開放體系架構(gòu)在海軍信息系統(tǒng)應(yīng)用模式研究*

石劍琛

(北京西三環(huán)中路19號(hào)　北京　100071)

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開放體系架構(gòu)在海軍信息系統(tǒng)應(yīng)用模式研究*

石劍琛

(北京西三環(huán)中路19號(hào)北京100071)

開放體系結(jié)構(gòu)一直是海軍信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要關(guān)注方向。論文分析了開放體系結(jié)構(gòu)在美軍中海軍信息系統(tǒng)中的典型應(yīng)用，總結(jié)了開放體系結(jié)構(gòu)的特征及發(fā)展，在對(duì)美軍開放體系結(jié)構(gòu)應(yīng)用分析的基礎(chǔ)上，對(duì)開放體系結(jié)構(gòu)在我軍中的應(yīng)用進(jìn)行了展望，探討了我軍開放體系結(jié)構(gòu)的應(yīng)用環(huán)境、發(fā)展思路、技術(shù)路徑及實(shí)施步驟，并提出了參考建議。

開放式體系結(jié)構(gòu);全艦計(jì)算環(huán)境;宙斯盾作戰(zhàn)系統(tǒng);基礎(chǔ)設(shè)施

Class NumberE83

1　引言

20世紀(jì)世紀(jì)90年代，海上戰(zhàn)場產(chǎn)生了兩次“革命性”的轉(zhuǎn)變，其一是引入了低空反艦巡航導(dǎo)彈，從而需要平臺(tái)把傳感器與武器集成起來，簡化指控系統(tǒng)，由此產(chǎn)生了宙斯盾武器系統(tǒng)；其二是冷戰(zhàn)后，海上戰(zhàn)場從深海轉(zhuǎn)向近海和內(nèi)陸作戰(zhàn)，將艦外傳感器與武器進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，并對(duì)武器控制進(jìn)行分布，由此確立了網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的模式。它們深刻地影響了單平臺(tái)和跨平臺(tái)傳感器、武器、指揮控制等信息系統(tǒng)的發(fā)展和集成方式，采用以開放式體系結(jié)構(gòu)(Open Architecture,OA)為成為軍用信息系統(tǒng)發(fā)展共識(shí)[1]。

OA基于主流商用成熟的信息技術(shù)，以及開放的商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和產(chǎn)品，同時(shí)考慮性能、成本、工業(yè)使用成熟度、可長期采購性以及升級(jí)潛力，是系統(tǒng)集成的工程原則、技術(shù)途經(jīng)和商業(yè)策略。

美國海軍綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)項(xiàng)目執(zhí)行辦公室(PEO)將在主流商用軟硬件技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范基礎(chǔ)上開發(fā)的“開放式體系結(jié)構(gòu)”作為海軍信息系統(tǒng)約定指南[2]，并以此推動(dòng)艦艇開放式體系架構(gòu)計(jì)算環(huán)境(Open Architecture Computing Environment,OACE)的發(fā)展[3]，提高武器平臺(tái)的先進(jìn)性、通用性和可重用性。

美軍大力推行“開放式體系結(jié)構(gòu)”設(shè)計(jì)思想，通過各層次之間的標(biāo)準(zhǔn)接口，屏蔽與上層之間的緊耦合，提升對(duì)應(yīng)用層的開放性支撐；將軟件與硬件分離，實(shí)現(xiàn)局部軟件升級(jí)即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能力提升，美國海軍按照該技術(shù)體制改進(jìn)，形成了新一代的宙斯盾系統(tǒng)和艦艇自防御系統(tǒng)[4]。目前，開放式體系結(jié)構(gòu)計(jì)算環(huán)境已廣泛用于美海軍航母、兩棲攻擊艦、核潛艇等艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，提高了美軍艦載信息系統(tǒng)開放性。

美軍開放體系架構(gòu)的發(fā)展和設(shè)計(jì)思路對(duì)建設(shè)我海軍艦艇指揮控制系統(tǒng)具有一定的參考價(jià)值。提升作戰(zhàn)系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)牽引，增加整個(gè)系統(tǒng)靈活性和可擴(kuò)展性、集成效率、資源整體利用率有很大作用。本文通過分析開放體系架構(gòu)的設(shè)計(jì)思路和應(yīng)用模式，為我軍艦船信息化和系統(tǒng)集成等相關(guān)領(lǐng)域及發(fā)展提供參考。

