美軍全艦計算環(huán)境技術(shù)對艦艇總體設(shè)計的啟示

（91404部隊秦皇島066000）

美軍全艦計算環(huán)境技術(shù)對艦艇總體設(shè)計的啟示

張富強

（91404部隊秦皇島066000）

全艦計算環(huán)境技術(shù)（TSCE）作為美軍新型驅(qū)逐艦DDG-1000的一項關(guān)鍵技術(shù)，代表了艦艇總體設(shè)計和系統(tǒng)集成的發(fā)展趨勢。分析了全艦計算環(huán)境技術(shù)的特點，針對水面艦艇信息裝備的發(fā)展現(xiàn)狀，借鑒美軍裝備技術(shù)發(fā)展的先進(jìn)技術(shù)，提出了未來水面艦艇總體設(shè)計的啟示和思考。

全艦計算環(huán)境；TSCE；總體設(shè)計

Class NumberU674

1 引言

全艦計算環(huán)境（Total Ship Computing Environment，TSCE）技術(shù)作為美軍新型驅(qū)逐艦DDG-1000的一項關(guān)鍵技術(shù)，代表了艦艇總體設(shè)計和系統(tǒng)集成的發(fā)展趨勢。

DDG-1000驅(qū)逐艦使用TSCE技術(shù)對水面艦艇的平臺控制、動力系統(tǒng)、指控系統(tǒng)、武器系統(tǒng)等各系統(tǒng)進(jìn)行信息融合和綜合集成，以發(fā)揮全艦各系統(tǒng)的整體優(yōu)勢，最終形成統(tǒng)一的“網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)”節(jié)點。TSCE采用開放式體系結(jié)構(gòu)，通過軟、硬件模塊化、構(gòu)件化以及服務(wù)化等技術(shù)，解決各分系統(tǒng)集成度低、互操作難、資源無法共享等問題，最終提高作戰(zhàn)體系的跨平臺、跨領(lǐng)域協(xié)同作戰(zhàn)能力。

我國在艦艇信息化設(shè)計和系統(tǒng)綜合集成等相關(guān)領(lǐng)域的研究與國外差距較大，對TSCE的技術(shù)特點進(jìn)行研究分析，對未來水面艦艇總體設(shè)計和綜合集成有一定借鑒意義。

2 全艦計算環(huán)境的主要技術(shù)特點

2.1 開放共享的系統(tǒng)架構(gòu)

TSCE作為美軍推行“開放式體系架構(gòu)”的最高級，代表了開放式架構(gòu)的最高水平［4］。采用統(tǒng)一的基礎(chǔ)平臺為應(yīng)用系統(tǒng)提供公共的高性能計算支持，提供基礎(chǔ)的業(yè)務(wù)功能服務(wù)，提高應(yīng)用層軟件的容錯能力、抗毀能力、靈活部署和快速升級能力，降低設(shè)備維修保障難度，減少操管人員需求，采用最新技術(shù)進(jìn)行升級，提升整體作戰(zhàn)能力同時降低全壽命周期維護(hù)費用。

TSCE采用開放的系統(tǒng)架構(gòu)（圖1），處理機柜及顯控臺等設(shè)備根據(jù)專業(yè)分類進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和通用化設(shè)計，選用商用硬件產(chǎn)品，構(gòu)建一個開放的、虛擬的計算環(huán)境，統(tǒng)一調(diào)度所有計算資源，為不同領(lǐng)域的應(yīng)用提供服務(wù)［1］。所有應(yīng)用層軟件部署在虛擬的計算環(huán)境中，分布式運行，所有的外部傳感器、武器等通過適配器與TSCE相連。

通過采用開放式體系結(jié)構(gòu)設(shè)計，TSCE實現(xiàn)了全艦公共資源的充分共享、應(yīng)用系統(tǒng)的靈活部署、武器通道動態(tài)組織以及支持快速以模塊化方式換裝新的武器裝備，從而大幅提升艦艇整體數(shù)據(jù)共享能力、信息處理能力、靈活配置能力、顯示操控能力、冗余抗毀能力和升級擴展能力。TSCE使艦艇的體系結(jié)構(gòu)和集成方式發(fā)生了根本性變革，從傳統(tǒng)的分系統(tǒng)拼裝式集成轉(zhuǎn)變?yōu)榛赥SCE基礎(chǔ)平臺的開放式集成。

