美軍艦載信息基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展研究及啟示?

馬永龍

（武漢市洪山區(qū)獅子山街南湖汽校一村 武漢 430070）

1 引言

由計算、存儲、顯控和網(wǎng)絡(luò)交換等硬件設(shè)備，以及操作系統(tǒng)、中間件等基礎(chǔ)支撐軟件所構(gòu)成的艦載信息基礎(chǔ)設(shè)施是構(gòu)建全艦電子信息系統(tǒng)裝備的基礎(chǔ)平臺，是艦載裝備實施信息收集、信息傳輸、信息處理、信息使用的關(guān)鍵載體，是保證艦載電子信息系統(tǒng)作戰(zhàn)效能發(fā)揮的核心基礎(chǔ)。隨著“網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)”等作戰(zhàn)概念的提出和實踐，美國海軍力量轉(zhuǎn)型走上了快速發(fā)展之路，艦載信息基礎(chǔ)設(shè)施作為現(xiàn)代艦艇信息化的重要支撐，從原先作戰(zhàn)、航空、平臺和C4ISR等各部門專用、煙囪式的系統(tǒng)向一體化、網(wǎng)絡(luò)中心化的綜合系統(tǒng)發(fā)展。以全艦計算環(huán)境和統(tǒng)一海上網(wǎng)絡(luò)和企業(yè)服務(wù)為代表的新一代艦載信息基礎(chǔ)設(shè)施是隨著美海軍21世紀海上力量構(gòu)想的提出和開放式體系架構(gòu)的推進，為解決宙斯盾系統(tǒng)等艦艇電子信息裝備硬件資源缺乏整合、利用率低、計算和顯控設(shè)備共用困難、軟件和硬件捆綁緊密、系統(tǒng)開放性和可擴展性差等問題而提出的一系列逐漸演進的解決方案和項目。

2 發(fā)展歷程

2.1 開放式體系架構(gòu)的提出

2002年，負責(zé)監(jiān)督艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)設(shè)計、建造和發(fā)展的美海軍海上系統(tǒng)司令部（NAVSEA）綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)項目辦公室（PEO IWS），開始倡導(dǎo)推行“開放式體系架構(gòu)計算環(huán)境”（OACE），以提高系統(tǒng)的設(shè)計和集成能力，增強艦艇武器平臺的先進性、通用性和可重用性［1～2］。按照開放的程度將開放式體系架構(gòu)計算環(huán)境從低到高分為兼容、初始、公共功能、全艦計算等5級，現(xiàn)役裝備分步、逐級提高，新研裝備直接采用最新開放式體系架構(gòu)技術(shù)。最高等級是第5級，也就是全艦計算級，其標志性特征包括構(gòu)建全艦一體化信息基礎(chǔ)設(shè)施，為各應(yīng)用系統(tǒng)提供公共計算服務(wù)支持；廣泛使用公共業(yè)務(wù)功能服務(wù)，提升應(yīng)用系統(tǒng)的容錯抗毀性、靈活部署性和敏捷升級性，降低維修保障工作和人員配置需求；大量應(yīng)用最新商用信息技術(shù)，有效降低全壽命周期費用。目前，美國最新研制的DDG1000、DDG1001、DDG1002系列“朱姆沃爾特”級驅(qū)逐艦、LCS瀕海戰(zhàn)斗艦和CVN78“福特”級核動力航母都采用了OACE［3～4］。

2.2 全艦計算環(huán)境TSCE

2004年，美國雷聲公司（Raytheon）在DDG1000研制中大力推行“全艦計算”裝備產(chǎn)品概念，按照開放式體系架構(gòu)第五級要求，在作戰(zhàn)系統(tǒng)和平臺系統(tǒng)中全面應(yīng)用全艦計算環(huán)境（TSCE）。主要特點是按照開放式體系架構(gòu)標準把計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)、顯控等硬件設(shè)備及其基礎(chǔ)支撐軟件集成為一整套可組合的計算服務(wù)平臺，為全艦各種應(yīng)用提供自動部署、敏捷集成和抗毀容災(zāi)支持［5］。TSCE是DDG1000任務(wù)系統(tǒng)集成的重要基礎(chǔ)和信息系統(tǒng)的核心平臺，目前已知經(jīng)歷了7個版本的迭代，每個版本都為DDG1000系列艦艇的計算基礎(chǔ)設(shè)施增添了新的和改進的任務(wù)執(zhí)行能力。它為全艦各系統(tǒng)提供核心寬帶網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、分布式高性能處理服務(wù)、數(shù)據(jù)按需一致共享服務(wù)，實現(xiàn)了“網(wǎng)絡(luò)一體化、設(shè)備標準化、計算虛擬化、軟件服務(wù)化”。美軍認為采用TSCE后，系統(tǒng)可獲得免維護部署能力、更強的生命力、更高的自動化能力及更少的人員配置需求，并具備可升級、可重構(gòu)的特性［6］。

