开放体系架构在海军信息系统应用模式研究*

石剑琛

(北京西三环中路19号　北京　100071)



开放体系架构在海军信息系统应用模式研究*

石剑琛

(北京西三环中路19号北京100071)

开放体系结构一直是海军信息系统设计的重要关注方向。论文分析了开放体系结构在美军中海军信息系统中的典型应用，总结了开放体系结构的特征及发展，在对美军开放体系结构应用分析的基础上，对开放体系结构在我军中的应用进行了展望，探讨了我军开放体系结构的应用环境、发展思路、技术路径及实施步骤，并提出了参考建议。

开放式体系结构;全舰计算环境;宙斯盾作战系统;基础设施

Class NumberE83

1　引言

20世纪世纪90年代，海上战场产生了两次“革命性”的转变，其一是引入了低空反舰巡航导弹，从而需要平台把传感器与武器集成起来，简化指控系统，由此产生了宙斯盾武器系统；其二是冷战后，海上战场从深海转向近海和内陆作战，将舰外传感器与武器进行联网，并对武器控制进行分布，由此确立了网络中心战的模式。它们深刻地影响了单平台和跨平台传感器、武器、指挥控制等信息系统的发展和集成方式，采用以开放式体系结构(Open Architecture,OA)为成为军用信息系统发展共识[1]。

OA基于主流商用成熟的信息技术，以及开放的商业标准、规范和产品，同时考虑性能、成本、工业使用成熟度、可长期采购性以及升级潜力，是系统集成的工程原则、技术途经和商业策略。

美国海军综合作战系统项目执行办公室(PEO)将在主流商用软硬件技术标准和规范基础上开发的“开放式体系结构”作为海军信息系统约定指南[2]，并以此推动舰艇开放式体系架构计算环境(Open Architecture Computing Environment,OACE)的发展[3]，提高武器平台的先进性、通用性和可重用性。

美军大力推行“开放式体系结构”设计思想，通过各层次之间的标准接口，屏蔽与上层之间的紧耦合，提升对应用层的开放性支撑；将软件与硬件分离，实现局部软件升级即可实现系统能力提升，美国海军按照该技术体制改进，形成了新一代的宙斯盾系统和舰艇自防御系统[4]。目前，开放式体系结构计算环境已广泛用于美海军航母、两栖攻击舰、核潜艇等舰艇作战系统的设计中，提高了美军舰载信息系统开放性。

美军开放体系架构的发展和设计思路对建设我海军舰艇指挥控制系统具有一定的参考价值。提升作战系统顶层设计牵引，增加整个系统灵活性和可扩展性、集成效率、资源整体利用率有很大作用。本文通过分析开放体系架构的设计思路和应用模式，为我军舰船信息化和系统集成等相关领域及发展提供参考。

2　开放式体系结构及其特征

开放体系结构主要涉及计算技术基础、技术架构(OATA)、功能架构(OAFA)和试验设施(OATF)四部分[5]。

1)计算技术基础

主要包括交换网络、多系统资源共享、OMG中间件、POSIX操作系统、网格计算等。

2)技术架构(OATA)

OATA定义所有水面、水下和空中平台的OACE。所有OA软件组件，不论是通用的还是平台特定的，都在 OACE中运行，OACE是分层的，基于标准的计算环境，包括开放的规范、标准、中间件、操作系统和计算设备等，可用于所有的作战系统。

3)功能架构(OAFA)

OAFA提供功能划分和功能域之间的信息，定义OA组件件应用程序接口API。OAFA涵盖海军作战的全部功能域，包括搜索/探测(S/D)、数据/信息服务(DIS)、计划评估和决策(PAD)、武器/资产服务(WAS)、任务执行(ME)、外部通信(EXCOMM)、通用服务(CS)、培训(TR)、兵力规划/协调(FP/C)九大功能域以及若干子类。

4)试验设施(OATF)

OATF提供可扩展的COTS计算产品，用来验证OA的各个重要方面，包括：验证OACE是否能够满足不同作战环境对容量、带宽、延迟等的需求，验证系统OATF和OACE在可移植、互操作、通用化等方面的匹配性，验证新技术的实用性等。

根据系统结构的开放程度分为五级[6]，不同级别的主要特征概括如下：

1)1、2级为“兼容级”，它主要采用适配器或通过更改应用接口的方式集成遗留系统；

2)3级为开放式体系结构标准的“初始级”，它的突出特征是软件开发不依赖于特定硬件，其系统性能与计算设备数量的多寡和性能的高低成线性关系；

3)4级为“公共功能级”，它采用的公共功能服务具有部署灵活，升级快速的能力；

4)5级为“全舰计算级”，它使用统一的信息基础设施平台，目的是降低系统维修保障压力和减少人员配置，为应用系统提供公共计算支持，保障应用系统的容错性和抗毁生存能力。

