全艦計算環境及信息化總體概念方案研究*

徐 勇

(海裝信息系統局軟件室 北京 100841)

?

全艦計算環境及信息化總體概念方案研究*

徐 勇

(海裝信息系統局軟件室 北京 100841)

介紹了美軍全艦計算環境的體系架構及全艦信息化集成模式,分析了美軍全艦計算環境及信息化集成的設計思路及特性,結合我軍應用,分析了我軍全艦計算環境及信息化集成的應用需求,初步提出了我軍全艦計算環境的體系架構及全艦信息化總體概念方案,并結合未來我軍的發展應用需求,提出了我軍全艦計算環境及信息化集成的發展建議,為我軍全艦信息系統的發展提供參考。

全艦計算環境; 信息系統集成; 全艦信息化

Class Number TN919.3

1 引言

信息化作戰是由信息化軍隊在陸、海、空、天、潛、信息、認知和心理等多維空間用信息化武器裝備進行的。當前我軍仍處于機械化未完成、信息化剛起步的發展階段,與世界先進軍事水平相比,信息化水平和信息體系作戰能力差距較大。提高信息化作戰條件下海軍裝備的作戰能力是我國海軍裝備建設發展的方向和關鍵[1]。信息化海戰場對海軍新一代艦艇裝備建設提出了如下需求:

1) 提供全艦全要素信息的共享與集成能力,提高全局信息把控能力。

2) 建立面向全艦的開放式體系架構信息基礎設施,提升全艦信息服務化水平。

3) 提供差異化的高服務質量,具有高抗毀性,提升艦艇的戰斗力和生存能力。

4) 提高全艦各業務應用的全局聯動和自動化水平,減少人員配置,提升有效載荷。

5) 提高信息組織與運用的靈活性與智能性。

美海軍依托全艦計算環境(Total Ship Computing Environment,TSCE)將全艦公用的計算、存儲、傳輸、顯控等硬件設備和基礎服務軟件,進行了有機集成,構建了全艦信息化的基礎支撐環境[2]。TSCE為艦艇的探測感知、指揮控制、武器交戰、信息保障以及艦艇駕控、安防損管等艦艇業務應用提供包括信息交換、數據存儲、高性能計算以及人機交互等基礎服務支持[3]。美軍認為,TSCE為艦艇電子信息系統裝備的集成方式和組織運行帶來重大變革,在擴展升級、抗毀生存、分散布置、統一標準、開放集成和靈活重構等六個方面的優勢[4]。

隨著我軍艦艇裝備信息系統功能性能逐步提升、以及各類信息化新技術的應用,艦艇作戰能力大幅提高。但與世界先進水平相比,我海軍在新一代全艦信息基礎設施及在此基礎上的信息化水平方面尚存在一些差距。如全艦一體化信息覆蓋不足、面向全艦的計算服務支撐能力需求分析欠缺、艦艇信息系統綜合集成效能有待提高、基于全艦計算環境的應用開發與集成環境需待完善與建立等。

本文通過分析美海軍TSCE設計思路和信息化集成模式,探討我軍全艦計算環境體系架構的構建和全艦信息化集成設計,為我軍全艦信息化發展提供建議。

2 美軍全艦計算環境及信息化體系架構

2.1 美軍TSCE體系架構

TSCE體系結構是標準的五級開放式體系結構(如圖1所示),由硬件層、操作系統層、中間件層和通用服務接口層組成[5]。硬件層設備遵循成熟標準,操作系統層采用符合POSIX標準的操作系統,中間件層按照OMG標準封裝,艦艇各類應用通過應用軟件部署和標準服務接口,基于TSCE的硬件和服務軟件,完成各自的任務。

圖1 TSCE體系結構示意圖

全艦計算環境TSCE是DDG-1000全艦計算環境的基礎與核心[6],由人機接口單元、數據處理單元、網絡單元和適配單元四大部分組成,為全艦各系統提供核心的網絡服務,數據處理與共享服務,分布式高性能計算等服務。具體組成如圖2所示。

