軟件能力集成對(duì)艦載電子裝備的作用和意義

陳 鋒，汪 晉，呂呈悅

(1. 海軍裝備部駐上海地區(qū)軍事代表室， 上海 200000； 2. 南京電子技術(shù)研究所， 南京 210039)

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·總體工程·

軟件能力集成對(duì)艦載電子裝備的作用和意義

陳 鋒1，汪 晉2，呂呈悅2

(1. 海軍裝備部駐上海地區(qū)軍事代表室， 上海 200000； 2. 南京電子技術(shù)研究所， 南京 210039)

由于未來(lái)大型電子裝備的規(guī)模越來(lái)越大，系統(tǒng)化程度越來(lái)越高，傳統(tǒng)的定制開(kāi)發(fā)模式在裝備研發(fā)的可持續(xù)性、開(kāi)放性、移植性和可擴(kuò)展性上都存在局限。文中提出了以通用硬件平臺(tái)、統(tǒng)一軟件架構(gòu)為基礎(chǔ)，通過(guò)軟件無(wú)線電實(shí)現(xiàn)電子裝備的功能軟件化，有效解決了大型電子裝備的系統(tǒng)能力集成問(wèn)題，并從電子技術(shù)支撐、技術(shù)狀態(tài)管理、工程研發(fā)組織和全壽命使用維護(hù)方面進(jìn)行可行性分析，可應(yīng)用到大型電子裝備的研發(fā)過(guò)程中。

軟件能力集成；開(kāi)放式架構(gòu)；軟件無(wú)線電

0 引 言

艦艇作為高度集成化的作戰(zhàn)單元，既可以單獨(dú)執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)，也可以與其他作戰(zhàn)單元協(xié)作構(gòu)成作戰(zhàn)編隊(duì)。未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)是信息化戰(zhàn)爭(zhēng)，艦載電子裝備的性能直接決定了艦艇的作戰(zhàn)性能，進(jìn)而決定了整個(gè)作戰(zhàn)編隊(duì)的作戰(zhàn)性能。

近年來(lái)艦載電子裝備迅速發(fā)展，其系統(tǒng)化程度越來(lái)越高，功能覆蓋面越來(lái)越廣，協(xié)作研發(fā)的單位越來(lái)越多，以往電子裝備研發(fā)采用類似定制模式在可持續(xù)性、開(kāi)放性、技術(shù)可移植性、功能擴(kuò)展性等方面存在局限，已無(wú)法適應(yīng)以信息為中心的新一代大型電子裝備的研制。研究順應(yīng)新形勢(shì)下的系統(tǒng)能力集成解決方案對(duì)提升電子裝備的總體作戰(zhàn)性能、可持續(xù)擴(kuò)展性能以及技術(shù)移植性能起著至關(guān)重要的作用[1]。

1 軟件能力集成的技術(shù)途徑

新一代的艦載電子裝備規(guī)模由功能單一的中小型

電子設(shè)備向功能全面的大型/超大型電子系統(tǒng)轉(zhuǎn)變[2]，裝備的研制模式從以往單個(gè)單位獨(dú)自研制、獨(dú)自集成向多個(gè)單位協(xié)作并行研制、統(tǒng)一集成進(jìn)行轉(zhuǎn)變。電子系統(tǒng)的能力集成解決方案除了應(yīng)滿足其總體功能性能在裝備研制的全周期內(nèi)可以進(jìn)行開(kāi)放式的演進(jìn)和迭代之外，還應(yīng)滿足在裝備交付后的全壽命周期內(nèi)可以進(jìn)行持續(xù)性的維護(hù)和擴(kuò)展。軟件能力集成在開(kāi)放式體系架構(gòu)的基礎(chǔ)上[3]，通過(guò)軟件無(wú)線電進(jìn)行相應(yīng)作戰(zhàn)能力單元的加載和互聯(lián)，為電子裝備作戰(zhàn)能力單元的重構(gòu)和擴(kuò)展提供了可能。

1) 軟件能力集成的指導(dǎo)思想：以開(kāi)放、通用的硬件架構(gòu)為基礎(chǔ)，以軟件無(wú)線電技術(shù)為依托，以數(shù)據(jù)開(kāi)放共享為手段，以模型設(shè)計(jì)和優(yōu)化為核心，以功能軟件化為成果，以全壽命柔性靈活的技術(shù)移植為愿景，以持續(xù)保持和提升全壽命周期內(nèi)裝備性能和作戰(zhàn)能力為目的，站在系統(tǒng)的視野，打破行業(yè)界限，積極穩(wěn)步，統(tǒng)籌規(guī)劃，共同協(xié)作。

