新一代水面舰艇作战系统发展理念及途径

董晓明

新一代水面舰艇作战系统发展理念及途径

董晓明

中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064

新一代水面舰艇作战系统在增强单艘舰艇作战效能的同时，更强调根据使命任务灵活配置，突出其在体系作战中的节点作用。以美海军全舰计算环境（TSCE）、综合海上网络和企业服务（CANES）项目为例，分析国外现状及发展趋势，提出可借鉴美海军舰艇研制的先进设计理念与实现方式，以推进全舰计算环境建设作为作战系统的发展途径，重点是遵循开放式体系结构、构建面向服务的公共计算环境、采用商用成熟技术等。作战系统通过体系规划、顶层设计和跨平台系统集成，使各类水面舰艇有机融合，有利于发挥出海军体系作战的整体效能。

水面舰艇；作战系统；发展理念；全舰计算环境

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20150128.1205.015.html

期刊网址：www.ship-research.com

引用格式：董晓明.新一代水面舰艇作战系统发展理念及途径［J］.中国舰船研究，2015，10（1）：1-6. DONG Xiaoming.Development concepts and approaches of the next generation combat system for surface combatant ships［J］.Chinese Journal of Ship Research，2015，10（1）：1-6.

0　引言

目前，我国海军正经历从“近海防御”向“近海防御与远海防卫并重”的战略转型。作战模式正在从传统的以平台为中心向以网络为中心转变，海军装备正由以平台建设为主向以体系建设为主转变。体系建设的关键是通过顶层规划，确定不同平台的使命任务，最终在舰艇平台上落实，只有体系规划与平台优化有机结合，才能以舰艇有限资源追求体系能力提升，发挥出海军体系作战的整体效能。

水面舰艇是海军作战体系的主要载体，作战系统作为舰艇核心装备，集成了大量先进的电子武器装备。作战系统的顶层规划和集成设计是电子武器装备在舰艇平台以及作战体系中发挥出“1+1＞2”的效果、提升整体效能的关键。加强舰艇作战系统在系统整体架构、作战资源统筹、全寿期持续升级能力等方面的顶层设计和集成测试，提升作战系统总体设计能力，是融合电子武器装备、融入作战体系、促进有限资源发挥最优作战效能的重要途径。

随着海军使命任务、海上作战模式及作战需求的不断变化与发展，水面舰艇作战系统已成功研制了两代作战系统，目前正在开展新一代作战系统的研制。每一代作战系统的发展都反映了当时的作战需求和技术进步，作战效能得到稳步提高。

新一代作战系统通过采用全舰计算环境（Total Ship Computing Environment，TSCE）、射频集成等标志性技术，在增强单艘舰艇作战效能的同时，更强调根据使命任务灵活配置，突出其在体系作战中的节点作用，使每艘水面舰艇作战系统的有限资源得到充分发挥，支持多平台协同防空、区域反潜、远程对陆/对海打击等体系作战能力的快速形成，获取战区优势。

1　发展现状及趋势

1.1美海军全舰计算环境（TSCE）

美国海军舰载系统集成模式经历了单机系统、联邦体制集成、多子网体制集成和全舰计算环境4个发展阶段。在作为“海上打击”的DDG-1000、“海上盾牌”的LCS和“海上基地”的CVN-78等新一代舰船的设计建造以及“尼米兹”级航母、“阿利·伯克”级驱逐舰等现役舰船的现代化改装升级中，将无一例外地采用TSCE设计思想或相关技术。

全舰计算环境是一个包括C4ISR、作战系统、船机电及岸基保障的全舰系统，如图1所示。DDG-1000使用全舰计算环境作为任务系统集成的重要基础［1-2］。在DDG-1000驱逐舰上，通过全舰计算环境对指控情报、平台控制、动力系统、武器系统等系统的软件开发进行了规范和统一，采用大量商用计算机、服务器以及分布式中间件等商用成熟技术（COTS）对系统进行集成。发挥系统整体资源优势，最终形成一个统一的“网络中心战”节点。