圖2 全艦計算環境基礎設施組成

1) 數據處理單元:主要由計算機、數據庫服務器等設備和相關支撐軟件組成,為全艦提供共用的計算、存儲、系統管理、安全和運行環境等功能。

2) 網絡單元:包括有線和無線網絡設備及其上運行的軟件,提供網絡交換、語音和視頻的控制及通信等功能。

3) 人機接口單元:TSCE提供的標準“顯控平臺”,包括標準的顯控終端和人機接口服務組件,提供人機交互的支撐功能。

4) 適配單元:TSCE與定型的導彈發射裝置等裝備信息換的“網關”,包括接口硬件和對應的軟件,提供接口適配和信息轉換等功能。

2.2 美軍基于TSCE的全艦信息化集成模式

TSCE集成了外部通信控制、傳感器與裝備控制、艦船控制、武器控制、指揮控制等信息系統[7],如圖3所示。作戰系統劃分為兩大部分,一是不隨平臺變化的公共核心部分,即將軟件化的傳感器管控、航跡管理、作戰指揮、武器控制功能部署于全艦計算環境[8]。二是平臺適配部分,即必須由專用硬件設備完成的功能[9],如傳感器天線及陣面、武器發射裝置等。通過這種開放式體系結構設計,實現了公共資源的充分共享、業務應用的靈活部署、武器通道動態組配,同時支持以模塊化的方式快速換裝新的武器裝備。從而大幅提升艦艇作戰系統整體信息處理能力、數據共享能力、顯示操控能力、靈活配置能力、冗余抗毀能力和升級擴展能力。美軍認為,通過采用全艦計算環境,使其作戰系統體系結構和集成方式產生了根本性變革,作戰系統從傳統的分系統拼裝式集成轉變為基于全艦計算環境基礎設施的開放式集成。

圖3 美國海軍TSCE組成示意圖

美軍強調戰場中,即使是信息基礎設施,計算、網絡、軟件、數據等各類要素也應作為作戰資源在TSCE中進行管理[10]。美軍TSCE資源管理架構如圖4所示。

圖4 TSCE資源管理架構

針對各類資源,美軍制定了相應的標準規范,從整個TSCE層面,根據各類應用需求,實施統籌管理。

全艦計算環境中基礎設施相關計算存儲設備、顯控設備、網絡及適配接入設備都進行了標準化,通用化設計。艦艇駕控、傳感器管理、外部通信、作戰指揮、武器控制、平臺管理等應用所需的設備資源都在全艦計算環境基礎設施的基礎上統一規劃,集中管理和動態共用。

TSCE將系統中的應用作為服務進行統一管理,并將系統的核心服務歸納為TSCE連接件,數據服務、對象代理服務、事件服務、數據采集服務等幾類接口[11]。TSCE的連接件和接口服務提供了資源管理和所有與外部應用的連接,TSCE連接件基于接口服務提供膠連功能,由TSCE管理這些接口連接。美軍將TSCE中的應用層服務架構也進行了詳細的劃分和標準化,TSCE的系統服務層在基礎網絡設施和計算處理設施的基礎上對通信服務、基礎設施管理服務、分布式計算服務、數據管理服務、人機交互服務和操作系統服務進行統籌應用,在系統服務層統一提供系統運行,資源管理和應用交互的服務資源,基于這些系統服務向業務層提供應用支撐。

TSCE數據資源的統籌共用實現了數據的綜合存儲、傳輸、處理和分發,是全艦計算環境的核心設計之一。美軍在TSCE中通過統一的數據庫集成模式實現了對數據資源的統一管理,所有的數據統一存儲在數據倉庫中,數據的采集、分析、處理和管理都在TSCE中進行。

美軍在TSCE中也實現了標準化的任務流程描述、任務流程的組織,任務流程驅動引擎,任務統籌管理,對任務的調度,任務中服務資源的分配,以及任務的生命周期在TSCE中進行了統一的管理。

2.3 美軍全艦信息化集成的特性分析

美軍的TSCE體系架構及全艦信息化集成設計中充分考慮了應用耦合性,系統運行、部署和維護各方面的能力需求,突出實現信息化集成系統層次間的解耦、屏蔽設計,實現TSCE基礎設施、信息化應用系統以及上層應用服務等各層透明性設計[10]。實現全艦信息化集成的模塊化部署。

全艦信息化系統各層訪問透明:屏蔽了用戶本地訪問和遠程訪問機制間的差異性、底層的通信模式和被訪問對象的存儲位置,其透明性設計還支持跨語言、跨操作系統實現訪問操作的語法和語義的一致性。同時TSCE屏蔽了來自于不同應用終端的并發服務請求的各種訪問沖突,簡化應用處理過程。TSCE通過虛擬數據庫技術實現了持久性的特性,持久性透明設計允許應用程序管理、應用持久性數據,而不需要關注其存儲位置或數據庫的表現形式。

