美軍艦載信息基礎設施發展研究及啟示?

馬永龍

（武漢市洪山區獅子山街南湖汽校一村 武漢 430070）

1 引言

由計算、存儲、顯控和網絡交換等硬件設備，以及操作系統、中間件等基礎支撐軟件所構成的艦載信息基礎設施是構建全艦電子信息系統裝備的基礎平臺，是艦載裝備實施信息收集、信息傳輸、信息處理、信息使用的關鍵載體，是保證艦載電子信息系統作戰效能發揮的核心基礎。隨著“網絡中心戰”等作戰概念的提出和實踐，美國海軍力量轉型走上了快速發展之路，艦載信息基礎設施作為現代艦艇信息化的重要支撐，從原先作戰、航空、平臺和C4ISR等各部門專用、煙囪式的系統向一體化、網絡中心化的綜合系統發展。以全艦計算環境和統一海上網絡和企業服務為代表的新一代艦載信息基礎設施是隨著美海軍21世紀海上力量構想的提出和開放式體系架構的推進，為解決宙斯盾系統等艦艇電子信息裝備硬件資源缺乏整合、利用率低、計算和顯控設備共用困難、軟件和硬件捆綁緊密、系統開放性和可擴展性差等問題而提出的一系列逐漸演進的解決方案和項目。

2 發展歷程

2.1 開放式體系架構的提出

2002年，負責監督艦艇作戰系統設計、建造和發展的美海軍海上系統司令部（NAVSEA）綜合作戰系統項目辦公室（PEO IWS），開始倡導推行“開放式體系架構計算環境”（OACE），以提高系統的設計和集成能力，增強艦艇武器平臺的先進性、通用性和可重用性［1～2］。按照開放的程度將開放式體系架構計算環境從低到高分為兼容、初始、公共功能、全艦計算等5級，現役裝備分步、逐級提高，新研裝備直接采用最新開放式體系架構技術。最高等級是第5級，也就是全艦計算級，其標志性特征包括構建全艦一體化信息基礎設施，為各應用系統提供公共計算服務支持；廣泛使用公共業務功能服務，提升應用系統的容錯抗毀性、靈活部署性和敏捷升級性，降低維修保障工作和人員配置需求；大量應用最新商用信息技術，有效降低全壽命周期費用。目前，美國最新研制的DDG1000、DDG1001、DDG1002系列“朱姆沃爾特”級驅逐艦、LCS瀕海戰斗艦和CVN78“福特”級核動力航母都采用了OACE［3～4］。

2.2 全艦計算環境TSCE

2004年，美國雷聲公司（Raytheon）在DDG1000研制中大力推行“全艦計算”裝備產品概念，按照開放式體系架構第五級要求，在作戰系統和平臺系統中全面應用全艦計算環境（TSCE）。主要特點是按照開放式體系架構標準把計算、存儲、網絡、顯控等硬件設備及其基礎支撐軟件集成為一整套可組合的計算服務平臺，為全艦各種應用提供自動部署、敏捷集成和抗毀容災支持［5］。TSCE是DDG1000任務系統集成的重要基礎和信息系統的核心平臺，目前已知經歷了7個版本的迭代，每個版本都為DDG1000系列艦艇的計算基礎設施增添了新的和改進的任務執行能力。它為全艦各系統提供核心寬帶網絡服務、分布式高性能處理服務、數據按需一致共享服務，實現了“網絡一體化、設備標準化、計算虛擬化、軟件服務化”。美軍認為采用TSCE后，系統可獲得免維護部署能力、更強的生命力、更高的自動化能力及更少的人員配置需求，并具備可升級、可重構的特性［6］。

2.3 統一海上網絡和企業服務CANES

2006年，為了整合C4ISR系統網絡和服務，美海軍空間和海戰系統司令部（SPAWAR，2019年改名為信息戰系統司令部NAVWAR）C41項目辦公室（PEO C4I）采用開放式體系架構思想、借鑒集成全艦計算環境的成果，提出了統一海上網絡和企業服務（Consolidated Afloat Networks and Enterprise Ser?vices，CANES）項目，主要組成和關鍵技術包括公共計算環境（Common Computing Enviroment，CCE）、海上核心服務（Afloat Core Services，ACS）和跨域解決方案（Cross Domain Solution，CDS）［7～8］。其中，CCE主要實現計算和網絡硬件基礎設施的虛擬化管理，ACS利用SOA方式創建可升級的服務分層交互模型將軟件從專屬軟硬件環境分離出來，CDS實現不同安全保密級別的系統運行在同一套公共基礎設施上。該項目計劃對現役192個平臺（包括水面艦船、潛艇以及海上作戰中心）的C41系統進行改換裝，2008年11月，CANES實質性開發決策獲批；2012年12月，第1套CANES安裝在DDG69上。

