美國海軍全艦計算環(huán)境發(fā)展及關(guān)鍵技術(shù)

張 偉

（海軍裝備部，北京 100161）

美國海軍全艦計算環(huán)境發(fā)展及關(guān)鍵技術(shù)

張 偉

（海軍裝備部，北京 100161）

全艦計算環(huán)境是新一代艦載系統(tǒng)集成技術(shù)，對艦艇平臺信息化具有重要意義和影響，是“網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)”在單個艦艇平臺上的具體體現(xiàn)，也是艦艇平臺信息化技術(shù)邁向“網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)”的一個重要里程碑。本文對全艦計算環(huán)境的發(fā)展情況、體系結(jié)構(gòu)和主要技術(shù)進行介紹。

全艦計算環(huán)境；集成；中間件

1 全艦計算環(huán)境發(fā)展的背景

從 20 世紀 90 年代的“哥白尼”構(gòu)想到21世紀初的“網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)”計劃，網(wǎng)絡(luò)中心化逐步成為美國海軍編隊電子信息系統(tǒng)和艦船電子信息系統(tǒng)的發(fā)展方向，美國海軍電子信息系統(tǒng)經(jīng)歷了一條不斷集成、融合、創(chuàng)新的螺旋式發(fā)展道路，從原先分立的或“煙囪式”的系統(tǒng)發(fā)展成為由各種系統(tǒng)交聯(lián)在的一體化、網(wǎng)絡(luò)中心化的綜合系統(tǒng)。美國海軍作戰(zhàn)艦艇編隊中，幾乎所有作戰(zhàn)資源都被納入網(wǎng)絡(luò)中心化的作戰(zhàn)體系中，而在個體艦船上，幾乎所有的艦載作戰(zhàn)資源都被逐步納入作戰(zhàn)系統(tǒng)的管理范圍，集成為一個整體。

以替代先進作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)（ACDS）并裝備于美國海軍航母和大甲板兩棲艦上的艦艇自防御系統(tǒng)（SSDS）為例，從其基本型到 MK 1，MK 2，越來越多的作戰(zhàn)資源被集成起來。艦艇平臺綜合管理系統(tǒng)的快速發(fā)展使與艦艇運行有關(guān)的設(shè)備、系統(tǒng)以及除作戰(zhàn)系統(tǒng)之外的各種資源迅速走向綜合集成。這些系統(tǒng)的綜合集成將最終導(dǎo)致艦艇平臺系統(tǒng)走向一體化。

在艦船作戰(zhàn)系統(tǒng)向一體化、集成化、系統(tǒng)化發(fā)展的基礎(chǔ)上，美國海軍利用全艦計算環(huán)境（TSCE）將它們進一步融合為一個一體化的網(wǎng)絡(luò)。

從概念上講，全艦計算環(huán)境是一種革新性的概念，以網(wǎng)絡(luò)為中心，基于開放式體系結(jié)構(gòu)和民用現(xiàn)成技術(shù)，將現(xiàn)代艦艇戰(zhàn)時、平時各類運算操作、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集成到一個統(tǒng)一的、公共計算環(huán)境中，實施分布或集中式管理。

從功能上講，全艦計算環(huán)境將艦載系統(tǒng)應(yīng)用程序與計算機及操作系統(tǒng)進行隔離，通過將各類應(yīng)用軟件和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)部件化，實現(xiàn)艦艇上各系統(tǒng)之間的集成，極大地推動艦載系統(tǒng)的模塊化、部件化，最終達到艦艇武器跨系統(tǒng)、跨平臺甚至跨領(lǐng)域的協(xié)同作戰(zhàn)能力。該環(huán)境不僅包括艦載 C4ISR（指揮、控制、通信、計算機、情報、監(jiān)視和偵察）、武器系統(tǒng)和艦船狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，還擴展到了岸上以支持艦船的維護、補給、訓(xùn)練等功能。

可以說，全艦計算環(huán)境是新一代艦載系統(tǒng)集成技術(shù)，對艦艇平臺信息化具有重要意義和影響，是“網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)”在單個艦艇平臺上的具體體現(xiàn)，也是艦艇平臺信息化技術(shù)邁向“網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)”的一個重要里程碑。

2 全艦計算環(huán)境發(fā)展現(xiàn)狀

美軍下一代艦艇的開發(fā)和現(xiàn)有艦艇的升級都將采用全艦計算環(huán)境。目前美國最新研制的 DDG 1000 驅(qū)逐艦、LCS 近海戰(zhàn)斗艦和“福特”級航母都將使用全艦計算環(huán)境技術(shù)。

