艦艇公共計(jì)算環(huán)境驗(yàn)證評(píng)估方法研究?

侯 婕 鄧建輝 薛 亮

（海軍研究院 北京 100063）

1 引言

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，單純依靠增加計(jì)算機(jī)、存儲(chǔ)設(shè)備、顯控臺(tái)等設(shè)備已經(jīng)無法滿足作戰(zhàn)能力的需要，急需對(duì)艦艇信息基礎(chǔ)設(shè)施的體系架構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。借鑒國(guó)外開放式體系架構(gòu)［1～2］和全艦計(jì)算環(huán)境［3］的設(shè)計(jì)思路，采用開放式體系架構(gòu)，建立艦艇公共計(jì)算環(huán)境，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)與應(yīng)用的分離、硬件與軟件的分離、顯控與處理的分離，提升自頂向下的設(shè)計(jì)能力以及動(dòng)態(tài)集成能力，能夠大幅提高艦艇信息化裝備技術(shù)水平和作戰(zhàn)能力。

本文總結(jié)了艦艇公共計(jì)算環(huán)境發(fā)展現(xiàn)狀，提出了一套針對(duì)艦艇公共計(jì)算環(huán)境的驗(yàn)證指標(biāo)體系、驗(yàn)證環(huán)境和驗(yàn)證流程，探討了其中的關(guān)鍵技術(shù)。

2 艦艇公共計(jì)算環(huán)境現(xiàn)狀

2.1 開放式體系結(jié)構(gòu)

隨著21世紀(jì)海上力量設(shè)想的提出，美國(guó)海軍發(fā)現(xiàn)已有的艦艇戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、先進(jìn)作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)、宙斯盾系統(tǒng)等艦艇電子信息裝備在設(shè)計(jì)上已不能滿足作戰(zhàn)能力的需要。開放式體系結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生，作為艦艇各類作戰(zhàn)系統(tǒng)共同技術(shù)架構(gòu)，將軟件開發(fā)、設(shè)計(jì)及集成與硬件平臺(tái)進(jìn)行解耦，系統(tǒng)按照開放式體系結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)，提高武器平臺(tái)的先進(jìn)性、可重用性以及通用性。美軍開放體系架構(gòu)層次劃分如圖1所示。

圖1 美國(guó)海軍開放式體系結(jié)構(gòu)層次關(guān)系圖

美軍的開放式體系架構(gòu)具有以下特點(diǎn)：一是數(shù)據(jù)、代碼等進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)；二是軟件可重用；三是支持聯(lián)合作戰(zhàn)應(yīng)用的互操作；四是可進(jìn)行安全的信息交換；五是減少全壽命周期費(fèi)用；六是充分的競(jìng)爭(zhēng)與合作。涉及到的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：基于開放接口的系統(tǒng)集成技術(shù)，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)模型及數(shù)據(jù)發(fā)布訂閱技術(shù)，公共計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施技術(shù)，構(gòu)件化、服務(wù)化的軟件開發(fā)技術(shù)，面向作戰(zhàn)的公共應(yīng)用開發(fā)技術(shù)，多安全等級(jí)的信息訪問與控制技術(shù)，全壽命周期健康狀態(tài)管理技術(shù)等。

開放式體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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)中。

