艦船電子與信息系統綜合集成研究進展＊

陳 霞 宋 敏 韋正現

（1.北京西三環中路19號 北京 100841）（2.北京外國語大學信息技術中心 北京 100089）（3.中國船舶工業系統工程研究院 北京 100094）

1 引言

在電子信息技術快速發展的推動下，全綜合一體化的系統集成技術已成為國內外艦艇電子與信息系統的發展趨勢。目前系統集成的含義在學術界還沒有形成一致的概念，從集成層次上一般認為系統集成主要包含硬件（設備）集成、信息（數據）集成、功能集成和過程（應用）集成。并且目前從艦船電子與信息系統來說，國外主要從這幾個方面開展研究。硬件（設備）集成主要是以統一標準化的形式實現系統中硬件設備標準化和可共用。信息集成是將系統獲取的信息進行統一處理、有機綜合，以實現信息的最大化共享和運用；功能集成主要是以統一的軟件功能實現形式、功能訪問方式等實現功能的即插即用。過程集成主要是將系統活動、流程等采用統一的組織方式、流程模式快速構建適用不同需求的系統流程。當前國外艦船電子與信息系統根據不同的需要，通過建立開放的體系結構從這四個方面進行綜合集成。

本文從艦船電子與信息系統集成技術發展的角度出發，詳細介紹了當前適用于艦船電子與信息系統硬件集成、信息集成、功能集成和過程集成的相關技術和國外的發展狀況，然后根據艦船電子與信息系統的應用特征和使用需求，重點分析國外艦船電子與信息系統綜合集成技術的研究進展，結合我國艦船電子與信息系統的現狀，提出了我國發展艦船電子與信息系統綜合集成技術的一些設想，為我國在艦艇電子與信息系統綜合集成技術的進一步發展提供參考。

2 系統綜合集成的研究進展

2.1 硬件集成研究現狀

硬件集成主要是從網絡設備、計算設備和顯控設備等方面，通過制定統一的標準規范，實現這些硬件資源的統一共用。在這方面，德國STN阿特拉斯公司的ISUS90綜合作戰系統采用開放式體系結構，采用交換式以太網雙總線網絡拓撲結構，將聲納、光導、光學、雷達、電子支援措施和通信情報系統、導航系統與武器系統有效地集成到一起，整個系統具有數據聯系能力，計算機通信由以太網雙總線系統和光纖數據傳輸系統控制，所有子系統均裝備了先進的基于PC的處理計算機實現實時控制，整個系統采用標準化信號處理，盡可能減少信號誤差。英國宇航防御系統有限公司研制的SMCS潛艇指揮系統采用雙冗余光纖局域網與潛艇的聲納、戰術武器連接，提供對武器發射系統的控制，可支持“戰斧”對地導彈。該系統共使用了200多個80386／486微處理機進行統一的計算處理。法國UDS公司研制SUBTICS戰術綜合作戰系統以標準數據處理機、冗余數據總線和多功能控制臺為基礎，采用雙冗余以太網總線，將所有的聲和非聲傳感器的輸入以及武器、導航系統、指揮和武器控制系統的功能綜合到6和雙屏多功能彩色控制臺上。

2.2 信息集成研究現狀

信息集成主要從信息統一表示和統一管理兩個方面開展研究，信息統一表示主要是實現異構信息的同構化，就是將不同表示形式（異構）的信息采用統一的表示框架、標準來描述。信息統一管理是將系統運行中所有的數據進行統一的管理與控制。