2.2 采用成熟的商用技術(shù)

隨著未來作戰(zhàn)面臨的威脅變化和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，促進(jìn)了美海軍觀念的轉(zhuǎn)變。為縮短產(chǎn)品研制周期、提高技術(shù)成熟度，美軍已開始大量使用成熟的商用產(chǎn)品和技術(shù)，采用商用成熟體系結(jié)構(gòu)及開源軟件產(chǎn)品?？紤]到艦艇上操作環(huán)境惡劣，對裝備選型要求采用能適應(yīng)更大范圍電力和溫度波動的設(shè)備。因此，在實際使用環(huán)境中TSCE采用商用硬件產(chǎn)品技術(shù)進(jìn)行后期加固處理的方式，使其與惡劣的環(huán)境條件相隔離。為核心硬件建造堅固的箱體形成巨大的電子模塊封裝箱并進(jìn)行冗余布置，電子模塊封裝箱為商用硬件產(chǎn)品提供合適的振動、溫度、電磁等環(huán)境及電源控制，整體設(shè)備在工廠安裝高度完成后模塊化上艦布置安裝。封裝箱內(nèi)部核心層處理設(shè)備采用IBM刀片服務(wù)器機柜及配套設(shè)備，操作系統(tǒng)采用Red Hat Linux。分布式適配處理器中采用Lynx嵌入式實時操作系統(tǒng)和安裝實時內(nèi)核的Windows操作系統(tǒng)。這些采用主流商用產(chǎn)品技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、計算設(shè)備、存儲設(shè)備、顯示設(shè)備和操控設(shè)備，以及核心、通用的基礎(chǔ)軟件，按商用體系架構(gòu)組成開放的計算環(huán)境為系統(tǒng)各應(yīng)用領(lǐng)域提供服務(wù)［1～2］。

2.3 高效便捷的人機交互

TSCE從服務(wù)于作戰(zhàn)的角度出發(fā)，面向用戶使用，加強了信息裝備的適用性和可用性設(shè)計。針對性提高人機交互的友好性和便捷性，建立了完善的信息系統(tǒng)運維管理平臺，盡可能地實現(xiàn)操作管理的自動化，人機交互快捷化、智能化。

TSCE中人機交互設(shè)備使用標(biāo)準(zhǔn)化、統(tǒng)一設(shè)計的公共顯示系統(tǒng)（CDS）［3］。CDS是全艦計算環(huán)境的用戶終端，由生存力強、可配置的、操作友好便捷的各類工作臺和顯示屏組成。所有工作臺上的顯示器及各類掛裝、吊裝的顯示屏，及各類可顯示的窗口，都作為資源，由系統(tǒng)管理軟件進(jìn)行統(tǒng)一管理、調(diào)配，并根據(jù)每個工作臺上的操作員權(quán)限，動態(tài)訂制由電子組件箱提供的種類應(yīng)用服務(wù)。各類顯控臺也采用模塊化設(shè)計，充分采用人體工程學(xué)等技術(shù)。在符合安全約束條件下，實現(xiàn)在系統(tǒng)任意位置不受設(shè)備的限制而顯示所需要的信息，靈活分配操作員或戰(zhàn)位的功能和任務(wù)。