2) 軟件能力集成的技術(shù)途徑：采用統(tǒng)一的、開(kāi)放式的體系架構(gòu)，通過(guò)軟件無(wú)線電進(jìn)行作戰(zhàn)能力的動(dòng)態(tài)加載和開(kāi)放式互聯(lián)。

3) 軟件能力集成的實(shí)施方式：共同設(shè)計(jì)，分頭開(kāi)發(fā)，統(tǒng)一集成。

2 基于軟件的能力集成對(duì)艦載電子裝備的作用和意義

電子裝備的功能越來(lái)越復(fù)雜，涉及系統(tǒng)平臺(tái)、雷達(dá)、通信、電子戰(zhàn)等多個(gè)技術(shù)層面，基于軟件的能力集成在可持續(xù)性、開(kāi)放性、技術(shù)移植性和功能擴(kuò)展性方面具有與生俱來(lái)的優(yōu)勢(shì)。

2.1 可持續(xù)性

電子裝備的可靠性越來(lái)越高，全壽命周期越來(lái)越長(zhǎng)，系統(tǒng)的功能在裝備服役期間不斷進(jìn)行演進(jìn)，在硬件平臺(tái)不進(jìn)行大規(guī)模改造的前提下，通過(guò)軟件的升級(jí)和擴(kuò)展來(lái)滿足系統(tǒng)新增的能力需求，保證了可靠性，降低了研制成本，縮短了研制周期。

基于軟件的能力集成將系統(tǒng)能力分解為軟件能力，在開(kāi)放式體系架構(gòu)的基礎(chǔ)上，根據(jù)新的系統(tǒng)需求對(duì)軟件能力進(jìn)行擴(kuò)展，可實(shí)現(xiàn)軟件的迭代，進(jìn)而滿足裝備在不同階段的可持續(xù)性的能力要求。

2.2 開(kāi)放性

大型電子裝備功能極其復(fù)雜，涉及大批量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)運(yùn)算和數(shù)據(jù)傳輸，以往的面向用途的體系架構(gòu)約束了各任務(wù)之間的信息共享，限制了未來(lái)云存儲(chǔ)、云計(jì)算等云技術(shù)的應(yīng)用。軟件能力集成采用開(kāi)放式的體系架構(gòu)，各功能之間通過(guò)軟件無(wú)線電進(jìn)行互聯(lián)，通過(guò)面向任務(wù)的數(shù)據(jù)發(fā)布/訂閱機(jī)制，將硬件和物理資源虛擬化，資源統(tǒng)一調(diào)度，信息充分共享，將大量分散的硬件資源整合成一個(gè)協(xié)調(diào)統(tǒng)一的系統(tǒng)，使各作戰(zhàn)任務(wù)之間的信息高度開(kāi)放，提高了信息、資源的利用率。

2.3 技術(shù)可移植性

基于軟件的能力集成將系統(tǒng)能力實(shí)現(xiàn)從功能單一的硬件設(shè)備中剝離出來(lái)，改變了以往的軟件與硬件捆綁的模式。系統(tǒng)中的資源具有靈活的可配置性，可根據(jù)需求的變化，可對(duì)任務(wù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)的加載，對(duì)計(jì)算資源進(jìn)行動(dòng)態(tài)的分配和管理，實(shí)現(xiàn)高度“彈性”的縮放和優(yōu)化使用。

各任務(wù)之間能夠?qū)崟r(shí)的偵測(cè)開(kāi)放式架構(gòu)中各節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)，收集重要節(jié)點(diǎn)和集群的流量負(fù)荷和運(yùn)算負(fù)荷，按照特定的優(yōu)選策略分配負(fù)荷低的其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行任務(wù)遷移，實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡。