在信息表示方面，美國的“網絡中心戰”是提出需要在信息表示上要求具有統一標準。由于傳統的作戰單元中信息具有多樣性、異構性、復雜性等特點，導致了信息數據種類多樣化、格式不統一等特點，需要將異構平臺、不同格式、不同語義的數據信息進行統一表示和規范操作。解決這個問題最常用的方法是提供統一數據模型（Integration Data Model，IDM），它具有自描述能力、具有統一表示形式和代數操作，能夠描述各種異構數據的抽象結構、具體表示和關系，提供原子數據、組合數據的元數據描述，屏蔽數據在結構格式、句法上的異構性，能夠容納已有的數據格式、復雜數據類型，支持各種具有不同語法和格式的數據結構模型，使得協同作戰單元各種信息數據按照統一的模型和規范進行分類、處理和表示，形成一個統一、標準、科學的信息表示標準與操作規范。數據模型應該滿足三方面的要求：能比較真實地模擬現實世界；能容易為人們所理解，便于在計算機上實現［1］。當前數據分為結構化、半結構化以及非結構化數據。在早期提出的信息表示方案中，往往存在一些不足：數據轉換和整合規則都融合在定制代碼中，發生變化就難以靈活適應；各個設備只能通過中間庫或者集中庫的方式來解決數據集成，然而這樣又形成了新的數據孤島。這種狀況直至XML的出現才有改變。XML作為一種自描述語言，具有適合數據交換的特性。現有的基于XML數據集成平臺有如下特點：用XML格式作為統一的數據交換標準，為數據訪問提供簡便、統一的模式；數據轉換和整合規則可以靈活定義，獨立于應用集成和業務邏輯。如BEA公司的數據集成平臺BEA Liquid Data就是這樣產品［2］。不幸的是，伴隨著用XML進行數據交換的是系統運行性能的降低。從XML文檔所形成的樹狀結構中查找信息、解析、校驗、轉換等操作，都不能輕易完成，需要耗費過多系統資源。因此，XML還不能徹底解決這類問題。為了解決數據表示以及XML問題，國際上有一些組織致力于數據概念模型的標準化工作，試圖通過對各個信息數據資源的統一抽象和概括，為分布式集成提供通用的、統一的概念模型，找到能夠實現全社會數據共享的數據模型，例如美國斯坦福大學與IBM Almaden研究中心提出OEM（Object Exchange Model）［3］以及東南大學的基于帶根連通有向圖的對象集成模型（OIM）［4］。OEM是一種自描述數據模型，適合表示松散或結構不固定的半結構化數據，用于異構數據集成。OIM模型以OIM對象代數作為查詢語言的數學基礎，OIM模型對象操作包括六種對象操作，分別是對象并、對象差、對象選擇、對象投影、對象粘貼和對象切削，其中對象差和對象并不同于關系代數的相應運算，參與運算的兩個OIM可以不相容，即可以具有不同數目的子對象以及不同的子對象取值。

信息統一管理最主要解決各個作戰單元的信息靈活的“按需獲取”問題。最初的解決方案是設備點對點的通信，直到“發布／訂閱（pub／sub）”機制的出現使這種需求變成了可能。發布／訂閱（pub／sub）是一種具有動態性和松散耦合特性的靈活通信范型和交互機制，與傳統的通信范型（消息傳遞、RPC／RMI和共享空間）相比，具有異步、多點通信特點，使通信的參與者在空間、時間和控制流上完全解耦，能夠很好地滿足艦船電子與信息系統松散通信需求。pub／sub系統中，生產者將事件發送給發布／訂閱中間件；消費者則向發布／訂閱中間件發出一個訂閱條件，表示對系統中的哪些事件感興趣，如果不再感興趣，也可以取消訂閱；而發布／訂閱中間件則保證將生產者發布的事件及時、可靠地傳送給所有對之感興趣的消費者。信息的生產者稱為發布者（publisher），信息的消費者稱為訂閱者（subscriber），發布者和訂閱者統稱為客戶端。匹配算法（matcher）負責高效地找到與給定事件相匹配的所有訂閱條件；而路由算法（router）則負責選擇適當路徑，將一個事件從發布者傳送到訂閱者。目前對pub／sub系統研究分為基于主題和基于內容兩大類。基于主題的系統如IBM MQSeries［5］。基于內容的pub／sub系統又可分為兩類，一類是基于Map，另一類是基于XML。在基于 Map的pub／sub系統中，事件內容為多個“屬性＝值”集合，訂閱條件一般是各個屬性之上簡單斷言的連接，通常稱為平面模式（flat pattern）。較有影響的原型系統包括 SIENA、Gryphon、JEDI、Keryx、Elvin等。在基于XML的pub／sub系統中，目前已有的原型系統包括XFilter、XTrie、WebFilter等。