全艦信息系統的復用能力支持:TSCE實現了服務級、應用級到系統級的不同粒度的復用支持。支撐數據、服務和業務功能等不同粒度的復用和部署使用。

全艦信息系統的運維與應用解耦:系統的運行配置對應用透明。應用系統無需關注計算資源的分配調度過程和復雜的資源管理機制。同時TSCE實現了對軟硬件錯誤的容錯管理和故障恢復,使得容錯機制對應用透明。TSCE實現了對應用遷移的透明管理。應用程序或數據遷移到其他設備上時,應用程序無需宕機,操作人員也感覺不到遷移過程。

全艦信息系統的技術兼容設計:TSCE進行了大量的兼容性考慮和設計,通過開放式的架構和標準化的接口兼容將可能出現的新的中間件技術。

通過上述設計,TSCE實現了應用與基礎設施真正的解耦,保障了TSCE中各類應用的可用性、可維護性和全系統的高效集成能力。

3 我軍全艦計算環境及信息化總體概念方案研究

3.1 全艦計算環境及信息化需求分析

分析全艦各系統及平臺對全艦信息支撐環境的應用需求,梳理全艦信息資源,系統的研究信息采集,信息協同和交互,信息處理,信息分發,信息展現等全過程的信息化需求,分析全艦系統及平臺的信息處理業務流對信息化平臺的支撐能力需求,將全艦信息化集成分為信息展現及監控,信息協同交互,信息處理,信息分析與推送等功能區,并對各系統和裝備的信息化需求進行初步分析,形成各系統對信息化功能構成的初步認識,為全艦計算環境及信息化總體方案設計提供支撐。

3.2 全艦計算環境系統設計

作為承載全艦信息化業務的硬件基礎支撐平臺,全艦計算環境必須具備計算處理高性能,網絡通信和數據訪問高效率,數據存儲安全可靠,同時還必須兼容適配各種不同體系架構的軟硬件平臺等各種需求,以滿足信息系統在各類信息化業務處理過程中應用需求。

全艦計算環境根據全艦各系統和平臺的配置需求,以電子集裝箱的方式在艦內配置多個計算中心,計算中心按各系統功能域分配給各平臺和系統使用。全艦計算環境的計算中心采用容災和可靠性設計,計算中心間采用容災互連方式確保出現部分損毀情況下,系統正常運行。全艦計算環境配置示意圖如圖5所示。

全艦計算環境基于開放式體系的公共計算服務系統,高性能計算設備采用服務器架構,支持刀片式、機架式計算單元集成,確保兼容各硬件組件的主流物理形態,支撐計算服務系統形成硬件技術體制的分類統一。

圖5 全艦計算環境電子集裝箱及設備組成示意圖

3.3 全艦信息化總體概念方案研究

根據全艦信息化資源的梳理和信息化應用需求,全艦計算環境及信息化總體概念設計方案分為兩部分,如圖6所示,一部分是為全艦信息化提供基礎硬件支撐的底層硬件支撐平臺,包括各類計算、存儲、網絡設備及人機交互和展現平臺,這些硬件基礎設施已公共開放的接口面向全艦提供計算、存儲、顯控、傳輸環境,支持各應用的一體化集成;第二部分是為全艦信息資源提供各類信息化綜合處理業務信息化軟件支撐平臺,包括信息的標記與表示,信息展現框架,信息處理框架,信息分發框架,多級信息存儲框架,信息分析與推送,應用集成框架,信息安全框架等各類信息化集成與應用軟件。

圖6 全艦信息化總體概念方案

其中,基于公共計算服務的全艦信息化硬件基礎設施以電子集裝箱的形式對計算、存儲、網絡等設備進行冗余部署,以增強硬件設備的抗毀容災能力,并為硬件設備提供統一的供電、制冷,電磁屏蔽與減震支持;人機交互及信息展現平臺為各類應用提供多屏、觸摸、語音、手勢、鍵鼠、操縱桿等多模態的顯控交互支撐功能,支持各類信息資源的全面展現和交互。