2.4 功能擴(kuò)展性

基于軟件的能力集成以模塊化、通用化、標(biāo)準(zhǔn)化的硬件支持平臺(tái)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了功能軟件化，為系統(tǒng)的升級(jí)和拓展提供了便利，在當(dāng)前系統(tǒng)資源滿足的情況下，通過(guò)動(dòng)態(tài)加載軟件就能夠適應(yīng)不同的作戰(zhàn)任務(wù)。面臨的新的作戰(zhàn)場(chǎng)景和任務(wù)需求時(shí)，在現(xiàn)有能力集成基礎(chǔ)上進(jìn)行新增軟件能力的擴(kuò)展即可滿足新作戰(zhàn)任務(wù)的需要。在不影響原有軟件的可靠性的大前提下，系統(tǒng)的總體功能得到擴(kuò)展，總體性能得到提升。

3 典型途徑描述

大型電子裝備的研制過(guò)程中，通過(guò)軟件能力集成實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能力是一種全新的研發(fā)模式?；谲浖哪芰芍饕譃榉纸夂图蓛蓚€(gè)階段。如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)能力“分解-集成”

1)自頂向下的分解階段：通過(guò)對(duì)系統(tǒng)能力的分解，形成對(duì)應(yīng)的軟件能力，進(jìn)一步按照功能分成幾大功能集成，再分解為子功能，明確到每個(gè)子功能模塊中。各研制單位按照子功能模塊的接口和流程進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

2)自下向上的集成階段：各子功能按照遵循標(biāo)準(zhǔn)化的接口和流程進(jìn)行集成互聯(lián)，逐級(jí)向上，形成全系統(tǒng)的軟件能力，進(jìn)而構(gòu)成系統(tǒng)能力。

軟件能力集成的實(shí)現(xiàn)建立在開(kāi)放式的體系架構(gòu)之上，通過(guò)硬件和軟件的層次模型來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。其硬件層使用通用化的統(tǒng)一硬件平臺(tái)，平臺(tái)之間用異構(gòu)/同構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互聯(lián)；其軟件層按照普遍性和特殊性的需求進(jìn)行層次分解，形成以核心層、中間層和應(yīng)用層構(gòu)建起的軟件層次模型。

圖2 開(kāi)放式架構(gòu)模型

4 工程可行性

以下通過(guò)電子技術(shù)支撐、技術(shù)狀態(tài)管理、工程研發(fā)組織和全壽命部隊(duì)使用維護(hù)四個(gè)方面對(duì)基于軟件的能力集成在艦載電子裝備中的可行性進(jìn)行分析。

4.1 電子技術(shù)支撐方面

隨著系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)、處理器、高速數(shù)據(jù)總線等技術(shù)的進(jìn)步，以通用的硬件平臺(tái)為基礎(chǔ)，采用開(kāi)放式的體系架構(gòu)，通過(guò)軟件無(wú)線電進(jìn)行動(dòng)態(tài)互聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成優(yōu)化成為可能。

軟件無(wú)線電具有高度的靈活性，將系統(tǒng)的多功能任務(wù)與面向用途的傳感器完全解耦，建立一個(gè)通用的、開(kāi)放的硬件平臺(tái)，最大限度的減少功能單一、靈活性差的硬件，采用高速數(shù)據(jù)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)互聯(lián)，通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)各種功能，實(shí)現(xiàn)資源高度利用、信息高度共享、軟件高度密集。系統(tǒng)的功能升級(jí)通過(guò)軟件升級(jí)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4.2 技術(shù)狀態(tài)管理方面

電子裝備技術(shù)發(fā)展迅速，研發(fā)周期長(zhǎng)，在研發(fā)過(guò)程中面臨在多項(xiàng)試驗(yàn)同步開(kāi)展，技術(shù)狀態(tài)不斷迭代完善的問(wèn)題。在研發(fā)過(guò)程中，如果系統(tǒng)的技術(shù)狀態(tài)得不到有效的控制，會(huì)給系統(tǒng)集成帶來(lái)極大的困難，甚至引起重大質(zhì)量問(wèn)題[4]。軟件能力集成通過(guò)對(duì)將系統(tǒng)能力對(duì)應(yīng)分解為軟件能力，再分配到各個(gè)子功能模塊中，通過(guò)接口和流程規(guī)范對(duì)系統(tǒng)的能力要求進(jìn)行約束，在技術(shù)狀態(tài)變化的各個(gè)階段，各子能力之間互不干擾，通過(guò)對(duì)各子能力的控制，達(dá)到對(duì)系統(tǒng)能力的控制，降低了集成風(fēng)險(xiǎn)。