3　外军海军推进开放式体系结构的应用进程

美海军借助OA，大力推进21世纪海上力量中以网络中心战为核心的体系结构和作战框架，对现役及在研系统的推行如图所示[7]。

图1　OA推行图

1)宙斯盾作战系统中应用

宙斯盾AEGIS是美海军中最复杂、功能最强大的指挥和武器控制系统，在至今的30多年间经过逐步的改良与升级后，该系统已经陆续衍生出九种型号的基本配置。宙斯盾系统的进化过程，就是从封闭式系统向开放式系统演变的过程。美军为宙斯盾系统发展路线如表1所示[8]。

从表1可以看到，宙斯盾基型1～基型5采用的是军用计算机、军用操作系统和中间件，这几种型号的系统被美国海军认为属于OACEl或OACE2级，其中的一部分经过改造可以升级为OACE3级。目前，美军对现有“宙斯盾”系统的软件不断进行升级，加装“基线9”作战系统，战舰将具备使用新型标准6导弹、提高对抗弹道导弹的能力。

2)DDG-1000、CVN-78中的应用

按照目前的开放性水平，OACE已发展到第5级。其中，TSCE作为OACE的最高级，已成功应用于驱逐舰DDG-1000和CVN-78福特级航母中。

TSCE主要包括作战应用软件包和“全舰计算环境基础设施”(Total Ship Computing Environment Infrastructure，TSCEi)，其中，TSCEi通过集成全舰的网络设备、计算设备、存储设备、显示设备等设备，为全舰应用程序和功能提供相应服务[3]。

表1　宙斯盾系统发展路线

图2　全舰计算环境体系结构

本着“集成就是服务”的宗旨，TSCE实现了软硬件的模块化、构件化和服务化，解决了系统之间的互通、互操作和资源共享等问题，提升了系统跨平台、跨领域的协同作战能力。

DDG-1000使用全舰计算环境集成舰船各系统，如指控情报、平台控制、动力系统、武器系统等来进行信息整合，从而发挥系统整体资源优势，并最终形成一个统一的“网络中心战”节点。

在全舰计算环境中，根据作战系统、机械、电气、通信等专业的不同对处理机柜和显控台等设施进行了分类标准化和通用化，其硬件部分主要选用商用现货产品；基础设施是一个开放的、虚拟的计算环境，对所有计算资源和应用软件进行统一调度管理，为其他领域的应用提供服务。全舰计算环境通过适配器连接所有传感器、受动器、激励器和武器通过与。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、更强的生命力、更高的自动化能力以及更少的人员配置需求，并具备可升级、可重构等特性。

3)欧洲作战管理系统中应用

欧洲在设计舰载电子信息系统中一直坚持采取开放式体系架构，以法国THALES公司和DCNS公司为代表推出的作战管理系统是典型代表[9]，该类系统采用典型的分布式开放系统体系结构、层次化构件化软件架构，且严格遵循开放式体系架构标准，能与许多第三方软件兼容,使系统可维护性和独立升级能力大大加强，从而使得通过较小代价就可换取性能的持续提升。

4　开放体系结构对海军应用模式的启示

1)采用开放系统结构，灵活适应系统有机集成

基于开放式体系结构的系统设计一是要具备较高的敏捷性，有效地支持资源管控、侦察预警、指挥控制、防空/反潜/对海对陆打击等各种功能系统灵活集成，可以根据作战任务灵活配置舰艇载荷，通过快速增加、减少、改变相关功能模块，打造多任务作战平台，以完成多样化的军事任务；二是要具备较强的多平台互操作性，有效地支持跨平台装备资源共用、信息共享、优势互补，形成体系作战能力，以满足未来海战场以网络为中心的作战需求。

基于开放式体系结构的海上系统集成是典型的复杂大系统集成，涉及大量的异构的信息系统。需采用SOA、云计算、虚拟化等商业成熟技术和集成模式，通过体系规划、顶层设计，采用开放式体系结构实现基础设施的通用性和互操作性，使平台内各类电子信息装备有机集成为一个整体、跨平台信息系统有机融合为一个体系，实现各业务领域功能应用灵活部署，资源充分共享，武器通道动态组织，各类任务系统可以快速构建等，确保增强系统集成的灵活性。

2)采用开放系统结构，灵活适应系统需求变化和系统能力渐进提升

未来海战场将面临更加复杂的作战环境和作战样式，除传统的作战使命外，还面临诸如应对非对称的军事威胁、非军行动、弹道导弹防御等新的使命任务，电子信息系统在生命周期中面临使用需求不断变化、系统能力不断提高的要求。

如何保持系统的稳定性并灵活适应上述变化，最重要的就是要保持系统体系结构等根基的稳定性。开放式体系架构建设在满足功能功能性需求的同时，需强调支持底层基础支撑与上层任务系统的解耦设计、支持硬件系统和软件系统的解耦设计、领域功能软件之间的解耦设计，实现根据作战需求、能力提升需要的软件与硬件独立快速升级，从而形成装备持续升级能力。当然，系统的开放式体系架构还需保持自身技术的一致性、延续性和稳定性，以支持装备研制的基线化发展策略的落实。

一是制定开放式体系结构标准规范和实施指南。清晰划分和定义开放式体系架构的量化级别，制定相应的实施指南。将开放式体系架构作为装备研制的总体要求，以标准规范和实施指南稳步推进开放式体系结构在装备中的应用。

