舰船装备集成优化设计发展分析

王汉刚，钱家昌，游 卓

(1.海军991 工程办公室，北京100841;2.武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉430064;3.华中科技大学 船舶与海洋工程学院，湖北 武汉430074)

0 引 言

舰船装备设计是复杂的系统工程，从总体、系统到设备，涵盖油、气、水、电诸多方面，涉及鱼雷、导弹、声呐等有效负载，以及各种作战、指控、探测、网络等信息流。传统的做法及分工，造成不同类型设备之间不具有互通性，使得专用设备多，装备的集成程度低，给总体带来较大的负担，制约舰船装备水平的提升。因此，加强舰船装备的集成优化设计研究，需要从顶层着手，强化总体设计能力，打破固有的屏障及局限，以提升舰船装备的综合作战能力。

欧美等先进国家海军通过优化使用流程，广泛采用自动化设备、智能化的信息技术、引入人机工程等，提高舰船装备的自动化和智能化水平，提升各系统及设备间的互联、互通、互操作能力，减少专用设备，控制人员数量，实现舰艇装备集成优化，降低舰艇全寿期费用。

本文分析国外在舰船装备集成优化技术方面的发展特点及趋势，对我国舰船装备集成优化设计工作的深入开展具有重要的借鉴意义。

1 舰船装备集成优化设计的基本概念内涵

舰船装备集成优化设计以不损失装备既定的综合作战性能为前提，一方面，强调顶层需求牵引，站在舰船总体高度，自上而下地合力突破解决传统分块、割裂的局面，实现各系统及设备间的有效互联、互通，简化系统配置，实现减员增效;另一方面，紧密结合实际作战使用要求，从设备及系统的技术可实现性出发，自下而上提出切实可行的技术措施及方法。

2 国外舰船装备集成优化发展现状及特点

2.1 强调系统功能的高度整合

国外在舰艇装备上广泛运用综合平台管理系统，提高舰船信息化和智能化水平。装备在美国“弗吉尼亚”级潜艇上的NSSNC3I 系统是目前世界上综合程度最高的一型潜艇C3I 系统，几乎综合了潜艇上的所有电子设备，形成一个以光纤局域网连接的全分布式处理系统［1］，如图1所示。

图1 “弗吉尼亚”级潜艇上的NSSNC3I 系统组成示意图Fig.1 The Virginia submarine′s NSSNC3I system schematic

在FREMM 欧洲多用途护卫舰上，采用法国造舰局开发的1 套综合管理系统，实现舰体平台的一体化管理和控制。该舰综合管理系统由6个分系统组成，每一分系统都拥有各自不同的功能，分别是一体化平台管理系统、舰桥系统、战损控制系统、监控系统、直升机监控系统和舰载作战训练系统。该型舰在平台损管和消防采用全新的方式，只用舰桥上的一个控制台即可对全舰的损管和消防进行协调，同时还可确保同指挥部的有效联络。一旦发生火情，配置在全舰450个大小舱室中的大量传感器即可自动启动水雾喷射。在核、生、化战场条件下，舰员可经由2个配有自动净化站的密封舱进入干舷甲板区。

当前，美、英等国军方广泛采用系统体系结构方法开展系统设计。体系结构是指系统各组成单元的结构、相互关系及其设计、发展的原则和指南，它的优劣决定系统的质量、效能和全寿命管理费用。1996年美军提出的“体系结构框架”提供了一种开发、表达和集成体系结构，解决复杂系统问题的通用研究方法，目前代表性研究方法有美国国防部体系结构框架(DoDAF)和英国国防部体系结构框架(MoDAF)，并且还在不断发展完善中。