2.2 DDG1000全艦計(jì)算環(huán)境

美軍將全艦計(jì)算環(huán)境（TSCE）作為開放式體系結(jié)構(gòu)的最高級(jí)形態(tài)，在DDG1000驅(qū)逐艦中研制了全艦計(jì)算環(huán)境［4］，作為作戰(zhàn)系統(tǒng)公共信息基礎(chǔ)設(shè)施，并在福特級(jí)航母、LCS近海戰(zhàn)斗艦等新型主戰(zhàn)艦艇中推廣應(yīng)用［5］。全艦計(jì)算環(huán)境與先進(jìn)艦炮系統(tǒng)、雙波段雷達(dá)、綜合水下戰(zhàn)系統(tǒng)、先進(jìn)垂發(fā)系統(tǒng)、紅外模型等共同構(gòu)成了美軍DDG1000驅(qū)逐艦的十大關(guān)鍵技術(shù)，標(biāo)志著美軍開放式體系結(jié)構(gòu)達(dá)到了最高級(jí)別，即全艦計(jì)算級(jí)。采用了全艦計(jì)算環(huán)境，美海軍作戰(zhàn)系統(tǒng)從各傳感器、武器系統(tǒng)的拼裝集成轉(zhuǎn)變?yōu)榛诠残畔⒒A(chǔ)設(shè)施的開放集成，體系架構(gòu)發(fā)生了根本性變革［6］。探測(cè)感知、指揮控制等應(yīng)用在統(tǒng)一的公共信息基礎(chǔ)設(shè)施之上構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)了公共資源的充分共享、業(yè)務(wù)應(yīng)用的靈活部署、武器通道動(dòng)態(tài)組配，同時(shí)支持艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)的快速換裝，從而快速形成新的作戰(zhàn)能力，從而大幅提升艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)整體信息處理能力、數(shù)據(jù)共享能力、靈活配置能力、冗余抗毀能力。

2.3 綜合海上網(wǎng)絡(luò)和企業(yè)服務(wù)

在美軍信息化建設(shè)從C4ISR、全球信息柵格（GIG）到聯(lián)合信息環(huán)境（JIE）的演變下，美海軍艦艇裝備提出推進(jìn)綜合海上網(wǎng)絡(luò)和企業(yè)服務(wù)（CANES）［7］。CANES是采用開放式體系架構(gòu)的戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，主要由通用計(jì)算環(huán)境、基于SOA的海上核心服務(wù)、跨域解決方案組成［8］。2016年提出的2016海軍網(wǎng)絡(luò)環(huán)境戰(zhàn)略（NNE2016）［8］，目的就是將傳統(tǒng)的煙囪式結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)化為公共服務(wù)環(huán)境，集成計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)信息的共享，提升整體的互操作性，增強(qiáng)經(jīng)濟(jì)可承受性和部隊(duì)快速適應(yīng)能力。

2.4 美軍SOSA及MOSA

美國(guó)空軍開放式任務(wù)系統(tǒng)（OMS）融合SOA服務(wù)架構(gòu)與通用指揮控制，推出未來機(jī)載能力環(huán)境（FACE）架構(gòu)，將通信和中間件標(biāo)準(zhǔn)化［9］。

在美國(guó)防部模塊化開放式系統(tǒng)架構(gòu)（MOSA）的牽引下，美不同軍種間相關(guān)嵌入式任務(wù)平臺(tái)的開放架構(gòu)逐步統(tǒng)一到傳感器開放系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)（SO?SA）聯(lián)盟。SOSA采用現(xiàn)有開放標(biāo)準(zhǔn)中最合適標(biāo)準(zhǔn)，用于設(shè)計(jì)、構(gòu)建和部署美國(guó)軍事電子系統(tǒng)的硬件、軟件和固件等。旨在提高裝備之間的互操作性，提升快速重組和適應(yīng)能力，降低艦船全壽命周期費(fèi)用。

2.5 我國(guó)發(fā)展現(xiàn)狀

隨著武器裝備技術(shù)的不斷發(fā)展，各個(gè)典型應(yīng)用的功能性能需求逐步增強(qiáng)，信息類型也更加豐富，信息處理需求也飛速增加，原有專用計(jì)算設(shè)備性能受限，僅僅從疊加計(jì)算機(jī)、存儲(chǔ)器、顯控臺(tái)已經(jīng)無法解決問題。我國(guó)正在將傳統(tǒng)各分系統(tǒng)設(shè)備“專機(jī)專用”［7］模式調(diào)整為“公共服務(wù)”模式，系統(tǒng)設(shè)計(jì)集成模式也從“自底向上”調(diào)整為“自頂向下”模式，采用開放式體系架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)和應(yīng)用、軟硬件分離、處理和顯示分離，邏輯上形成獨(dú)立的“計(jì)算中心”“數(shù)據(jù)中心”和“指控中心”，支撐上層應(yīng)用的設(shè)計(jì)與集成，形成資源共用共享的能力，統(tǒng)籌規(guī)劃各類資源，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)資源的有效聚合、合理分配以及動(dòng)態(tài)調(diào)度［11］。

