基于软件架构设计的多源信息融合系统

高 义，刘承禹

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄050081;2.二炮装备研究院，北京100085)

0 引言

多源信息融合，也可称为多传感器信息综合处理，是一种对信息的多层次、多方面的处理过程。多源信息融合系统中各融合节点对应的数据源是多种传感器，由于各传感器的功能不同、性能各异，它们所能提取的信息也不同。传统的多源信息融合系统的实现主要是针对融合系统中不同节点、不同层次、不同信息处理需求等设计相应的软件，来完成相应的融合功能，这种实现方法最终会导致整个信息融合系统异常庞大，融合系统中各部分组成关系异常复杂。

为优化多源信息融合系统的综合处理和集成能力，针对多源信息融合系统这一领域工程进行分析，采用目前较为流行的软件架构设计思路，来设计一种混合多级式多源信息处理系统架构模型。

1 基本概念

1.1 软件架构

软件架构是一种由特定领域的软件体系结构所决定的软件构造框架，是整个或部分系统的可重用设计。软件架构都是针对特定领域进行分析，识别这些应用的共同特征和可变特征，对刻画这些特征的对象和操作进行选择和抽象。

基于领域工程软件架构设计，首先对多源信息融合系统进行领域需求获取，构建领域模型，进而进行领域设计，最终完成多源信息融合系统架构设计。

1.2 多源信息融合系统领域分析

目前，多源信息融合系统结构体系通常采用3种信息处理结构:集中式、分布式和混合式，另外还有一种拓展结构:多级式。

对于单级小型融合节点或中心，大多可采用集中式或分布式融合结构，融合节点对传感器数据直接或经过局部预处理后，进行数据对准、联合检测、数据关联、航迹相关、航迹合成、特征提取和属性判定等。

图1 单级融合节点结构框图

对于多级式融合处理系统，具有多个局部融合节点。各局部融合节点可以是集中、分布或混合式融合处理中心，它们接收、处理多个(种)传感器的数据，可形成初级的信息融合结果;系统融合中心或高级融合节点又可将各局部融合节点看作为其输入传感器，再次对各局部融合节点传送来的航迹数据(目标属性)进行关联和合成，形成更准确、全面的融合结果。

基于多级式的多源信息综合处理系统框架如图2所示。

图2 多级多源信息综合处理系统框架

图中单级融合节点可以是某一类承载平台，其上的融合处理器对平台搭载的多种传感器汇集的数据进行融合处理，形成本节点的初级结果数据;多级融合节点可以是一个区域信息融合中心或者综合处理中心，可采用混合式融合处理结构，既可接收初级融合节点的数据，也直接获得初级融合节点传感器的原始数据，对这些数据的处理可采用特殊的数据处理软件，也可采用与初级节点相同的融合处理软件构件。

2 多源信息融合系统软件架构设计

2.1 领域需求分析

通过对多源信息融合系统领域进行分析，从该领域的应用模式来看系统需求和功能配置具有显著的共性，同时不同的应用系统(平台)侧重点以及结构层次又不尽相同。它们的不同点体现在:系统的规模、结构层级不同，系统的传感器种类、功能不同，信息融合处理侧重点不同。它们的共性体现在:数据级的融合模块针对同类传感器数据可进行直接处理;特征级融合模块可针对不同层级的传感器数据进行融合;不同层级的融合节点对于同类传感器数据的融合算法基本相通;基于数据库的融合信息管理模块可以通用。

通过以上分析发现，多源信息融合系统作为特定领域的应用，其业务方式和业务范围相对比较规范、稳定，虽然对于不同应用环境，其业务处理不尽相同，但在业务流程以及基本数据处理算法上基本都是类似的，其应用模式具有非常大的相似性，这一点符合实施软件架构领域工程的前提，即领域特征的相对稳定性。基于多源信息融合这一特定应用领域，完全可以建立一套合理、可行的该领域软件架构的解决方案，从而改变目前该领域软件开发模块复杂、研制周期长、扩展能力差和维护困难等现实问题。

2.2 领域设计

通过对多源信息融合系统架构的分析，可以看到对于多级多平台的信息融合系统可利用软件构件化设计思想，将各级融合算法模块进行构件化设计，将特征层和决策层融合方法相结合，来构建多级混合式信息融合系统。

在进行多源信息融合系统领域的通用架构设计时，应该遵循领域工程的基本原则，同时，为了使通用架构更加具有生命力，必须考虑到该领域的技术发展和需求变化情况，尽可能采用构件技术和设计模式，以达到最大限度地重用和扩展目的。