2　開放式體系結(jié)構(gòu)及其特征

開放體系結(jié)構(gòu)主要涉及計(jì)算技術(shù)基礎(chǔ)、技術(shù)架構(gòu)(OATA)、功能架構(gòu)(OAFA)和試驗(yàn)設(shè)施(OATF)四部分[5]。

1)計(jì)算技術(shù)基礎(chǔ)

主要包括交換網(wǎng)絡(luò)、多系統(tǒng)資源共享、OMG中間件、POSIX操作系統(tǒng)、網(wǎng)格計(jì)算等。

2)技術(shù)架構(gòu)(OATA)

OATA定義所有水面、水下和空中平臺(tái)的OACE。所有OA軟件組件，不論是通用的還是平臺(tái)特定的，都在 OACE中運(yùn)行，OACE是分層的，基于標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算環(huán)境，包括開放的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)、中間件、操作系統(tǒng)和計(jì)算設(shè)備等，可用于所有的作戰(zhàn)系統(tǒng)。

3)功能架構(gòu)(OAFA)

OAFA提供功能劃分和功能域之間的信息，定義OA組件件應(yīng)用程序接口API。OAFA涵蓋海軍作戰(zhàn)的全部功能域，包括搜索/探測(S/D)、數(shù)據(jù)/信息服務(wù)(DIS)、計(jì)劃評(píng)估和決策(PAD)、武器/資產(chǎn)服務(wù)(WAS)、任務(wù)執(zhí)行(ME)、外部通信(EXCOMM)、通用服務(wù)(CS)、培訓(xùn)(TR)、兵力規(guī)劃/協(xié)調(diào)(FP/C)九大功能域以及若干子類。

4)試驗(yàn)設(shè)施(OATF)

OATF提供可擴(kuò)展的COTS計(jì)算產(chǎn)品，用來驗(yàn)證OA的各個(gè)重要方面，包括：驗(yàn)證OACE是否能夠滿足不同作戰(zhàn)環(huán)境對(duì)容量、帶寬、延遲等的需求，驗(yàn)證系統(tǒng)OATF和OACE在可移植、互操作、通用化等方面的匹配性，驗(yàn)證新技術(shù)的實(shí)用性等。

根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的開放程度分為五級(jí)[6]，不同級(jí)別的主要特征概括如下：

1)1、2級(jí)為“兼容級(jí)”，它主要采用適配器或通過更改應(yīng)用接口的方式集成遺留系統(tǒng)；

2)3級(jí)為開放式體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)的“初始級(jí)”，它的突出特征是軟件開發(fā)不依賴于特定硬件，其系統(tǒng)性能與計(jì)算設(shè)備數(shù)量的多寡和性能的高低成線性關(guān)系；

3)4級(jí)為“公共功能級(jí)”，它采用的公共功能服務(wù)具有部署靈活，升級(jí)快速的能力；

4)5級(jí)為“全艦計(jì)算級(jí)”，它使用統(tǒng)一的信息基礎(chǔ)設(shè)施平臺(tái)，目的是降低系統(tǒng)維修保障壓力和減少人員配置，為應(yīng)用系統(tǒng)提供公共計(jì)算支持，保障應(yīng)用系統(tǒng)的容錯(cuò)性和抗毀生存能力。

3　外軍海軍推進(jìn)開放式體系結(jié)構(gòu)的應(yīng)用進(jìn)程

美海軍借助OA，大力推進(jìn)21世紀(jì)海上力量中以網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)為核心的體系結(jié)構(gòu)和作戰(zhàn)框架，對(duì)現(xiàn)役及在研系統(tǒng)的推行如圖所示[7]。

圖1　OA推行圖

1)宙斯盾作戰(zhàn)系統(tǒng)中應(yīng)用

宙斯盾AEGIS是美海軍中最復(fù)雜、功能最強(qiáng)大的指揮和武器控制系統(tǒng)，在至今的30多年間經(jīng)過逐步的改良與升級(jí)后，該系統(tǒng)已經(jīng)陸續(xù)衍生出九種型號(hào)的基本配置。宙斯盾系統(tǒng)的進(jìn)化過程，就是從封閉式系統(tǒng)向開放式系統(tǒng)演變的過程。美軍為宙斯盾系統(tǒng)發(fā)展路線如表1所示[8]。