图1　全舰计算环境概念及DD（X）配置Fig.1　Concept of TSCE and configuration of DD（X）

全舰计算环境基础设施（TSCE-I）形成一个开放的虚拟计算环境，所有计算资源统一调度管理，为其他领域应用提供服务，所有应用软件分布在这个虚拟的计算环境中。所有传感器、受动器、激励器和武器通过分布式适配处理器（DAP）与全舰计算环境连接［3-5］。

全舰计算环境通过软硬件模块化、构件化及服务化，解决了各分系统独立运行、互操作困难、资源无法共享等问题，最终达到跨平台、跨领域的协同作战能力。

美军认为，采用全舰计算环境后，系统可获得免维护部署能力、更强的生存能力、更高的自动化能力、更少的人员配置需求及可升级、可重构等特性。

1.2综合海上网络和企业服务（CANES）

目前，美海军的300多艘舰船上一共部署了数千套传统网络系统。为实现网络中心战的要求，美海军提出了“2016海军网络环境”（NNE 2016）战略，旨在推动传统的烟囱式结构网络转换为公共的服务、应用、计算环境、通信与网络，实现真正的信息共享和互操作性。NNE 2016将采用开放式体系结构（Open Architecture，OA），不仅可以获得较好的经济可承受性，还能使海军部队快速适应新的任务和威胁。

“综合海上网络和企业服务”（Consolidated Afloat Networks and Enterprise Services，CANES）项目作为NNE 2016战略的一部分，目标是通过创建统一的公共网络系统来合并、替代先前多种分散式的C4I网络系统，以减少网络种类、安装空间及人员配置，提高互操作能力。CANES将整合、集成多种网络系统（图2），在保证现有网络完整性的同时对网络进行现代化改造，提供更加安全和可靠的海上网络基础设施。

图2　CANES网络基础设施迁移策略［6］Fig.2　Migration strategy of CANES network infrastructure［6］

CANES是采用开放式体系结构的战术网络基础设施，主要由以下3个核心部件构成［7-8］。

1）公共计算环境（Common Computing Envi⁃ronment，CCE）。利用“虚拟化”技术将舰载网络硬件（交换机和路由器）、机架、服务器和通信媒介等整合到公共网络核心中，以取代相似的硬件、独立的操作，从而实现硬件基础设施的虚拟化管理。

2）基于面向服务体系结构的海上核心服务（Afloat Core Services，ACS）。创建一种可升级的服务交互分层模型，将现有烟囱式系统的传统应用分解、转换为面向用户、数据的可复用式公共服务和应用，这些公共服务和应用能够利用现有的基本信息服务、架构服务、ACS和特定的服务。

3）跨域解决方案（Cross-Domain Solutions，CDS）。实现多个不同安全保密级别（MLS）的系统在同一个客户端工作站上运行，允许用户设置数据访问的许可级别，以便在不同的安全级别内均可访问同样的数据，同时阻止信息流在不同安全域中的传输。

CANES实质性的开发决策在2008年11月获批，如果该项目按计划进行，到2021年，CANES最终将部署于192个平台（包括水面舰船、潜艇和海上作战中心）。CANES通过创建统一的公共网络系统来合并多种C4I网络系统以减少独立的网络种类，提供可适应的环境以满足快速变化的作战需求，降低舰船全寿命周期费用。

2　发展理念

由于舰艇平台本身受排水量和空间的限制，因而可供任务系统消耗占用的总体资源有限。如果简单片面地追求单舰作战能力的提高，一方面会造成舰载装备因求大求全，而导致平台资源矛盾突出，另一方面会导致舰艇能力不突出，看似全能的装备组合堆砌不但不能有效满足体系作战能力需求，反而导致不同装备之间相互制约。

因此，应建立“规划体系，优化平台，以舰艇作战系统有限资源追求体系能力提升”的发展理念。根据体系作战需求，合理规划编队体系，明确舰艇平台的使命任务定位，按照全舰一体化顶层设计要求进行装备集成。通过跨平台的协同作战能力，发挥舰艇作战效能，最终实现体系能力的提升。海军水面舰艇作战系统的发展建设应分为体系规划、平台优化和设备研制等三个层次。

