付澤南，董曉明

中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064

艦船靈活性概述

付澤南，董曉明

中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064

目前海上非對(duì)稱威脅日益突出，靈活快速的響應(yīng)能力逐漸成為艦船作戰(zhàn)效能的一個(gè)重點(diǎn)，利用開放式體系結(jié)構(gòu)和模塊化構(gòu)建技術(shù)，作戰(zhàn)平臺(tái)可以進(jìn)行靈活的系統(tǒng)配置以完成作戰(zhàn)任務(wù)。由于作戰(zhàn)平臺(tái)和子系統(tǒng)解耦，模塊化的軟硬件可以在不同作戰(zhàn)平臺(tái)之間進(jìn)行復(fù)用，有效降低艦船的建造、集成、維護(hù)和測(cè)試成本。對(duì)如何建造靈活的艦船進(jìn)行研究，包括設(shè)計(jì)與制造、采購以及作戰(zhàn)流程等方面的內(nèi)容，并簡(jiǎn)述靈活性的量化分析方法。

開放式體系結(jié)構(gòu)；模塊化；靈活性；快速響應(yīng)能力

Abstract：As asymmetric threats arise at sea,rapid response capability has gradually become one of the most important considerations in the efficiency of warships.Warships can use more flexible configurations of sub-systems to accomplish missions using Open Architecture and modular components.Due to the decoupling of warship platforms and sub-systems,modular software/hardware can be reused across multiple classes of warships,thereby effectively reducing the building costs,system integration, maintenance and testing of warships.This paper explores ways to build a‘flexible ship’in such aspects as design,manufacturing,procurement and combat process,and several quantitative analytical methods are also proposed.

Key words：open architecture；modularity；flexibility；rapid response

0 引 言

隨著技術(shù)的加速發(fā)展，艦載作戰(zhàn)系統(tǒng)的更迭周期也較以往更加頻繁，加上海上日益突出的非對(duì)稱威脅以及預(yù)算的縮減，以美海軍為代表的海上軍事力量正在尋求一種新型的艦船構(gòu)建方式，試圖利用更少的資源，更加靈活地為海上作戰(zhàn)平臺(tái)搭建更加有效的作戰(zhàn)系統(tǒng)。靈活艦船（Flexible warship）這一概念正是在該背景下被提出，即通過解耦作戰(zhàn)平臺(tái)與作戰(zhàn)系統(tǒng)，為艦船提供靈活的作戰(zhàn)系統(tǒng)配置，利用可調(diào)度的有限作戰(zhàn)資源實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)效能的最大化，并降低全壽期費(fèi)用。

以往的艦船設(shè)計(jì)通常針對(duì)固定任務(wù)，為艦船搭配固定的系統(tǒng)配置，在設(shè)計(jì)之初，艦載系統(tǒng)的配置需要與船體一并設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)更加合理的整體方案，但由于計(jì)算機(jī)軟硬件的更新速率較快，在長達(dá)數(shù)年的設(shè)計(jì)制造過程中往往會(huì)使艦船的系統(tǒng)配置在服役時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于同時(shí)期的軟硬件，而且這種針對(duì)固定任務(wù)量身定制的設(shè)計(jì)方案也會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的軟硬件緊耦合，為后期的更新改造帶來技術(shù)與成本上的限制，無法更好地適應(yīng)快速迭代的技術(shù)進(jìn)步以及日趨復(fù)雜多變的海上威脅。

靈活艦船采用模塊化的開放式體系結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過標(biāo)準(zhǔn)的接口和預(yù)定義的路由來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)各模塊的快速安裝、更換以及升級(jí)，其對(duì)整個(gè)艦船的結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)施沒有或僅有少量的影響，從設(shè)計(jì)的角度來看，這樣就允許系統(tǒng)和船體并行設(shè)計(jì)，在后期實(shí)現(xiàn)快速的升級(jí)，或利用任務(wù)包（Mission package［1］）的形式為艦船更換任務(wù)系統(tǒng)。

1 艦船的靈活性

1.1 什么是靈活性

靈活性在不同的學(xué)科有著不同的定義，在工業(yè)領(lǐng)域多指某個(gè)系統(tǒng)應(yīng)對(duì)來自系統(tǒng)外部或系統(tǒng)本身變化的能力，或者說應(yīng)對(duì)未知的能力。

制造領(lǐng)域?qū)`活性有著廣泛且深入的研究，Browne和Sethi［2-3］等將生產(chǎn)的靈活性分為了機(jī)器靈活性、工藝靈活性、市場(chǎng)靈活性等11類（表1），表示了生產(chǎn)領(lǐng)域所涉及的可能需要靈活處理的相關(guān)內(nèi)容。靈活處理（或稱“柔性”）通常能夠反映制造過程中2個(gè)方面的能力：一是系統(tǒng)滿足新產(chǎn)品要求的程度，即是否用已有生產(chǎn)線或稍加改進(jìn)即可生產(chǎn)出滿足市場(chǎng)需求的產(chǎn)品；二是系統(tǒng)出現(xiàn)故障或干擾時(shí)，是否能夠或多大程度上能夠完成原本生產(chǎn)任務(wù)的能力。

表1 Browne和Sethi定義的生產(chǎn)領(lǐng)域的11類靈活性Table 1 Eleven types of flexibilities in manufacture field defined by Browne and Sethi

企業(yè)領(lǐng)域的靈活性是指業(yè)務(wù)流程適應(yīng)外部環(huán)境動(dòng)態(tài)變化的能力。通過對(duì)業(yè)務(wù)流程的優(yōu)化或業(yè)務(wù)流程的重組等研究，對(duì)現(xiàn)有的業(yè)務(wù)流程進(jìn)行徹底的再思考和根本的再設(shè)計(jì)，以達(dá)到靈活適應(yīng)用戶需求的目的。

