艦船裝備集成優化設計發展分析

王漢剛，錢家昌，游 卓

(1.海軍991 工程辦公室，北京100841;2.武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢430064;3.華中科技大學 船舶與海洋工程學院，湖北 武漢430074)

0 引 言

艦船裝備設計是復雜的系統工程，從總體、系統到設備，涵蓋油、氣、水、電諸多方面，涉及魚雷、導彈、聲吶等有效負載，以及各種作戰、指控、探測、網絡等信息流。傳統的做法及分工，造成不同類型設備之間不具有互通性，使得專用設備多，裝備的集成程度低，給總體帶來較大的負擔，制約艦船裝備水平的提升。因此，加強艦船裝備的集成優化設計研究，需要從頂層著手，強化總體設計能力，打破固有的屏障及局限，以提升艦船裝備的綜合作戰能力。

歐美等先進國家海軍通過優化使用流程，廣泛采用自動化設備、智能化的信息技術、引入人機工程等，提高艦船裝備的自動化和智能化水平，提升各系統及設備間的互聯、互通、互操作能力，減少專用設備，控制人員數量，實現艦艇裝備集成優化，降低艦艇全壽期費用。

本文分析國外在艦船裝備集成優化技術方面的發展特點及趨勢，對我國艦船裝備集成優化設計工作的深入開展具有重要的借鑒意義。

1 艦船裝備集成優化設計的基本概念內涵

艦船裝備集成優化設計以不損失裝備既定的綜合作戰性能為前提，一方面，強調頂層需求牽引，站在艦船總體高度，自上而下地合力突破解決傳統分塊、割裂的局面，實現各系統及設備間的有效互聯、互通，簡化系統配置，實現減員增效;另一方面，緊密結合實際作戰使用要求，從設備及系統的技術可實現性出發，自下而上提出切實可行的技術措施及方法。

2 國外艦船裝備集成優化發展現狀及特點

2.1 強調系統功能的高度整合

國外在艦艇裝備上廣泛運用綜合平臺管理系統，提高艦船信息化和智能化水平。裝備在美國“弗吉尼亞”級潛艇上的NSSNC3I 系統是目前世界上綜合程度最高的一型潛艇C3I 系統，幾乎綜合了潛艇上的所有電子設備，形成一個以光纖局域網連接的全分布式處理系統［1］，如圖1所示。

圖1 “弗吉尼亞”級潛艇上的NSSNC3I 系統組成示意圖Fig.1 The Virginia submarine′s NSSNC3I system schematic

在FREMM 歐洲多用途護衛艦上，采用法國造艦局開發的1 套綜合管理系統，實現艦體平臺的一體化管理和控制。該艦綜合管理系統由6個分系統組成，每一分系統都擁有各自不同的功能，分別是一體化平臺管理系統、艦橋系統、戰損控制系統、監控系統、直升機監控系統和艦載作戰訓練系統。該型艦在平臺損管和消防采用全新的方式，只用艦橋上的一個控制臺即可對全艦的損管和消防進行協調，同時還可確保同指揮部的有效聯絡。一旦發生火情，配置在全艦450個大小艙室中的大量傳感器即可自動啟動水霧噴射。在核、生、化戰場條件下，艦員可經由2個配有自動凈化站的密封艙進入干舷甲板區。

當前，美、英等國軍方廣泛采用系統體系結構方法開展系統設計。體系結構是指系統各組成單元的結構、相互關系及其設計、發展的原則和指南，它的優劣決定系統的質量、效能和全壽命管理費用。1996年美軍提出的“體系結構框架”提供了一種開發、表達和集成體系結構，解決復雜系統問題的通用研究方法，目前代表性研究方法有美國國防部體系結構框架(DoDAF)和英國國防部體系結構框架(MoDAF)，并且還在不斷發展完善中。

