舰船电子与信息系统综合集成研究进展＊

陈 霞 宋 敏 韦正现

（1.北京西三环中路19号 北京 100841）（2.北京外国语大学信息技术中心 北京 100089）（3.中国船舶工业系统工程研究院 北京 100094）

1 引言

在电子信息技术快速发展的推动下，全综合一体化的系统集成技术已成为国内外舰艇电子与信息系统的发展趋势。目前系统集成的含义在学术界还没有形成一致的概念，从集成层次上一般认为系统集成主要包含硬件（设备）集成、信息（数据）集成、功能集成和过程（应用）集成。并且目前从舰船电子与信息系统来说，国外主要从这几个方面开展研究。硬件（设备）集成主要是以统一标准化的形式实现系统中硬件设备标准化和可共用。信息集成是将系统获取的信息进行统一处理、有机综合，以实现信息的最大化共享和运用；功能集成主要是以统一的软件功能实现形式、功能访问方式等实现功能的即插即用。过程集成主要是将系统活动、流程等采用统一的组织方式、流程模式快速构建适用不同需求的系统流程。当前国外舰船电子与信息系统根据不同的需要，通过建立开放的体系结构从这四个方面进行综合集成。

本文从舰船电子与信息系统集成技术发展的角度出发，详细介绍了当前适用于舰船电子与信息系统硬件集成、信息集成、功能集成和过程集成的相关技术和国外的发展状况，然后根据舰船电子与信息系统的应用特征和使用需求，重点分析国外舰船电子与信息系统综合集成技术的研究进展，结合我国舰船电子与信息系统的现状，提出了我国发展舰船电子与信息系统综合集成技术的一些设想，为我国在舰艇电子与信息系统综合集成技术的进一步发展提供参考。

2 系统综合集成的研究进展

2.1 硬件集成研究现状

硬件集成主要是从网络设备、计算设备和显控设备等方面，通过制定统一的标准规范，实现这些硬件资源的统一共用。在这方面，德国STN阿特拉斯公司的ISUS90综合作战系统采用开放式体系结构，采用交换式以太网双总线网络拓扑结构，将声纳、光导、光学、雷达、电子支援措施和通信情报系统、导航系统与武器系统有效地集成到一起，整个系统具有数据联系能力，计算机通信由以太网双总线系统和光纤数据传输系统控制，所有子系统均装备了先进的基于PC的处理计算机实现实时控制，整个系统采用标准化信号处理，尽可能减少信号误差。英国宇航防御系统有限公司研制的SMCS潜艇指挥系统采用双冗余光纤局域网与潜艇的声纳、战术武器连接，提供对武器发射系统的控制，可支持“战斧”对地导弹。该系统共使用了200多个80386／486微处理机进行统一的计算处理。法国UDS公司研制SUBTICS战术综合作战系统以标准数据处理机、冗余数据总线和多功能控制台为基础，采用双冗余以太网总线，将所有的声和非声传感器的输入以及武器、导航系统、指挥和武器控制系统的功能综合到6和双屏多功能彩色控制台上。

2.2 信息集成研究现状

信息集成主要从信息统一表示和统一管理两个方面开展研究，信息统一表示主要是实现异构信息的同构化，就是将不同表示形式（异构）的信息采用统一的表示框架、标准来描述。信息统一管理是将系统运行中所有的数据进行统一的管理与控制。