2.3 統(tǒng)一海上網(wǎng)絡(luò)和企業(yè)服務(wù)CANES

2006年，為了整合C4ISR系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)，美海軍空間和海戰(zhàn)系統(tǒng)司令部（SPAWAR，2019年改名為信息戰(zhàn)系統(tǒng)司令部NAVWAR）C41項目辦公室（PEO C4I）采用開放式體系架構(gòu)思想、借鑒集成全艦計算環(huán)境的成果，提出了統(tǒng)一海上網(wǎng)絡(luò)和企業(yè)服務(wù)（Consolidated Afloat Networks and Enterprise Ser?vices，CANES）項目，主要組成和關(guān)鍵技術(shù)包括公共計算環(huán)境（Common Computing Enviroment，CCE）、海上核心服務(wù)（Afloat Core Services，ACS）和跨域解決方案（Cross Domain Solution，CDS）［7～8］。其中，CCE主要實現(xiàn)計算和網(wǎng)絡(luò)硬件基礎(chǔ)設(shè)施的虛擬化管理，ACS利用SOA方式創(chuàng)建可升級的服務(wù)分層交互模型將軟件從專屬軟硬件環(huán)境分離出來，CDS實現(xiàn)不同安全保密級別的系統(tǒng)運行在同一套公共基礎(chǔ)設(shè)施上。該項目計劃對現(xiàn)役192個平臺（包括水面艦船、潛艇以及海上作戰(zhàn)中心）的C41系統(tǒng)進行改換裝，2008年11月，CANES實質(zhì)性開發(fā)決策獲批；2012年12月，第1套CANES安裝在DDG69上。

圖1 開放式體系架構(gòu)計算環(huán)境示意圖

2016年后，美海軍將TSCE從全艦計算環(huán)境逐步演變成為整個海軍的海軍網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，即公共計算環(huán)境（CCE），成為CANES項目的一部分，采用SOA架構(gòu)的虛擬化技術(shù)將艦載網(wǎng)絡(luò)硬件、機架、服務(wù)器等整合到一個公共網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器組，把海上編隊各種應(yīng)用和軟件服務(wù)都將部署到CCE的硬件基礎(chǔ)設(shè)施上。CANES以一體化艦載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（ISNS）為基礎(chǔ)，逐步把聯(lián)合區(qū)域信息交換系統(tǒng)（CEN?TRIXS）、潛艇局域網(wǎng)（SUBLAN）、絕密信息網(wǎng)絡(luò)（SCI）、視頻信息交換系統(tǒng)（VIXS）、艦載視頻分發(fā)系統(tǒng)（SVDS）等傳統(tǒng)煙囪式網(wǎng)絡(luò)集成到一起，并將原有網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用都遷移到CANES中。CANES根據(jù)應(yīng)用安裝部署的硬件需求，利用標準化網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和通用化機柜體系結(jié)構(gòu)創(chuàng)建公共計算環(huán)境，通過提供企業(yè)服務(wù)的形式為作戰(zhàn)業(yè)務(wù)和管理應(yīng)用程序提供“托管服務(wù)”，以提高互操作水平，減少傳統(tǒng)硬件數(shù)量和安裝空間［9］。