2.2 采用開放式體系結構及商用成熟技術

國外在艦載系統中采用開放式體系結構，并廣泛引入商用成熟技術，在設備層面為實現艦艇集成優化奠定基礎。

開放式的體系結構和成熟的商用產品已在國外新一代主戰艦艇、大型兩棲艦和輔助艦船中得到廣泛運用。美國海軍正在艦船設計方案中采用開放式體系結構、全艦計算環境等， 《2007年美國海軍規劃指南》將開放式體系結構標準作為海上電子信息系統的重點項目進行規劃。 “弗吉尼亞”級核潛艇采用以成熟商業技術為基礎的民用計算機系統取代專用軍用計算機，可實現硬件、軟件快速更新換代，保證“弗吉尼亞”級核潛艇計算機技術與民用技術的同步發展，大幅提高潛艇作戰系統的情報處理能力。通過采用開放式、全分布式系統結構，以高速局域網將各功能節點聯在一起，形成一個資源共享、高效可靠的整體。另外，英國“機敏”級作戰管理系統(ACMS)［2］采用分布式結構，將3個獨立的作戰系統要求結合成一個單一系統，采用諾斯羅普·格魯曼公司的標準產品，其上95%的硬件是商用的，該系統已應用于“機敏”級潛艇，其組成示意圖如圖2所示;法國SUBTICS 潛艇戰術綜合作戰系統［2］采用模塊化結構，其系統組成如圖3所示。

圖2 英國ACMS 系統組成示意圖Fig.2 The schematic of ACMS system for UK

國外在核潛艇裝備的軟硬件設計及系統集成時大膽地采用商用成熟技術，形成標準化的軟硬件，并基于開放式體系結構進行集成，使得系統易于擴展、升級。

圖3 法國SUBTICS 典型系統組成圖Fig.3 The schematic of typical SUBTICS system for France

以往作戰系統內部的系統軟件和硬件緊密耦合，系統擴展升級困難，由此造成了壟斷，降低了能力，增加了成本。美海軍綜合作戰系統項目執行辦公室從2002年開始依據商用成熟標準，將“開放體系結構”作為艦艇作戰系統統一技術架構，構建規范的硬件、軟件和網絡計算環境，支撐作戰系統面向任務的一體化集成;開發體系結構將軟件從硬件中分離，采用分布式、模塊化結構，系統功能可重組、可配置，功能通道高度冗余，允許系統通過改進部分模塊或軟件能力進行升級。通過系統開發式體系結構設計，可引入競爭、降低費用、提高能力，實現系統持續發展。其中，公共計算服務環境是全面實現開放體系結構的重要裝備，能夠支持全艦信息實時交換、按需共享和信息處理流程優化，增強各類功能設備的信息實時處理能力，提升計算、存儲等各類資源的綜合使用效能，提高系統構建的開放性、作戰使用的靈活性和抗毀生存能力，代表未來作戰系統發展的方向，對提升作戰系統的綜合作戰效能具有舉足輕重的作用。

通過統一標準規范、構建公共基礎設施等方式增強系統的開放水平，美國等發達國家海軍在新一代水面艦艇的作戰系統設計上實現了系統的持續發展和能力提升。

目前美國海軍已形成“宙斯盾”基線7.1 開放式作戰系統 (見圖4)、MK2 艦艇自防御系統、DDG1000 全艦計算環境(見圖4)以及諾·格公司的綜合作戰管理系統等代表性產品。

采用開放式體系結構及成熟商用技術的主要意義有:減少采購費用;規避綜合開發風險，縮短開發時間;保證系統性能與當前發展處于同一水平，具有持續的發展能力。

2.3 設備及系統朝著通用化、一體化發展

圖4 DDG1000的全艦計算環境示意圖Fig.4 The overall computational environment schematic of DDG1000

美國DDG1000 級驅逐艦、“福特”級航母都實現雷達、通信、電子偵察等裝備的一體化設計，不再存在單獨的雷達、通信、電子等專用設備和系統。其中，DDG1000 級驅逐艦的S+X 雙波段雷達可實現以往艦上6～10 部雷達的功能，完成目標搜索、跟蹤、識別，以及武器制導、飛機引導等多種任務，有利于解決艦艇的電磁兼容性、隱身性等問題，提高多目標探測跟蹤能力。