軟件領(lǐng)域的靈活性指軟件適應(yīng)用戶需求動(dòng)態(tài)變化的能力。通過軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模塊設(shè)計(jì)、面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)、軟件架構(gòu)、設(shè)計(jì)模式以及基于組件的工程等方面的研究，以達(dá)到軟件更易于設(shè)計(jì)、維護(hù)和更魯棒的目標(biāo)［4］。

未來是不確定的，這種不確定存在于系統(tǒng)內(nèi)部，也存在于外界環(huán)境，正如制造領(lǐng)域中需要靈活應(yīng)對(duì)不斷變化的市場(chǎng)需求一樣，作戰(zhàn)平臺(tái)所面臨的變化也日趨復(fù)雜，軟硬件基礎(chǔ)設(shè)施的不斷更迭、系統(tǒng)架構(gòu)的更新，都要求系統(tǒng)能夠不斷地進(jìn)行維護(hù)升級(jí)，更重要的是，面對(duì)海上越來越復(fù)雜的可能出現(xiàn)的非對(duì)稱威脅，系統(tǒng)需要有足夠的能力去應(yīng)付這些變化，這就為艦船提出了相當(dāng)高的靈活性要求。

1.2 艦船任務(wù)系統(tǒng)的靈活性

通過對(duì)不同領(lǐng)域靈活性的分析，可以針對(duì)艦船提出艦船靈活性的概念。艦船的靈活性主要指作戰(zhàn)系統(tǒng)以盡量少的改變完成盡量多的任務(wù)，即當(dāng)有新任務(wù)時(shí)，作戰(zhàn)系統(tǒng)可以不發(fā)生更改或通過少量更改完成任務(wù)。艦船的靈活性通常應(yīng)該包含以下4點(diǎn)：

1）適應(yīng)性：在有限的時(shí)間或成本要求內(nèi)，系統(tǒng)和設(shè)備增、刪、改后艦船完成給定任務(wù)的能力。

2）模塊化：在艦船的建造過程中采用標(biāo)準(zhǔn)化的接口和模塊化組件以減少系統(tǒng)的集成復(fù)雜度以及能力改造復(fù)雜度。

3）伸縮性：為了滿足不同任務(wù)需求進(jìn)行軟硬件設(shè)備增刪而不犧牲其他作戰(zhàn)效能的能力。

4）子系統(tǒng)的重用性：子系統(tǒng)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，獨(dú)立于艦船平臺(tái)，并且可以為多個(gè)平臺(tái)之間重用。

上世紀(jì)80年代，由于艦船設(shè)計(jì)制造的成本高昂，加上任務(wù)需求不斷增多，歐洲多國在建設(shè)海軍力量時(shí)開始構(gòu)思如何利用通用系統(tǒng)與船體來建造更加靈活的艦船。表2所示為一些成功的案例［5］。

表2 歐洲各型靈活設(shè)計(jì)的艦船Table 2 Flexible ships of Europe an navies

StanFlex（或稱Standard Flex）系統(tǒng)［6］是丹麥的模塊化任務(wù)系統(tǒng)，搭載在“飛魚”級(jí)（Flyvefisken）多任務(wù)艦船上，該系統(tǒng)的概念誕生自上世紀(jì)80年代，丹麥在探討如何為本國海軍進(jìn)行改換裝時(shí)，萌生了通過單一船體搭載不同任務(wù)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)多功能多任務(wù)艦船的概念，通過將任務(wù)系統(tǒng)的軟硬件封裝在一個(gè)集裝箱內(nèi)，利用標(biāo)準(zhǔn)接口與整艘艦船的總線相連，很好地實(shí)現(xiàn)了任務(wù)系統(tǒng)模塊的“即插即用”，通過更換不同的任務(wù)系統(tǒng)，一艘艦船能夠執(zhí)行9種不同的任務(wù)，包括偵察、布雷、掃雷、水面戰(zhàn)、反潛、水道測(cè)量、海洋調(diào)查、環(huán)境保護(hù)以及信號(hào)偵測(cè)。

由于冷戰(zhàn)結(jié)束以及隨之而來的預(yù)算縮減，美軍也開始構(gòu)思如何建造更加靈活的多任務(wù)艦船［7］。根據(jù)美軍的構(gòu)想，靈活的多任務(wù)艦船不僅可以通過標(biāo)準(zhǔn)的接口解耦作戰(zhàn)平臺(tái)和作戰(zhàn)系統(tǒng)，同時(shí)還可以通過快速的作戰(zhàn)配置和預(yù)置的接入路由規(guī)則獲得快速的作戰(zhàn)響應(yīng)。瀕海戰(zhàn)斗艦［8］（Littoral Combat Ship，LCS）正是針對(duì)這些目標(biāo)而設(shè)計(jì)的，與StanFlex系統(tǒng)所采用的任務(wù)系統(tǒng)及平臺(tái)分離的方式類似，LCS也使用標(biāo)準(zhǔn)裝備與模塊化的任務(wù)系統(tǒng)相結(jié)合的策略，艦上常駐武器模塊包括50 mm口徑機(jī)關(guān)槍、Mk-110炮、RIM-116拉姆/海拉姆導(dǎo)彈，而任務(wù)模塊主要分為三大類：水雷戰(zhàn)、水面戰(zhàn)和反潛戰(zhàn)。除此之外，標(biāo)準(zhǔn)的接口與模塊化的開放式系統(tǒng)為未來可能產(chǎn)生的各種作戰(zhàn)或非作戰(zhàn)任務(wù)模塊提供了擴(kuò)展的可能，例如火力支援、海洋環(huán)境調(diào)查、人道救援等，多樣化的任務(wù)系統(tǒng)模塊配合LCS船體本身快速、靈活的機(jī)動(dòng)能力，使得LCS可以針對(duì)各種任務(wù)做出迅速的反應(yīng)。

1.3 靈活艦船的優(yōu)勢(shì)

