登记表实时更新。发布数据缓冲区负责保存发布者需要保存的发送数据，即使发布的消息在有效期内仍保留一段时间，从而支持订阅者在这段时间内能够索取到相应的数据。接收数据缓冲区主要是用于给订阅者缓冲其已经接收了的却没有来的及处理的信息。这样就能很好的满足部分数据对优先级的要求。

表1 空间平台仿真试验床设备信息发布/订阅主题表

3.3 空间平台仿真试验床交互流程

图3可以直观的表示仿真试验床各系统的发布/订阅的信息交互情况。

由于空间平台的结构非常复杂，仿真试验床的仿真节点比较多。本文只简单的列举相对比较主要的各仿真节点传输信息。各仿真节点主要包括空间环境节点、飞行动力系统节点，载荷控制节点，姿态调整控制节点等。它们之间所涉及到的信息很多，这里主要包括平台与载荷的飞行状态信息、空间环境信息、控制指令等。

根据图3：仿真开始时数据库发布初始模型和数据信息主题，各个仿真节点通过订阅相应的主题接收到数据后开始运行；仿真运行后，各个仿真节点会产生实时数据，并且向GDS发布相关信息的主题；支持决策服务器和仿真控制台将订阅空间平台及载荷的状态信息、空间环境信息等相关信息主题，其中支持决策系统会通过订阅的主题信息，产生操控辅助决策信息，并进行综合集成显示，控制台同时订阅了操控决策信息的主题，然后再综合产生决策控制指令。控制台产生的平台和载荷控制指令通过主题的形式发布到GDS，再被各个仿真节点订阅，从而实现对各仿真节点的控制。

图3 空间平台仿真试验床信息订阅/发布示意图

4 基于DDS的仿真试验床信息管理系统的优点

基于DDS的空间平台仿真试验床信息管理系统主要具有如下优点：

（1） 提高信息交互的便捷性。仿真试验床的各个设备节点只需要根据发布者的主题就可以随时订阅自己需要的信息，而不用去管信息发布者是哪种设备，这大大地提升了信息交互的效率。

（2） 利于系统集成的组件化。基于DDS的空间仿真试验床信息管理系统中的信息交互与设备硬件，软件应用，仿真成员的实体半实体无关，各设备之间只通过信息的交互进行控制和管理，实现了软件硬件的分离。空间平台需要扩充相应功能只需要研制相关方面的软件，然后把这些软件加载到相应的设备上即可。这样就大大提高了空间平台仿真试验床的可集成性和可扩展性。

（3） 利于提高数据交换的松耦合性。基于DDS的信息交互技术提供了一种基于主题的数据交互方式，减少了数据发送者与接收者之间的相互依赖，不需要考虑信息传输网络、对端通信设备地址的条件实现了数据的应用和传输的分离，设备之间没有直接的关联。单点失效并不会影响整个系统的其他功能，从而提高了系统的可靠性。

（4） 利于提高数据传输的可靠性。基于DDS的仿真试验床信息交互技术为应用软件提供了多种QoS保障，能够更好的满足系统中数据的传输需求。

（5） 利于提高信息交互的可监视性。基于DDS的仿真试验床信息交互技术为仿真试验的数据交换制定了规范，打破了传统的点对点的封闭式通信，为重要数据的监视、跟踪等需求提供了手段。

5 结 语

本文基于DDS技术理论对空间平台仿真试验床信息交互的技术进行了研究。基于DDS的空间平台仿真试验床信息交互技术能够快捷有效的对数据进行分发；它提供的各种QoS策略能够有效的保证系统的可靠性、实时性和灵活性，从而有效的解决实时分布式条件下的空间平台仿真通信问题。它能够保证系统之间的数据控制和通信透明，可为空间平台仿真试验床的运行、开发和组建集成提供了重要的保障。

参考文献

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