2.2 采用开放式体系结构及商用成熟技术

国外在舰载系统中采用开放式体系结构，并广泛引入商用成熟技术，在设备层面为实现舰艇集成优化奠定基础。

开放式的体系结构和成熟的商用产品已在国外新一代主战舰艇、大型两栖舰和辅助舰船中得到广泛运用。美国海军正在舰船设计方案中采用开放式体系结构、全舰计算环境等， 《2007年美国海军规划指南》将开放式体系结构标准作为海上电子信息系统的重点项目进行规划。 “弗吉尼亚”级核潜艇采用以成熟商业技术为基础的民用计算机系统取代专用军用计算机，可实现硬件、软件快速更新换代，保证“弗吉尼亚”级核潜艇计算机技术与民用技术的同步发展，大幅提高潜艇作战系统的情报处理能力。通过采用开放式、全分布式系统结构，以高速局域网将各功能节点联在一起，形成一个资源共享、高效可靠的整体。另外，英国“机敏”级作战管理系统(ACMS)［2］采用分布式结构，将3个独立的作战系统要求结合成一个单一系统，采用诺斯罗普·格鲁曼公司的标准产品，其上95%的硬件是商用的，该系统已应用于“机敏”级潜艇，其组成示意图如图2所示;法国SUBTICS 潜艇战术综合作战系统［2］采用模块化结构，其系统组成如图3所示。

图2 英国ACMS 系统组成示意图Fig.2 The schematic of ACMS system for UK

国外在核潜艇装备的软硬件设计及系统集成时大胆地采用商用成熟技术，形成标准化的软硬件，并基于开放式体系结构进行集成，使得系统易于扩展、升级。

图3 法国SUBTICS 典型系统组成图Fig.3 The schematic of typical SUBTICS system for France

以往作战系统内部的系统软件和硬件紧密耦合，系统扩展升级困难，由此造成了垄断，降低了能力，增加了成本。美海军综合作战系统项目执行办公室从2002年开始依据商用成熟标准，将“开放体系结构”作为舰艇作战系统统一技术架构，构建规范的硬件、软件和网络计算环境，支撑作战系统面向任务的一体化集成;开发体系结构将软件从硬件中分离，采用分布式、模块化结构，系统功能可重组、可配置，功能通道高度冗余，允许系统通过改进部分模块或软件能力进行升级。通过系统开发式体系结构设计，可引入竞争、降低费用、提高能力，实现系统持续发展。其中，公共计算服务环境是全面实现开放体系结构的重要装备，能够支持全舰信息实时交换、按需共享和信息处理流程优化，增强各类功能设备的信息实时处理能力，提升计算、存储等各类资源的综合使用效能，提高系统构建的开放性、作战使用的灵活性和抗毁生存能力，代表未来作战系统发展的方向，对提升作战系统的综合作战效能具有举足轻重的作用。

通过统一标准规范、构建公共基础设施等方式增强系统的开放水平，美国等发达国家海军在新一代水面舰艇的作战系统设计上实现了系统的持续发展和能力提升。

目前美国海军已形成“宙斯盾”基线7.1 开放式作战系统 (见图4)、MK2 舰艇自防御系统、DDG1000 全舰计算环境(见图4)以及诺·格公司的综合作战管理系统等代表性产品。

采用开放式体系结构及成熟商用技术的主要意义有:减少采购费用;规避综合开发风险，缩短开发时间;保证系统性能与当前发展处于同一水平，具有持续的发展能力。

2.3 设备及系统朝着通用化、一体化发展

图4 DDG1000的全舰计算环境示意图Fig.4 The overall computational environment schematic of DDG1000

美国DDG1000 级驱逐舰、“福特”级航母都实现雷达、通信、电子侦察等装备的一体化设计，不再存在单独的雷达、通信、电子等专用设备和系统。其中，DDG1000 级驱逐舰的S+X 双波段雷达可实现以往舰上6～10 部雷达的功能，完成目标搜索、跟踪、识别，以及武器制导、飞机引导等多种任务，有利于解决舰艇的电磁兼容性、隐身性等问题，提高多目标探测跟踪能力。

而在武器方面，美国特别注重通用化发展模式。MK41 (见图5)和MK57 (见图6)通用垂直发射系统可发射“标准”、“海麻雀”、“战斧”和“阿斯洛克”等多种导弹，通过灵活装载多种武器，兼容发射防空、反舰、反潜和对陆打击等各种武器，实现武器共控，可对付多种类型的目标，遂行多任务。MK41 垂直发射系统已经与10 余种不同级别的舰艇，以及10 余种武器进行了一体化设计，成为最广泛应用的发射系统。