通過在艦船設(shè)計(jì)初期進(jìn)行模塊化的靈活設(shè)計(jì)［9］，解耦作戰(zhàn)平臺(tái)和作戰(zhàn)系統(tǒng)，使得平臺(tái)通過搭載不同的設(shè)備及子系統(tǒng)以獲得不同的作戰(zhàn)能力，在保證作戰(zhàn)效能的前提下可以減少平臺(tái)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，基于這樣的解耦合，靈活艦船有著多方面的優(yōu)勢(shì)：

1）成本控制。

靈活的艦船在成本控制方面效果是可觀的，由于采用了通用的設(shè)計(jì)方式、標(biāo)準(zhǔn)的接口以及冗余的空間布置，可以大幅節(jié)省建造成本。Garyer等［10］通過對(duì)10艘不同級(jí)別艦船的調(diào)查得出，采用靈活設(shè)計(jì)與建造的艦船總價(jià)與傳統(tǒng)建設(shè)方式相比平均每英噸（Long ton）可節(jié)省近50%，包括：

（1）25%的時(shí)間成本；

（2）40%的人員成本；

（3）17%的建造成本，其中包括武器系統(tǒng)的安裝。

在設(shè)備價(jià)格持續(xù)攀升的大環(huán)境下，這樣的成本節(jié)省是相當(dāng)顯著的。并且由于和平臺(tái)解耦、子系統(tǒng)的采購和貯存等都可以單獨(dú)進(jìn)行，大幅降低了全壽期費(fèi)用。

2）響應(yīng)能力。

通過靈活的配置方案，艦船可以保證當(dāng)艦上子系統(tǒng)需要進(jìn)行維護(hù)時(shí)能夠更換其他備用設(shè)備，不會(huì)導(dǎo)致整艘船無法作業(yè)，抑或是某艦船如果無法繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)（退役或失去作戰(zhàn)能力）其上的可用模塊可以繼續(xù)為其他艦船使用。與傳統(tǒng)的“定制”方式建造的艦船相比，子系統(tǒng)不再依附于艦船主體，當(dāng)需要對(duì)任務(wù)進(jìn)行響應(yīng)時(shí)，艦船通過搭載所需模塊即可快速進(jìn)行任務(wù)響應(yīng)。

3）提高可測(cè)試性。

在軟件行業(yè)中，模塊測(cè)試是一個(gè)十分重要的測(cè)試內(nèi)容，主要針對(duì)軟件中某一模塊進(jìn)行測(cè)試，包括模塊的接口和內(nèi)部數(shù)據(jù)以及功能等。因此實(shí)現(xiàn)艦船子系統(tǒng)與平臺(tái)的解耦合，可以方便地對(duì)子系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能進(jìn)行模塊測(cè)試以及互相之間的聯(lián)調(diào)，提高了作戰(zhàn)系統(tǒng)的可測(cè)試性。

2 建造靈活的艦船

靈活艦船的建造可以認(rèn)為是一個(gè)分解與重組的過程。將艦船整體按照功能劃分為適當(dāng)大小的功能區(qū)域，分解后的區(qū)域具有適當(dāng)?shù)目臻g結(jié)構(gòu)，以及能夠滿足所需任務(wù)功能的軟硬件接口。這些功能區(qū)域能夠單獨(dú)或組合使用，以根據(jù)不同的需求實(shí)現(xiàn)不同的任務(wù)。完成了功能區(qū)域的劃分，就需要考慮這些功能區(qū)域所能搭載的設(shè)備與系統(tǒng)，如圖1所示，在標(biāo)準(zhǔn)船體上，通過標(biāo)準(zhǔn)接口進(jìn)行模塊的安裝，具有適應(yīng)性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)可靠、建造周期短、費(fèi)用低廉等顯著特點(diǎn)，同時(shí)由于采用了模塊化的作戰(zhàn)系統(tǒng)配置方式，使得該艦可以根據(jù)不同用戶的需求從任意供應(yīng)商靈活地選用合適的系統(tǒng)進(jìn)行組合。

圖1 模塊化的靈活艦船F(xiàn)ig.1 A modular flexible ship

2.1 靈活的設(shè)計(jì)

“即插即用”這一概念是建造靈活艦船的關(guān)鍵詞［11］，在設(shè)計(jì)時(shí)將艦船平臺(tái)作為一個(gè)有待擴(kuò)展的通用平臺(tái)，通過標(biāo)準(zhǔn)接口擴(kuò)展自身的任務(wù)能力這種方式與傳統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路相比，不但降低了成本，分?jǐn)偭孙L(fēng)險(xiǎn)，還能減少艦船在需要進(jìn)行系統(tǒng)更新時(shí)的等待時(shí)間，做到系統(tǒng)獨(dú)立更新，而平臺(tái)通過更換任務(wù)系統(tǒng)繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)。美海軍正是根據(jù)這樣的思路，引入了開放式體系結(jié)構(gòu)（Open Architecture，OA）與模塊化開放式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)（Modular Open System Architecture，MOSA［12］）的設(shè)計(jì)方法來開發(fā)全艦的開放式體系結(jié)構(gòu)。

2.1.1 開放式體系結(jié)構(gòu)

OA是一種技術(shù)架構(gòu)，采用公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)組織或市場(chǎng)廣泛接受和支持的開放標(biāo)準(zhǔn)，支持模塊化、松耦合和高內(nèi)聚的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。采用OA可以很好地提高系統(tǒng)的模塊化與互操作性，通過軟硬件的重用，使得系統(tǒng)具有很好的伸縮性，為系統(tǒng)的后期維護(hù)以及功能的變更降低門檻。構(gòu)建OA的基本原則如下［13］：

1）基于開放標(biāo)準(zhǔn)的模塊化、松耦合、高內(nèi)聚設(shè)計(jì)，允許獨(dú)立采購部件。

2）基于合作的企業(yè)投資策略，盡可能對(duì)已驗(yàn)證的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行重用，確保利用最小的開銷獲取最大收益。