2.1按照体系作战需求，规划水面舰艇的发展

根据作战对象及作战能力需求，以形成体系作战能力为目标，合理规划各型水面舰艇及装备的建设发展。将体系作战能力需求分解为对各舰艇平台的使命任务及能力要求，单个舰艇平台的使命任务应定位明确、能力应有所侧重，通过合理配置编成，实现体系内各舰艇平台功能互补、能力互补，支持形成体系效能最优。

依照美国“21世纪海上力量”的构想，将构筑4个能力支柱，即“海上打击”、“海上盾牌”、“海上基地”和“部队网”。美国目前共有11艘现役航母，以每一艘航母为核心组成一支“航母战斗群”或“航母打击群”，其编队组成和分工也会随着作战使命的变化而调整［9-10］。

2.2按照舰艇使命任务，优化作战系统的设计

根据单个舰艇平台的使命任务，在舰总体有限资源的约束下，加强系统顶层设计，不追求单艘舰艇作战功能、性能的“大而全”，从体系编成、协同作战的角度，合理配置系统组成，科学取舍；不断优化作战系统体系结构和装备形态，形成基于全舰计算环境及领域应用软件的集成模式。

新一代作战系统将采用基于开放式体系结构的全舰计算环境，系统主要包括：传感器前端设备（如射频天线、声呐基阵、接收机/发射机等设备）；武器后端设备（如武器发射装置及弹药等）；由处理、存储、显示、网络等硬件和基础软件形成的基础设施；运行在通用集成环境上的各类专业领域应用软件。传感器前端设备、武器后端设备以及相关领域专业应用功能软件构成功能系统。作战系统根据各功能系统的需求、系统集成优化要求、舰总体的设计要求以及当前的作战任务，进行统筹规划，合理配置，为各功能系统提供公共基础软、硬件服务。

新一代作战系统所构建的全舰计算环境为各功能系统提供一个通用的运行集成环境，使系统具有更好的灵活性和扩展性。同时，随着我国海军水面舰艇进入大批量建造阶段，新一代作战系统应支持增量开发、渐进发展、螺旋上升、迭代升级的研制发展模式。

2.3按照总体集成要求，牵引系统设备的研制

根据作战系统集成设计要求，各类电子武器装备应在公共计算环境模式的牵引下，贯彻通用化、模块化、数字化、智能化的研制思路，减少各类装备软、硬件组成部分的耦合度，具备可扩充性、可裁减性、可升级性和良好的适装性，满足不同舰艇平台的作战任务需求。

1）电子武器装备的基础软、硬件设备采用成熟商用技术和标准规范。基础软、硬件设备采用成熟商用技术和标准规范，是实现开放式体系结构的前提。采用成熟商用技术，减少对信息基础设施的低水平重复开发和投入，将装备研制重点放在提高电子武备核心能力、应用软件开发等专业方面，以提高处理速度和处理精度。同时，缩短研发周期，降低科研成本和研制风险，也有利于作战系统以及电子装备的升级换代。

2）不断提高电子武器装备前（后）端设备的共用程度。在射频设备天线孔径阵面化基础上，进一步提高相控阵阵面的集成度，使其同时具备搜索、跟踪、制导、干扰、侦察、识别、通信等多种功能；武器发射装置在实现多型武器共架发射的基础上，进一步提高发射控制设备的共用程度，以适应不同武器的需要。提高舰载电子武器装备前（后）端设备的共享共用程度，释放舰艇总体资源，为增加有效载荷，提高整体作战能力奠定基础。

3）不断提升电子武器装备的数字化，实现功能的软件化，方便接入全舰计算环境。从前端探测设备获取的信号通过信号预处理，将所有的模拟信号统一转换为数字信号，数字信号通过作战系统网络进行传输，经过指挥控制设备的决策处理，到武器/火控台的火控解算，实现全数字化传输和处理。通过数字化减少装备各软、硬件组成部分的耦合度，各设备间可以快速、灵活地组织，提高系统集成效率。