從表1可以看到，宙斯盾基型1～基型5采用的是軍用計(jì)算機(jī)、軍用操作系統(tǒng)和中間件，這幾種型號(hào)的系統(tǒng)被美國海軍認(rèn)為屬于OACEl或OACE2級(jí)，其中的一部分經(jīng)過改造可以升級(jí)為OACE3級(jí)。目前，美軍對(duì)現(xiàn)有“宙斯盾”系統(tǒng)的軟件不斷進(jìn)行升級(jí)，加裝“基線9”作戰(zhàn)系統(tǒng)，戰(zhàn)艦將具備使用新型標(biāo)準(zhǔn)6導(dǎo)彈、提高對(duì)抗彈道導(dǎo)彈的能力。

2)DDG-1000、CVN-78中的應(yīng)用

按照目前的開放性水平，OACE已發(fā)展到第5級(jí)。其中，TSCE作為OACE的最高級(jí)，已成功應(yīng)用于驅(qū)逐艦DDG-1000和CVN-78福特級(jí)航母中。

TSCE主要包括作戰(zhàn)應(yīng)用軟件包和“全艦計(jì)算環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施”(Total Ship Computing Environment Infrastructure，TSCEi)，其中，TSCEi通過集成全艦的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、計(jì)算設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備、顯示設(shè)備等設(shè)備，為全艦應(yīng)用程序和功能提供相應(yīng)服務(wù)[3]。

表1　宙斯盾系統(tǒng)發(fā)展路線

圖2　全艦計(jì)算環(huán)境體系結(jié)構(gòu)

本著“集成就是服務(wù)”的宗旨，TSCE實(shí)現(xiàn)了軟硬件的模塊化、構(gòu)件化和服務(wù)化，解決了系統(tǒng)之間的互通、互操作和資源共享等問題，提升了系統(tǒng)跨平臺(tái)、跨領(lǐng)域的協(xié)同作戰(zhàn)能力。

DDG-1000使用全艦計(jì)算環(huán)境集成艦船各系統(tǒng)，如指控情報(bào)、平臺(tái)控制、動(dòng)力系統(tǒng)、武器系統(tǒng)等來進(jìn)行信息整合，從而發(fā)揮系統(tǒng)整體資源優(yōu)勢，并最終形成一個(gè)統(tǒng)一的“網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)”節(jié)點(diǎn)。

在全艦計(jì)算環(huán)境中，根據(jù)作戰(zhàn)系統(tǒng)、機(jī)械、電氣、通信等專業(yè)的不同對(duì)處理機(jī)柜和顯控臺(tái)等設(shè)施進(jìn)行了分類標(biāo)準(zhǔn)化和通用化，其硬件部分主要選用商用現(xiàn)貨產(chǎn)品；基礎(chǔ)設(shè)施是一個(gè)開放的、虛擬的計(jì)算環(huán)境，對(duì)所有計(jì)算資源和應(yīng)用軟件進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度管理，為其他領(lǐng)域的應(yīng)用提供服務(wù)。全艦計(jì)算環(huán)境通過適配器連接所有傳感器、受動(dòng)器、激勵(lì)器和武器通過與。美軍認(rèn)為，采用全艦計(jì)算環(huán)境后，系統(tǒng)可獲得免維護(hù)部署能力、更強(qiáng)的生命力、更高的自動(dòng)化能力以及更少的人員配置需求，并具備可升級(jí)、可重構(gòu)等特性。

3)歐洲作戰(zhàn)管理系統(tǒng)中應(yīng)用

歐洲在設(shè)計(jì)艦載電子信息系統(tǒng)中一直堅(jiān)持采取開放式體系架構(gòu)，以法國THALES公司和DCNS公司為代表推出的作戰(zhàn)管理系統(tǒng)是典型代表[9]，該類系統(tǒng)采用典型的分布式開放系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)、層次化構(gòu)件化軟件架構(gòu)，且嚴(yán)格遵循開放式體系架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，能與許多第三方軟件兼容,使系統(tǒng)可維護(hù)性和獨(dú)立升級(jí)能力大大加強(qiáng)，從而使得通過較小代價(jià)就可換取性能的持續(xù)提升。

4　開放體系結(jié)構(gòu)對(duì)海軍應(yīng)用模式的啟示

1)采用開放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，靈活適應(yīng)系統(tǒng)有機(jī)集成

