全舰计算环境工程项目管理研究*

李 明 唐 亮 王允峰 董晓明

（1．武汉市74223信箱 武汉 430074）（2．中国舰船研究设计中心 武汉 430064）

全舰计算环境工程项目管理研究*

李 明1唐 亮2王允峰2董晓明2

（1．武汉市74223信箱 武汉 430074）（2．中国舰船研究设计中心 武汉 430064）

美军新型驱逐舰DDG－1000上的全舰计算环境（TSCE）是一项复杂的系统工程，采用最为先进的前沿技术，以软件开发工作为主，1700万行代码在“国家队”授权的、分布在25个地区的80个不同的公司同时开发。该项目不仅在技术实现方面有一定难度，而且在工程项目管理方面也具有极大的挑战性。该文主要介绍美军全舰计算环境工程项目管理的特征和经验，针对工程实施中进度和困难进行总结分析，旨在为我国舰艇信息化发展起到一定参考和借鉴的作用。

全舰计算环境；项目管理；任务分工

Class NumberTP302

1 引言

全舰计算环境（TSCE）应用于美国海军最先进的驱逐舰DDG-1000上，是革命性的舰载信息系统集成方式，将水面战斗舰艇上所有战时和非战时的功能集成到一个公共全局的计算环境之中，同时还扩展了许多岸上作业，包括维护、后勤及训练功能，以支持DDG-1000的调度部署。

TSCE的核心部分定义了21世纪水面战斗舰艇的全部计算特征，基于公共资源基础设施之上，将作战与平台系统功能集成。TSCE是一个开放式系统，旨在满足DDG-1000作战需求和作战概念中提出的所有当前以及未来的使命任务需求。

具体的TSCE可以从两个不同的角度进行诠释。第一就是物理上的TSCE，包括处理器、网络和显示硬件，DDG-1000上采用标准一致的商用现货产品，并将其有机地集成为一个整体。这一硬件环境涵盖舰上所有功能，形成可管理的计算资源池。第二点就是TSCE软件，这也是真正使DDG-1000不同于以往舰船的区别所在。

DDG-1000的TSCE软件环境采用面向服务架构（SOA），软件环境中的每个单元都可以看作是为系统提供的一项服务。每项服务至少等同于TSCE中的一个独立的软件对象。TSCE的软件服务在TSCE物理环境的所有硬件资源平台上运行。应用程序可以位于舰船数据中心、岸站或远程访问设备，只要设备可以提供必要的计算资源，软件安装于什么位置并没有差异。TSCE通过查询和发现机制对服务逐个定位，并将其作为软件集群中的一部分吸纳到整个软件环境之中。TSCE的目标就是使服务能够按照系统任务需求的变化，随时从TSCE中删除或添加。更重要的是，当有系统错误或有意外事件发生时，系统可以动态迁移服务，在动态变化的计算环境中最大程度地保证系统的稳定性、可测性和实用性［1］。

DDG-1000的TSCE采用基于开放式标准的集成方法，它将应用层与基础软硬件分离，消除了以往武器与传感器必须严格配对使用的固化模式，同时也消除了必须独立管理战术软件程序的要求。DDG-1000通过实现TSCE，为整个海军水面舰艇“开放式体系结构（OA）”变革确立了整体技术框架。该项目中海军将系统总集成任务承包给了雷声系统公司，同时组织了80多家不同领域、不同地区、不同规模的公司，以及近2000名工作人员组成“国家队”，同时进行1700万行代码的开发和全舰硬件资源的配置，因此，有效的项目管理方法和组织形式势必成为TSCE成功的关键。

2 TSCE项目管理原则

雷声公司DDG-1000项目经理 Mike Hoeffle表示：“本质上，你可以把TSCE想象成一台个人电脑，把传感器和武器看作是打印机、终端设备以及其他的一些外围设备。新的组件可以实现“即插即用”，就像插入USB口一样，无需花费太多的时间，也无需复杂的集成过程。”