發布／訂閱（pub／sub）機制使系統信息使用的可伸縮性和靈活性有了很大提高，即要求不用重建整個系統就可以增加新的節點。OMG（Object Management Group）意識到了這種對數據分發服務的需求，并于2004年12月發布了面向分布式實時系統的數據分發服務規范（Data Distribution Service for Real－time Systems，DDS）［6］。DDS 規范為DDS中間件定義了一系列規范化的接口和行為，定義了以數據為中心的發布／訂閱（Data－Centric Publish－Subscribe，DCPS）機制，提供了一個與平臺無關的數據分發模型。此外，DDS規范還強力關注了對 QoS（Quality－of－Service）的支持，它定義了大量的QoS策略，使得DDS可以很好地配置和利用系統資源，協調可預測性與執行效率之間的平衡，以及支持復雜多變的數據流需求。目前，商用的DDS產品全球范圍內已經有不少的供應商，其中最主要的有美國RTI公司、PrismTech公司以及Twin Oaks公司，它們之間的比較如表1所示。

表1 不同DDS產品之間比較

2.3 功能集成研究現狀

功能集成的主要目的是實現功能“即插即用”，為了實現這個目標，在商用行業提出了一系列組合的解決方案，其中最具有代表性的是組件技術、中間件技術。目前，有多個組織和公司為組件、組件框架和接口建立了模型和技術規范，其中OMG CORBA、Microsoft COM／DCOM（或.NET）以及Sun JavaBean／EJB占主導地位。目前組件和中間件技術在艦船電子與信息系統中得到了較為廣泛的應用，應用最多的是OMG CORBA。CORBA（Common Object Request Broker Architecture）是對象管理組織OMG在1992年發布的分布式對象計算的一種規范和標準。它定義了接口定義語言（IDL）和應用編程接口（API），從而通過實現對象請求代理（ORB）來激活客戶／服務器的交互。1996年12月發布了CORBA2.0版本，定義了如何跨越不同的ORB提供者而進行通訊，以解決不同的ORB之間的協同工作。隨著在實踐中的不斷完善，1999年又推出了CORBA3.0版本，融合了一些新興的技術Java、MOM 等，推出了組件模型CCM結構，規范了一個創建即插即用對象框架，為CORBA的具體實現提供了一種標準的方法。

CORBA規范定義了ORB的體系結構及相關內容，定義了IDL語言及其映射，定義了對象間如何通過ORB互操作以及ORB間如何互操作。在CORBA中，對象請求代理（ORB）、接口定義語言（IDL）和因特網上對象請求代理之間的協議（IIOP）是三個核心組成部分，可使系統具有分布式、可移植、可裁剪和異構能力。此外，事件和命名服務（它們是使用最廣泛的服務程序）在實現分布式、可移植、可裁剪和異構型的目標當中也起到了很大的作用。CORBA命名服務程序與CORBA典型事件服務程序對大量子系統與接口的成功集成起著關鍵的作用。圖1是CORBA的體系結構，表示了客戶、服務的執行對象與ORB接口間的關系。