基于開放式體系結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)一是要具備較高的敏捷性，有效地支持資源管控、偵察預(yù)警、指揮控制、防空/反潛/對(duì)海對(duì)陸打擊等各種功能系統(tǒng)靈活集成，可以根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)靈活配置艦艇載荷，通過快速增加、減少、改變相關(guān)功能模塊，打造多任務(wù)作戰(zhàn)平臺(tái)，以完成多樣化的軍事任務(wù)；二是要具備較強(qiáng)的多平臺(tái)互操作性，有效地支持跨平臺(tái)裝備資源共用、信息共享、優(yōu)勢互補(bǔ)，形成體系作戰(zhàn)能力，以滿足未來海戰(zhàn)場以網(wǎng)絡(luò)為中心的作戰(zhàn)需求。

基于開放式體系結(jié)構(gòu)的海上系統(tǒng)集成是典型的復(fù)雜大系統(tǒng)集成，涉及大量的異構(gòu)的信息系統(tǒng)。需采用SOA、云計(jì)算、虛擬化等商業(yè)成熟技術(shù)和集成模式，通過體系規(guī)劃、頂層設(shè)計(jì)，采用開放式體系結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施的通用性和互操作性，使平臺(tái)內(nèi)各類電子信息裝備有機(jī)集成為一個(gè)整體、跨平臺(tái)信息系統(tǒng)有機(jī)融合為一個(gè)體系，實(shí)現(xiàn)各業(yè)務(wù)領(lǐng)域功能應(yīng)用靈活部署，資源充分共享，武器通道動(dòng)態(tài)組織，各類任務(wù)系統(tǒng)可以快速構(gòu)建等，確保增強(qiáng)系統(tǒng)集成的靈活性。

2)采用開放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，靈活適應(yīng)系統(tǒng)需求變化和系統(tǒng)能力漸進(jìn)提升

未來海戰(zhàn)場將面臨更加復(fù)雜的作戰(zhàn)環(huán)境和作戰(zhàn)樣式，除傳統(tǒng)的作戰(zhàn)使命外，還面臨諸如應(yīng)對(duì)非對(duì)稱的軍事威脅、非軍行動(dòng)、彈道導(dǎo)彈防御等新的使命任務(wù)，電子信息系統(tǒng)在生命周期中面臨使用需求不斷變化、系統(tǒng)能力不斷提高的要求。

如何保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性并靈活適應(yīng)上述變化，最重要的就是要保持系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)等根基的穩(wěn)定性。開放式體系架構(gòu)建設(shè)在滿足功能功能性需求的同時(shí)，需強(qiáng)調(diào)支持底層基礎(chǔ)支撐與上層任務(wù)系統(tǒng)的解耦設(shè)計(jì)、支持硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的解耦設(shè)計(jì)、領(lǐng)域功能軟件之間的解耦設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)根據(jù)作戰(zhàn)需求、能力提升需要的軟件與硬件獨(dú)立快速升級(jí)，從而形成裝備持續(xù)升級(jí)能力。當(dāng)然，系統(tǒng)的開放式體系架構(gòu)還需保持自身技術(shù)的一致性、延續(xù)性和穩(wěn)定性，以支持裝備研制的基線化發(fā)展策略的落實(shí)。

一是制定開放式體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和實(shí)施指南。清晰劃分和定義開放式體系架構(gòu)的量化級(jí)別，制定相應(yīng)的實(shí)施指南。將開放式體系架構(gòu)作為裝備研制的總體要求，以標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和實(shí)施指南穩(wěn)步推進(jìn)開放式體系結(jié)構(gòu)在裝備中的應(yīng)用。

二是推進(jìn)平臺(tái)化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。針對(duì)艦艇電子信息裝備業(yè)務(wù)功能特點(diǎn)，加強(qiáng)對(duì)基礎(chǔ)軟硬件共性需求的梳理，構(gòu)建可剪裁、可配置的基礎(chǔ)軟硬件平臺(tái)，減少專用軟硬件，保證艦艇作戰(zhàn)各環(huán)節(jié)的開放性、靈活性，提高電子信息裝備一體化集成水平。

三是加強(qiáng)資源統(tǒng)籌規(guī)劃與共享?；诮y(tǒng)一的基礎(chǔ)軟硬件平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)高等級(jí)開放式體系結(jié)構(gòu)為目標(biāo)，采用“云計(jì)算”技術(shù)將計(jì)算存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)交換、顯示控制等資源整合形成“資源池”，統(tǒng)籌規(guī)劃、共享使用，為警戒探測、作戰(zhàn)指揮、導(dǎo)航通信、軟硬武器等各艦載電子信息裝備提供高效的公共計(jì)算服務(wù)支持，將傳統(tǒng) “專機(jī)專用”模式調(diào)整為“公共服務(wù)”模式，將“獨(dú)立煙囪”的設(shè)計(jì)、集成模式調(diào)整為“開放共享”模式，提高艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)重構(gòu)能力、抗毀生存能力、綜合處理能力、顯示操控能力。

