全艦計算環境工程項目管理研究*

李 明 唐 亮 王允峰 董曉明

（1．武漢市74223信箱 武漢 430074）（2．中國艦船研究設計中心 武漢 430064）

全艦計算環境工程項目管理研究*

李 明1唐 亮2王允峰2董曉明2

（1．武漢市74223信箱 武漢 430074）（2．中國艦船研究設計中心 武漢 430064）

美軍新型驅逐艦DDG－1000上的全艦計算環境（TSCE）是一項復雜的系統工程，采用最為先進的前沿技術，以軟件開發工作為主，1700萬行代碼在“國家隊”授權的、分布在25個地區的80個不同的公司同時開發。該項目不僅在技術實現方面有一定難度，而且在工程項目管理方面也具有極大的挑戰性。該文主要介紹美軍全艦計算環境工程項目管理的特征和經驗，針對工程實施中進度和困難進行總結分析，旨在為我國艦艇信息化發展起到一定參考和借鑒的作用。

全艦計算環境；項目管理；任務分工

Class NumberTP302

1 引言

全艦計算環境（TSCE）應用于美國海軍最先進的驅逐艦DDG-1000上，是革命性的艦載信息系統集成方式，將水面戰斗艦艇上所有戰時和非戰時的功能集成到一個公共全局的計算環境之中，同時還擴展了許多岸上作業，包括維護、后勤及訓練功能，以支持DDG-1000的調度部署。

TSCE的核心部分定義了21世紀水面戰斗艦艇的全部計算特征，基于公共資源基礎設施之上，將作戰與平臺系統功能集成。TSCE是一個開放式系統，旨在滿足DDG-1000作戰需求和作戰概念中提出的所有當前以及未來的使命任務需求。

具體的TSCE可以從兩個不同的角度進行詮釋。第一就是物理上的TSCE，包括處理器、網絡和顯示硬件，DDG-1000上采用標準一致的商用現貨產品，并將其有機地集成為一個整體。這一硬件環境涵蓋艦上所有功能，形成可管理的計算資源池。第二點就是TSCE軟件，這也是真正使DDG-1000不同于以往艦船的區別所在。

DDG-1000的TSCE軟件環境采用面向服務架構（SOA），軟件環境中的每個單元都可以看作是為系統提供的一項服務。每項服務至少等同于TSCE中的一個獨立的軟件對象。TSCE的軟件服務在TSCE物理環境的所有硬件資源平臺上運行。應用程序可以位于艦船數據中心、岸站或遠程訪問設備，只要設備可以提供必要的計算資源，軟件安裝于什么位置并沒有差異。TSCE通過查詢和發現機制對服務逐個定位，并將其作為軟件集群中的一部分吸納到整個軟件環境之中。TSCE的目標就是使服務能夠按照系統任務需求的變化，隨時從TSCE中刪除或添加。更重要的是，當有系統錯誤或有意外事件發生時，系統可以動態遷移服務，在動態變化的計算環境中最大程度地保證系統的穩定性、可測性和實用性［1］。

DDG-1000的TSCE采用基于開放式標準的集成方法，它將應用層與基礎軟硬件分離，消除了以往武器與傳感器必須嚴格配對使用的固化模式，同時也消除了必須獨立管理戰術軟件程序的要求。DDG-1000通過實現TSCE，為整個海軍水面艦艇“開放式體系結構（OA）”變革確立了整體技術框架。該項目中海軍將系統總集成任務承包給了雷聲系統公司，同時組織了80多家不同領域、不同地區、不同規模的公司，以及近2000名工作人員組成“國家隊”，同時進行1700萬行代碼的開發和全艦硬件資源的配置，因此，有效的項目管理方法和組織形式勢必成為TSCE成功的關鍵。

2 TSCE項目管理原則

雷聲公司DDG-1000項目經理 Mike Hoeffle表示：“本質上，你可以把TSCE想象成一臺個人電腦，把傳感器和武器看作是打印機、終端設備以及其他的一些外圍設備。新的組件可以實現“即插即用”，就像插入USB口一樣，無需花費太多的時間，也無需復雜的集成過程。”