TSCE的这些特点和功能正是其软件开发艰难和充满挑战的原因，为了实现这一挑战，雷声公司在开发的过程中，遵循以下三条核心原则［2］：

2．1 严格遵守建立完善的软件开发制度

自上世纪八十年代中期，卡内基梅隆大学软件工程学会（SEI）创造了“能力成熟度模型（CMM）”，该模型在政府开发的软件工程项目中被广泛应用。它给防务组织提供了一个评估和描述软件开发商能力的标杆，衡量其在限定的时间和预算之内，实现满足标准要求软件的能力。该模型中将软件实现能力定义为五个等级，分别为：1）初始级；2）可重复级；3）已定义级；4）已管理级；5）优化级。绝大多数公司水平都仅为1～2级，只有像IBM这样实力雄厚的企业才能达到3～4级的水平，可以达到5级的公司几乎是没有的。DDG-1000项目中明确要求，参加TSCE研发的软件公司CMM至少不低于3级，据统计，最终TSCE团队的平均CMM等级值达到3．7，这在舰船领域现阶段的系统开发中是十分罕见的。

2．2 开放式体系结构的使用

尽管在商业社会中保持长期合作的关系存在许多优势，但开放式体系结构的独有特征仍使其成为目前海军装备研制技术中的发展趋势。因为这种方法可以使软硬件组件随时简单地添加到整个系统当中。舰上系统包括大量的组件设备，采用不同厂家的产品可使更多供货商的产品可用，从而减低舰艇的设计建造费用，同时提高集成系统之间的互操作。由于美国国防部决定不再为某个专项应用技术开发投资，但仍需解决快速技术升级的问题，因此，投资商用产品成为一种较好的解决办法。这样系统的设计可以很容易地修改和认证。

2．3 “国家队”的组织形式

TSCE这种复杂的集成系统如果没有一个优秀的团队和管理办法是不可能实现的，这些成员包括与海军签署长期协议和担保的，以及临时加入团队友情协助的。因此DDG-1000软件开发策略的关键因素就是顶尖的系统集成商的广泛联合，包括：诺斯罗普·格鲁曼、雷声系统公司、洛克希德·马丁以及波音公司。另外，海军实验室在专业能力提升的同时，确保参与系统开发的全部团队成员都对DDG-1000的整个系统架构保持彻底的公开透明。

3 TSCE研制阶段划分

美军的舰船设计和建造流程分为：概念设计、方案设计、技术设计、详细设计和建造（集成）、工程和后勤生命周期保障五个阶段。如图1所示，TSCE项目策划从舰船设计第一、第二阶段就开始了，而具体开发工作主要集中在第三、第四阶段。

图1 舰船设计建造的流程和TSCE开发阶段

TSCE采用“螺旋式”的发展模式，最初计划是从2003年初到2005年末，完成DDG-1000技术设计，同时发行Release 1-Release 3三个版本的TSCE软件，提供TSCE基础设施的基本服务，并初步实现对空防御功能、对陆和水下作战功能。2005年到2011年底，完成DDG-1000的详细设计和建造，同时继续发行Release 4、Release 5、Release 6和Spiral 1，逐步集成舰上所有任务系统，实现TSCE的全部功能。图2主要为舰船设计第三、第四阶段，TSCE软件Release 1到Release 6，以及Spiral 1的设计目标、开发原则和进度安排。

根据DDG-1000作战任务需求，TSCE的应用层被划分为：指挥和控制、通信控制、传感器与飞行器控制、武器控制、舰船平台控制及后勤保障几个分段设计，每个分段内包括若干单元，如：武器控制分段包括：改进型“海麻雀”导弹、“标准”导弹、先进火炮等单元；传感器控制分段包括：双波段雷达、敌我识别、声纳组合等单元。在TSCE软件单元的基础上根据单元内部具体功能的不同，进一步划分组件和模块。即TSCE的软件按照由小到大的粒度分为：模块、组件、单元和分段四个层次，若干功能相关、紧耦合的模块组成组件，几个组件组成单元，相关单元再组合成分段，实现作战任务需求中某方面功能［9］。以Release 5为例，包括16个单元、32个组件和126个模块。TSCE软件集成采取螺旋式推进、逐步扩展的方式，相关责任单位负责研制具体的模块或组件，集成商从Release 1到Release 6逐渐集成各个模块的功能，自底向上逐层集成，形成功能完整的单元和分段。

如表1中所示，Release 1阶段只实现简单的TSCE-I基础服务。Release 2阶段实现对空自防御的部分功能，同时扩充TSCE-I，该阶段的成果为雷声公司2006年进行SSDS开放式系统升级奠定了基础。Release 3增加了对陆和水下作战功能，实现多任务作战线程。从Release 4开始TSCE软件进入了更加艰难的大规模集成阶段，加强Release 2和Release 3中的方面作战能力，同时在原版本的基础上增加了通信控制、平台控制、传感器与飞行器控制等部分软件单元，而Release 5和Release 6阶段主要是具体细化单元内各组件和模块的功能，增加决策评估、支援保障等软件单元，最终实现完整的TSCE软件功能。