3)采用開放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，靈活適應(yīng)裝備壽命周期中商用新技術(shù)引入

商用新技術(shù)在信息化裝備的大量采用，對(duì)提升裝備電子信息系統(tǒng)能力有很大影響。商用硬件按摩爾定律發(fā)展迅猛，商用軟件構(gòu)件化、服務(wù)化、虛擬化、可視化等新技術(shù)新方法層出不窮，分階段吸收商用技術(shù)發(fā)展成果，適時(shí)引入商用技術(shù)改造裝備，提升裝備能力是各國海軍的通行做法。

采用開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少系統(tǒng)各要素之間的關(guān)聯(lián)，是控制采用新技術(shù)引入對(duì)系統(tǒng)裝備的影響的關(guān)鍵。一是要準(zhǔn)確評(píng)估新技術(shù)的成熟度，選擇經(jīng)過充分驗(yàn)證的新技術(shù)，消除新技術(shù)自身風(fēng)險(xiǎn)；二是要充分評(píng)估引入的新技術(shù)與系統(tǒng)原有的技術(shù)匹配度，減少對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的根本沖擊。

4)適應(yīng)全壽命周期管理

系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)除了技術(shù)上合理外，還必須考慮后期維護(hù)升級(jí)，適應(yīng)全壽命周期需要?？山梃b外軍基線模式和增量策略進(jìn)行漸進(jìn)建造，促進(jìn)體系作戰(zhàn)效能持續(xù)螺旋式提升，在實(shí)現(xiàn)部件升級(jí)的同時(shí)保持整個(gè)系統(tǒng)的屬性。

為提高艦載電子信息裝備的綜合作戰(zhàn)效能，保障裝備全生命周期作戰(zhàn)能力持續(xù)優(yōu)化，在裝備硬件模塊化、軟件構(gòu)件化、接口標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)上，穩(wěn)步推進(jìn)開放式體系架構(gòu)在艦載電子信息裝備中的應(yīng)用，增強(qiáng)艦艇電子裝備的冗余抗毀、可持續(xù)升級(jí)和功能擴(kuò)展能力。

5　結(jié)語

本文分析了開放體系結(jié)構(gòu)發(fā)展以及在美軍中的應(yīng)用過程，分析了開放體系結(jié)構(gòu)的原則、結(jié)構(gòu)與目標(biāo)以及在美軍中的應(yīng)用發(fā)展，為我國艦載信息系統(tǒng)的研制提出了建設(shè)性意見。從海軍信息系統(tǒng)的體系規(guī)劃入手，以滿足新形勢下海軍的作戰(zhàn)使命任務(wù)為目標(biāo)，全面規(guī)劃海軍的發(fā)展，以開放體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想為引導(dǎo)，通過加強(qiáng)艦艇頂層優(yōu)化設(shè)計(jì)，推進(jìn)計(jì)算環(huán)境建設(shè)，通過基于開放體系結(jié)構(gòu)研制艦載信息系統(tǒng)，有效控制艦船全壽期費(fèi)用，增強(qiáng)總體集成能力，推動(dòng)作戰(zhàn)系統(tǒng)快速發(fā)展，促進(jìn)作戰(zhàn)系統(tǒng)的跨越式發(fā)展和作戰(zhàn)效能的顯著提升。

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Application Mode of Open Architecture in Naval Information System

SHI Jianchen

(No.19 Central Xisanhuan Road,Beijing100071)

Open architecture is an important direction of future naval information system development.This paper analyzes the typical applications of open architecture in U.S.modern navy information system.Based on the analysis of development process of open architecture in U.S.navy,the application of open architecture in our navy are analyzed,and the application circumstances ,techniques,implemention steps are discussed,some suggestions are also prospected.

open architecture (OA),total ship computing environment (TSCE),aegis combat system,infrastructure

2016年3月2日,

2016年4月8日

石劍琛,男,高級(jí)工程師,研究方向：電子信息系統(tǒng)。

E83DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.09.002