石劍琛

(北京西三環(huán)中路19號　北京　100071)

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開放體系架構(gòu)在海軍信息系統(tǒng)應用模式研究*

石劍琛

(北京西三環(huán)中路19號北京100071)

開放體系結(jié)構(gòu)一直是海軍信息系統(tǒng)設計的重要關注方向。論文分析了開放體系結(jié)構(gòu)在美軍中海軍信息系統(tǒng)中的典型應用，總結(jié)了開放體系結(jié)構(gòu)的特征及發(fā)展，在對美軍開放體系結(jié)構(gòu)應用分析的基礎上，對開放體系結(jié)構(gòu)在我軍中的應用進行了展望，探討了我軍開放體系結(jié)構(gòu)的應用環(huán)境、發(fā)展思路、技術路徑及實施步驟，并提出了參考建議。

開放式體系結(jié)構(gòu);全艦計算環(huán)境;宙斯盾作戰(zhàn)系統(tǒng);基礎設施

Class NumberE83

1　引言

20世紀世紀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彈，從而需要平臺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行聯(lián)網(wǎng)，并對武器控制進行分布，由此確立了網(wǎng)絡中心戰(zhàn)的模式。它們深刻地影響了單平臺和跨平臺傳感器、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[1]。

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

美國海軍綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)項目執(zhí)行辦公室(PEO)將在主流商用軟硬件技術標準和規(guī)范基礎上開發(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]，并以此推動艦艇開放式體系架構(gòu)計算環(huán)境(Open Architecture Computing Environment,OACE)的發(fā)展[3]，提高武器平臺的先進性、通用性和可重用性。

美軍大力推行“開放式體系結(jié)構(gòu)”設計思想，通過各層次之間的標準接口，屏蔽與上層之間的緊耦合，提升對應用層的開放性支撐；將軟件與硬件分離，實現(xiàn)局部軟件升級即可實現(xiàn)系統(tǒng)能力提升，美國海軍按照該技術體制改進，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)的設計中，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)展和設計思路對建設我海軍艦艇指揮控制系統(tǒng)具有一定的參考價值。提升作戰(zhàn)系統(tǒng)頂層設計牽引，增加整個系統(tǒng)靈活性和可擴展性、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)的設計思路和應用模式，為我軍艦船信息化和系統(tǒng)集成等相關領域及發(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)主要涉及計算技術基礎、技術架構(gòu)(OATA)、功能架構(gòu)(OAFA)和試驗設施(OATF)四部分[5]。

1)計算技術基礎

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

2)技術架構(gòu)(OATA)

OATA定義所有水面、水下和空中平臺的OACE。所有OA軟件組件，不論是通用的還是平臺特定的，都在 OACE中運行，OACE是分層的，基于標準的計算環(huán)境，包括開放的規(guī)范、標準、中間件、操作系統(tǒng)和計算設備等，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(DIS)、計劃評估和決策(PAD)、武器/資產(chǎn)服務(WAS)、任務執(zhí)行(ME)、外部通信(EXCOMM)、通用服務(CS)、培訓(TR)、兵力規(guī)劃/協(xié)調(diào)(FP/C)九大功能域以及若干子類。

4)試驗設施(OATF)

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

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

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

2)3級為開放式體系結(jié)構(gòu)標準的“初始級”，它的突出特征是軟件開發(fā)不依賴于特定硬件，其系統(tǒng)性能與計算設備數(shù)量的多寡和性能的高低成線性關系；

3)4級為“公共功能級”，它采用的公共功能服務具有部署靈活，升級快速的能力；

4)5級為“全艦計算級”，它使用統(tǒng)一的信息基礎設施平臺，目的是降低系統(tǒng)維修保障壓力和減少人員配置，為應用系統(tǒng)提供公共計算支持，保障應用系統(tǒng)的容錯性和抗毀生存能力。

3　外軍海軍推進開放式體系結(jié)構(gòu)的應用進程

美海軍借助OA，大力推進21世紀海上力量中以網(wǎng)絡中心戰(zhàn)為核心的體系結(jié)構(gòu)和作戰(zhàn)框架，對現(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)中應用

宙斯盾AEGIS是美海軍中最復雜、功能最強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后，該系統(tǒng)已經(jīng)陸續(xù)衍生出九種型號的基本配置。宙斯盾系統(tǒng)的進化過程，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采用的是軍用計算機、軍用操作系統(tǒng)和中間件，這幾種型號的系統(tǒng)被美國海軍認為屬于OACEl或OACE2級，其中的一部分經(jīng)過改造可以升級為OACE3級。目前，美軍對現(xiàn)有“宙斯盾”系統(tǒng)的軟件不斷進行升級，加裝“基線9”作戰(zhàn)系統(tǒng)，戰(zhàn)艦將具備使用新型標準6導彈、提高對抗彈道導彈的能力。