TSCE的這些特點和功能正是其軟件開發艱難和充滿挑戰的原因，為了實現這一挑戰，雷聲公司在開發的過程中，遵循以下三條核心原則［2］：

2．1 嚴格遵守建立完善的軟件開發制度

自上世紀八十年代中期，卡內基梅隆大學軟件工程學會（SEI）創造了“能力成熟度模型（CMM）”，該模型在政府開發的軟件工程項目中被廣泛應用。它給防務組織提供了一個評估和描述軟件開發商能力的標桿，衡量其在限定的時間和預算之內，實現滿足標準要求軟件的能力。該模型中將軟件實現能力定義為五個等級，分別為：1）初始級；2）可重復級；3）已定義級；4）已管理級；5）優化級。絕大多數公司水平都僅為1～2級，只有像IBM這樣實力雄厚的企業才能達到3～4級的水平，可以達到5級的公司幾乎是沒有的。DDG-1000項目中明確要求，參加TSCE研發的軟件公司CMM至少不低于3級，據統計，最終TSCE團隊的平均CMM等級值達到3．7，這在艦船領域現階段的系統開發中是十分罕見的。

2．2 開放式體系結構的使用

盡管在商業社會中保持長期合作的關系存在許多優勢，但開放式體系結構的獨有特征仍使其成為目前海軍裝備研制技術中的發展趨勢。因為這種方法可以使軟硬件組件隨時簡單地添加到整個系統當中。艦上系統包括大量的組件設備，采用不同廠家的產品可使更多供貨商的產品可用，從而減低艦艇的設計建造費用，同時提高集成系統之間的互操作。由于美國國防部決定不再為某個專項應用技術開發投資，但仍需解決快速技術升級的問題，因此，投資商用產品成為一種較好的解決辦法。這樣系統的設計可以很容易地修改和認證。

2．3 “國家隊”的組織形式

TSCE這種復雜的集成系統如果沒有一個優秀的團隊和管理辦法是不可能實現的，這些成員包括與海軍簽署長期協議和擔保的，以及臨時加入團隊友情協助的。因此DDG-1000軟件開發策略的關鍵因素就是頂尖的系統集成商的廣泛聯合，包括：諾斯羅普·格魯曼、雷聲系統公司、洛克希德·馬丁以及波音公司。另外，海軍實驗室在專業能力提升的同時，確保參與系統開發的全部團隊成員都對DDG-1000的整個系統架構保持徹底的公開透明。

3 TSCE研制階段劃分

美軍的艦船設計和建造流程分為：概念設計、方案設計、技術設計、詳細設計和建造（集成）、工程和后勤生命周期保障五個階段。如圖1所示，TSCE項目策劃從艦船設計第一、第二階段就開始了，而具體開發工作主要集中在第三、第四階段。

圖1 艦船設計建造的流程和TSCE開發階段

TSCE采用“螺旋式”的發展模式，最初計劃是從2003年初到2005年末，完成DDG-1000技術設計，同時發行Release 1-Release 3三個版本的TSCE軟件，提供TSCE基礎設施的基本服務，并初步實現對空防御功能、對陸和水下作戰功能。2005年到2011年底，完成DDG-1000的詳細設計和建造，同時繼續發行Release 4、Release 5、Release 6和Spiral 1，逐步集成艦上所有任務系統，實現TSCE的全部功能。圖2主要為艦船設計第三、第四階段，TSCE軟件Release 1到Release 6，以及Spiral 1的設計目標、開發原則和進度安排。

根據DDG-1000作戰任務需求，TSCE的應用層被劃分為：指揮和控制、通信控制、傳感器與飛行器控制、武器控制、艦船平臺控制及后勤保障幾個分段設計，每個分段內包括若干單元，如：武器控制分段包括：改進型“海麻雀”導彈、“標準”導彈、先進火炮等單元；傳感器控制分段包括：雙波段雷達、敵我識別、聲納組合等單元。在TSCE軟件單元的基礎上根據單元內部具體功能的不同，進一步劃分組件和模塊。即TSCE的軟件按照由小到大的粒度分為：模塊、組件、單元和分段四個層次，若干功能相關、緊耦合的模塊組成組件，幾個組件組成單元，相關單元再組合成分段，實現作戰任務需求中某方面功能［9］。以Release 5為例，包括16個單元、32個組件和126個模塊。TSCE軟件集成采取螺旋式推進、逐步擴展的方式，相關責任單位負責研制具體的模塊或組件，集成商從Release 1到Release 6逐漸集成各個模塊的功能，自底向上逐層集成，形成功能完整的單元和分段。

如表1中所示，Release 1階段只實現簡單的TSCE-I基礎服務。Release 2階段實現對空自防御的部分功能，同時擴充TSCE-I，該階段的成果為雷聲公司2006年進行SSDS開放式系統升級奠定了基礎。Release 3增加了對陸和水下作戰功能，實現多任務作戰線程。從Release 4開始TSCE軟件進入了更加艱難的大規模集成階段，加強Release 2和Release 3中的方面作戰能力，同時在原版本的基礎上增加了通信控制、平臺控制、傳感器與飛行器控制等部分軟件單元，而Release 5和Release 6階段主要是具體細化單元內各組件和模塊的功能，增加決策評估、支援保障等軟件單元，最終實現完整的TSCE軟件功能。