图2 TSCE软件版本发行计划

4 TSCE任务分工情况

图3 TSCE的任务分工

表1 TSCE软件模块逐步集成的发展过程

DDG-1000设计建造之初，制定了10项关键技术，并以工程开发模型（EDM）的形式展开科研试验，每项EDM都有明确责任单位，其中TSCE工程研制由DDG-1000任务系统总承包商雷声系统公司负责。同时，美国另一大防务巨头洛克希德·马丁公司，凭借其在“宙斯盾”系统和LCS舰载系统研制和集成的成功经验，也被邀请加入到TSCE集成团队，并承担了DDG-1000众多关键任务系统的开发研制。

为了研制TSCE这项庞大的软件工程，雷声公司联合了众多实力雄厚的防务公司，同时也本着“同族最优”的原则精选了多家拥有先进技术的商业小型公司，最多时参与团队达到80几个公司，上千名技术开发人员。

1997年，DD21项目论证之初，雷声和洛·马公司分别联合英格尔斯造船厂和巴斯钢铁造船厂组成“金队”和“蓝队”竞争DDG-1000任务系统总集成项目。2002年“金队”获胜之后，洛·马就以合同授予不公为由，向美国总审计署提出抗议，经几次公开抗议无效，此事便不了了之，雷声公司成为DDG-1000任务系统总集成商，负责全舰电子信息和武器系统的总集成，承担了10项EDM中的5项，即全舰计算环境、双波段雷达、综合水下作战系统、先进垂直发射系统和上层建筑集成孔径技术，几乎涉及了全部电子信息系统，紧紧抓牢了其任务系统中的关键部件。

但是首次作为舰载任务系统总承包商的雷声公司，在经验技术方面还存在不足，同时按照美军装备研制历来倡导“竞争合作”，反对一家独大的思想，雷声公司都不可能包揽天下。因此，在洛·马抗议事件平息不到一年，2003年海军便与其签署了价值1．88亿美元的合同，将其拉入DDG-1000“国家队”的行列。在雷声公司负责的5项EDM中几乎都有洛·马公司的身影，并且这些设备都不同层次的渗透到了TSCE项目集成之中。主要包括：指控系统、双波段雷达、综合水下作战系统、光电／红外设备、声纳设备、机电控制系统等等［3］。

表2 DDG-1000TSCE项目任务分包情况

虽然TSCE由雷声公司负责总集成，但可以说TSCE是雷声和洛·马、及众多公司“强强联合”的产物。在指控、传感器、武器、平台、支援保障以及TSCE-I各个分段的研制集成中都有两个公司的合作：

1）洛·马以其30年开发“宙斯盾”作战系统的经验，顺理成章地加盟了DDG-1000“指控部分”的软件设计工作。后来也是由于C2I这部分软件的问题延误了TSCE的时间进度。

2）在“传感器控制”分段，洛·马公司也承担了大量的工作，如：双波段雷达中的体搜索雷达、声学传感器、红外／光电（5套）等系统的设备及其嵌入式软件单元。最终，由雷声公司负责传感器的信息融合，产生统一的航迹，并将“传感器部分”与“TSCE-I部分”的接口连通。

3）“平台部分”中，雷声公司将“平台控制”单元的“机电控制”组件承包给了洛·马公司、“综合舰桥”组件承包给了L-3公司、“导航”组件由雷声公司自己完成。“机电控制”组件又分为“综合电力”模块、“辅机控制”模块、“自动损管”模块，这些模块又由洛·马公司拆解后分包给了Converteam、Sperry等公司。

4）“武器部分”雷声主要是和英国BAE系统公司、美国联合防务（United Defense）以及巴斯钢铁公司共同合作实现的。雷声公司负责Mk57新型垂直发射系统的研制，洛·马公司仅参与了其中先进火炮系统的“远程对陆攻击弹”（LRLAP）的研制［4］。

5 TSCE软件开发过程

TSCE的软件开发采取“螺旋式上升”的模式，如图4所示，每一个正式发行的软件版本都要经历：软件需求分析、软件架构设计、软件详细设计、软件编码与测试、软件集成、软件认证测试和系统集成的过程，为了保证集成软件的质量，采取分阶段独立认证的方式，6个版本的开发过程在时间上存在交叠，每个版本开发过程中获取的经验教训和反馈意见都将指导下一版本的开发，各版本性能持续改进、功能逐渐完善［5］。