2)DDG-1000、CVN-78中的應用

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

TSCE主要包括作戰(zhàn)應用軟件包和“全艦計算環(huán)境基礎設施”(Total Ship Computing Environment Infrastructure，TSCEi)，其中，TSCEi通過集成全艦的網(wǎng)絡設備、計算設備、存儲設備、顯示設備等設備，為全艦應用程序和功能提供相應服務[3]。

表1　宙斯盾系統(tǒng)發(fā)展路線

圖2　全艦計算環(huán)境體系結(jié)構(gòu)

本著“集成就是服務”的宗旨，TSCE實現(xiàn)了軟硬件的模塊化、構(gòu)件化和服務化，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、跨領域的協(xié)同作戰(zhàn)能力。

DDG-1000使用全艦計算環(huán)境集成艦船各系統(tǒng)，如指控情報、平臺控制、動力系統(tǒng)、武器系統(tǒng)等來進行信息整合，從而發(fā)揮系統(tǒng)整體資源優(yōu)勢，并最終形成一個統(tǒng)一的“網(wǎng)絡中心戰(zhàn)”節(jié)點。

在全艦計算環(huán)境中，根據(jù)作戰(zhàn)系統(tǒng)、機械、電氣、通信等專業(yè)的不同對處理機柜和顯控臺等設施進行了分類標準化和通用化，其硬件部分主要選用商用現(xiàn)貨產(chǎn)品；基礎設施是一個開放的、虛擬的計算環(huán)境，對所有計算資源和應用軟件進行統(tǒng)一調(diào)度管理，為其他領域的應用提供服務。全艦計算環(huán)境通過適配器連接所有傳感器、受動器、激勵器和武器通過與。美軍認為，采用全艦計算環(huán)境后，系統(tǒng)可獲得免維護部署能力、更強的生命力、更高的自動化能力以及更少的人員配置需求，并具備可升級、可重構(gòu)等特性。

3)歐洲作戰(zhàn)管理系統(tǒng)中應用

歐洲在設計艦載電子信息系統(tǒng)中一直堅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)，且嚴格遵循開放式體系架構(gòu)標準，能與許多第三方軟件兼容,使系統(tǒng)可維護性和獨立升級能力大大加強，從而使得通過較小代價就可換取性能的持續(xù)提升。

4　開放體系結(jié)構(gòu)對海軍應用模式的啟示

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

基于開放式體系結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)設計一是要具備較高的敏捷性，有效地支持資源管控、偵察預警、指揮控制、防空/反潛/對海對陸打擊等各種功能系統(tǒng)靈活集成，可以根據(jù)作戰(zhàn)任務靈活配置艦艇載荷，通過快速增加、減少、改變相關功能模塊，打造多任務作戰(zhàn)平臺，以完成多樣化的軍事任務；二是要具備較強的多平臺互操作性，有效地支持跨平臺裝備資源共用、信息共享、優(yōu)勢互補，形成體系作戰(zhàn)能力，以滿足未來海戰(zhàn)場以網(wǎng)絡為中心的作戰(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、云計算、虛擬化等商業(yè)成熟技術和集成模式，通過體系規(guī)劃、頂層設計，采用開放式體系結(jié)構(gòu)實現(xiàn)基礎設施的通用性和互操作性，使平臺內(nèi)各類電子信息裝備有機集成為一個整體、跨平臺信息系統(tǒng)有機融合為一個體系，實現(xiàn)各業(yè)務領域功能應用靈活部署，資源充分共享，武器通道動態(tài)組織，各類任務系統(tǒng)可以快速構(gòu)建等，確保增強系統(tǒng)集成的靈活性。

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

未來海戰(zhàn)場將面臨更加復雜的作戰(zhàn)環(huán)境和作戰(zhàn)樣式，除傳統(tǒng)的作戰(zhàn)使命外，還面臨諸如應對非對稱的軍事威脅、非軍行動、彈道導彈防御等新的使命任務，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)建設在滿足功能功能性需求的同時，需強調(diào)支持底層基礎支撐與上層任務系統(tǒng)的解耦設計、支持硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的解耦設計、領域功能軟件之間的解耦設計，實現(xiàn)根據(jù)作戰(zhàn)需求、能力提升需要的軟件與硬件獨立快速升級，從而形成裝備持續(xù)升級能力。當然，系統(tǒng)的開放式體系架構(gòu)還需保持自身技術的一致性、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。