圖2 TSCE軟件版本發行計劃

4 TSCE任務分工情況

圖3 TSCE的任務分工

表1 TSCE軟件模塊逐步集成的發展過程

DDG-1000設計建造之初，制定了10項關鍵技術，并以工程開發模型（EDM）的形式展開科研試驗，每項EDM都有明確責任單位，其中TSCE工程研制由DDG-1000任務系統總承包商雷聲系統公司負責。同時，美國另一大防務巨頭洛克希德·馬丁公司，憑借其在“宙斯盾”系統和LCS艦載系統研制和集成的成功經驗，也被邀請加入到TSCE集成團隊，并承擔了DDG-1000眾多關鍵任務系統的開發研制。

為了研制TSCE這項龐大的軟件工程，雷聲公司聯合了眾多實力雄厚的防務公司，同時也本著“同族最優”的原則精選了多家擁有先進技術的商業小型公司，最多時參與團隊達到80幾個公司，上千名技術開發人員。

1997年，DD21項目論證之初，雷聲和洛·馬公司分別聯合英格爾斯造船廠和巴斯鋼鐵造船廠組成“金隊”和“藍隊”競爭DDG-1000任務系統總集成項目。2002年“金隊”獲勝之后，洛·馬就以合同授予不公為由，向美國總審計署提出抗議，經幾次公開抗議無效，此事便不了了之，雷聲公司成為DDG-1000任務系統總集成商，負責全艦電子信息和武器系統的總集成，承擔了10項EDM中的5項，即全艦計算環境、雙波段雷達、綜合水下作戰系統、先進垂直發射系統和上層建筑集成孔徑技術，幾乎涉及了全部電子信息系統，緊緊抓牢了其任務系統中的關鍵部件。

但是首次作為艦載任務系統總承包商的雷聲公司，在經驗技術方面還存在不足，同時按照美軍裝備研制歷來倡導“競爭合作”，反對一家獨大的思想，雷聲公司都不可能包攬天下。因此，在洛·馬抗議事件平息不到一年，2003年海軍便與其簽署了價值1．88億美元的合同，將其拉入DDG-1000“國家隊”的行列。在雷聲公司負責的5項EDM中幾乎都有洛·馬公司的身影，并且這些設備都不同層次的滲透到了TSCE項目集成之中。主要包括：指控系統、雙波段雷達、綜合水下作戰系統、光電／紅外設備、聲納設備、機電控制系統等等［3］。

表2 DDG-1000TSCE項目任務分包情況

雖然TSCE由雷聲公司負責總集成，但可以說TSCE是雷聲和洛·馬、及眾多公司“強強聯合”的產物。在指控、傳感器、武器、平臺、支援保障以及TSCE-I各個分段的研制集成中都有兩個公司的合作：

1）洛·馬以其30年開發“宙斯盾”作戰系統的經驗，順理成章地加盟了DDG-1000“指控部分”的軟件設計工作。后來也是由于C2I這部分軟件的問題延誤了TSCE的時間進度。

2）在“傳感器控制”分段，洛·馬公司也承擔了大量的工作，如：雙波段雷達中的體搜索雷達、聲學傳感器、紅外／光電（5套）等系統的設備及其嵌入式軟件單元。最終，由雷聲公司負責傳感器的信息融合，產生統一的航跡，并將“傳感器部分”與“TSCE-I部分”的接口連通。

3）“平臺部分”中，雷聲公司將“平臺控制”單元的“機電控制”組件承包給了洛·馬公司、“綜合艦橋”組件承包給了L-3公司、“導航”組件由雷聲公司自己完成。“機電控制”組件又分為“綜合電力”模塊、“輔機控制”模塊、“自動損管”模塊，這些模塊又由洛·馬公司拆解后分包給了Converteam、Sperry等公司。

4）“武器部分”雷聲主要是和英國BAE系統公司、美國聯合防務（United Defense）以及巴斯鋼鐵公司共同合作實現的。雷聲公司負責Mk57新型垂直發射系統的研制，洛·馬公司僅參與了其中先進火炮系統的“遠程對陸攻擊彈”（LRLAP）的研制［4］。

5 TSCE軟件開發過程

TSCE的軟件開發采取“螺旋式上升”的模式，如圖4所示，每一個正式發行的軟件版本都要經歷：軟件需求分析、軟件架構設計、軟件詳細設計、軟件編碼與測試、軟件集成、軟件認證測試和系統集成的過程，為了保證集成軟件的質量，采取分階段獨立認證的方式，6個版本的開發過程在時間上存在交疊，每個版本開發過程中獲取的經驗教訓和反饋意見都將指導下一版本的開發，各版本性能持續改進、功能逐漸完善［5］。