圖1 CORBA體系結構

2.4 過程集成研究現狀

過程集成主要是將系統活動、流程等采用統一的組織方式、流程模式快速構建適用不同需求的系統流程，它的最主要的目的是為用戶提供一個可以靈活定制的工作流程。目前在工業界最能夠體現過程集成特點的是Web服務。Web服務是SOC與SOA中所強調的服務概念的一種具體表現形式和功能載體，它提供了面向Internet應用的統一服務注冊、發現、綁定和集成機制，它是一種基于Web環境的具有自適應、自描述、模塊化并且良好互操作能力的應用程序。Web服務模型包括三個實體（如圖2）：提供商、客戶和注冊庫。服務提供商負責Web服務的實現、發布和維護，注冊庫用于存儲服務的描述信息并實現基于關鍵字的服務發現，客戶通過查詢注冊庫來發現可用的Web服務［7］。

圖2 Web服務體系結構

Web服務的接口和綁定可以通過XML進行定義、描述和發現［8］，涉及的三項基本技術是：Web服務描述語言 WSDL（Web Service Description Language）［9］、Web服務與外界交互的SOAP協議（Simple Object Access Protocol）［10］、Web服務發布和發現的UDDI規范（Universal Description Discovery）［11］其中 WSDL是基于XML的 Web服務接口描述語言，用于描述服務的操作、參數類型以及服務的SOAP接入點；SOAP是分布式或集中式環境下基于XML的消息交換協議、UDDI則用來發布和發現服務。

由于艦船電子與信息系統在使用的過程中，一般需要遵循比較嚴格的程序和規范，因此在這方面主要是從人機交互界面的方便性、靈活性上進行一些工作。如在弗吉尼亞上通過開放式艙室，可以靈活的定義多功能顯控臺的功能，從而實現靈活的操作控制。荷蘭艦船、德國的最新的艦船電子信息系統（作戰系統）也采用同樣技術。

2.5 綜合集成研究現狀

由于艦船電子與信息系統需要安裝在艦船有限的空間上，并具有信息系統和控制系統的特征，因此，世界各國主要從硬件集成、信息集成、功能集成和過程集成等多個方面綜合解決系統集成的問題，這種集成方式成為綜合集成或一體化集成。艦船電子與信息系統綜合集成（一體化集成）主要是基于開放式體系結構，廣泛采用標準化的硬件和COTS技術，從而形成一套完整的集成解決方案。比較有代表性的有英國的SMCS系統、瑞典的9SCS MK3系統、挪威的MSI－90UMK2系統、法國的SUBICS系統、德國的ISUS90系統、美國的 AN／BSY－1、AN／BSY－2系統以及即將安裝在最新型核動力潛艇NSSN上的C3I系統等。目前集成度最高、集成范圍最廣的是美國DDG1000的全艦計算環境。

ISUS90綜合作戰系統（參見圖2）是德國STN阿特拉斯公司上世紀80年代研制的ISUS83系統的改進型。ISUS90采用開放式體系結構，采用交換式以太網雙總線網絡拓撲結構，將聲納、光導、光學、雷達、電子支援措施和通信情報系統、導航系統與武器系統有效地集成到一起。整個系統具有數據聯系能力，計算機通信由以太網雙總線系統和光纖數據傳輸系統控制。所有子系統均裝備了先進的基于PC的處理計算機實現實時控制。整個系統采用標準化信號處理，盡可能減少信號誤差。系統的實時控制采用PC處理機，聲納信號處理采用高速RISC處理機。系統采用通用多功能控制臺，功能可以互換，所有顯示器上的術語通用，信息顯示共同處理。系統減少使用專用硬件，將重點放在采用國際通用標準的功能化軟件上，整個系統提供了大量的備用替換能力。

圖3 ISUS90的典型配置

SMCS指揮系統是作戰系統中最具有代表性和特點的系統，由英國宇航防御系統有限公司研制，是一個以SUCCESSOR結構為基礎的模塊化全分布式系統，該系統首先裝備于英國“前衛”、“特拉法爾加”、“快速”級潛艇。

