【专题】全舰计算环境体系结构和系统集成框架

未来水面舰船需要担负多项使命，必须具备 较高的信息化水平和较全面的综合作战能力。同 时，在舰船长达几十年的服役期间，信息技术飞速 发展，海军作战理念不断变革，因此舰船系统的研 制应该是渐进的、螺旋式上升的，系统必须具有良 好的灵活性和可扩展能力，支持新技术、新装备的快速引入。

1998 年，美国海军水面战中心（NSWC）在风 险分析中描绘出了DD（X）配置示意图，其中，第 一次出现“全舰计算环境”（TSCE）的概念。全舰计 算环境是美国海军新型多任务驱逐舰DDG-1000 的十大关键技术之一。它是一个分布于全舰范围 的开放式系统环境，可用于战术或非战术用途，开 放式系统的接口和服务规范使部件经过最小的修 改就可以在广泛的系统中使用，并提供与其他本 地或远程系统部件的互操作性。

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。在美国海军新一代舰船（作为 “海上打击”的DDG-1000、“海上盾牌”的LCS 和 “海上基地”的CVN-78）的设计建造和现役舰船 的现代化改装升级（如“尼米兹”级航母和“阿利· 伯克”级驱逐舰）中，均将采用全舰计算环境的设 计思想或相关技术。

全舰计算环境是一个包括C4ISR、作战系统、 船机电和岸基保障的全舰系统。DDG-1000使用 全舰计算环境作为任务系统集成的重要基础。在 DDG-1000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现货产品（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。

全舰计算环境基础设施（TSCE-I）构建一个 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。

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、更强的可生存能力、更高的自动 化能力及更少的人员配置需求，具有可升级、可重 构等特性。

美国海军DDG-1000全舰计算环境所采用的 先进技术、设计思想及工程项目管理方法，对 我国舰船装备信息化和系统集成具有较高的借鉴 价值。

本文拟对面向服务的作战系统集成框架[5]进 行研究，并提出一种全舰计算环境体系结构。

1

全舰计算环境技术架构

基于全舰计算环境所提供的平台化计算支 持，能够更好地解决各系统集成时的“烟囱”问题， 能为舰船提供可升级、自组织、可配置、可高水平 完成系统集成和自动化操作的平台，提升装备的 快速交付能力。

全舰计算环境以开放式体系结构（OA）为基 础[6, 7]。OA是指采用开放标准作为一个系统的重 要接口的体系结构。

开放式体系结构强调基于开放的标准规范， 采用主流的商用成熟技术产品建立计算环境。全 舰计算环境参考高层的技术架构，遵循现有的标 准体系，然后在此基础上补充完善。 全舰计算环境由基础设施和各种领域应用组 成，技术架构如图1 所示。全舰计算环境基础设 施的软、硬件可以全部采用商用现货产品；领域应 用软件与舰船作战和平台任务有关，由行业内相 关单位研制开发。

图1 全舰计算环境技术架构

2

全舰计算环境系统集成框架

全舰计算环境的系统集成框架可以自顶向下 分为3个层次，即功能集成、数据集成和物理集成。

2.1 功能集成框架

功能集成是指在分析功能系统需求的基础上，分析功能系统组织与运用模式，确定业务流程 和特定的信息处理要求，利用集成和部署工具，组 织满足功能需求的服务和构件，形成相互融合、满 足功能和能力需求的功能系统。

功能集成面对用户的使用和应用的执行，可 以分为构件、服务和任务3个层次，如图2所示。

图2 全舰计算环境功能集成框架

2.2 数据集成总线

数据集成主要解决数据的分布性和异构性等 问题，将不同来源、格式的数据在逻辑上有机集 中，支持数据的统一访问、统一描述，建立信息按 需共享的机制，支持各类信息在授权范围内的按 需共享。

根据实时应用与非实时应用分开的原则，从 逻辑上建立两条数据总线（图3）：一是实时数据 总线，可采用RTI DDS，即数据分发服务中间件， 通过发布/订阅机制完成实时应用的数据交互，并 提供数据传输的服务质量（QoS）控制策略；二是 符合SOA 技术规范的企业服务总线（ESB），例如 IBM WebSphere 等商用现货产品，用于实现应用 连接和信息传输。DDS 通过路由服务与ESB 桥 接，还可以通过数据库集成服务与DBMS连接。

图3 全舰计算环境数据集成总线

2.3 物理集成基础设施

物理集成的任务是基于舰载一体化网络、海 战场一体化传输网络和各类信息传输协议交换格 式，实现各类信息获取、信息传输、信息处理与指 挥控制、信息对抗、信息保障装备互联互通，集成 为有机整体。

如图4所示，全舰计算环境基础设施具有3层 结构：显示层、核心层和适配层。显示层负责将内 容绘制在显控台上。核心层提供公共环境，其上 运行全舰的大多数应用软件，这些软件运行于冗 余的基础设施，其目标硬件独立于具体应用（具有 位置透明性）。其他各种前端设备通过适配器与 全舰计算环境核心连接，适配器支持多种标准接 口的物理和协议转换，并具有较强的接口扩展能 力。3 个层次分别对应人机接口设备、数据处理设备和适配处理设备，并通过网络基础设施实现集成。

图4 全舰计算环境基础设施层次结构

3

结语

全舰计算环境将发展成为舰船装备信息化和 系统集成的基础。基于全舰计算环境的任务系统 研制，将改变以往舰船“烟囱”式的集成模式，避免 牵一发而动全身，提高舰载领域应用软件的平台 无关性，降低系统移植和升级改装的难度，有效控 制舰船全寿期费用。

全舰计算环境技术架构可以分为基础设施、 领域应用和资源管理等部分，系统集成框架包括 功能集成（任务 服务 构件）、数据集成（实时数 据总线 企业服务总线）和物理集成（显示 核心 适配）3 个层次。全舰计算环境以开放式体系结 构为基础，并采用面向服务体系结构，将对舰载作 战系统和平台信息系统的集成模式产生重要 影响。

全舰计算环境是一个复杂的系统工程，成功 的工程实施除了依赖技术上的突破之外，同时也 离不开工程管理与系统研制模式的变革。在全舰 计算环境研制过程中，建议：

1）加强顶层规划和总体设计，实现全舰信息基础设施的统一管理和统一技术体制；

2）实施软件工程化管理，推动软件计价工 作，支持以软件为核心的装备采购；

3）系统集成的对象不再是分系统或显控台， 而是更小粒度的功能模块（服务），需要对系统研 制过程进行适当调整以满足新的集成和试验 需求。

总之，全舰计算环境是未来舰船提高综合作 战能力和信息化水平的有效手段，其研制和应用 将有力推动舰船装备体系的建设。