3 最新進展

3.1 未來綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)FICS-CI及硬件工廠計劃

2020年8月，美海軍海上系統(tǒng)司令部（NAV?SEA）發(fā)布需求書，將啟動“硬件工廠”計劃，以保持艦艇計算平臺處在最新狀態(tài)，希望通過硬件工廠和硬件流水線概念采用敏捷開發(fā)技術(shù)促進計算基礎(chǔ)設(shè)施研發(fā)。該名為“未來綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)和計算基礎(chǔ)設(shè)施”（FICS-CI）的計劃由海上系統(tǒng)司令部（NAVSEA）的綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)項目辦公室（PEO IWS）管理，旨在將系統(tǒng)納入“通用、可擴展的間歇連接邊緣云體系架構(gòu)”，打造基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)平臺，作為向海軍艦艇普遍采用的基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（IaaS）的“體系架構(gòu)、運行實施和系統(tǒng)運維”轉(zhuǎn)型工作的組成部分。海上系統(tǒng)司令部（NAVSEA）希望為大小型戰(zhàn)艦、航母、兩棲戰(zhàn)艦以及海軍陸戰(zhàn)隊、外貿(mào)裝備、未來戰(zhàn)艦等相關(guān)計劃部署計算體系架構(gòu)。

3.2 24小時從編譯到作戰(zhàn)及軟件工廠概念

2020年9月，美海軍信息戰(zhàn)系統(tǒng)司令部（NAVWAR）提出“軟件工廠”概念，希望通過敏捷開發(fā)、數(shù)字孿生、從編譯到作戰(zhàn)、開發(fā)-安全-運維（DevSecOps）等概念解決艦船交付時機或適用性導(dǎo)致軟件交付復(fù)雜程度高，需要在預(yù)定時間內(nèi)執(zhí)行多次升級等問題，作為統(tǒng)一海上網(wǎng)絡(luò)和企業(yè)服務(wù)（CANES）開放架構(gòu)和平臺即服務(wù)（PaaS）實施途徑，滿足對軟件開發(fā)速度、承受能力和互操作性的需求。美海軍在2018年已進行了“24小時內(nèi)從編譯到作戰(zhàn)”（C2C24）的試驗，目前能夠在8h內(nèi)完成一個應(yīng)用程序的更新。

3.3 智能基礎(chǔ)設(shè)施

2020財年，美國海軍在人工智能和機器學(xué)習(xí)領(lǐng)域投資9億美元，其中預(yù)算的新增項目中絕大部分都與人工智能和機器學(xué)習(xí)相關(guān)，研發(fā)可用于低功耗平臺的嵌入式深度學(xué)習(xí)算法與稀疏數(shù)據(jù)分析的深度學(xué)習(xí)技術(shù)，以及通過深度學(xué)習(xí)方法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)目標分類等，通過實施基于認知的協(xié)作決策感知認知模型、基于腦電波識別和認知算法的戰(zhàn)場威脅探測技術(shù)等項目，大力推進認知計算技術(shù)在艦載領(lǐng)域的應(yīng)用。美國海軍在長期作戰(zhàn)任務(wù)中，已經(jīng)研制部署了大量的監(jiān)視、偵察、預(yù)警、探測、跟蹤、識別、定位等裝備，隨著不同類型傳感器收集獲取數(shù)據(jù)量的激增，海量異類情報信息存儲管理、處理分析與融合整編的難度日益復(fù)雜。到2025年前，美海軍系統(tǒng)預(yù)計將著重提升對海量、異構(gòu)數(shù)據(jù)的分析處理能力，強調(diào)數(shù)據(jù)分析技術(shù)的核心地位，同時加強數(shù)據(jù)可視化能力，提高戰(zhàn)場態(tài)勢理解能力。

4 發(fā)展趨勢和相關(guān)啟示

4.1 發(fā)展趨勢

通過跟蹤研究美海軍艦載公共計算發(fā)展歷程和最新進展，分析當前美海軍技術(shù)體制和今后發(fā)展趨動向，未來美海軍艦載公共計算的發(fā)展趨勢主要集中在以下方面。

1）架構(gòu)開放化。從開放式體系架構(gòu)概念和分級標準的提出，到全艦計算環(huán)境（TSCE）、統(tǒng)一海上網(wǎng)絡(luò)和企業(yè)服務(wù)（CANES）的具體落實，再發(fā)展到最新的“未來綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)和計算基礎(chǔ)設(shè)施”（FICS-CI）計劃，美海軍艦載信息基礎(chǔ)設(shè)施的架構(gòu)沿著開放式道路一脈相承。不管主管部門是海上系統(tǒng)司令部（NAVSEA）還是信息戰(zhàn)系統(tǒng)司令部（NAVWAR），也不管供貨商是IBM還是HP，都秉承從芯片到云（From Chip To Cloud，C2C）的開放式理念開展設(shè)計和集優(yōu)。