3）通過引入新技術(shù)和不斷更新產(chǎn)品轉(zhuǎn)變軟件密集型系統(tǒng)的全壽命維護(hù)戰(zhàn)略。

4）通過透明的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、持續(xù)的設(shè)計(jì)公開以及政府、學(xué)術(shù)界和業(yè)界的審查顯著降低開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。

5）通過替代源和解決方案來確保競(jìng)爭(zhēng)。

OA的一個(gè)典型應(yīng)用是洛克希德·馬丁公司針對(duì)宙斯盾系統(tǒng)的現(xiàn)代化。宙斯盾系統(tǒng)是美軍最復(fù)雜、功能特別強(qiáng)大的海軍指揮和武器控制系統(tǒng)之一（圖2）。該系統(tǒng)采用基于“基線（Baseline）”的螺旋上升式開發(fā)方法，不斷完善和升級(jí)系統(tǒng)，提高其作戰(zhàn)效能。在開發(fā)過程中，將陳舊的、開放性不夠的作戰(zhàn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)镺A系統(tǒng)，通過使用POSIX，OMG等商用標(biāo)準(zhǔn)降低基礎(chǔ)設(shè)備之間的耦合程度，提供模塊化的、方便連接且可互操作的部件，使得宙斯盾的各個(gè)子系統(tǒng)之間可以重用作戰(zhàn)應(yīng)用程序，不需要詳細(xì)了解子系統(tǒng)內(nèi)部的工作方式和執(zhí)行過程［14］。

波音公司利用開放式體系結(jié)構(gòu)做過一項(xiàng)針對(duì)B-52轟炸機(jī)的升級(jí)［15］，即將美國國防部的開放任務(wù)系統(tǒng)（Open Mission Systems，OMS）集成到B-52的 CONECT（CombatNEtwork Communications Technology）系統(tǒng)中，其中OMS系統(tǒng)軟件供應(yīng)商包括美國空軍、波音公司以及洛克希德·馬丁公司。誕生于上世紀(jì)50年代的B-52轟炸機(jī)藉由OA獲得了洛克希德·馬丁公司的瞄準(zhǔn)吊艙系統(tǒng)（Sniper pod）、分布式數(shù)據(jù)影像以及照片獲取存儲(chǔ)能力。這項(xiàng)針對(duì)B-52的升級(jí)充分說明了開放式體系結(jié)構(gòu)如何為遺留系統(tǒng)方便地集成先進(jìn)功能，從而提高系統(tǒng)作戰(zhàn)效能。

圖2 宙斯盾系統(tǒng)的開放式體系結(jié)構(gòu)計(jì)算環(huán)境Fig.2 Open architecture computing environment in AEGIS system

2.1.2 模塊化系統(tǒng)

模塊化是一種設(shè)計(jì)方法，系統(tǒng)部件作為一個(gè)獨(dú)立的可操作單元，遭受周期性的改變。系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)接口、尺寸和性能參數(shù)，以便于組裝、維修或靈活布置和使用。模塊化有不同的應(yīng)用方式。海軍艦船實(shí)現(xiàn)的模塊化主要可以分為以下5個(gè)子類［16］：

1）建造模塊化。艦船的建造包括多種不同部分（如模塊、分段、貨盤等），在船塢的特定位置，或者在船廠之外。這些分段或模塊被運(yùn)送到船塢的一個(gè)位置進(jìn)行最后組裝。建造模塊化允許更短的建設(shè)時(shí)間，因?yàn)榕灤牟煌糠挚梢圆⑿兄圃臁?/p>

2）軟件模塊化。開放式體系結(jié)構(gòu)計(jì)算環(huán)境（Open Architecture Computing Environment，OACE）允許通過使用開放的系統(tǒng)更新所有重要計(jì)算機(jī)的相關(guān)程序。更新軟件而非更換物理機(jī)可以大幅節(jié)省成本。

3）部件共享。一個(gè)系統(tǒng)或平臺(tái)的部件可以與另一個(gè)系統(tǒng)或平臺(tái)共享。部件共享可以簡(jiǎn)化后勤、降低成本和復(fù)雜度，并加快技術(shù)革新。此類模塊化的一個(gè)應(yīng)用方向是在多級(jí)艦船之間共享一個(gè)船體設(shè)計(jì)。

4）載機(jī)模塊化。載機(jī)模塊化指通過搭載到不同類型的平臺(tái)提供某種任務(wù)能力，包括空中、水面和水下。這些載機(jī)采用標(biāo)準(zhǔn)接口和通用的加載、釋放系統(tǒng)，使不同的艦船可以使用相同的載機(jī)。

5）任務(wù)模塊化。任務(wù)包是區(qū)別于艦船標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備和系統(tǒng)的一套任務(wù)負(fù)載部件。當(dāng)要求艦船執(zhí)行一項(xiàng)特定任務(wù)時(shí)，任務(wù)包被帶上船并快速安裝。通過使用開放系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)接口提高安裝效率。這種類型的模塊可以通過允許替換所需的單個(gè)部件來促進(jìn)升級(jí)和現(xiàn)代化。

由上述模塊化的分類可以看出模塊化的特點(diǎn)，即可重用和使用通用標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵接口。模塊化設(shè)計(jì)解耦了任務(wù)系統(tǒng)開發(fā)與平臺(tái)的開發(fā)，以保證最新的任務(wù)系統(tǒng)技術(shù)可以用于船體而不用在建造過程中預(yù)先組裝，這就為艦船搭載多任務(wù)包奠定了基礎(chǔ)。