图4 螺旋式上升的软件开发过程

DDG-1000软件开发的数量和复杂程度都是前所未有的，全舰计算环境不再是拥有大量独立的子系统，各系统由多个舰员负责操作，而是使多个功能集成化、自动化。海军该项目办公室评估TSCE将包括1400万～1700万行代码，其中700万行新编和修改代码用于新增的软件模块，当前TSCE的产品包括6个正式发行版本（Release 1～6）和1个“螺旋上升”（Spiral）阶段的成果［6～7］。

从Release 1到Release 6，每一个正式发行的软件版本都要经过如下七步的评审过程，才能获得政府认证。如图5所示，详细的评审流程可保证项目承包商与海军公开及时地沟通，从而提供透明的服务。

近年来，按照TSCE主承包商雷声公司发布的信息，TSCE项目的进展情况和重大节点归纳如图6所示。Release 6的开发合同已于2009年11月签订，第二年2月雷声公司就通过了Release 6的软件规范评审。目前，Release 6的编码、测试工作仍在进行之中。TSCE项目按照新的计划安排继续推进［8］。

6 结语

TSCE的核心就是“集成”，即快速有效地将不同规模、不同粒度、不同功能的软件程序进行快速有效的集成。如何组织协调好不同软件承包商之间关系，实现全舰软件在统一技术体制、统一基础设施、统一标准规范的要求下的功能集成，成为TSCE项目组织管理的关注要点。本文主要梳理了美国海军在TSCE项目管理中总结的经验和教训，重点给出了项目管理原则、系统责任分工、项目进度安排，包括软件开发、测试的流程，以及开发中遇到的问题和挑战。这些项目组织管理的方法和经验对于我国舰船信息化发展和全舰计算环境工程实施具有极大的参考价值。

［1］Myron Liszniansky，Tom Laliberty．DDG 1000 -First of the Zumwalt Class Transforming the Navy，2006Systems ＆Software Technology Conference．

［2］Joseph J．Horvath．DDG 1000Case Study-Overview［J］．Risk Based Source Selection Concept．07November 2006．

［3］Mark Henry，Michael Iacovelli，Jeffrey Thatcher．DDG 1000 Engineering Control System （ECS）．2006．

［4］DD（X）Total Ship Computing Environment Promises to Transform Naval Warfighting［J］．Defense News．05September 2005．

［5］Raytheon．Technology today-Total Ship Computing Environment［J］．Summer 2003Volume2Issue2．

［6］GAO Report．Cost to Deliver Zumwalt-Class Destroyers Likely to Exceed Budget［J］．DEFENSE ACQUISITIONS．July 2008．

［7］GAO Report．Zumwalt-Class Destroyer Program Emblematic of Challenges Facing Navy Shipbuilding［J］．DEFENSE ACQUISITIONS．31July 2008．

［8］Raytheon．DD（X）Overview．McGraw Hill Defense Budget Conference［J］．25March 2004．

［9］董晓明，石朝明，黄坤．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．

Research on Engineering Program Management of Total Ship Computing Environment

LI Ming1TANG Liang2WANG Yunfeng2DONG Xiaoming2
（
1．P．O．Box 74223，Wuhan 430074）（2．China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064）

Total ship computing environment applied to DDG-1000is a complex systems engineering，which employs the most cuttingedge，state-of-the-art methodologies．On the whole，TSCE is a software development program．When complete，17million lines of code will have been simultaneously developed by a National Team，geographically dispersed across 25sites and representing the combined efforts of 80 different companies．It is not only tough on the technique realization，but also extremely challenge on the engineering program management．The available characters and practices of TSCE engineering program management were introduced．Summarized and analyzed the postponed schedule and the difficult technologies，in order to give the reference to our navy for ship building．

TSCE，program management，divide of the work

TP302

2012年6月21日，

2012年7月29日

国家自然科学基金项目（编号：61203324）资助。

李明，男，硕士，高级工程师，研究方向：舰艇作战系统。唐亮，男，博士，工程师，研究方向：舰船电子信息系统，舰船生命力。

王允峰，女，硕士，助理工程师，研究方向：舰船电子信息系统。董晓明，男，博士，高级工程师，研究方向：舰船电子信息系统，计算机系统结构。