DDG 1000 是第一艘全面應(yīng)用實施全艦計算環(huán)境的美國海軍艦船，DDG 1000 的設(shè)計定初就以開放體系結(jié)構(gòu)為指導(dǎo)，它以全艦計算環(huán)境為各系統(tǒng)的集成系統(tǒng)，把其他系統(tǒng)（作戰(zhàn)系統(tǒng)、預(yù)警系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、武器系統(tǒng)、指揮控制系統(tǒng)等）進行信息整合，最終形成一個統(tǒng)一的“網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)”單元。圖 1 所示為美國 DDG 1000攻擊驅(qū)逐艦全艦計算環(huán)境的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖 1 美國 DDG 1000 攻擊驅(qū)逐艦全艦計算環(huán)境的結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 USN DDG 1000 TSCE structure

2010 年 7 月，雷聲公司獲得一項合同，為美國海軍“杜魯門”號航母（CVN 75）和“福特”號航母（CVN 78）提供艦艇自防御系統(tǒng) MK 2，該系統(tǒng)選擇部分為 DDG 1000 開發(fā)的全艦計算環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施的組件。2012 年 1 月，上述合同中的系統(tǒng)全部交付完畢。2014 年 7 月，DDG 1000 級驅(qū)逐艦項目在初始作戰(zhàn)能力階段開始達到新里程碑，其中全艦計算環(huán)境（版本7）軟件成功通過測試審查，至此，雷聲公司共推出了7 個版本的全艦計算環(huán)境軟件。

3 全艦計算環(huán)境體系結(jié)構(gòu)和主要技術(shù)

3.1 全艦計算環(huán)境的體系結(jié)構(gòu)

全艦計算環(huán)境是一個由網(wǎng)格化計算機構(gòu)成的高性能分布式實時計算環(huán)境，它能夠控制和執(zhí)行分布式戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用程序，提供應(yīng)用程序加載、資源管理、實時應(yīng)用程序通信、容錯等服務(wù)。全艦計算環(huán)境由計算機、內(nèi)部和外部網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)、操作和控制軟件、通信軟件、接口軟件等組成。從技術(shù)層面來看，全艦計算環(huán)境由硬件層、操作系統(tǒng)層、中間件層、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)服務(wù)層、應(yīng)用程序?qū)雍唾Y源管理器組成，其中硬件層、操作系統(tǒng)層、中間件層、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)服務(wù)層構(gòu)成了全艦計算環(huán)境的核心，即全艦計算環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施。圖 2 從全艦計算環(huán)境的功能層面上給出了系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，描述了建立多組件、重復(fù)、分布式對象實時系統(tǒng)所需要的能力和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。

圖 3 為其所對應(yīng)的物理網(wǎng)絡(luò)和計算環(huán)境體系結(jié)構(gòu)，該圖從物理層面上給出全艦計算環(huán)境的體系結(jié)構(gòu)。

3.2 全艦計算環(huán)境的主要技術(shù)

1）全艦計算環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施

全艦計算環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施是基礎(chǔ)骨干，全艦所有應(yīng)用軟件都運行于其之上，實現(xiàn)了艦船上所有艦載系統(tǒng)的無縫集成。全艦計算環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施與艦船任務(wù)應(yīng)用程序結(jié)合，提供了一個開放體系結(jié)構(gòu)的任務(wù)系統(tǒng)，能滿足所有作戰(zhàn)需求，并具有可擴展性以滿足新的操作需求。該體系結(jié)構(gòu)將所有戰(zhàn)時和平時的操作集成到一個單一的、通用的計算環(huán)境中。

圖 2 全艦計算環(huán)境功能層面的體系結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 Functional structure of TSCE

圖 3 全艦計算環(huán)境物理層面的體系結(jié)構(gòu)圖Fig. 3 Fhysical structure of TSCE

全艦計算環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施為運行于其頂層的應(yīng)用程序提供統(tǒng)一的信息交換、信息處理、信息存儲、信息分發(fā)、信息安全和保密等服務(wù)，實現(xiàn)艦艇上所有系統(tǒng)的綜合信息管理，提供信息的實時處理與分發(fā)、數(shù)據(jù)庫存儲與訪問等服務(wù)。全艦計算環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施支持應(yīng)用系統(tǒng)的即插即用，是系統(tǒng)互聯(lián)互通、信息共享、安全可靠運行的基礎(chǔ)。全艦計算環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施采用標準的軟硬件系統(tǒng)，增強了海軍使用標準軟件和民用現(xiàn)成硬件的能力。

全艦計算環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施的結(jié)構(gòu)分以下 4 層：

① 硬件層。硬件層包括支撐系統(tǒng)運行的計算機、電纜設(shè)備、交換機、驅(qū)動器等硬件設(shè)施，這些硬件設(shè)施均采用標準民用現(xiàn)成設(shè)備，它們構(gòu)成了全艦計算環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)和計算環(huán)境基礎(chǔ)。

