開放體系架構在海軍信息系統應用模式研究*

石劍琛

(北京西三環中路19號　北京　100071)

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開放體系架構在海軍信息系統應用模式研究*

石劍琛

(北京西三環中路19號北京100071)

開放體系結構一直是海軍信息系統設計的重要關注方向。論文分析了開放體系結構在美軍中海軍信息系統中的典型應用，總結了開放體系結構的特征及發展，在對美軍開放體系結構應用分析的基礎上，對開放體系結構在我軍中的應用進行了展望，探討了我軍開放體系結構的應用環境、發展思路、技術路徑及實施步驟，并提出了參考建議。

開放式體系結構;全艦計算環境;宙斯盾作戰系統;基礎設施

Class NumberE83

1　引言

20世紀世紀90年代，海上戰場產生了兩次“革命性”的轉變，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，由此產生了宙斯盾武器系統；其二是冷戰后，海上戰場從深海轉向近海和內陸作戰，將艦外傳感器與武器進行聯網，并對武器控制進行分布，由此確立了網絡中心戰的模式。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的發展和集成方式，采用以開放式體系結構(Open Architecture,OA)為成為軍用信息系統發展共識[1]。

OA基于主流商用成熟的信息技術，以及開放的商業標準、規范和產品，同時考慮性能、成本、工業使用成熟度、可長期采購性以及升級潛力，是系統集成的工程原則、技術途經和商業策略。

美國海軍綜合作戰系統項目執行辦公室(PEO)將在主流商用軟硬件技術標準和規范基礎上開發的“開放式體系結構”作為海軍信息系統約定指南[2]，并以此推動艦艇開放式體系架構計算環境(Open Architecture Computing Environment,OACE)的發展[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“開放式體系結構”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，實現局部軟件升級即可實現系統能力提升，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和艦艇自防御系統[4]。目前，開放式體系結構計算環境已廣泛用于美海軍航母、兩棲攻擊艦、核潛艇等艦艇作戰系統的設計中，提高了美軍艦載信息系統開放性。

美軍開放體系架構的發展和設計思路對建設我海軍艦艇指揮控制系統具有一定的參考價值。提升作戰系統頂層設計牽引，增加整個系統靈活性和可擴展性、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的設計思路和應用模式，為我軍艦船信息化和系統集成等相關領域及發展提供參考。

2　開放式體系結構及其特征

開放體系結構主要涉及計算技術基礎、技術架構(OATA)、功能架構(OAFA)和試驗設施(OATF)四部分[5]。

1)計算技術基礎

主要包括交換網絡、多系統資源共享、OMG中間件、POSIX操作系統、網格計算等。

2)技術架構(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，基于標準的計算環境，包括開放的規范、標準、中間件、操作系統和計算設備等，可用于所有的作戰系統。

3)功能架構(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涵蓋海軍作戰的全部功能域，包括搜索/探測(S/D)、數據/信息服務(DIS)、計劃評估和決策(PAD)、武器/資產服務(WAS)、任務執行(ME)、外部通信(EXCOMM)、通用服務(CS)、培訓(TR)、兵力規劃/協調(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環境對容量、帶寬、延遲等的需求，驗證系統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。

根據系統結構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；

2)3級為開放式體系結構標準的“初始級”，它的突出特征是軟件開發不依賴于特定硬件，其系統性能與計算設備數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”，它使用統一的信息基礎設施平臺，目的是降低系統維修保障壓力和減少人員配置，為應用系統提供公共計算支持，保障應用系統的容錯性和抗毀生存能力。

3　外軍海軍推進開放式體系結構的應用進程

美海軍借助OA，大力推進21世紀海上力量中以網絡中心戰為核心的體系結構和作戰框架，對現役及在研系統的推行如圖所示[7]。

圖1　OA推行圖

1)宙斯盾作戰系統中應用

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，在至今的30多年間經過逐步的改良與升級后，該系統已經陸續衍生出九種型號的基本配置。宙斯盾系統的進化過程，就是從封閉式系統向開放式系統演變的過程。美軍為宙斯盾系統發展路線如表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、軍用操作系統和中間件，這幾種型號的系統被美國海軍認為屬于OACEl或OACE2級，其中的一部分經過改造可以升級為OACE3級。目前，美軍對現有“宙斯盾”系統的軟件不斷進行升級，加裝“基線9”作戰系統，戰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已發展到第5級。其中，TSCE作為OACE的最高級，已成功應用于驅逐艦DDG-1000和CVN-78福特級航母中。

TSCE主要包括作戰應用軟件包和“全艦計算環境基礎設施”(Total Ship Computing Environment Infrastructure，TSCEi)，其中，TSCEi通過集成全艦的網絡設備、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　宙斯盾系統發展路線

圖2　全艦計算環境體系結構

本著“集成就是服務”的宗旨，TSCE實現了軟硬件的模塊化、構件化和服務化，解決了系統之間的互通、互操作和資源共享等問題，提升了系統跨平臺、跨領域的協同作戰能力。

DDG-1000使用全艦計算環境集成艦船各系統，如指控情報、平臺控制、動力系統、武器系統等來進行信息整合，從而發揮系統整體資源優勢，并最終形成一個統一的“網絡中心戰”節點。