一是制定開放式體系結(jié)構(gòu)標準規(guī)范和實施指南。清晰劃分和定義開放式體系架構(gòu)的量化級別，制定相應的實施指南。將開放式體系架構(gòu)作為裝備研制的總體要求，以標準規(guī)范和實施指南穩(wěn)步推進開放式體系結(jié)構(gòu)在裝備中的應用。

二是推進平臺化基礎設施建設。針對艦艇電子信息裝備業(yè)務功能特點，加強對基礎軟硬件共性需求的梳理，構(gòu)建可剪裁、可配置的基礎軟硬件平臺，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。

三是加強資源統(tǒng)籌規(guī)劃與共享。基于統(tǒng)一的基礎軟硬件平臺，以實現(xiàn)高等級開放式體系結(jié)構(gòu)為目標，采用“云計算”技術將計算存儲、網(wǎng)絡交換、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算服務支持，將傳統(tǒng) “專機專用”模式調(diào)整為“公共服務”模式，將“獨立煙囪”的設計、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)，靈活適應裝備壽命周期中商用新技術引入

商用新技術在信息化裝備的大量采用，對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、服務化、虛擬化、可視化等新技術新方法層出不窮，分階段吸收商用技術發(fā)展成果，適時引入商用技術改造裝備，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)各要素之間的關聯(lián)，是控制采用新技術引入對系統(tǒng)裝備的影響的關鍵。一是要準確評估新技術的成熟度，選擇經(jīng)過充分驗證的新技術，消除新技術自身風險；二是要充分評估引入的新技術與系統(tǒng)原有的技術匹配度，減少對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的根本沖擊。

4)適應全壽命周期管理

系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)除了技術上合理外，還必須考慮后期維護升級，適應全壽命周期需要。可借鑒外軍基線模式和增量策略進行漸進建造，促進體系作戰(zhàn)效能持續(xù)螺旋式提升，在實現(xiàn)部件升級的同時保持整個系統(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、接口標準化的基礎上，穩(wěn)步推進開放式體系架構(gòu)在艦載電子信息裝備中的應用，增強艦艇電子裝備的冗余抗毀、可持續(xù)升級和功能擴展能力。

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用過程，分析了開放體系結(jié)構(gòu)的原則、結(jié)構(gòu)與目標以及在美軍中的應用發(fā)展，為我國艦載信息系統(tǒng)的研制提出了建設性意見。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)使命任務為目標，全面規(guī)劃海軍的發(fā)展，以開放體系結(jié)構(gòu)的設計思想為引導，通過加強艦艇頂層優(yōu)化設計，推進計算環(huán)境建設，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用，增強總體集成能力，推動作戰(zhàn)系統(tǒng)快速發(fā)展，促進作戰(zhàn)系統(tǒng)的跨越式發(fā)展和作戰(zhàn)效能的顯著提升。

[1]詹廣平.美海軍宙斯盾系統(tǒng)開放式體系結(jié)構(gòu)研究[J].艦船電子工程,2013,33(11):8-10.

[2]Cyrus Azani.A Multi-criteria decision model for migrating legacy system architectures into open system and system-of-systems architectures[J].Defense AR Journal,2009,16(3):320-341.

[3]李明.美海軍開放式體系架構(gòu)計算環(huán)境發(fā)展綜述及啟示[J].計算機與數(shù)字工程,2012,40(12):56-59.

[4]MILLER C.PEO C4I open architecture strategy[C]//19 th IEEE Software Technology Conference,2013.

[5]Nickolas Guertin,Robert Sweeney,Douglas C.Schmidt.How the Navy IS Using Open Systems Architecture to Revolutionize Capability Acquisition[C]//NDIA conference,2014.

[6]T.J.BENEDICT.Naval Open Architecture Contract Guidbook For program manager[R].Department of Navy,2007.

[7]仇建偉,吳亞非,張永紅.開放體系結(jié)構(gòu)作戰(zhàn)系統(tǒng)計算環(huán)境現(xiàn)狀與研究[J].中國電子科學研究院學報,2009,14(2):166-168.

[8]王立.美海軍COTS技術應用對我軍的啟示[J].艦船電子工程,2015,35(7):18-23.

[8]Norbert Doerry,John Amy,CY Krolick.History and the Status of Electric Ship Propulsion,Integrated Power Systems,and Future Trends in the U.S.Navy[J].Proceedings of the IEEE,103(12):2243-2251.

[10]董曉明,石朝明,黃坤,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.

[11]Denis Janer,Chauk Mean Proum,Open Architecture for Naval Combat Direction System[M].Complex Systems Design &Management.Springer International Publishing,2014:73-84.

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,高級工程師,研究方向：電子信息系統(tǒng)。

E83DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.09.002