② 操作系統(tǒng)層。操作系統(tǒng)層包括運行于硬件層計算機之上的各種類型的操作系統(tǒng)。這些操作系統(tǒng)采用標準民用現(xiàn)成技術(shù)，全艦計算環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施支持包括實時 Linux、便攜式計算機操作系統(tǒng)接口（POSIX）等多種操作系統(tǒng)。

③ 中間件層。中間件層是全艦計算環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施的核心部分，它位于操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件之間，實現(xiàn)全艦計算環(huán)境各種類型操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序之間的實時通信和資源共享。

圖 4 全艦計算環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施的體系結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 4 Infrastucture structure of TSCE

④ 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)服務(wù)層?；A(chǔ)結(jié)構(gòu)服務(wù)層為應(yīng)用程序?qū)犹峁?yīng)用程序管理及信息交換、處理和管理等各項基礎(chǔ)服務(wù)，它分為通用服務(wù)和領(lǐng)域?qū)Ｓ梅?wù)，通用服務(wù)指所有應(yīng)用程序均使用的服務(wù)，如時間同步、數(shù)據(jù)記錄、輸入/輸出控制、電力管理、聲明管理、數(shù)據(jù)分發(fā)管理等；領(lǐng)域?qū)Ｓ梅?wù)則指某一個或一些應(yīng)用程序?qū)Ｓ玫姆?wù)，如信息可靠性和安全性管理、任務(wù)特殊資源管理等。

2）以中間件技術(shù)為核心的艦載系統(tǒng)集成技術(shù)

“中間件”由于在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中往往居于計算機硬件及操作系統(tǒng)與應(yīng)用軟件之間而得名，多用于分布式系統(tǒng)，通過標準化的程序接口和協(xié)議、數(shù)據(jù)傳輸和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，將異種/異構(gòu)計算機硬件及操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序加以封裝，隱藏其特異性以解決這些異種/異構(gòu)應(yīng)用系統(tǒng)難以集成的問題，進而提高系統(tǒng)整體的開放性。

全艦計算環(huán)境作為一種以網(wǎng)絡(luò)為中心的、分布式、實時和嵌入式大系統(tǒng)，其對全艦計算環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施的技術(shù)性能要求可以概括為：必須同時滿足能夠?qū)?shù)據(jù)通信反應(yīng)時間/抖動/流量進行準確預(yù)測、可擴展、可信賴、高度安全和實時工作模式等方面的要求；可針對不同的配置、環(huán)境條件和成本提供不同層級的服務(wù)，且必須可由作戰(zhàn)系統(tǒng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和應(yīng)用軟件進行快速地處理；必須能與其他維度的服務(wù)層級動態(tài)地進行協(xié)調(diào)以滿足應(yīng)用程序的需求并確保任務(wù)的達成，例如，消息傳遞的安全性和可靠性就必須與網(wǎng)絡(luò)反應(yīng)時間和可預(yù)測性進行協(xié)調(diào)權(quán)衡；對自主及時間關(guān)鍵性應(yīng)用工況的需求要求系統(tǒng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)軟構(gòu)件具有足夠的柔性，可根據(jù)任務(wù)需求和環(huán)境條件的動態(tài)變化魯棒地進行調(diào)整。

圖 5 全艦計算環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施的多層中間件結(jié)構(gòu)Fig. 5 Middleware of the multi-layer infrastructure of TSCE

全艦計算環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施中所采用的多層中間件系統(tǒng)包括主機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中間件、分布中間件、公共中間件服務(wù)和領(lǐng)域?qū)Ｓ弥虚g件服務(wù)（見圖 5）。需要特別指出的是，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)服務(wù)本身也是一種中間件，只是運行于全艦計算環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施中間件系統(tǒng)的高端。全艦計算環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施多層中間件系統(tǒng)細述如下：

① 主機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中間件用于封裝和強化本地操作系統(tǒng)的通信和并發(fā)機制以生成可移植、可重用的網(wǎng)絡(luò)程序軟構(gòu)件，如反應(yīng)器、接收器-連接器、監(jiān)視器對象、活動對象及軟構(gòu)件配置等。這些軟構(gòu)件隔離了偶然出現(xiàn)的個別操作系統(tǒng)不兼容問題，避免了通過低級操作系統(tǒng)編程應(yīng)用程序界面。

② 分布中間件定義了一種高端分布式編程模型，其可重復(fù)使用的應(yīng)用程序界面和機制是對通過主機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中間件封裝的本地操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)編程能力的擴展，并使之自動化。分布中間件支持開發(fā)人員可以像開發(fā)單機應(yīng)用程序那樣開發(fā)分布式應(yīng)用程序，即通過請求操作目標對象或分布式軟構(gòu)件的形式。