3　发展途径

为完成海军担负的使命任务，应对各种威胁，遂行作战行动，作战系统需通过体系规划、顶层设计和跨平台系统集成，使各类水面舰艇有机融合；需要以开放的运行集成环境为基础，根据不同作战任务和领域应用的需求，实现装备的资源共用、信息共享、优势互补，形成体系；应当采用基线模式和增量策略的舰艇装备研制建造，促进体系作战效能持续螺旋式提升；着眼提高作战系统的集成设计水平和集成创新能力，更好地支撑作战系统的工程研制。

全舰计算环境是美海军正在发展中的最先进的舰载系统集成模式，是海军舰艇装备信息化建设的发展趋势。全舰计算环境基于开放式体系结构，将全舰基础硬件以及基础软件构成统一的集成环境，支持功能领域应用在该环境中运行，实现全舰任务系统的综合集成，从中可以得到一些重要启示。

3.1遵循开放式体系结构（OA）

美军传统的舰载系统研制曾经大量采用定制硬件、私有接口、专用开发语言等，各分系统自成一体，相对封闭，信息交互困难，资源共享程度低，使得舰载系统的维护、升级或扩充功能变得非常困难。对于舰载系统这种建设周期较长的系统，其先进性往往不能与信息技术的发展保持同步。美军过去采用“打补丁”的方式进行改进升级，但最终结果是“补丁摞补丁”，技术状态混杂，全寿期维护升级成本高、难度大，负担越来越重。

为了解决上述问题，同时适应信息技术的发展，开放式体系结构已成为美海军装备研制的基础共识和技术发展趋势。全舰计算环境以开放式体系结构为基础，为各功能系统的计算、存储、显示和检索等基础应用以及大容量信息处理、高精度解算、航路规划、战损状态评估等专业应用，提供了一个开放的、公共的集成运行环境，能够更好地解决系统集成时的“烟囱”问题。同时，全舰计算环境提升了装备的快速交付能力，为舰艇减员增效提供了技术支撑，能够更好地支持后续保障和改装升级。DDG-1000采用全舰计算环境标志着美军在“开放”这条坎坷的道路上迈出了实质性的步伐。

3.2构建面向服务的公共计算环境

美海军正在全面转向面向服务体系结构（SOA）。面向服务体系结构并非局限于某一特定技术，而是为了增强复杂系统集成的灵活性而采用的先进设计理念和模式。通过加强顶层规划，构建公共计算环境，将网络设备、计算设备、存储设备、显示设备、通信设备等硬件以及基础软件作为开放的、公共的“资源”，统一管理和部署，发挥整体优势，并促进新应用需求的产生。同时，可以根据作战任务灵活配置舰艇载荷，快速增加、删减、修改各功能模块，以适应未来多样化的任务需求。

例如，全舰计算环境实现全舰网络的一体化整合，各系统不再单独设置子网，可实现作战与平台数据、视频、语音信息的安全共网传输；各系统共用计算存储设备，软件和数据库都贮存在服务器上，显控台采用瘦客户端方式，授权用户可在任意一台显控台上完成所需的操作任务。

3.3采用商用成熟技术（COTS）

信息基础设施采用商用成熟技术产品是开放式体系结构的重要原则之一。采用商用成熟技术和开放性标准，可将科研的重点放在如何提高各电子武备作战能力等专业方面，能减少对信息基础设施的低水平重复开发和投入，缩短研发周期，降低科研成本和研制风险，有利于系统的快速升级和换代。同时，采用商用成熟技术产品不会带来新的安全性问题，在信息基础设施朝着公共和开放的方向发展过程中，安全性问题也可以利用相应的商用成熟技术予以解决。美海军全舰计算环境利用商用成熟技术产品替代了传统的分属于各系统专用的计算、存储服务器等设备，并采用电子模块化集装箱（EME）为商用成熟技术产品上舰应用提供舰用环境，同时利用成熟的信息安全技术解决网络安全问题。

全舰计算环境提供的计算资源（包括信息的处理、存储、传输、显示）必须超前于当前功能应用的需求，只有提供充足的计算资源，才能不断刺激和挖掘各功能系统的任务处理能力；反之，如果不提供有余量的计算资源，当各功能系统产生新的计算需求时，按照传统的装备研制模式将无法提供及时、充足的保障，最终制约作战能力的提升。