圖1 開放式體系架構計算環境示意圖

2016年后，美海軍將TSCE從全艦計算環境逐步演變成為整個海軍的海軍網絡基礎設施，即公共計算環境（CCE），成為CANES項目的一部分，采用SOA架構的虛擬化技術將艦載網絡硬件、機架、服務器等整合到一個公共網絡和服務器組，把海上編隊各種應用和軟件服務都將部署到CCE的硬件基礎設施上。CANES以一體化艦載網絡系統（ISNS）為基礎，逐步把聯合區域信息交換系統（CEN?TRIXS）、潛艇局域網（SUBLAN）、絕密信息網絡（SCI）、視頻信息交換系統（VIXS）、艦載視頻分發系統（SVDS）等傳統煙囪式網絡集成到一起，并將原有網絡應用都遷移到CANES中。CANES根據應用安裝部署的硬件需求，利用標準化網絡基礎設施和通用化機柜體系結構創建公共計算環境，通過提供企業服務的形式為作戰業務和管理應用程序提供“托管服務”，以提高互操作水平，減少傳統硬件數量和安裝空間［9］。

3 最新進展

3.1 未來綜合作戰系統基礎設施即服務FICS-CI及硬件工廠計劃

2020年8月，美海軍海上系統司令部（NAV?SEA）發布需求書，將啟動“硬件工廠”計劃，以保持艦艇計算平臺處在最新狀態，希望通過硬件工廠和硬件流水線概念采用敏捷開發技術促進計算基礎設施研發。該名為“未來綜合作戰系統基礎設施即服務和計算基礎設施”（FICS-CI）的計劃由海上系統司令部（NAVSEA）的綜合作戰系統項目辦公室（PEO IWS）管理，旨在將系統納入“通用、可擴展的間歇連接邊緣云體系架構”，打造基礎設施服務平臺，作為向海軍艦艇普遍采用的基礎設施即服務（IaaS）的“體系架構、運行實施和系統運維”轉型工作的組成部分。海上系統司令部（NAVSEA）希望為大小型戰艦、航母、兩棲戰艦以及海軍陸戰隊、外貿裝備、未來戰艦等相關計劃部署計算體系架構。

3.2 24小時從編譯到作戰及軟件工廠概念

2020年9月，美海軍信息戰系統司令部（NAVWAR）提出“軟件工廠”概念，希望通過敏捷開發、數字孿生、從編譯到作戰、開發-安全-運維（DevSecOps）等概念解決艦船交付時機或適用性導致軟件交付復雜程度高，需要在預定時間內執行多次升級等問題，作為統一海上網絡和企業服務（CANES）開放架構和平臺即服務（PaaS）實施途徑，滿足對軟件開發速度、承受能力和互操作性的需求。美海軍在2018年已進行了“24小時內從編譯到作戰”（C2C24）的試驗，目前能夠在8h內完成一個應用程序的更新。

3.3 智能基礎設施

2020財年，美國海軍在人工智能和機器學習領域投資9億美元，其中預算的新增項目中絕大部分都與人工智能和機器學習相關，研發可用于低功耗平臺的嵌入式深度學習算法與稀疏數據分析的深度學習技術，以及通過深度學習方法和人工神經網絡實現目標分類等，通過實施基于認知的協作決策感知認知模型、基于腦電波識別和認知算法的戰場威脅探測技術等項目，大力推進認知計算技術在艦載領域的應用。美國海軍在長期作戰任務中，已經研制部署了大量的監視、偵察、預警、探測、跟蹤、識別、定位等裝備，隨著不同類型傳感器收集獲取數據量的激增，海量異類情報信息存儲管理、處理分析與融合整編的難度日益復雜。到2025年前，美海軍系統預計將著重提升對海量、異構數據的分析處理能力，強調數據分析技術的核心地位，同時加強數據可視化能力，提高戰場態勢理解能力。

4 發展趨勢和相關啟示

4.1 發展趨勢

通過跟蹤研究美海軍艦載公共計算發展歷程和最新進展，分析當前美海軍技術體制和今后發展趨動向，未來美海軍艦載公共計算的發展趨勢主要集中在以下方面。

1）架構開放化。從開放式體系架構概念和分級標準的提出，到全艦計算環境（TSCE）、統一海上網絡和企業服務（CANES）的具體落實，再發展到最新的“未來綜合作戰系統基礎設施即服務和計算基礎設施”（FICS-CI）計劃，美海軍艦載信息基礎設施的架構沿著開放式道路一脈相承。不管主管部門是海上系統司令部（NAVSEA）還是信息戰系統司令部（NAVWAR），也不管供貨商是IBM還是HP，都秉承從芯片到云（From Chip To Cloud，C2C）的開放式理念開展設計和集優。

2）資源虛擬化。公共計算環境（CCE）通過采用虛擬化技術將艦載網絡傳輸、計算服務、顯示控制等設備整合到全艦艇云計算環境中，替換原來功能相似、重疊配置、分散獨立的硬件，從而實現全艦軟硬資源的池化管理、云化共享。采用虛擬化技術后，不同種類的操作系統以及它們各自所支持的所有應用程序都將可以在同樣的硬件和服務器設施上加以同時運行，最終實現將多種計算功能整合到一體化網絡和云計算環境中的目標，這將有效擴展全艦計算能力，并能夠使硬件設備投資和軟硬資源得到最大化利用。