2）資源虛擬化。公共計算環(huán)境（CCE）通過采用虛擬化技術(shù)將艦載網(wǎng)絡(luò)傳輸、計算服務(wù)、顯示控制等設(shè)備整合到全艦艇云計算環(huán)境中，替換原來功能相似、重疊配置、分散獨立的硬件，從而實現(xiàn)全艦軟硬資源的池化管理、云化共享。采用虛擬化技術(shù)后，不同種類的操作系統(tǒng)以及它們各自所支持的所有應(yīng)用程序都將可以在同樣的硬件和服務(wù)器設(shè)施上加以同時運行，最終實現(xiàn)將多種計算功能整合到一體化網(wǎng)絡(luò)和云計算環(huán)境中的目標，這將有效擴展全艦計算能力，并能夠使硬件設(shè)備投資和軟硬資源得到最大化利用。

3）軟件服務(wù)化?；赟OA核心服務(wù)架構(gòu)，采用基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（IaaS）、平臺即服務(wù)（PaaS）、軟件即服務(wù)（SaaS），能夠創(chuàng)建一種可升級的層次化服務(wù)交互模型，將傳統(tǒng)煙囪式系統(tǒng)的應(yīng)用軟件解構(gòu)、轉(zhuǎn)換、封裝為面向不同用戶和數(shù)據(jù)的可復(fù)用式公共應(yīng)用服務(wù)，這些公共應(yīng)用服務(wù)能夠利用現(xiàn)有信息基礎(chǔ)服務(wù)、軟件框架服務(wù)、海上核心服務(wù)和專用業(yè)務(wù)服務(wù)。能夠快速創(chuàng)建、動態(tài)調(diào)用、按需執(zhí)行和管理編排各種基于服務(wù)的新業(yè)務(wù)應(yīng)用以及以網(wǎng)絡(luò)為中心的核心業(yè)務(wù)服務(wù)等，從而滿足不斷變化的作戰(zhàn)需求［10］。

4）研發(fā)敏捷化。美國一方面在2019年專門成立海軍敏捷辦公室（Naval X），加強與優(yōu)勢研發(fā)單位的合作，壓縮采辦層級和流程，加快技術(shù)創(chuàng)新與能力交付，已發(fā)布“落實敏捷開發(fā)”和“云遷移”等工具；另一方面推行“硬件工廠”和“軟件工廠”等新概念，采用3D打印、數(shù)字孿生、應(yīng)用倉庫等新技術(shù)，運用敏捷和精益開發(fā)理念提升硬件和軟件研發(fā)、集成和部署速度，以及全壽命周期的運維保障效率和服務(wù)質(zhì)量，實現(xiàn)24h乃至8h從編譯到作戰(zhàn)［11］。

5）集成普適化。支持對先進傳感器、新型宙斯盾系統(tǒng)、定向能和電磁武器系統(tǒng)的集成，美海軍計劃阿里·伯克III版本的驅(qū)逐艦在2023年～2024年開始大規(guī)模生產(chǎn)，形成初始作戰(zhàn)能力的時間為2026年。開放式的全艦計算環(huán)境將提供對包括對最新的宙斯盾系統(tǒng)（MK7）、AN/SPY-6（V）和AMDR雙波段雷達、AN/SQS-53C聲納、MK41垂直發(fā)射系統(tǒng)、定向能和電磁武器等支持，并完成作戰(zhàn)系統(tǒng)集成。

6）基礎(chǔ)智能化。美海軍聯(lián)合DARPA開展了數(shù)據(jù)挖掘、機器學(xué)習(xí)、知識圖譜、語義分析、智能代理等大量智能基礎(chǔ)技術(shù)研究項目，大力推進認知計算、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)可視化等技術(shù)在艦載領(lǐng)域的應(yīng)用，提供對人工智能應(yīng)用與大數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)支撐能力，推動重視信息域的信息共享水平的“網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)”向重視認知域的認知理解水平的“決策中心戰(zhàn)”的作戰(zhàn)理念轉(zhuǎn)變。隨著美國人工智能應(yīng)用與海上無人系統(tǒng)研究的深入發(fā)展，相關(guān)裝備應(yīng)用也應(yīng)在2025年前后上艦使用［12］。