而在武器方面，美國特別注重通用化發展模式。MK41 (見圖5)和MK57 (見圖6)通用垂直發射系統可發射“標準”、“海麻雀”、“戰斧”和“阿斯洛克”等多種導彈，通過靈活裝載多種武器，兼容發射防空、反艦、反潛和對陸打擊等各種武器，實現武器共控，可對付多種類型的目標，遂行多任務。MK41 垂直發射系統已經與10 余種不同級別的艦艇，以及10 余種武器進行了一體化設計，成為最廣泛應用的發射系統。

圖5 美國MK41 通用垂直發射系統Fig.5 MK41 general vertical launch systems of USA

另外，美、英針對下一代戰略導彈核潛艇聯合開展通用導彈艙項目，如圖7所示。通用導彈艙可將多種武器裝備進行靈活配置，不僅可用于發射彈道導彈，還可搭載多種負載，如魚雷、常規中程彈道導彈(SLIRBM)、KEI 反導攔截彈、巡航導彈、特種分隊及其裝備、戰斗蛙人運載工具、無人作戰系統等，真正實現一艇多用，該導彈艙也可用于“弗吉尼亞”級的后續艇及其替代艇。每個發射筒的直徑增大為2.2 m，可使其在整個服役期內(延續至21 世紀80年代)，對各種導彈和有效負載提供足夠的適應性。在美國持續致力于削減軍費開支的大背景下，特別是國會批準的“弗吉尼亞”級攻擊型核潛艇采購數量和按年度開工數量均有限的情況下，SSBN (X)將被賦予更多的功能，實現多種武器共用導彈發射裝置，這樣不僅可降低全系統研發、建造、維修和使用費用，而且更容易實現作戰能力的多元化，適應美國海軍未來多樣化的作戰需求。

圖6 美國MK57 通用垂直發射系統Fig.6 MK57 general vertical launch systems of USA

圖7 SSBN (X)導彈發射筒原型Fig.7 Prototype of missile launch tube for SSBN (X)

3 結 語

我國艦船裝備在總體集成優化水平方面與發達國家相比還存在著一定的差距，需要深入開展艦船裝備信息化等技術研究，逐步打破艦船裝備研制的傳統分工限制，形成具有充分競爭的供貨環境，引入成熟商用技術。主要意義有:

1)強化艦船裝備頂層設計

強化總體的頂層設計能力和權威，不僅僅是減少幾個臺屏、計算機、控制儀的問題，需要打破行業壁壘和專有領域，強力推動統一的公共網絡、計算、存儲、顯控等設施建設，為作戰、探測、指控、信息保障等提供集成平臺，實現信息資源的統一調度管理和共享，提升艦船的整體作戰效能。

2)采用開放式體系結構

采用開放式體系結構是解決專用設備多、信息溝通不暢的的基本保證。借鑒學習國外先進海軍所實行的標準化的軟硬件接口、統一的標準和規范等，通過運用體系結構設計方法，對裝備內各個具體的系統功能進行合理分解和規范描述，把系統功能之間的接口標準化，支持系統以功能模塊的方式開發和升級，最終實現功能的互聯、互通、互操作。

3)引入商用成熟技術

引入商用成熟技術，是破除信息壁壘的有效手段，從而形成標準化的軟硬件以及通用的系統，可引入競爭、降低費用、提高能力，實現持續發展。為艦船裝備融入未來協同作戰體系，為陸海空武器裝備的信息共享和協同作戰提供可能。

4)改變“重硬輕軟”觀念

“重硬輕軟”的評級、計價觀念，導致科研生產單位注重硬件設備的研發生產，輕視智力勞動價值、科研設計和試驗研究等，結果造成艦船專用設備數量越來越多，體積越來越大，不利于裝備集成優化。有必要倡導更加科學合理的價值觀念，促進艦船裝備更好發展。

［1］張仁茹，左艷軍，高天孚，等.國外潛艇作戰系統發展綜述［J］.艦船科學技術，2011，33(6):11-15.ZHANG Ren-ru，ZUO Yang-jun，GAO Tian-fu，et al.Development of oversea submarine combat system［J］.Ship Science and Technology，2011，33(6):11-15.

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