2.4 靈活的升級擴展能力

大型艦艇的設(shè)計建行周期較長，導(dǎo)致裝備的電子設(shè)備在交付時已經(jīng)落后于同類商用產(chǎn)品，對其進(jìn)行升級又非常困難且費用較高，這就出現(xiàn)了電子設(shè)備性能與需求的不匹配。而TSCE采用開放式系統(tǒng)架構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計方法保證了系統(tǒng)具備良好的靈活的升級擴展能力。通過采購標(biāo)準(zhǔn)化的計算、顯示、存儲等硬件并進(jìn)行整合，提升通用資源的利用效率和共用水平；采用基于服務(wù)的架構(gòu)實現(xiàn)軟件系統(tǒng)集成，實現(xiàn)應(yīng)用和服務(wù)的相互透明；支持裝設(shè)備模塊化和插件化設(shè)計，使任務(wù)系統(tǒng)具備良好的自適應(yīng)性和可重用性；開放各層次的基礎(chǔ)應(yīng)用功能軟件形成標(biāo)準(zhǔn)化的服務(wù)，實現(xiàn)軟件與硬件、應(yīng)用與數(shù)據(jù)分離，使得信息化裝備的構(gòu)建更加快速靈活，開放性、擴展性和升級能力大大增強。進(jìn)而通過螺旋式軟、硬件更新實現(xiàn)全艦作戰(zhàn)能力的提高；統(tǒng)一管理系統(tǒng)資源，動態(tài)部署應(yīng)用模塊，靈活性地進(jìn)行變化和改進(jìn)，提升適應(yīng)多樣化任務(wù)的能力。

3 對未來艦艇總體設(shè)計的啟示

3.1 優(yōu)化頂層設(shè)計，構(gòu)建開放共享體系

大型水面艦艇的設(shè)計和建造是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，未來艦艇總體設(shè)計除了依賴技術(shù)上的突破之外，同時也需要工程管理與系統(tǒng)研制模式的變革。借鑒美軍在全艦計算環(huán)境研制中的經(jīng)驗，加強頂層規(guī)劃和總體設(shè)計，實現(xiàn)全艦信息基礎(chǔ)設(shè)施的統(tǒng)一管理和統(tǒng)一技術(shù)體制；打破各行業(yè)壁壘和系統(tǒng)間條塊分割，推進(jìn)各類資源有效共享，減少資源閑置和重復(fù)設(shè)置，實現(xiàn)全系統(tǒng)的綜合集成；推動標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，建立具有特色的信息化標(biāo)準(zhǔn)，如計算服務(wù)化集成標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)開放式集成標(biāo)準(zhǔn)、軟件模塊化集成標(biāo)準(zhǔn)和人機交互界面統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，推動公共基礎(chǔ)設(shè)施的持續(xù)發(fā)展，提高信息化平臺的先進(jìn)性、通用性和可重用性；在開放共享的體系架構(gòu)下，通過軟、硬件模塊化、組件化和服務(wù)化，解決各作戰(zhàn)單元資源共享、互操作等方面的問題，最終實現(xiàn)武器裝備跨平臺、跨領(lǐng)域協(xié)同作戰(zhàn)的能力。

3.2 借鑒外軍經(jīng)驗，大膽創(chuàng)新思維觀念

美軍在全艦計算環(huán)境技術(shù)上的創(chuàng)新實踐給我們提供了很好的經(jīng)驗借鑒，從TSCE的特點及研制發(fā)展過程，可以發(fā)現(xiàn)美軍在裝備設(shè)計研制思路上已經(jīng)有了很大的突破。如廣泛采用商用先進(jìn)成熟技術(shù)、綜合考慮先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)性等。商用技術(shù)的發(fā)展速度，在某些領(lǐng)域已遠(yuǎn)超越軍用技術(shù)。美軍已不再“閉門造車”，采用“拿來主義”方法，取長補短，廣泛采用新的成熟技術(shù)，大量采購商用標(biāo)準(zhǔn)化信息產(chǎn)品，通過綜合集成形成更強的作戰(zhàn)能力；美軍不再一味追求武器裝備的高性能，而是綜合權(quán)衡技術(shù)上的先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)上的可承受性，從中優(yōu)選最佳的技術(shù)方案。這一觀念轉(zhuǎn)變帶來了經(jīng)濟(jì)的可承受性和技術(shù)成熟度的提高。