在全艦計算環境中，根據作戰系統、機械、電氣、通信等專業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貨產品；基礎設施是一個開放的、虛擬的計算環境，對所有計算資源和應用軟件進行統一調度管理，為其他領域的應用提供服務。全艦計算環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，采用全艦計算環境后，系統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、可重構等特性。

3)歐洲作戰管理系統中應用

歐洲在設計艦載電子信息系統中一直堅持采取開放式體系架構，以法國THALES公司和DCNS公司為代表推出的作戰管理系統是典型代表[9]，該類系統采用典型的分布式開放系統體系結構、層次化構件化軟件架構，且嚴格遵循開放式體系架構標準，能與許多第三方軟件兼容,使系統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提升。

4　開放體系結構對海軍應用模式的啟示

1)采用開放系統結構，靈活適應系統有機集成

基于開放式體系結構的系統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靈活集成，可以根據作戰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、優勢互補，形成體系作戰能力，以滿足未來海戰場以網絡為中心的作戰需求。

基于開放式體系結構的海上系統集成是典型的復雜大系統集成，涉及大量的異構的信息系統。需采用SOA、云計算、虛擬化等商業成熟技術和集成模式，通過體系規劃、頂層設計，采用開放式體系結構實現基礎設施的通用性和互操作性，使平臺內各類電子信息裝備有機集成為一個整體、跨平臺信息系統有機融合為一個體系，實現各業務領域功能應用靈活部署，資源充分共享，武器通道動態組織，各類任務系統可以快速構建等，確保增強系統集成的靈活性。

2)采用開放系統結構，靈活適應系統需求變化和系統能力漸進提升

未來海戰場將面臨更加復雜的作戰環境和作戰樣式，除傳統的作戰使命外，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，電子信息系統在生命周期中面臨使用需求不斷變化、系統能力不斷提高的要求。

如何保持系統的穩定性并靈活適應上述變化，最重要的就是要保持系統體系結構等根基的穩定性。開放式體系架構建設在滿足功能功能性需求的同時，需強調支持底層基礎支撐與上層任務系統的解耦設計、支持硬件系統和軟件系統的解耦設計、領域功能軟件之間的解耦設計，實現根據作戰需求、能力提升需要的軟件與硬件獨立快速升級，從而形成裝備持續升級能力。當然，系統的開放式體系架構還需保持自身技術的一致性、延續性和穩定性，以支持裝備研制的基線化發展策略的落實。

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

二是推進平臺化基礎設施建設。針對艦艇電子信息裝備業務功能特點，加強對基礎軟硬件共性需求的梳理，構建可剪裁、可配置的基礎軟硬件平臺，減少專用軟硬件，保證艦艇作戰各環節的開放性、靈活性，提高電子信息裝備一體化集成水平。

三是加強資源統籌規劃與共享。基于統一的基礎軟硬件平臺，以實現高等級開放式體系結構為目標，采用“云計算”技術將計算存儲、網絡交換、顯示控制等資源整合形成“資源池”，統籌規劃、共享使用，為警戒探測、作戰指揮、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 “專機專用”模式調整為“公共服務”模式，將“獨立煙囪”的設計、集成模式調整為“開放共享”模式，提高艦艇作戰系統的動態重構能力、抗毀生存能力、綜合處理能力、顯示操控能力。

3)采用開放系統結構，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能力有很大影響。商用硬件按摩爾定律發展迅猛，商用軟件構件化、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。

采用開放式系統結構，減少系統各要素之間的關聯，是控制采用新技術引入對系統裝備的影響的關鍵。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原有的技術匹配度，減少對系統結構穩定的根本沖擊。

4)適應全壽命周期管理

系統體系結構除了技術上合理外，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，促進體系作戰效能持續螺旋式提升，在實現部件升級的同時保持整個系統的屬性。

為提高艦載電子信息裝備的綜合作戰效能，保障裝備全生命周期作戰能力持續優化，在裝備硬件模塊化、軟件構件化、接口標準化的基礎上，穩步推進開放式體系架構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、可持續升級和功能擴展能力。

5　結語

本文分析了開放體系結構發展以及在美軍中的應用過程，分析了開放體系結構的原則、結構與目標以及在美軍中的應用發展，為我國艦載信息系統的研制提出了建設性意見。從海軍信息系統的體系規劃入手，以滿足新形勢下海軍的作戰使命任務為目標，全面規劃海軍的發展，以開放體系結構的設計思想為引導，通過加強艦艇頂層優化設計，推進計算環境建設，通過基于開放體系結構研制艦載信息系統，有效控制艦船全壽期費用，增強總體集成能力，推動作戰系統快速發展，促進作戰系統的跨越式發展和作戰效能的顯著提升。

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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。

E83DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.09.002