二是推进平台化基础设施建设。针对舰艇电子信息装备业务功能特点，加强对基础软硬件共性需求的梳理，构建可剪裁、可配置的基础软硬件平台，减少专用软硬件，保证舰艇作战各环节的开放性、灵活性，提高电子信息装备一体化集成水平。

三是加强资源统筹规划与共享。基于统一的基础软硬件平台，以实现高等级开放式体系结构为目标，采用“云计算”技术将计算存储、网络交换、显示控制等资源整合形成“资源池”，统筹规划、共享使用，为警戒探测、作战指挥、导航通信、软硬武器等各舰载电子信息装备提供高效的公共计算服务支持，将传统 “专机专用”模式调整为“公共服务”模式，将“独立烟囱”的设计、集成模式调整为“开放共享”模式，提高舰艇作战系统的动态重构能力、抗毁生存能力、综合处理能力、显示操控能力。

3)采用开放系统结构，灵活适应装备寿命周期中商用新技术引入

商用新技术在信息化装备的大量采用，对提升装备电子信息系统能力有很大影响。商用硬件按摩尔定律发展迅猛，商用软件构件化、服务化、虚拟化、可视化等新技术新方法层出不穷，分阶段吸收商用技术发展成果，适时引入商用技术改造装备，提升装备能力是各国海军的通行做法。

采用开放式系统结构，减少系统各要素之间的关联，是控制采用新技术引入对系统装备的影响的关键。一是要准确评估新技术的成熟度，选择经过充分验证的新技术，消除新技术自身风险；二是要充分评估引入的新技术与系统原有的技术匹配度，减少对系统结构稳定的根本冲击。

4)适应全寿命周期管理

系统体系结构除了技术上合理外，还必须考虑后期维护升级，适应全寿命周期需要。可借鉴外军基线模式和增量策略进行渐进建造，促进体系作战效能持续螺旋式提升，在实现部件升级的同时保持整个系统的属性。

为提高舰载电子信息装备的综合作战效能，保障装备全生命周期作战能力持续优化，在装备硬件模块化、软件构件化、接口标准化的基础上，稳步推进开放式体系架构在舰载电子信息装备中的应用，增强舰艇电子装备的冗余抗毁、可持续升级和功能扩展能力。

5　结语

本文分析了开放体系结构发展以及在美军中的应用过程，分析了开放体系结构的原则、结构与目标以及在美军中的应用发展，为我国舰载信息系统的研制提出了建设性意见。从海军信息系统的体系规划入手，以满足新形势下海军的作战使命任务为目标，全面规划海军的发展，以开放体系结构的设计思想为引导，通过加强舰艇顶层优化设计，推进计算环境建设，通过基于开放体系结构研制舰载信息系统，有效控制舰船全寿期费用，增强总体集成能力，推动作战系统快速发展，促进作战系统的跨越式发展和作战效能的显著提升。

[1]詹广平.美海军宙斯盾系统开放式体系结构研究[J].舰船电子工程,2013,33(11):8-10.

[2]Cyrus Azani.A Multi-criteria decision model for migrating legacy system architectures into open system and system-of-systems architectures[J].Defense AR Journal,2009,16(3):320-341.

[3]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.

[4]MILLER C.PEO C4I open architecture strategy[C]//19 th IEEE Software Technology Conference,2013.

[5]Nickolas Guertin,Robert Sweeney,Douglas C.Schmidt.How the Navy IS Using Open Systems Architecture to Revolutionize Capability Acquisition[C]//NDIA conference,2014.

[6]T.J.BENEDICT.Naval Open Architecture Contract Guidbook For program manager[R].Department of Navy,2007.

[7]仇建伟,吴亚非,张永红.开放体系结构作战系统计算环境现状与研究[J].中国电子科学研究院学报,2009,14(2):166-168.

[8]王立.美海军COTS技术应用对我军的启示[J].舰船电子工程,2015,35(7):18-23.

[8]Norbert Doerry,John Amy,CY Krolick.History and the Status of Electric Ship Propulsion,Integrated Power Systems,and Future Trends in the U.S.Navy[J].Proceedings of the IEEE,103(12):2243-2251.

[10]董晓明,石朝明,黄坤,等.美海军DDG-1000全舰计算环境体系结构探析[J].中国舰船研究,2012,7(6):7-15.

[11]Denis Janer,Chauk Mean Proum,Open Architecture for Naval Combat Direction System[M].Complex Systems Design &Management.Springer International Publishing,2014:73-84.

Application Mode of Open Architecture in Naval Information System

SHI Jianchen

(No.19 Central Xisanhuan Road,Beijing100071)

Open architecture is an important direction of future naval information system development.This paper analyzes the typical applications of open architecture in U.S.modern navy information system.Based on the analysis of development process of open architecture in U.S.navy,the application of open architecture in our navy are analyzed,and the application circumstances ,techniques,implemention steps are discussed,some suggestions are also prospected.

open architecture (OA),total ship computing environment (TSCE),aegis combat system,infrastructure

2016年3月2日,

2016年4月8日

石剑琛,男,高级工程师,研究方向：电子信息系统。

E83DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.09.002