3 驗(yàn)證環(huán)境

應(yīng)用公共計(jì)算環(huán)境是作戰(zhàn)系統(tǒng)架構(gòu)的大變革。在部署應(yīng)用之前，應(yīng)對(duì)公共計(jì)算環(huán)境進(jìn)行功能、性能、適配性、穩(wěn)定性等測(cè)試驗(yàn)證，釋放應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)。公共計(jì)算環(huán)境驗(yàn)證環(huán)境主要配合完成相應(yīng)的測(cè)試驗(yàn)證工作，獲得自主可控公共計(jì)算環(huán)境相關(guān)能力的量化數(shù)據(jù)，解決軟硬件適配優(yōu)化問題，為應(yīng)用系統(tǒng)集成支撐提供參考和指導(dǎo)。驗(yàn)證對(duì)象包括計(jì)算、存儲(chǔ)、交換、適配等單元，以及配套軟件。

3.1 驗(yàn)證環(huán)境

驗(yàn)證環(huán)境由典型應(yīng)用、測(cè)試工具集、仿真配試、分析評(píng)估等四個(gè)子環(huán)境組成。

驗(yàn)證環(huán)境的體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 公共計(jì)算環(huán)境驗(yàn)證環(huán)境組成圖

1）公共計(jì)算環(huán)境

從邏輯劃分上看，公共計(jì)算環(huán)境包括了硬件設(shè)備層、系統(tǒng)軟件層和基礎(chǔ)支撐服務(wù)層。硬件設(shè)備層由計(jì)算單元、存儲(chǔ)單元、交換單元、管理單元、安全單元和機(jī)柜單元，以及由基本單元組合而成的計(jì)算設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備、交換設(shè)備、安全設(shè)備和適配設(shè)備組成；系統(tǒng)軟件層由操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件和驅(qū)動(dòng)等軟件組成；基礎(chǔ)支撐服務(wù)層由計(jì)算存儲(chǔ)支撐服務(wù)、數(shù)據(jù)支撐服務(wù)、軟件支撐服務(wù)、人機(jī)交互支撐服務(wù)、安全管理支持服務(wù)和運(yùn)維管理支持服務(wù)組成。

2）測(cè)試工具集子環(huán)境

包括了計(jì)算網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)性能、數(shù)據(jù)傳輸支持、虛擬機(jī)容錯(cuò)性能、虛擬機(jī)遷移性能、數(shù)據(jù)分發(fā)、系統(tǒng)集成容量、系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和系統(tǒng)六性等測(cè)試軟件和測(cè)試程序。

3）仿真配試子環(huán)境

由想定編輯及運(yùn)行軟件、配試模擬軟件等組成。

4）分析評(píng)估子環(huán)境

包括了試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集軟件、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理軟件、數(shù)據(jù)建模分析軟件、數(shù)據(jù)可視化軟件、試驗(yàn)評(píng)估和報(bào)告生產(chǎn)軟件等。

5）典型應(yīng)用子環(huán)境

涵蓋了典型信息系統(tǒng)應(yīng)用軟件。

3.2 驗(yàn)證指標(biāo)體系

驗(yàn)證指標(biāo)體系包括高性能計(jì)算支持、軟件服務(wù)化支持、數(shù)據(jù)服務(wù)支持、系統(tǒng)集成適配支持等。其中，高性能計(jì)算支持包括高性能處理、計(jì)算資源管理等；軟件服務(wù)化支持包括構(gòu)件開發(fā)支持、服務(wù)運(yùn)行支撐能力、服務(wù)管理能力；數(shù)據(jù)服務(wù)支持包括數(shù)據(jù)應(yīng)用支持、人機(jī)交互服務(wù)支持、核心數(shù)據(jù)服務(wù)支持等；系統(tǒng)集成適配支持包括服務(wù)適配和接口適配。驗(yàn)證指標(biāo)體系如圖3所示。