2.2 靈活的采購與供應(yīng)鏈選擇

設(shè)計(jì)方法上的改變必然會(huì)導(dǎo)致資源組織方式的改變，也就會(huì)涉及到采購與供應(yīng)商選擇方式的變化。以美海軍為例，隨著OA的引入，美海軍開始將原本較為封閉與保守的采購策略逐漸向更加開放的多供應(yīng)商的采購方式轉(zhuǎn)變［17-18］。相較于封閉的系統(tǒng)，開放式系統(tǒng)更容易通過優(yōu)質(zhì)供應(yīng)商提供的擴(kuò)展部件獲得更好的性能提升，而且由于采用松耦合的標(biāo)準(zhǔn)接口，系統(tǒng)的增、刪、改更加容易，因此能夠獲得更快的迭代周期。OA能夠帶來諸如松散耦合、通用標(biāo)準(zhǔn)、公開接口等優(yōu)勢(shì)，這就要求在開發(fā)方式上由傳統(tǒng)的以平臺(tái)為主導(dǎo)向以能力為主導(dǎo)轉(zhuǎn)變，但是技術(shù)上的轉(zhuǎn)變還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。為了實(shí)現(xiàn)前述的多供應(yīng)商帶來的成本效益，必須針對(duì)OA建立相應(yīng)的采購方式。

OA的采購方式基于OA的諸多原則，允許眾多供應(yīng)商對(duì)通用的子系統(tǒng)模塊進(jìn)行競(jìng)標(biāo)，從而系統(tǒng)能夠以更低的成本獲得更好的性能擴(kuò)展。但采購方式的改革上會(huì)存在著一些阻力因素，這些阻力有時(shí)甚至?xí)燃夹g(shù)改革的阻力更大。美海軍的經(jīng)驗(yàn)顯示［19］，為了更好地實(shí)現(xiàn)OA，許多重大項(xiàng)目的采購改革都是由資深的采購負(fù)責(zé)人決斷，將采購模式由長期供貨商的供應(yīng)模式逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橐远唐娇鞛樘攸c(diǎn)的獨(dú)立采購模式。盡管有著這樣的改革思路，但美海軍的諸多項(xiàng)目還是無法完全采用OA的設(shè)計(jì)原則，其中有部分技術(shù)原因，但更多的還是來自采購及風(fēng)險(xiǎn)的原因。

除了OA的采購方法外，美軍的許多系統(tǒng)項(xiàng)目還采用了另一種采購方法，即產(chǎn)品線（Productline）采購方法［20］。產(chǎn)品線是指為了滿足特定市場(chǎng)或任務(wù)而設(shè)計(jì)制造的一組系統(tǒng)產(chǎn)品，這些產(chǎn)品的設(shè)計(jì)特性或核心部件相同或近似。在軟件行業(yè)中，產(chǎn)品線方法充分證明了其在成本控制、部署過程、迭代周期等方面的優(yōu)勢(shì)。產(chǎn)品線采購方式主要分為2種形式：

1）系統(tǒng)擁有者購買供應(yīng)商自己知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品線。這種形式要求供應(yīng)商有現(xiàn)有的產(chǎn)品線且有能力完成系統(tǒng)要求的能力建設(shè)。

2）系統(tǒng)擁有者設(shè)計(jì)產(chǎn)品線并要求不同的供應(yīng)商完成不同的部分，然后進(jìn)行集成。這種形式要求系統(tǒng)擁有者自己設(shè)計(jì)產(chǎn)品線并將不同的產(chǎn)品分配給不同的供應(yīng)商完成。

產(chǎn)品線采購方法在某一族產(chǎn)品時(shí)能夠獲得最大收益，而OA采購方法則是在單個(gè)系統(tǒng)持續(xù)集成時(shí)發(fā)揮作用，兩種方法各有自己的優(yōu)勢(shì)，在二者皆可使用的場(chǎng)景下可以參考以下幾點(diǎn)進(jìn)行選擇［19］：

1）成本。兩種方法均可顯著降低成本，OA方法通過引入供應(yīng)商來提升競(jìng)爭(zhēng)，但引入競(jìng)爭(zhēng)的一個(gè)問題在于是否能夠保證公平競(jìng)爭(zhēng)，在系統(tǒng)開發(fā)過程中，除了開發(fā)新系統(tǒng)外，還存在許多遺留系統(tǒng)，所以在存在遺留系統(tǒng)的大系統(tǒng)內(nèi)，往往會(huì)存在一些技術(shù)壁壘，使得新的供應(yīng)商無法進(jìn)行集成或者集成的成本很高。產(chǎn)品線采購方法則是通過將設(shè)計(jì)成本分?jǐn)偟秸麄€(gè)產(chǎn)品族來降低成本，相較于OA的采購方法，其區(qū)別主要在于隨著產(chǎn)品數(shù)量的增加，節(jié)省的成本就越多，而后者節(jié)省的成本則是一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的量。

2）交付時(shí)間。OA的采購方法是通過引入多供應(yīng)商的競(jìng)爭(zhēng)，從而帶動(dòng)某一類產(chǎn)品研發(fā)方法的創(chuàng)新來達(dá)到縮短交付時(shí)間。而產(chǎn)品線則是通過版本化的開發(fā)方式來實(shí)現(xiàn)快速交付。

3）產(chǎn)品質(zhì)量。OA的產(chǎn)品質(zhì)量保證主要來自于系統(tǒng)的軟硬件獨(dú)立性，高內(nèi)聚、松耦合以及可集成的模塊。而產(chǎn)品線采購方法的產(chǎn)品質(zhì)量保證則是由于在某一個(gè)版本的產(chǎn)品中解決的問題在后續(xù)版本中自動(dòng)得到了解決。

2.3 靈活的作戰(zhàn)流程

當(dāng)完成了平臺(tái)與大系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與采購，獲得了艦船的子系統(tǒng)集合后，接下來就需要針對(duì)任務(wù)進(jìn)行相應(yīng)的系統(tǒng)組織與集成，這也是由以平臺(tái)為主導(dǎo)向以任務(wù)為主導(dǎo)進(jìn)行轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵。