4.2 對我軍裝備研制的啟示

1）“技術(shù)保先”：持續(xù)迭代升級，保持技術(shù)先進性。針對電子信息裝備“交付即落后”的潛在風(fēng)險，充分考慮商用先進技術(shù)的演進發(fā)展，結(jié)合未來國產(chǎn)CPU、操作系統(tǒng)、云計算等核心軟硬件的技術(shù)多樣性，搭建公共計算環(huán)境裝備平行驗證系統(tǒng)，不斷納入新技術(shù)和行業(yè)新成果，形成能夠支撐裝備基線式漸進升級的技術(shù)驗證體系和工程管理流程，加速電子信息裝備迭代升級換代周期，確保技術(shù)標準和裝備的持續(xù)先進。

2）“裝備統(tǒng)型”：國產(chǎn)化硬件架構(gòu)和軟件服務(wù)融合設(shè)計，統(tǒng)型裝備規(guī)格和技術(shù)狀態(tài)。針對當前公共計算服務(wù)系統(tǒng)基于申威和飛騰兩條獨立技術(shù)路線，開展設(shè)備形態(tài)和平臺服務(wù)的迭代融合統(tǒng)型，構(gòu)建標準開放、狀態(tài)統(tǒng)一的系列化公共計算服務(wù)系統(tǒng)軟硬件裝備，屏蔽不同處理器架構(gòu)等給業(yè)務(wù)應(yīng)用帶來的差異，保持所承載的業(yè)務(wù)系統(tǒng)作戰(zhàn)能力與底層軟硬件選型差異的無關(guān)性。

3）“體系賦能”：面向作戰(zhàn)使用需求，著力提升系統(tǒng)能力?；谂炌畔⒀b備作戰(zhàn)使用環(huán)境復(fù)雜、作戰(zhàn)樣式及各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的多樣化資源需求，針對當前公共計算環(huán)境自動化、智能化服務(wù)能力不足，數(shù)據(jù)資源散、雜等難點、痛點問題，開展裝備可靠性保障、大數(shù)據(jù)處理支撐、智能化資源管理、對業(yè)務(wù)軟件的集成支撐等方面關(guān)鍵技術(shù)研究，提升計算環(huán)境裝備智能化化運維和對業(yè)務(wù)應(yīng)用的大數(shù)據(jù)處理、AI計算、信息挖掘與知識發(fā)現(xiàn)、業(yè)務(wù)軟件集成等方面的支撐能力，為智能化作戰(zhàn)系統(tǒng)的構(gòu)建提供資源和服務(wù)保障。

5 結(jié)語

艦載信息基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和發(fā)展是以提高艦艇裝備的綜合作戰(zhàn)效能為目標，適應(yīng)海軍新時期軍事轉(zhuǎn)型的需要，通過研制先進高效、開放兼容的艦載電子信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)及其基礎(chǔ)設(shè)施，實現(xiàn)艦艇電子信息裝備由分散、分項、分專業(yè)為主的模式向綜合集成為主的模式轉(zhuǎn)變。艦載信息基礎(chǔ)設(shè)施的未來發(fā)展一方面需要全面采用國產(chǎn)化自主可控軟硬件設(shè)備，另一方面需要逐步擴展應(yīng)用支持范圍，研制適用于全艦所有裝備的信息基礎(chǔ)設(shè)施。同時，為保證艦載信息基礎(chǔ)設(shè)施的全壽命周期可維護性和演進發(fā)展的持續(xù)性，需建立常態(tài)化需求開發(fā)管理、基線式系統(tǒng)功能性能升級機制，提高電子信息裝備與作戰(zhàn)業(yè)務(wù)功能的錯峰發(fā)展能力，為艦艇裝備在長達數(shù)十年的服役過程中能夠保持或持續(xù)提升作戰(zhàn)能力提供支撐。