圖3 公共計(jì)算環(huán)境驗(yàn)證指標(biāo)體系圖

該驗(yàn)證指標(biāo)體系共包含三級(jí)指標(biāo)，二級(jí)指標(biāo)是對(duì)一級(jí)指標(biāo)的細(xì)化，三級(jí)指標(biāo)是對(duì)二級(jí)指標(biāo)的進(jìn)一步細(xì)化。在第三級(jí)指標(biāo)中，既涉及到一些功能的指標(biāo)，也涉及到一些性能的指標(biāo)。在功能指標(biāo)方面，驗(yàn)證指標(biāo)體系由下而上實(shí)現(xiàn)了從數(shù)據(jù)資源到服務(wù)、系統(tǒng)集成的全覆蓋；在性能指標(biāo)方面，涉及到了網(wǎng)絡(luò)性能、計(jì)算性能、實(shí)時(shí)性能等方面。其中，實(shí)時(shí)服務(wù)響應(yīng)時(shí)間的計(jì)算方式較為復(fù)雜，實(shí)時(shí)系統(tǒng)多采用中斷實(shí)現(xiàn)多任務(wù)間調(diào)度，在進(jìn)行可調(diào)度性分析時(shí)，實(shí)時(shí)任務(wù)的最差響應(yīng)時(shí)間計(jì)算中必須包含中斷開銷。對(duì)于中斷，我們將其看作是一個(gè)高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)。實(shí)時(shí)任務(wù)的最差響應(yīng)時(shí)間為

3.3 驗(yàn)證流程

驗(yàn)證流程包括試驗(yàn)入場(chǎng)檢查、硬件功能性能試驗(yàn)、軟件功能性能試驗(yàn)、系統(tǒng)功能性能試驗(yàn)、全系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)部分。

1）試驗(yàn)入場(chǎng)檢查：檢查系統(tǒng)樣機(jī)試驗(yàn)所需的配試設(shè)備、儀器儀表等準(zhǔn)備就緒情況；檢查系統(tǒng)樣機(jī)各設(shè)備狀態(tài)是否滿足試驗(yàn)要求，主要包括設(shè)備完整性、完好性。檢查系統(tǒng)設(shè)備接地性能及與電源對(duì)地絕緣性能。

2）硬件功能性能試驗(yàn)：包括計(jì)算機(jī)柜集成試驗(yàn)、存儲(chǔ)機(jī)柜集成試驗(yàn)、數(shù)據(jù)交換機(jī)柜集成試驗(yàn)、適配機(jī)柜集成試驗(yàn)，以及硬件設(shè)備集成試驗(yàn)。

3）軟件功能性能試驗(yàn)：包括資源虛擬化能力試驗(yàn)、資源調(diào)度管理能力試驗(yàn)、軟件服務(wù)化支撐試驗(yàn)、數(shù)據(jù)服務(wù)化支撐試驗(yàn)、人機(jī)交互能力支撐試驗(yàn)、系統(tǒng)適配和安全服務(wù)支撐能力試驗(yàn)。

4）系統(tǒng)功能性能試驗(yàn)：綜合處理能力試驗(yàn)、資源動(dòng)態(tài)調(diào)配支持能力試驗(yàn)、計(jì)算資源抗毀重組能力試驗(yàn)、構(gòu)件化集成與管理支持能力試驗(yàn)、數(shù)據(jù)一體化集成與按需共享支撐能力試驗(yàn)、軟件重構(gòu)支持能力試驗(yàn)等。