艦上系統(tǒng)主要分為2種：職能系統(tǒng)與任務(wù)系統(tǒng)。職能系統(tǒng)主要滿足艦上的基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)，比如船—機(jī)—電（HM&E）、船員居住艙室的基礎(chǔ)設(shè)施等，這類系統(tǒng)通常不會(huì)有太頻繁的更迭周期，因此可以認(rèn)為是較為“穩(wěn)定”的，但這并不影響這類系統(tǒng)使用前述的設(shè)計(jì)和采購方式來獲得后期可能存在的維護(hù)升級(jí)優(yōu)勢(shì)。任務(wù)系統(tǒng)則是指艦上的作戰(zhàn)系統(tǒng)以及相應(yīng)的基礎(chǔ)設(shè)施，包括火炮、導(dǎo)彈、C4ISR等。為了完成某一項(xiàng)作戰(zhàn)任務(wù)，這些作戰(zhàn)系統(tǒng)通常會(huì)遵守一定的作戰(zhàn)規(guī)則，這些規(guī)則一般用作戰(zhàn)流程來表示。作戰(zhàn)流程是為了完成某一特定作戰(zhàn)目標(biāo)而由不同設(shè)備和人員協(xié)同完成的一系列活動(dòng)，且作戰(zhàn)流程有著十分嚴(yán)格的時(shí)間要求，所以從作戰(zhàn)任務(wù)開始到結(jié)束，流程的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間限制將決定流程的長度。因此在作戰(zhàn)系統(tǒng)流程的設(shè)計(jì)與建模過程中，可以使用較為成熟的業(yè)務(wù)流程標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

為了更好地為業(yè)務(wù)流程提供IT實(shí)現(xiàn)，許多廠家和組織為業(yè)務(wù)流程制定了許多技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，主要分為2個(gè)方面：一是提供元模型以及執(zhí)行語義的語言模型，包括由工作流管理聯(lián)盟（WfMC）提出的XML過程定義語言（XML Process Definition Language，XPDL），由BEA，IBM和微軟編制的業(yè)務(wù)流程執(zhí)行語言（Business Process Execution Language，BPEL），這些語言通?；诮Y(jié)構(gòu)化的XML（eXtensible Markup Language），XML語言人機(jī)可讀，而且方便存儲(chǔ)與分析，這也是在作戰(zhàn)流程設(shè)計(jì)時(shí)可以利用的一大特性；二是方便業(yè)務(wù)流程設(shè)計(jì)人員編制圖形化流程的建模方法，比如由業(yè)務(wù)流程管理倡議組織（Business Process Management Initiation，BPMI）開發(fā)的業(yè)務(wù)流程建模與標(biāo)注（Business Process Modeling Notation，BPMN）。BPMN是基于圖形符號(hào)的設(shè)計(jì)語言，而BPEL和XPDL則提供結(jié)構(gòu)化的模型和執(zhí)行語義，二者的模型轉(zhuǎn)換對(duì)業(yè)務(wù)流程編制和IT實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要，目前也已經(jīng)有許多產(chǎn)品支持BPMN向BPEL和XPDL轉(zhuǎn)換，比如BizAgi公司的Process Modeler，JBoss公司的jBPM以及Alfresco公司的Activiti等［21］。

3 靈活性的分析與評(píng)價(jià)

系統(tǒng)的性能指標(biāo)量化分析對(duì)于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有著重要的作用，對(duì)靈活性這一指標(biāo)進(jìn)行分析有助于在系統(tǒng)設(shè)計(jì)與方案評(píng)估等方面進(jìn)行決策。在制造領(lǐng)域有許多評(píng)價(jià)系統(tǒng)靈活性的方法，眾多的評(píng)價(jià)方法說明這一領(lǐng)域的研究是生產(chǎn)系統(tǒng)甚至可以說是系統(tǒng)工程中一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，另一方面也說明目前還沒有一個(gè)被普遍接受的方法，只能針對(duì)系統(tǒng)的特質(zhì)提供一種特定的評(píng)價(jià)方式。

3.1 制造領(lǐng)域的靈活性分析

在制造領(lǐng)域內(nèi)，企業(yè)最關(guān)心的通常是生產(chǎn)系統(tǒng)能夠帶來的利潤，在自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)日漸成熟的當(dāng)前環(huán)境下，如何合理地應(yīng)對(duì)波動(dòng)的市場(chǎng)需求變化也就成了制造業(yè)內(nèi)十分關(guān)注的一個(gè)重點(diǎn)。對(duì)于生產(chǎn)系統(tǒng)的靈活性分析，諸多院校、企業(yè)及科研人員都投入了大量的工作，文獻(xiàn)［22］將生產(chǎn)系統(tǒng)的眾多靈活性分析方法進(jìn)行了分析歸納（表3），并給出了生產(chǎn)系統(tǒng)靈活性評(píng)價(jià)的相關(guān)內(nèi)容指標(biāo)：

表3 評(píng)價(jià)方法與指標(biāo)的關(guān)系Table3 Matrix of evaluating methods and indices

1）根據(jù)系統(tǒng)的屬性與關(guān)注點(diǎn)，分為工廠、工段、生產(chǎn)線和工位。

2）為了滿足多維度的靈活性，在分析方法中，時(shí)間成本、貨幣成本和產(chǎn)品多樣性這三者應(yīng)有同樣的權(quán)重。

3）評(píng)價(jià)方法必須能夠跨行業(yè)使用，且結(jié)果可比較。

4）必須考慮產(chǎn)量靈活性、混合產(chǎn)品靈活性和擴(kuò)展靈活性。

為了更好地應(yīng)對(duì)制造領(lǐng)域內(nèi)多層級(jí)的靈活度，Chryssolouris提出了一種針對(duì)制造系統(tǒng)的評(píng)價(jià)方法，其思想是計(jì)算系統(tǒng)需要進(jìn)行改變時(shí)的額外成本，并利用變化成本（Penalty of Change，POC）作為評(píng)價(jià)的指數(shù)［22］。當(dāng)一個(gè)制造系統(tǒng)在不增加更多成本的情況下執(zhí)行更改時(shí)，可以認(rèn)為該系統(tǒng)有最大的靈活度，此時(shí)的POC值為0，即變化成本為0；相反，如果系統(tǒng)更改帶來更多的成本，則POC的值應(yīng)該相應(yīng)增加。