當(dāng)前商用技術(shù)的發(fā)展日新月異，尤其是通信技術(shù)、智能技術(shù)等。這些新技術(shù)的發(fā)展，必將引領(lǐng)未來武器裝備技術(shù)發(fā)展，這對我們來說既是挑戰(zhàn)又是機遇。大膽突破現(xiàn)有的思維模式和觀念牢籠，搶抓機遇，大力推動新技術(shù)領(lǐng)域的研究和發(fā)展，從而不斷縮短與外軍先進(jìn)裝備的差距。

3.3 面向作戰(zhàn)需求，著力提升作戰(zhàn)能力

裝備研制最終要服務(wù)于作戰(zhàn)使用，同樣艦艇的總體設(shè)計也要面向作戰(zhàn)使用需求，以提升作戰(zhàn)能力為目標(biāo)。所以，在進(jìn)行總體設(shè)計時要重點找準(zhǔn)作戰(zhàn)使用需求。目前，艦艇信息裝備在解決戰(zhàn)術(shù)使用問題方面還有一定差距，自動化、智能化和輔助決策手段還比較缺乏。在作戰(zhàn)使用方面要加大投入，突出作戰(zhàn)應(yīng)用軟件設(shè)計和開發(fā)，從提升整體作戰(zhàn)效率角度改進(jìn)優(yōu)化信息流程、計算模型算法、人機交互界面等，研制出好用頂用的應(yīng)用軟件；數(shù)據(jù)信息資源缺乏，標(biāo)準(zhǔn)化程度低，缺少對歷史數(shù)據(jù)的積累和開發(fā)利用，這些都嚴(yán)重制約了信息系統(tǒng)總體效能的發(fā)揮。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)資源的作用將越來越重要。在數(shù)據(jù)資源建設(shè)方面也要加大投入，創(chuàng)新體制機制，在保證信息安全的基礎(chǔ)上形成科學(xué)的數(shù)據(jù)生產(chǎn)、共享、使用模式，在日常使用、演習(xí)訓(xùn)練中不斷積累各類數(shù)據(jù)，并開發(fā)基于大數(shù)據(jù)的應(yīng)用系統(tǒng)，為裝備總體性能提升提供支持。

4 結(jié)語

基于開放式體系架構(gòu)的全艦計算環(huán)境將是未來艦艇提升綜合作戰(zhàn)能力和信息化水平的有效手段，其研制和應(yīng)用將有力推動艦艇信息系統(tǒng)裝備體系的建設(shè)。美軍TSCE技術(shù)的發(fā)展為我們提供了很好的經(jīng)驗借鑒，在未來水面艦艇總體設(shè)計和綜合集成中要取長補短，針對信息裝備特點和未來作戰(zhàn)使用需求，著力解決目前存在的突出矛盾，搶抓機遇，加快推進(jìn)艦艇信息裝備發(fā)展進(jìn)程。

［1］董曉明，石朝明，等.美海軍DDG-1000全艦計算環(huán)境體系結(jié)構(gòu)探析［J］.中國艦船研究，2012，7（6）：7-15.

［2］董曉明，馮浩，等.全艦計算環(huán)境體系結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)集成框架［J］.中國艦船研究，2014，9（1）：8-13，30.

［3］劉杰生.美軍全艦計算環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計方法探析［J］.計算機與數(shù)字工程，2015，43（6）：1034-1037.

［4］裴曉黎.美海軍TSCE設(shè)計剖析及對我軍信息系統(tǒng)集成模式的啟示［J］.計算機與數(shù)字工程，2015，43（9）：1607-1614.

Enlightenment of USA Total Ship Computing Environment on Ship System General Design

ZHANG Fuqiang
（No.91404 Troops of PLA，Qinhuangdao066000）

Total ship computing environment（TSCE）is one of the cirtical technologies of DDG-1000.This paper analyzes the design features of TSCE，and proposes some development suggestion of ship system general design.

total ship computing environment，TSCE，general design

U674

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.07.002

2017年1月9日，

2017年2月17日

張富強，男，碩士，工程師，研究方向：裝備試驗。