5）全系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)：基于上述系統(tǒng)級(jí)功能性能試驗(yàn)，在統(tǒng)一的仿真驅(qū)動(dòng)下，以完整的用例，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行試驗(yàn)，并針對(duì)該用例的運(yùn)行情況，所有參試設(shè)備，連續(xù)運(yùn)行24h，檢查系統(tǒng)工作穩(wěn)定性。

4 驗(yàn)證評(píng)估關(guān)鍵技術(shù)

驗(yàn)證評(píng)估過程中，需突破數(shù)據(jù)采集分析、容錯(cuò)能力評(píng)價(jià)、綜合效能評(píng)估等方面的關(guān)鍵技術(shù)。

1）自動(dòng)測(cè)試與分布式數(shù)據(jù)采集技術(shù)

常規(guī)測(cè)試大多依靠人工進(jìn)行，針對(duì)具體應(yīng)用往往缺少自動(dòng)化測(cè)試的工具。測(cè)試集成度低、試驗(yàn)結(jié)果不直觀等因素導(dǎo)致測(cè)試工作效率低下。為改進(jìn)試驗(yàn)驗(yàn)證流程、提高試驗(yàn)效率、保證產(chǎn)品質(zhì)量，需基于具體使用需求，快速建立自動(dòng)化的測(cè)試控制方法和分布式試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，使得公共計(jì)算環(huán)境測(cè)試試驗(yàn)?zāi)芨_、更迅速地發(fā)現(xiàn)問題，更好地為公共計(jì)算環(huán)境集成驗(yàn)證服務(wù)。

2）基于故障模擬注入的公共計(jì)算環(huán)境容錯(cuò)性能測(cè)試技術(shù)

充分發(fā)揮國(guó)產(chǎn)軟硬件平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)，深入研究國(guó)產(chǎn)硬件平臺(tái)相關(guān)寄存器接口，國(guó)產(chǎn)軟件平臺(tái)內(nèi)核源碼、驅(qū)動(dòng)源碼和編譯器的實(shí)現(xiàn)及工作方式，設(shè)計(jì)針對(duì)公共計(jì)算環(huán)境的故障注入方案，結(jié)合健康監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)恢復(fù)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)公共計(jì)算服務(wù)系統(tǒng)的故障檢測(cè)及容錯(cuò)恢復(fù)時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)量化。

3）基于層次化指標(biāo)體系的公共計(jì)算環(huán)境艦載典型應(yīng)用支撐能力評(píng)估技術(shù)

結(jié)合在艦艇中的實(shí)際應(yīng)用情況和能力需求，充分考慮計(jì)算能力、通信能力、存儲(chǔ)能力等通用能力，以及環(huán)境適應(yīng)性、實(shí)時(shí)性、容錯(cuò)性等因素，利用相關(guān)性分析、主客觀分析等方法確定各方面能力的權(quán)重，通過對(duì)性能力指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)平均計(jì)算，得出公共計(jì)算環(huán)境綜合效能，最終為艦載應(yīng)用選型提供參考和依據(jù)。

5 結(jié)語(yǔ)

公共計(jì)算環(huán)境是作戰(zhàn)系統(tǒng)的重要裝備，基于云計(jì)算、SOA、CDS等先進(jìn)技術(shù)［12］，將計(jì)算、存儲(chǔ)、顯控等資源整合形成公共“資源池”，將分散的戰(zhàn)術(shù)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合形成公共數(shù)據(jù)資源，實(shí)現(xiàn)資源共用，統(tǒng)籌規(guī)劃作戰(zhàn)系統(tǒng)各類資源，對(duì)提升作戰(zhàn)系統(tǒng)的綜合作戰(zhàn)效能力，支撐未來基于信息系統(tǒng)的體系作戰(zhàn)能力的形成具有舉足輕重的作用。本文提出的驗(yàn)證評(píng)估環(huán)境、指標(biāo)體系和評(píng)估流程，為科學(xué)評(píng)估公共計(jì)算環(huán)境對(duì)艦載典型應(yīng)用的支撐能力起到關(guān)鍵作用。