為了計(jì)算POC的值，Chryssolouris引入了事件樹，通過每棵樹的葉子節(jié)點(diǎn)（事件）以及發(fā)生的概率計(jì)算每種可能性的成本，并以最低的成本為最佳。考慮下述情況：機(jī)器A每天生產(chǎn)1 000件產(chǎn)品，其成本為20 000元，但其對(duì)于可能發(fā)生的變化覆蓋率達(dá)到了80%，其POC值為20 000×80%= 16 000元；機(jī)器B每天生產(chǎn)10 000件產(chǎn)品，成本為100 000元，變化覆蓋率為20%，其POC值為100 000× 20%=20 000元；則從POC的角度分析，機(jī)器A較機(jī)器B節(jié)省了4 000的POC，所以盡管機(jī)器B的日產(chǎn)量較高，根據(jù)對(duì)靈活度的要求還是選擇機(jī)器A。

基于POC的評(píng)價(jià)方法對(duì)于一個(gè)需要靈活改變流程并計(jì)算成本的組織來說是可行的。但是一個(gè)比較關(guān)鍵的問題在于，POC的值依賴于成本與概率，當(dāng)成本給定時(shí)，概率就顯得尤為重要，以上述的兩臺(tái)機(jī)器為例，如果二者的變化覆蓋率同時(shí)降低5%，則二者的POC差值為0，此時(shí)的POC方法就無法適用。

3.2 軟件的靈活性分析

軟件通常是為了實(shí)現(xiàn)某一些功能和業(yè)務(wù)而編寫，但由于業(yè)務(wù)和功能需求常常會(huì)發(fā)生變化，因此軟件也需要足夠的靈活性來應(yīng)對(duì)這些變化。與其他領(lǐng)域的靈活性相似，軟件的靈活性也是為了讓軟件以更低的成本完成更多的任務(wù)，所以從宏觀的角度分析，成本（時(shí)間和貨幣）與軟件功能的豐富程度是一個(gè)比較簡(jiǎn)單的衡量靈活性的方式。

對(duì)于不同應(yīng)用場(chǎng)景下的軟件靈活性已有一些研究。Shen和Ren［23］通過靈活點(diǎn)和一些軟件的靈活性屬性指標(biāo)對(duì)如何分析軟件的靈活性進(jìn)行了分析，并給出了一個(gè)基于該方法的工資計(jì)算軟件靈活性分析的算例。軟件通常使用編程語言來進(jìn)行編碼實(shí)現(xiàn)，因此，軟件的結(jié)構(gòu)可以認(rèn)為由2部分組成，即靜態(tài)部分和動(dòng)態(tài)部分。靜態(tài)部分包括軟件的代碼、框架等結(jié)構(gòu)化部分，動(dòng)態(tài)部分包括運(yùn)行時(shí)的行為、業(yè)務(wù)流程和用戶交互等［23］，進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，通常希望靜態(tài)部分在完成后僅暴露接口，接口內(nèi)部則盡量不改動(dòng)，因此要更加靈活地實(shí)現(xiàn)軟件的功能擴(kuò)展，就需要對(duì)動(dòng)態(tài)部分進(jìn)行修改，通過改變接口組織的方式實(shí)現(xiàn)軟件的靈活性。如前文所述，業(yè)務(wù)流程管理系統(tǒng)可以通過預(yù)定義的規(guī)則對(duì)軟件模塊進(jìn)行組織并進(jìn)行業(yè)務(wù)流轉(zhuǎn)，因此對(duì)于一個(gè)稍大規(guī)模的軟件而言，其靈活性可以通過業(yè)務(wù)流程的靈活性來體現(xiàn)。Zhao［24］在研究業(yè)務(wù)流程管理系統(tǒng)時(shí)提出將系統(tǒng)的適應(yīng)性與系統(tǒng)的通用性作為衡量軟件靈活性的指標(biāo)。Deiters［25］等則針對(duì)業(yè)務(wù)流程系統(tǒng)提出了流程靈活性、跨組織靈活性、靈活管理與知識(shí)以及靈活的任務(wù)分配等4個(gè)方面的內(nèi)容。

3.3 作戰(zhàn)系統(tǒng)的靈活性分析

艦船作戰(zhàn)系統(tǒng)由多個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，這些子系統(tǒng)以特定的作戰(zhàn)規(guī)則進(jìn)行流轉(zhuǎn)并完成作戰(zhàn)任務(wù)，對(duì)作戰(zhàn)系統(tǒng)的靈活性進(jìn)行評(píng)價(jià)可以很好地反映艦船的靈活性。目前評(píng)價(jià)作戰(zhàn)系統(tǒng)靈活性的研究并不多，張萌萌等［26］通過運(yùn)用制造業(yè)中車間—產(chǎn)品模型方法對(duì)C4ISR系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)靈活性進(jìn)行的分析是一個(gè)值得關(guān)注的方向，此外，利用業(yè)務(wù)流程管理對(duì)作戰(zhàn)流程進(jìn)行建模與評(píng)價(jià)也值得嘗試。本研究將簡(jiǎn)單地闡述一種結(jié)合作戰(zhàn)流程與制造業(yè)中的變化成本法對(duì)系統(tǒng)靈活性進(jìn)行分析的方法。

基于前文的定義，作戰(zhàn)系統(tǒng)是否靈活，可以通過判斷這個(gè)系統(tǒng)是否能夠通過盡可能少的改變完成盡可能多的任務(wù)來實(shí)現(xiàn)。作戰(zhàn)任務(wù)通常都會(huì)按照一定的流程來實(shí)現(xiàn)，而作戰(zhàn)流程包含很多個(gè)子流程，故可以將一個(gè)作戰(zhàn)流程通過流程樹的方式展開，將每一種可能的作戰(zhàn)流程實(shí)例作為樹的分支并計(jì)算作戰(zhàn)結(jié)果，然后再參考POC方法的思路對(duì)作戰(zhàn)結(jié)果和作戰(zhàn)系統(tǒng)的成本進(jìn)行綜合分析。