SMCS采用雙冗余光纖局域網與潛艇的聲納、戰術武器連接，提供對武器發射系統的控制，可支持“戰斧”對地導彈。該系統共使用了200多個80386／486微處理機，使用 Ada程序設計語言。BAeSEMA公司的SUCCESSOR產品可支持靈活的用戶－服務器結構，而且能夠把應用軟件從操作系統和基礎軟件中隔離出來。在應用軟件中還可以進一步分層，把每一個應用程序分成若干子系統，每個子系統都具有明確的任務和接口。該系統根據潛艇／水面艦艇指揮與控制系統后續發展的作戰要求，采用了系列化的硬件／軟件模塊。在改進中，該系統引用了大量的COTS軟件和硬件。

SUBTICS戰術綜合作戰系統（參見圖3）是法國UDS公司研制的第一個開放式、模塊化結構系統，適合裝備各類潛艇，包括新建和改裝艇。SUBTICS的核心是一個開放式模塊化結構，以標準數據處理機、冗余數據總線和多功能控制臺為基礎，采用雙冗余以太網總線，將所有的聲和非聲傳感器的輸入以及武器、導航系統、指揮和武器控制系統的功能綜合到6和雙屏多功能彩色控制臺上。該系統提高了總的作戰性能；廣泛采用COTS技術和開放式模塊化系統結構，系統兼容性好，升級容易，配置靈活；適裝性好。

圖4 法國的SUBTICS系統

圖5 美國艦艇作戰系統集成環境Hiper－D

NSSN C3I系統先進的作戰系統，也是美國海軍第一個全綜合作戰系統——Hiper－D（如圖5），它裝備在潛艇上，幾乎綜合了潛艇上的所有電子設備，形成了一個以光纖局域網連接的全分布式處理系統。該系統采用頂層系統設計原則，突出淺海作戰和聯合作戰；采用實時Unix操作系統和全開放式模塊化系統結構，使系統升級，技術轉移、改進和擴充更方便；最大限度地利用了商用流行技術，極大地減少了研制費用，縮短了研制周期。C3I系統中的各個子系統連接在一種松耦合聯合體系結構中，它們通過ATM光纖網絡的分層結構共享處理過的數據和信息。該艇95%是模塊化的結構。由于在NSSN試驗期間不斷用最新技術對C3I系統進行更新，以最新產品取代那些過時的硬件和軟件，因此當NSSN交付使用時，NSSN C3I系統仍然是代表當時技術水平的先進系統。

目前裝備在美國海軍新型驅逐艦DDG1000（也稱朱姆沃爾特）上的全艦計算環境TSCE（Total Ship Computing Environment）（如圖6）是美國乃至全世界范圍內艦艇電子與信息系統綜合集成的典型代表，也是最高水平，將艦艇平臺上的電子與信息系統的綜合集成推向了極致，全艦計算環境是DDG1000十大關鍵技術之一。在DDG1000艦上，通過TSCE對處理機柜和顯控臺等設施根據作戰系統、機械、電氣、通信等專業的不同進行了分類標準化和通用化，硬件主要選用商用現貨產品。全艦計算環境的基礎設施（TSCE－I）形成一個開放的、虛擬的計算環境，所有計算資源統一調度管理，可為其他領域的應用提供服務，所有應用軟件均分布在這個計算環境中。所有傳感器、受動器、激勵器和武器通過適配器與全艦計算環境連接。DDG1000全艦計算環境從集成范圍上包含了艦船導航、外部通信、傳感器、指揮控制情報、飛機、交戰、支持等全體船上系統，TSCE可以使得海軍通過在艦隊范圍內使用標準軟件和COTS硬件獲得持續增強的能力。

圖6 DDG1000全艦計算環境示意圖

全艦計算環境通過開放式技術體系結構的技術框架，該框架利用計算機、網絡設備、處理器、實時操作系統、CORBA中間件、DDS中間件等技術，為艦上電子與信息系統提供了基礎軟硬件平臺。幾乎所有的基礎軟硬件平臺都是依賴商用計算技術。DDG1000能夠將如此大規模應用軟件無縫地集成到一起，并且提供軟件和硬件的持續增強能力，TSCE是關鍵因素。這種級別的集成和自動化是史無前例的，也是DDG1000驅逐艦人員減少60%的主要原因。