图5 美国MK41 通用垂直发射系统Fig.5 MK41 general vertical launch systems of USA

另外，美、英针对下一代战略导弹核潜艇联合开展通用导弹舱项目，如图7所示。通用导弹舱可将多种武器装备进行灵活配置，不仅可用于发射弹道导弹，还可搭载多种负载，如鱼雷、常规中程弹道导弹(SLIRBM)、KEI 反导拦截弹、巡航导弹、特种分队及其装备、战斗蛙人运载工具、无人作战系统等，真正实现一艇多用，该导弹舱也可用于“弗吉尼亚”级的后续艇及其替代艇。每个发射筒的直径增大为2.2 m，可使其在整个服役期内(延续至21 世纪80年代)，对各种导弹和有效负载提供足够的适应性。在美国持续致力于削减军费开支的大背景下，特别是国会批准的“弗吉尼亚”级攻击型核潜艇采购数量和按年度开工数量均有限的情况下，SSBN (X)将被赋予更多的功能，实现多种武器共用导弹发射装置，这样不仅可降低全系统研发、建造、维修和使用费用，而且更容易实现作战能力的多元化，适应美国海军未来多样化的作战需求。

图6 美国MK57 通用垂直发射系统Fig.6 MK57 general vertical launch systems of USA

图7 SSBN (X)导弹发射筒原型Fig.7 Prototype of missile launch tube for SSBN (X)

3 结 语

我国舰船装备在总体集成优化水平方面与发达国家相比还存在着一定的差距，需要深入开展舰船装备信息化等技术研究，逐步打破舰船装备研制的传统分工限制，形成具有充分竞争的供货环境，引入成熟商用技术。主要意义有:

1)强化舰船装备顶层设计

强化总体的顶层设计能力和权威，不仅仅是减少几个台屏、计算机、控制仪的问题，需要打破行业壁垒和专有领域，强力推动统一的公共网络、计算、存储、显控等设施建设，为作战、探测、指控、信息保障等提供集成平台，实现信息资源的统一调度管理和共享，提升舰船的整体作战效能。

2)采用开放式体系结构

采用开放式体系结构是解决专用设备多、信息沟通不畅的的基本保证。借鉴学习国外先进海军所实行的标准化的软硬件接口、统一的标准和规范等，通过运用体系结构设计方法，对装备内各个具体的系统功能进行合理分解和规范描述，把系统功能之间的接口标准化，支持系统以功能模块的方式开发和升级，最终实现功能的互联、互通、互操作。

3)引入商用成熟技术

引入商用成熟技术，是破除信息壁垒的有效手段，从而形成标准化的软硬件以及通用的系统，可引入竞争、降低费用、提高能力，实现持续发展。为舰船装备融入未来协同作战体系，为陆海空武器装备的信息共享和协同作战提供可能。

4)改变“重硬轻软”观念

“重硬轻软”的评级、计价观念，导致科研生产单位注重硬件设备的研发生产，轻视智力劳动价值、科研设计和试验研究等，结果造成舰船专用设备数量越来越多，体积越来越大，不利于装备集成优化。有必要倡导更加科学合理的价值观念，促进舰船装备更好发展。

［1］张仁茹，左艳军，高天孚，等.国外潜艇作战系统发展综述［J］.舰船科学技术，2011，33(6):11-15.ZHANG Ren-ru，ZUO Yang-jun，GAO Tian-fu，et al.Development of oversea submarine combat system［J］.Ship Science and Technology，2011，33(6):11-15.

［2］尤晓航.国外海军典型C4I 及武器系统［M］.北京:国防工业出版社，2007.

［3］第23 届欧洲国际海军武器装备展［R］.法国:巴黎，2012.

［4］蔡勇，吕云飞，黄牛.潜艇新型作战系统发展构想［J］.船电技术，2011，31(2):1-6.

［5］黄昆，石朝明，董晓明，等.面向服务的舰艇作战系统集成框架研究与原理验证［J］.中国舰船研究，2013，8(5):1-5.

［6］李明.美海军开放式体系架构计算环境发展综述及启示［J］.计算机与数字工程，2012，40(12):56-59.

［7］吕云飞，蔡勇.舰艇综合信息系统发展研究［J］.舰船电子工程，2006，26(5):56-59.

［8］李明.国外航母作战系统发展研究［J］.舰船电子工程，2013，33(5):6-9.LI Ming.Development of foreingn aircraft carrier combat system［J］.Ship Electronic Engineering，2013，33(5):6-9.