一個(gè)基于變化成本的作戰(zhàn)系統(tǒng)靈活度評(píng)價(jià)方法應(yīng)該包含2個(gè)步驟：

1）建立作戰(zhàn)系統(tǒng)包含的系統(tǒng)單元集合以及該作戰(zhàn)系統(tǒng)可能完成的任務(wù)集合，計(jì)算出作戰(zhàn)系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)集合中每個(gè)任務(wù)的作戰(zhàn)成功率PMission，當(dāng)PMission的值大于某一要求的值時(shí)，便認(rèn)為可以勝任該任務(wù)，勝任的任務(wù)集與任務(wù)全集的比值定義為任務(wù)覆蓋率PMC。假設(shè)S為某艦上所有系統(tǒng)單元的全集，Sn表示集合中的子系統(tǒng)，則

M表示作戰(zhàn)系統(tǒng)可能完成的任務(wù)的全集，Mn表示集合中的任務(wù)，則

假設(shè)有一任務(wù)子集Msub，如果給定的系統(tǒng)單元集合S在更改系統(tǒng)組成的情況下，利用集合中已有的系統(tǒng)單元子集執(zhí)行任務(wù)并能夠勝任集合Msub中的所有任務(wù)，則該艦船的作戰(zhàn)系統(tǒng)任務(wù)覆蓋率PMC=Msub/M。

2）為了提高任務(wù)覆蓋率，可以通過增加成本的方式來增加系統(tǒng)的作戰(zhàn)能力，也就是在作戰(zhàn)系統(tǒng)建設(shè)時(shí)，通過高成本增加作戰(zhàn)能力有可能提高任務(wù)覆蓋率，但是對(duì)于靈活的艦船而言，希望盡可能通過投入更少的成本來完成更多任務(wù)，因此研究系統(tǒng)的靈活性需要綜合考慮成本帶來的影響。前文中介紹過制造業(yè)中評(píng)價(jià)靈活性的POC方法是通過變化覆蓋率與成本的乘積來作為制造系統(tǒng)的靈活性指標(biāo)，然而增加成本與提高任務(wù)覆蓋率是正相關(guān)的，因此單純的乘積無法反映系統(tǒng)的靈活性，此時(shí)需要對(duì)這2個(gè)屬性值進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)以給出量化指標(biāo)，并通過量化指標(biāo)進(jìn)行比較選取。

4 結(jié) 語

高靈活性能夠提高艦船的多任務(wù)能力，降低全壽命周期成本。相較于傳統(tǒng)的艦船設(shè)計(jì)方式，靈活的艦船能夠更快地完成現(xiàn)代化建設(shè)與改造，提高艦船的服役效率。靈活的艦船有著諸多的優(yōu)點(diǎn)，至于是否一艘艦船的所有部分都要靈活的建造國外一些先進(jìn)案例已經(jīng)帶來了一些能夠參考的要素，比如模塊化的標(biāo)準(zhǔn)站位、通用的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)設(shè)施搭配標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展軟件、模塊接入路由方式等。

如何選擇合適的模塊進(jìn)行靈活制造是一個(gè)需要長期驗(yàn)證的過程，這對(duì)系統(tǒng)集成商和平臺(tái)設(shè)計(jì)方都提出了很高的要求。對(duì)系統(tǒng)集成商而言，設(shè)計(jì)一個(gè)靈活的艦載系統(tǒng)首先需要根據(jù)功能進(jìn)行系統(tǒng)的劃分，整體把握系統(tǒng)的分布，并充分使用模塊化的設(shè)計(jì)思想，除了軟硬件能兼容船體接口外，還要為系統(tǒng)的后期維護(hù)、更新、更換提供很好的支持，最重要的一點(diǎn)是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，區(qū)分需要不斷更換、更新的部件以及需要常駐的部件，這也是讓艦船保持在一個(gè)適當(dāng)?shù)撵`活度的關(guān)鍵。而對(duì)于平臺(tái)設(shè)計(jì)方而言，則要充分考慮系統(tǒng)的模塊化特性，為系統(tǒng)的接入提供標(biāo)準(zhǔn)的接口，為武器的站位提供可靈活配置的空間。

建造靈活的艦船是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，不僅需要平臺(tái)和系統(tǒng)承建商有著優(yōu)異的設(shè)計(jì)制造能力，還對(duì)整個(gè)工程建設(shè)的風(fēng)險(xiǎn)控制、供應(yīng)商管控能力有著很高的要求。靈活的艦船不僅能提高海上的現(xiàn)代化作戰(zhàn)能力，還能通過引入競(jìng)爭(zhēng)刺激創(chuàng)新，一方面降低了技術(shù)成本與風(fēng)險(xiǎn)，另一方面能夠不斷提高設(shè)計(jì)方、制造方的綜合建設(shè)能力，為整個(gè)海上裝備的設(shè)計(jì)、制造、采購體系帶來很好的促進(jìn)作用。

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Flexibility of warships：an overview

FU Zenan，DONG Xiaoming
China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

U674.7+02

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2017.05.002

2016-11-14< class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：

時(shí)間：2017-9-26 11:12

付澤南，男，1990年生，碩士。研究方向：船舶信息系統(tǒng)集成與優(yōu)化。E-mail：dantefu9001@163.com

董曉明（通信作者），男，1975年生，博士，高級(jí)工程師。研究方向：艦船作戰(zhàn)系統(tǒng)，分布式仿真，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。E-mail：phdotd@gmail.com

http://kns.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20170926.1112.032.html期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

付澤南，董曉明.艦船靈活性概述［J］.中國艦船研究，2017，12（5）：13-21.

FU Z N，DONG X M.Flexibility of warships：an overview［J］.Chinese Journal of Ship Research，2017，12（5）：13-21.