3 系統集成發展的啟示

當前艦船電子與信息系統綜合集成是將硬件集成、信息集成、功能集成和過程集成等融為一體的全方位集成，基于開放體系結構，構造出能夠為艦艇水聲、電磁、導航、外部通信、指揮控制情報、仿真推演等提供高性能計算環境，為指控、通信、交戰等應用提供高可靠的服務平臺，在國內也已經形成了基本共識，并且國內多家企業也開展了基礎研究。根據技術發展和艦船應用需求，我國應該制定相應的對策，可以從以下幾方面考慮：

1）全局規劃逐步開展

艦船電子與信息系統綜合集成涉及到多任務并行計算、信息協同處理和在線仿真推演等不同特征大容量計算，同時也涉及到硬件集成、信息綜合、應用集成等公共服務，我國在這方面的研究應該采取全局規劃、逐步開展的策略，應該由具有集成能力強的單位牽頭，聯合具有不同專業優勢單位共同對艦船電子與信息系統綜合集成的整體架構、容錯技術、虛擬技術、協同計算環境、信息集成技術等開展專項研究，并且首先在集成度要求高、集成范圍較小的中型艦船上分步實施應用，然后將成熟的技術逐步應用到大型艦船上中。

2）加快推進軟件計價

實現艦船電子與信息系統綜合集成的一個核心是軟件，綜合集成是通過其基礎軟件集成艦艇上所有的軟硬件資源為各個應用提供計算、存儲、控制等的服務。因此要推動艦船電子與信息系統綜合集成技術在艦船上的應用，必須首先將硬件和軟件分離，實現硬件與其上層軟件單獨計價、獨立交付，這樣不僅能夠使艦船電子與信息系統綜合集成基礎軟件這種不依附任何特定硬件又必須部署于相關硬件的軟件實體，具有研制、裝備的驅動力，同時也為艦船電子與信息系統各種應用軟件的構件化以及獨立于硬件開發提供基礎條件。

3）加快推進硬件標準化、通用化與系列化

艦船電子與信息系統綜合集成技術要求其硬件盡可能標準化和通用化，這樣基礎軟件和應用軟件構件在進行部署、運行時采用相對統一的技術方案，從而減少由于不同硬件之間轉換與匹配的開銷。當前海軍在多功能顯控臺方面已經形成了標準化，為了適應艦船電子與信息系統綜合集成技術在艦艇上的應用，還需要推動水聲信號處理、電磁計算等硬件標準化和通用化工作。同時在硬件型號的鑒定與管理上，如何根據摩爾定律，保持硬件型號計算能力與技術發展相匹配，形成同一型號種多種性能產品系列，也是需要統稱考慮。

4 結語

系統綜合集成是艦船電子與信息系統發展的一次重要革新，它是硬件集成、信息集成和功能集成和過程集成等的綜合實現，同時也是基于開放體系結構將中間件、網格計算、云計算等新理念、思想、技術和方法應用于艦船電子與信息系統，是大幅度提升艦船電子與信息系統集成優化水平的必然途徑，能夠提升艦船執行任務的能力，這些在國內已經形成共識。對此本文首先對集成技術進行介紹，分析了硬件集成、信息集成、功能集成和過程集成的不同側重點和相關集成內涵；然后根據艦船電子與信息系統的使用特點以及所涉及領域特征，詳細闡述了艦船電子與信息系統綜合集成在國外研究進展和發展趨勢情況，在此基礎上，針對我國艦船電子與信息系統的現狀，提出了我國發展艦船電子與信息系統綜合集成應該采取的策略，目的是為我艦船電子與信息系統實施綜合集成提供參考。

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