由于水面舰艇平台的空间、电力等资源有限，不可能由各分系统独立增加配置、预留各自专属的计算资源，必须像统筹规划全舰电力资源一样，对全舰计算资源进行顶层设计，统筹规划、设计和管理，从而确保计算资源满足并推动系统的需求增长。

4　结论

我们应该从海上作战力量体系规划入手，以满足新形势下海军的作战使命任务为目标，按照体系作战的需求，全面规划水面舰艇的发展，通过加强舰艇顶层优化设计，推进全舰计算环境建设，促进作战系统增量发展，增强总体集成能力，推动作战系统快速发展，将新的发展理念贯彻到新一代作战系统的设计研发中，促进作战系统的跨越式发展和作战效能的显著提升。

我国舰艇未来作战系统的研制可借鉴美海军舰艇研制的先进设计理念与实现方式，整合系统资源，支持新一代作战系统形成任务通道的动态构建、作战台位的灵活部署、系统装备的持续升级等能力特征，提升体系作战能力。在全舰计算环境建设中，要重点把握以下几个环节。

1）提高系统开放性，打造多任务能力。

采用开放式体系结构和商用成熟技术，减少对专属专用软、硬件的依赖，有助于减少维护成本，降低全寿期费用，方便进行快速升级，支持新装备、新技术的快速引入。通过提高系统开放性，全舰计算环境有效地将防空、反潜和对陆打击等各种作战功能集成，可以根据作战任务灵活配置舰艇载荷，快速增加、删减、修改相关功能模块，打造多任务作战平台，以完成多样化的军事任务。

2）做好基础设施建设，发挥全舰整体效能。

依据统一技术架构建设的全舰计算环境基础设施是作战系统集成的平台和基础，可以支撑达到“显示与任务分离”、“软件与硬件分离”的效果。通过显示与任务分离，实现显控操作不依赖特定的显控台和服务器，便于不同台位的功能互换。通过软件与硬件分离，实现软、硬件灵活部署和快速升级，支持形成装备持续升级能力。

3）面向服务综合集成，面向任务灵活组织。

全舰计算环境采用面向服务体系结构，为舰艇作战系统的集成方式和组织运行带来了重大的变革。贯彻“集成就是服务”的理念，通过接受异质和变化增强系统集成的灵活性。系统软、硬件不再紧耦合，各业务领域功能应用可以灵活部署，资源可以充分共享，武器通道可以动态组织，各类任务系统可以快速构建。面向任务组织信息，协同各系统运行，通过智能优化决策和业务流程管理，提升任务执行效能。

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［责任编辑：易基圣］

Development Concepts and Approaches of the Next Generation Combat System for Surface Combatant Ships

DONG Xiaoming
China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

The function of the next generation combat system for surface combatant ships is not restricted to the improvement of the operational effectiveness of individual ships only，but also emphasizes on the ship's flexibly and adapting capabilities to specific missions.This paper analyzes the development trends in related works，such as Total Ship Computing Environment（TSCE）and Consolidated Afloat Network and En⁃terprise Services（CANES）program of US Navy.The development concepts and approaches for the design⁃ing of combat systems are then presented，which include the following key points:following the open archi⁃tecture，buildingtheservice-orientedcommoncomputingenvironment，applyingthecommer⁃cial-off-the-shelf（COTS）technologies.In brief，the next generation combat system successfully imple⁃ments system integration through a variety of surface combatant，which could significantly improve the over⁃all effectiveness of naval system operation.

surface combatant ship；combat system；development concepts；Total Ship Computing Envi⁃ronment（TSCE）

U674.7+03.3；TP311.523

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2015.01.001

2014-09-18

网络出版时间：2015-1-28 12:05

国家部委基金资助项目

董晓明，男，1975年生，博士，高级工程师。研究方向：舰载作战系统，分布式仿真，计算机系统结构。E⁃mail：phdotd@gmail.com