圖 6 全艦計算環(huán)境的資源管理體系結(jié)構(gòu)Fig. 6 Resource management structure of TSCE

③ 公共中間件服務(wù)是對分布中間件的擴充，通過定義一組高層的、與應(yīng)用領(lǐng)域無關(guān)的、可重用的服務(wù)，包括事件通知、命名、數(shù)據(jù)存儲和分發(fā)、安全和故障恢復(fù)等，以保證多計算機環(huán)境下大多數(shù)分布式應(yīng)用軟件的高效運行。

④ 領(lǐng)域?qū)Ｓ弥虚g件服務(wù)根據(jù)特定作戰(zhàn)系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域，包括航空電子任務(wù)計算、雷達信號處理、武器瞄準，以及指揮與決策系統(tǒng)等的需求定制的一批中間件。與前 3 種中間件層的軟構(gòu)件具有廣泛的民用現(xiàn)成技術(shù)來源不同，領(lǐng)域?qū)Ｓ弥虚g件服務(wù)是目前全艦計算環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施中間層中發(fā)展和應(yīng)用最不成熟的一層。

3）資源管理器——高可用性和抗毀性的關(guān)鍵

全艦計算環(huán)境能夠保持高效運轉(zhuǎn)、且具備高可用性和高抗毀性的核心保障之一，就是其采用的動態(tài)資源管理技術(shù)。資源管理器所采用的動態(tài)機制將根據(jù)戰(zhàn)術(shù)平臺所處情況的具體需求動態(tài)地分配應(yīng)用程序所需的計算和網(wǎng)絡(luò)資源。例如，當確認一個來自空中的威脅時，“處理器池”將主要被分配給打擊空中目標所需的各類顯示、計算任務(wù)，而當這種威脅被消除時，同一個“處理器池”將可能被分配用于反艦攻擊的各項運算任務(wù)。對比“煙囪”式系統(tǒng)體系僵硬固定、專屬專用的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)軟件和硬件而言，這種機制無疑在應(yīng)對變化的作戰(zhàn)環(huán)境和資源故障方面具有極大的靈活性。

全艦計算環(huán)境資源管理器能夠在分布式系統(tǒng)環(huán)境中監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)、操作系統(tǒng)、中間件和應(yīng)用程序資源，主要具備應(yīng)用軟件/處理監(jiān)控、操作系統(tǒng)監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、系統(tǒng)健康監(jiān)控、資源和應(yīng)用軟件控制、系統(tǒng)和資源規(guī)范、故障檢測/故障隔離/故障恢復(fù)、動態(tài)資源分配等功能（見圖 6）。

［1］PEO IWS. Open architecture computing environment design guidance: version 1.0［S/OL］. ［2004，08，23］. http://www. everyspec.com/USN/NSWC/down-load.php？spec=OACE_ DSN_GUIDANCE_VER-1.011546.PDF.

［2］PEO IWS. Open architecture computing environment technologies and standards: Version 1.0［Z］. 2004，08，23.

［3］MARLOW D T， FUTCHER D A， MADDEN L A， et al. Paradigm changes for it standards development［C］//ASNE Engineering the Total Ship Symposium 2008. Falls Church， VA: Westin Tysons Corner Hotel， 2008.

［4］PEO IWS. Surface navy combat systems software product line architecture: architecture description document， version 1.0［Z］. 2009，07.

［5］李明， 唐亮， 王允峰， 等. 全艦計算環(huán)境工程項目管理研究［J］.艦船電子工程， 2012， 32（12）: 4–8. LI Ming， TANG Liang， WANG Yun-feng， et al. Research on engineering program management of total ship computing environment［J］. Ship Electronic Engineering， 2012， 32（12）: 4–8.

［6］董曉明， 石朝明， 黃坤， 等. 美海軍 DDG-1000 全艦計算環(huán)境體系結(jié)構(gòu)探析［J］. 中國艦船研究， 2012， 7（6）: 7–5. DONG Xiao-ming， SHI Chao-ming， HUANG Kun， et al. Analysis on the architecture of USN DDG-1000 total ship computing environment［J］. Chinese Journal of Ship Research， 2012，7（6）: 7–15.

Total ship computing environment revelopment and key technologies

ZHANG Wei
（Naval Equipment Department， Beijing 100161China）

Total ship computing environment（TSCE） is a new-generation shipboard integration technology， which is very important to the ship′s informatization and is the embodiment of the Network-Centric Warfare on the ship， also is a milestone of the ship′s information technology to the Network-Centric Warfare. The paper introduced the development of the TSCE， and its infrastructure and main technologies involved.

total ship computing environment；integration；middleware

TP302

A

1672 – 7619（2016）04 – 0148 – 05

10.3404/j.issn.1672 – 7619.2016.04.031

2016 – 02 – 01

張偉（1983 – ），男，工程師，研究方向為信息系統(tǒng)裝備。