圖4 螺旋式上升的軟件開發過程

DDG-1000軟件開發的數量和復雜程度都是前所未有的，全艦計算環境不再是擁有大量獨立的子系統，各系統由多個艦員負責操作，而是使多個功能集成化、自動化。海軍該項目辦公室評估TSCE將包括1400萬～1700萬行代碼，其中700萬行新編和修改代碼用于新增的軟件模塊，當前TSCE的產品包括6個正式發行版本（Release 1～6）和1個“螺旋上升”（Spiral）階段的成果［6～7］。

從Release 1到Release 6，每一個正式發行的軟件版本都要經過如下七步的評審過程，才能獲得政府認證。如圖5所示，詳細的評審流程可保證項目承包商與海軍公開及時地溝通，從而提供透明的服務。

近年來，按照TSCE主承包商雷聲公司發布的信息，TSCE項目的進展情況和重大節點歸納如圖6所示。Release 6的開發合同已于2009年11月簽訂，第二年2月雷聲公司就通過了Release 6的軟件規范評審。目前，Release 6的編碼、測試工作仍在進行之中。TSCE項目按照新的計劃安排繼續推進［8］。

6 結語

TSCE的核心就是“集成”，即快速有效地將不同規模、不同粒度、不同功能的軟件程序進行快速有效的集成。如何組織協調好不同軟件承包商之間關系，實現全艦軟件在統一技術體制、統一基礎設施、統一標準規范的要求下的功能集成，成為TSCE項目組織管理的關注要點。本文主要梳理了美國海軍在TSCE項目管理中總結的經驗和教訓，重點給出了項目管理原則、系統責任分工、項目進度安排，包括軟件開發、測試的流程，以及開發中遇到的問題和挑戰。這些項目組織管理的方法和經驗對于我國艦船信息化發展和全艦計算環境工程實施具有極大的參考價值。

［1］Myron Liszniansky，Tom Laliberty．DDG 1000 -First of the Zumwalt Class Transforming the Navy，2006Systems ＆Software Technology Conference．

［2］Joseph J．Horvath．DDG 1000Case Study-Overview［J］．Risk Based Source Selection Concept．07November 2006．

［3］Mark Henry，Michael Iacovelli，Jeffrey Thatcher．DDG 1000 Engineering Control System （ECS）．2006．

［4］DD（X）Total Ship Computing Environment Promises to Transform Naval Warfighting［J］．Defense News．05September 2005．

［5］Raytheon．Technology today-Total Ship Computing Environment［J］．Summer 2003Volume2Issue2．

［6］GAO Report．Cost to Deliver Zumwalt-Class Destroyers Likely to Exceed Budget［J］．DEFENSE ACQUISITIONS．July 2008．

［7］GAO Report．Zumwalt-Class Destroyer Program Emblematic of Challenges Facing Navy Shipbuilding［J］．DEFENSE ACQUISITIONS．31July 2008．

［8］Raytheon．DD（X）Overview．McGraw Hill Defense Budget Conference［J］．25March 2004．

［9］董曉明，石朝明，黃坤．美海軍DDG-1000全艦計算環境體系結構探析［J］．中國艦船研究，2012，7（6）：7-15．

Research on Engineering Program Management of Total Ship Computing Environment

LI Ming1TANG Liang2WANG Yunfeng2DONG Xiaoming2
（
1．P．O．Box 74223，Wuhan 430074）（2．China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064）

Total ship computing environment applied to DDG-1000is a complex systems engineering，which employs the most cuttingedge，state-of-the-art methodologies．On the whole，TSCE is a software development program．When complete，17million lines of code will have been simultaneously developed by a National Team，geographically dispersed across 25sites and representing the combined efforts of 80 different companies．It is not only tough on the technique realization，but also extremely challenge on the engineering program management．The available characters and practices of TSCE engineering program management were introduced．Summarized and analyzed the postponed schedule and the difficult technologies，in order to give the reference to our navy for ship building．

TSCE，program management，divide of the work

TP302

2012年6月21日，

2012年7月29日

國家自然科學基金項目（編號：61203324）資助。

李明，男，碩士，高級工程師，研究方向：艦艇作戰系統。唐亮，男，博士，工程師，研究方向：艦船電子信息系統，艦船生命力。

王允峰，女，碩士，助理工程師，研究方向：艦船電子信息系統。董曉明，男，博士，高級工程師，研究方向：艦船電子信息系統，計算機系統結構。