全艦信息化軟件支撐平臺為信息資源全壽命周期的應用處理提供各類信息應用集成框架,從信息的采集和表示,信息的存儲,信息處理,信息分析,信息分發,信息的分析挖掘與智能化推送,信息的全方位展現,以及信息的容災備份和訪問控制等各個方面提供全面的信息化集成方案。

1) 全艦信息系統的信息協同、交互和共享

目前,全艦信息化系統內部存在著大量孤立的信息資源,這些信息資源在全艦信息化平臺內需要充分的共享和交互,同時也存在著信息協同的需求。另外,全艦信息資源多元多樣,有靜態存儲的信息資源,也有動態生成和實時采集的信息資源;信息資源種類有指揮信息、情報信息、設備控制信息、系統監控信息、氣象海文信息和后勤保障信息等;各類信息資源對信息分發的時效性要求也多種多樣,有強實時信息、弱實時信息和非實時信息;各信息資源的傳輸和表示方式又有元數據、主題數據、格式化報文數據和數據庫數據等多個種類。全艦信息資源的多種多樣及多元化要求信息分發模式的多樣化有機集成,以滿足各類信息資源交換、共享和協同的需求。

針對各類信息資源的傳輸、交互和共享的特色需求,結合全艦硬件基礎支撐平臺設計,綜合采用數據訂閱/分發、信息服務總線及信息直通管道等多種分發模式,并將其有機集成,以適應不同種類信息資源傳輸共享需求,優化信息交互和信息化操控流程。

針對強實時、控制類信息資源,由于其信息傳輸的時效性要求較高,這類信息的信源信宿間采用工業總線及信息直通管道的方式進行互通,并采用實時系統和實時中間件以保證其信息處理的時效性;對于弱實時、動態信息資源則可采用數據訂閱/分發模式,一方面保障信息的實時性需求,另一方面則提高信息分發效率,減少動態信息資源對網絡,存儲資源的占用;對于數據庫信息,靜態數據及非實時信息,則可采用信息服務總線的方式在信息系統內進行分發,可充分提高信息的交互共享效率,同時降低對網絡資源的占用。全艦信息交互、協同和共享框架示意圖如圖7所示。

圖7 全艦信息交互、協同和共享框架示意圖

2) 全艦信息系統的信息多級存儲及同步

全艦信息資源廣泛的分布于全艦各個系統及裝備之中,信息資源的持久化及數據的同步共享也給信息資源的存儲帶來了嚴酷的挑戰,同時信息資源的高效訪問的需求也對數據的存儲訪問設計提出了更高的要求。

全艦信息存儲網絡綜合集成分布式數據庫、嵌入式數據庫、內存數據庫等多層次信息存儲框架,通過內存數據庫,嵌入式數據庫等方式提升信息終端的數據庫訪問的效率,同時通過分布式數據同步和共享機制進行數據的持久化和同步,提升各級數據存儲、訪問以及信息處理的效率。

另外,全艦信息系統中也廣泛的分布著大量的非結構化數據,因此在數據存儲框架設計中也要有機集成結構化數據庫和非結構化數據庫,以滿足不同的信息存儲需求。

信息多級存儲及同步示意圖如圖8所示。

圖8 信息多級存儲及同步示意圖

3) 面向服務化及容器架構的全艦信息化集成

全艦信息化平臺上各系統的信息處理業務紛繁復雜,對平臺操作系統及中間件的要求也多種多樣,這大大增加了信息化系統集成的難度,同時降低了應用系統運行、部署的靈活性和可靠性。

面向服務化設計和容器架構能以一種松散耦合架構實現應用系統的靈活集成,提升應用系統的部署、運行和維護的靈活性,同時由于應用系統在容器內隔離運行,以及服務化處理的松耦合機制,也增強了應用系統運行的可靠性。

全艦信息化系統的基礎軟件平臺,采用虛擬化技術及容器架構,在硬件平臺的基礎上構建虛擬化資源池,然后根據應用系統需求構建不同的虛擬化操作系統供應系統使用,在每個虛擬機上運行的應用軟件以構件容器的方式進行隔離式的獨立運行,同時滿足服務需求的非實時應用以服務的形式向上層應用發布,應用方以松耦合的方式調用服務完成相應的功能業務。面向服務化及容器架構的應用集成示意圖如圖9所示。