根据对多源信息融合系统的领域分析，提取领域通用架构需求，在此基础上，对领域软件架构进行如图3设计。

图3 多源信息融合系统领域软件架构模型

(1)服务管理(构件管理)构件

服务管理模块是整个架构的核心和支撑，用来管理组成应用系统的各个业务功能构件和架构通用构件。服务管理模块包含一个全局的服务管理器和若干服务。

(2)用户界面管理构件

用户界面管理模块只是实现了一个架构的通用模式，在具体应用系统开发时，开发者可以开发具体的应用界面。

(3)通信管理构件

多源信息融合系统需要对多级融合节点、多种传感器的信息进行交互，各应用节点内以及应用节点间的通信需求非常复杂，为了提高系统内通信传输的效率，需要建立一个通用的通信管理平台。包括:组成应用系统和架构的各个构件之间、各个平台之间、软件和传感器设备之间的数据、消息、指令的交互管理。通信管理并不关心所接收和分发的具体信息，仅负责整个应用系统内部和外部的通信收发。

(4)数据库管理构件

提供增、删、改、查、备份、恢复等数据管理功能。

(5)传感器驱动构件

多源信息融合系统要完成一定的传感器数据采集工作，必须指挥控制相应的传感器设备。在以往的系统开发过程中，每增加一种新的设备，或者原有设备功能改造升级后，往往需要改动相应的软件，以适应新的接口和功能需求。为了减少这样的工作量，在通用架构中设计一个传感器驱动管理构件。该驱动构件是一类特殊的适配器，它负责将标准的设备控制命令转换成各种设备特有的控制指令。针对不同的设备只需构造不同的设备驱动构件，设备升级或更换时只需替换相应的设备驱动构件，而无需修改程序的其他部分。

6)业务处理构件包

业务处理构件包是多源信息融合系统应用领域需求核心，主要是针对不同传感器对象、不同融合层级实现相应的融合处理功能。包括:目标融合业务构件包、目标识别业务构件包和态势综合业务构件包等。

各业务处理构件以插件形式集成在多源融合信息系统框架中，不同应用领域、不同融合节点层级可根据需要进行灵活组件，这样既能满足不同融合系统的业务需求，又保持了整个系统框架标准统一，有利于灵活配置、系统维护。

3 通用构件实现

3.1 通用构件提取

为增强系统的复用性、可扩展性，提高系统的运行效率，将系统中一些公共的、使用频度较高的模块抽取出来通用化，形成系统通用的构件库。随着系统架构模型的不断完善，通用构件库中的构件可以不同的升级和完善，同时新的构件可以不断地增加进来。

领域通用构件的提取一般分为3个步骤:① 标识构件和操作;②对构件进行抽象，将分解后的实体所拥有的共同属性抽象出来。③构件的分类、合并和优化。

下面以最常用的数据库管理构件为例说明通用构件设计实现方法。

3.2 通用构件设计

3.2.1 数据库管理构件需求分析

数据库管理构件完成数据库表的查询、新增、编辑、删除、打印和数据库的备份、恢复功能。由于该构件可以依据不同的数据库构成和权限，分配对不同库表的操作权限，因此构件设计时，必须满足以上的要求。

3.2.2 数据库管理构件设计实现

数据库维护构件的开发完全基于COM技术规范，由于该构件定位在嵌入其它软件内，因此采用进程内方式。由于以往信息处理领域软件中的数据库都使用Oracle数据库，在此选用OO40实现数据库的连接、数据集的访问等功能。

数据库管理功能可提取的公共模块包括:增、删、查、改等，其中数据库查询功能是通用构件中重要部分，下面以数据库查询功能为例，说明其实现过程。

数据库查询功能可分为无条件查询和条件查询2种类型。查询功能中一个关键技术是动态SQL语句生成。这其中的难点又是过滤条件的生成。根据用户所选字段的类型不同，相应的该字段的组合条件也不同。当用户选择多个条件时，各个条件之间还要依靠连接符进行连接。连接符最常用的就是与(＆＆)和或(||)。

实现条件查询的部分代码如下:

4 结束语

通过对软件架构技术基本理论和方法的介绍，针对多源信息融合系统工程领域的应用分析，设计了一个基于软件架构体系的多源信息融合系统框架模型，从系统角度对混合多级式多源信息融合系统的构建提出了一种新的设计思路。

［1］徐正权.软件复用方法与技术［M］.武汉:华中理工大学出版社，1998:57-62.

［2］耿刚勇，李渊明，仲萃豪.基于构件的应用软件系统的体系结构及其开发模型［J］.计算机研究与发展，1998，35(7):594-598.

［3］胡钰舒.基于软件重用的信息系统框架研究［D］.重庆:重庆大学，2004.

［4］韩崇昭，朱洪艳，段战胜.多源信息融合［M］.北京:清华大学出版社，2006:13-18.

［5］杨露菁，余华.多源信息融合理论与应用［M］.北京:北京邮电大学出版社，2006:21-25.

［6］何友，王国宏.多传感器信息融合及应用［M］.北京:电子工业出版社，2000:57-62.