3）軟件服務化。基于SOA核心服務架構，采用基礎設施即服務（IaaS）、平臺即服務（PaaS）、軟件即服務（SaaS），能夠創建一種可升級的層次化服務交互模型，將傳統煙囪式系統的應用軟件解構、轉換、封裝為面向不同用戶和數據的可復用式公共應用服務，這些公共應用服務能夠利用現有信息基礎服務、軟件框架服務、海上核心服務和專用業務服務。能夠快速創建、動態調用、按需執行和管理編排各種基于服務的新業務應用以及以網絡為中心的核心業務服務等，從而滿足不斷變化的作戰需求［10］。

4）研發敏捷化。美國一方面在2019年專門成立海軍敏捷辦公室（Naval X），加強與優勢研發單位的合作，壓縮采辦層級和流程，加快技術創新與能力交付，已發布“落實敏捷開發”和“云遷移”等工具；另一方面推行“硬件工廠”和“軟件工廠”等新概念，采用3D打印、數字孿生、應用倉庫等新技術，運用敏捷和精益開發理念提升硬件和軟件研發、集成和部署速度，以及全壽命周期的運維保障效率和服務質量，實現24h乃至8h從編譯到作戰［11］。

5）集成普適化。支持對先進傳感器、新型宙斯盾系統、定向能和電磁武器系統的集成，美海軍計劃阿里·伯克III版本的驅逐艦在2023年～2024年開始大規模生產，形成初始作戰能力的時間為2026年。開放式的全艦計算環境將提供對包括對最新的宙斯盾系統（MK7）、AN/SPY-6（V）和AMDR雙波段雷達、AN/SQS-53C聲納、MK41垂直發射系統、定向能和電磁武器等支持，并完成作戰系統集成。

6）基礎智能化。美海軍聯合DARPA開展了數據挖掘、機器學習、知識圖譜、語義分析、智能代理等大量智能基礎技術研究項目，大力推進認知計算、數據分析和數據可視化等技術在艦載領域的應用，提供對人工智能應用與大數據分析的基礎支撐能力，推動重視信息域的信息共享水平的“網絡中心戰”向重視認知域的認知理解水平的“決策中心戰”的作戰理念轉變。隨著美國人工智能應用與海上無人系統研究的深入發展，相關裝備應用也應在2025年前后上艦使用［12］。

4.2 對我軍裝備研制的啟示

1）“技術保先”：持續迭代升級，保持技術先進性。針對電子信息裝備“交付即落后”的潛在風險，充分考慮商用先進技術的演進發展，結合未來國產CPU、操作系統、云計算等核心軟硬件的技術多樣性，搭建公共計算環境裝備平行驗證系統，不斷納入新技術和行業新成果，形成能夠支撐裝備基線式漸進升級的技術驗證體系和工程管理流程，加速電子信息裝備迭代升級換代周期，確保技術標準和裝備的持續先進。

2）“裝備統型”：國產化硬件架構和軟件服務融合設計，統型裝備規格和技術狀態。針對當前公共計算服務系統基于申威和飛騰兩條獨立技術路線，開展設備形態和平臺服務的迭代融合統型，構建標準開放、狀態統一的系列化公共計算服務系統軟硬件裝備，屏蔽不同處理器架構等給業務應用帶來的差異，保持所承載的業務系統作戰能力與底層軟硬件選型差異的無關性。

3）“體系賦能”：面向作戰使用需求，著力提升系統能力。基于艦艇信息裝備作戰使用環境復雜、作戰樣式及各業務系統的多樣化資源需求，針對當前公共計算環境自動化、智能化服務能力不足，數據資源散、雜等難點、痛點問題，開展裝備可靠性保障、大數據處理支撐、智能化資源管理、對業務軟件的集成支撐等方面關鍵技術研究，提升計算環境裝備智能化化運維和對業務應用的大數據處理、AI計算、信息挖掘與知識發現、業務軟件集成等方面的支撐能力，為智能化作戰系統的構建提供資源和服務保障。

5 結語

艦載信息基礎設施的建設和發展是以提高艦艇裝備的綜合作戰效能為目標，適應海軍新時期軍事轉型的需要，通過研制先進高效、開放兼容的艦載電子信息系統體系結構及其基礎設施，實現艦艇電子信息裝備由分散、分項、分專業為主的模式向綜合集成為主的模式轉變。艦載信息基礎設施的未來發展一方面需要全面采用國產化自主可控軟硬件設備，另一方面需要逐步擴展應用支持范圍，研制適用于全艦所有裝備的信息基礎設施。同時，為保證艦載信息基礎設施的全壽命周期可維護性和演進發展的持續性，需建立常態化需求開發管理、基線式系統功能性能升級機制，提高電子信息裝備與作戰業務功能的錯峰發展能力，為艦艇裝備在長達數十年的服役過程中能夠保持或持續提升作戰能力提供支撐。