4.3 工程研發(fā)組織方面

不同于以往由單個(gè)單位獨(dú)立研發(fā)的傳統(tǒng)模式，大型電子裝備系統(tǒng)功能復(fù)雜，往往由多家單位協(xié)作研發(fā)。在工程研發(fā)的組織方面通過(guò)設(shè)立技術(shù)總體單位，對(duì)技術(shù)進(jìn)行全面負(fù)責(zé)，下設(shè)各功能集成單位，分別對(duì)各功能集成負(fù)責(zé)。研發(fā)過(guò)程中采用“自頂向下，逐步分解”的模式對(duì)各研制單位的研發(fā)任務(wù)進(jìn)行分解，確立“共同設(shè)計(jì)、分頭開(kāi)發(fā)、統(tǒng)一集成”的總體思路，共同設(shè)計(jì)是指采用開(kāi)發(fā)性、分層次的統(tǒng)一架構(gòu)開(kāi)展系統(tǒng)設(shè)計(jì)；分頭開(kāi)發(fā)是指各承制單位在統(tǒng)籌規(guī)劃下，分頭并行開(kāi)展功能的研發(fā)和測(cè)試；統(tǒng)一集成是指各承制單位在系統(tǒng)中進(jìn)行統(tǒng)一集成。

4.4 全壽命部隊(duì)使用維護(hù)方面

以開(kāi)放的體系架構(gòu)為基礎(chǔ)，通過(guò)軟件無(wú)線電實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，保證了軟件能力與硬件資源的分離，通用化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的硬件單元之間可進(jìn)行任意的互換，開(kāi)放式的體系架構(gòu)給任意節(jié)點(diǎn)的接入提供了保證，基于此模式的系統(tǒng)在可維護(hù)性、互換性上都得到較大的提升[5]。

新配置的硬件單元可動(dòng)態(tài)加載對(duì)應(yīng)的軟件能力模塊，通過(guò)軟件能力集成，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的能力，這種虛擬化的方式使用戶不需要關(guān)心底層具體的數(shù)據(jù)流和邏輯流，即可操作完成相應(yīng)的作戰(zhàn)任務(wù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于軟件的能力集成消除了傳統(tǒng)電子裝備定制研發(fā)的局限性，本文探索出大型電子裝備集成研發(fā)的新途徑，以通用的硬件平臺(tái)、統(tǒng)一的軟件架構(gòu)為基礎(chǔ)，通過(guò)軟件無(wú)線電實(shí)現(xiàn)能力單元的動(dòng)態(tài)加載和開(kāi)放式互聯(lián)，既支持裝備在全壽命周期中的功能擴(kuò)展和移植，也支持后續(xù)的維護(hù)和升級(jí)。

基于軟件的能力集成是未來(lái)大型電子裝備的發(fā)展方向，通過(guò)軟件無(wú)線電技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)化硬件，能夠大大提高系統(tǒng)集成化水平，減少體積和質(zhì)量，同時(shí)使得設(shè)計(jì)更加靈活，重構(gòu)更加方便，系統(tǒng)更加可靠，可廣泛應(yīng)用到大型電子裝備的研制中。

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陳 鋒 男，1964年生，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)榕灤娮友b備。

汪 晉 男，1985年生，工程師。研究方向?yàn)槔走_(dá)數(shù)據(jù)處理。

呂呈悅 男,1982年生，工程師。研究方向?yàn)槔走_(dá)數(shù)據(jù)處理。

The Effect and Meaning of Software Ability Integration to Shipborne Electronic Equipment

CHEN Feng1，WANG Jin2，Lü Chengyue2

(1. Military Representative Bureau of Naval Armament Department in Shanghai, Shanghai 200000, China) (2. Nanjing Research Institute of Electronics Technology, Nanjing 210039, China)

With bigger scale of large electronic equipment and higher systematic program in the future, there are limitations on the continuity, openness, transportability and extendibility of equipment research and development for traditional model. Based on the generic hardware platform and software frame, function implemented by software of electronic equipment is realized through software defined radio(SDR), and the problem of system capability integration for large electronic equipment is solved. Probability analysis is made through electronic technology support, technical management, engineering research and organization and whole-life maintenance, which could be applied during the process of development of large scale electronic equipment.

software ability integration; open architecture; SDR

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2015.10.003

陳鋒 Email：wjkbf1926@sina.com

2015-06-05

2015-09-14

TN959.72；TP311

A

1004-7859(2015)10-0011-03