4) 全艦信息資源的綜合利用與效能提升

全艦信息化系統中存在海量的信息資源,這些信息資源在以前的利用模式中往往是事先確定的,定向式應用,應用方事先知道需要利用那些信息然后以固定的流程利用這些信息資源,信息資源的利用效率低下,大量的信息資源被淹沒在了信息海洋中。

全艦信息系統要充分挖掘信息資源的利用效率,采用知識關聯、數據挖掘、統計推理等技術手段實現全艦信息資源綜合利用,通過統計和關聯規則讓信息化系統理解各類業務軟件的信息需求,并在后臺對所需的信息資源進行歸集和整理,向各類業務軟件進行智能推送,提升信息系統對信息資源管理的智能化水平。

圖9 面向服務化及容器架構的全艦信息化集成

4 結語

美軍根據多年的艦載信息系統集成設施建設和應用經驗,提出了全艦計算環境和基于全艦計算環境的信息系統集成應用模式,減少資源配置,提升作戰效能。當前,我軍全艦計算環境及信息化系統集成仍處于研究和發展階段,仍存在許多問題需要深入分析和研究,借鑒美軍TSCE的設計思路和發展模式,本文認為未來我軍信息化系統集成的發展和應用過程中仍需注意以下幾點。

1) 充分尊重應用需求,加強全艦信息化集成的頂層規劃和總體設計。

2) 統籌設計,建立統一的全艦信息化基礎設施及應用技術體制。

3) 體系結構兼容,建立開放透明的信息化基礎設施體系和信息化集成架構。

4) 加強標準規范建設,規范集成,建立統一的技術標準和驗證平臺。

5) 優化用戶體驗,從作戰指揮的角度加強適用性和可用性設計。

[1] 董曉明,石朝明,黃坤,等.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):7-14.

[2] 李明.美海軍開放式體系架構計算環境發展綜述及啟示[J].計算機與數字工程,2012,40(12):56-59.

[3] M. Morisiod, C.B. Seamanb, c, V.R. Basili a,c, A.T. Parrae, S.E. Kraftf. COTS-based software development: Processes and open issues[J]. The Journal of Systems and Software,2002,61:189-199.

[4] 李明,唐亮,王允峰,等.全艦計算環境工程項目管理研究[J].艦船電子工程,2012,32(12):4-8.

[5] 歐中紅,袁由光,趙曉勇,等.基于COTS技術的高可靠通用容錯計算機容錯機制研究[J].計算機科學,2006,33(4):284-288.

[6] Ronald ORourke. Navy Aegis Ballistic Missile Defense(BMD) Program: Backgmund and Issues for Congress[R]. Apr, 2011.

[7] 董曉明,馮浩,石朝明,等.全艦計算環境體系結構和系統集成框架[J].中國艦船研究,2014,9(1):7-13.

[8] Department of defense joint technical architecture(JTA). version 2.0[R/OL]. 1998. [2013-06-30]. http://oai.dtic.mil/oai/oai?verb=getRecord&metadata?Prefix=html&identifier=ADA350368.

[9] THOMAS L. Ship design and construction[M/OL]. New York: The Society of Naval Architects and Marine Engineers, 2004[2013-01-19]. http://legacy.sname.org/newsletter/VOLIITOC.pdf.[10] MASTERS M W. Total ship computing risk analysis[C/OL]//DARPA Quorum PI Conference, 1998, [2012-02-12]. http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.196.8139&rep=rep1&type=pdf.

[11] 黃坤,石朝明,董曉明,等.面向服務的艦艇作戰系統集成框架研究與原理驗證[J].中國艦船研究,2013,8(5):1-5.

Conceptual Scheme of Total Ship Computing Environment and Informational System

XU Yong

(Software Department, Naval Equipment Information System Bureau, Beijing 100841)

It briefly introduced the architecture of USA navy total ship computing environment (TSCE) and the integration model of total ship informational system, analyzed the thinking of design and system features. And then combined with our applications, it analyzed the requirement of our navy total ship computing environment and informational system, proposed an conceptual scheme of total ship computing environment architecture and total ship informational system. At last, it proposed some development suggestion of total ship computing environment and shipboard information system integration, to provide some consults about development of our shipboard information system.

total ship computing environment, informational system integration, total ship informational

2016年5月3日,

2016年6月24日

徐勇,男,碩士,研究方向:作戰系統,電子信息系統。

TN919.3

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.11.004