在信息表示方面，美国的“网络中心战”是提出需要在信息表示上要求具有统一标准。由于传统的作战单元中信息具有多样性、异构性、复杂性等特点，导致了信息数据种类多样化、格式不统一等特点，需要将异构平台、不同格式、不同语义的数据信息进行统一表示和规范操作。解决这个问题最常用的方法是提供统一数据模型（Integration Data Model，IDM），它具有自描述能力、具有统一表示形式和代数操作，能够描述各种异构数据的抽象结构、具体表示和关系，提供原子数据、组合数据的元数据描述，屏蔽数据在结构格式、句法上的异构性，能够容纳已有的数据格式、复杂数据类型，支持各种具有不同语法和格式的数据结构模型，使得协同作战单元各种信息数据按照统一的模型和规范进行分类、处理和表示，形成一个统一、标准、科学的信息表示标准与操作规范。数据模型应该满足三方面的要求：能比较真实地模拟现实世界；能容易为人们所理解，便于在计算机上实现［1］。当前数据分为结构化、半结构化以及非结构化数据。在早期提出的信息表示方案中，往往存在一些不足：数据转换和整合规则都融合在定制代码中，发生变化就难以灵活适应；各个设备只能通过中间库或者集中库的方式来解决数据集成，然而这样又形成了新的数据孤岛。这种状况直至XML的出现才有改变。XML作为一种自描述语言，具有适合数据交换的特性。现有的基于XML数据集成平台有如下特点：用XML格式作为统一的数据交换标准，为数据访问提供简便、统一的模式；数据转换和整合规则可以灵活定义，独立于应用集成和业务逻辑。如BEA公司的数据集成平台BEA Liquid Data就是这样产品［2］。不幸的是，伴随着用XML进行数据交换的是系统运行性能的降低。从XML文档所形成的树状结构中查找信息、解析、校验、转换等操作，都不能轻易完成，需要耗费过多系统资源。因此，XML还不能彻底解决这类问题。为了解决数据表示以及XML问题，国际上有一些组织致力于数据概念模型的标准化工作，试图通过对各个信息数据资源的统一抽象和概括，为分布式集成提供通用的、统一的概念模型，找到能够实现全社会数据共享的数据模型，例如美国斯坦福大学与IBM Almaden研究中心提出OEM（Object Exchange Model）［3］以及东南大学的基于带根连通有向图的对象集成模型（OIM）［4］。OEM是一种自描述数据模型，适合表示松散或结构不固定的半结构化数据，用于异构数据集成。OIM模型以OIM对象代数作为查询语言的数学基础，OIM模型对象操作包括六种对象操作，分别是对象并、对象差、对象选择、对象投影、对象粘贴和对象切削，其中对象差和对象并不同于关系代数的相应运算，参与运算的两个OIM可以不相容，即可以具有不同数目的子对象以及不同的子对象取值。

信息统一管理最主要解决各个作战单元的信息灵活的“按需获取”问题。最初的解决方案是设备点对点的通信，直到“发布／订阅（pub／sub）”机制的出现使这种需求变成了可能。发布／订阅（pub／sub）是一种具有动态性和松散耦合特性的灵活通信范型和交互机制，与传统的通信范型（消息传递、RPC／RMI和共享空间）相比，具有异步、多点通信特点，使通信的参与者在空间、时间和控制流上完全解耦，能够很好地满足舰船电子与信息系统松散通信需求。pub／sub系统中，生产者将事件发送给发布／订阅中间件；消费者则向发布／订阅中间件发出一个订阅条件，表示对系统中的哪些事件感兴趣，如果不再感兴趣，也可以取消订阅；而发布／订阅中间件则保证将生产者发布的事件及时、可靠地传送给所有对之感兴趣的消费者。信息的生产者称为发布者（publisher），信息的消费者称为订阅者（subscriber），发布者和订阅者统称为客户端。匹配算法（matcher）负责高效地找到与给定事件相匹配的所有订阅条件；而路由算法（router）则负责选择适当路径，将一个事件从发布者传送到订阅者。目前对pub／sub系统研究分为基于主题和基于内容两大类。基于主题的系统如IBM MQSeries［5］。基于内容的pub／sub系统又可分为两类，一类是基于Map，另一类是基于XML。在基于 Map的pub／sub系统中，事件内容为多个“属性＝值”集合，订阅条件一般是各个属性之上简单断言的连接，通常称为平面模式（flat pattern）。较有影响的原型系统包括 SIENA、Gryphon、JEDI、Keryx、Elvin等。在基于XML的pub／sub系统中，目前已有的原型系统包括XFilter、XTrie、WebFilter等。

发布／订阅（pub／sub）机制使系统信息使用的可伸缩性和灵活性有了很大提高，即要求不用重建整个系统就可以增加新的节点。OMG（Object Management Group）意识到了这种对数据分发服务的需求，并于2004年12月发布了面向分布式实时系统的数据分发服务规范（Data Distribution Service for Real－time Systems，DDS）［6］。DDS 规范为DDS中间件定义了一系列规范化的接口和行为，定义了以数据为中心的发布／订阅（Data－Centric Publish－Subscribe，DCPS）机制，提供了一个与平台无关的数据分发模型。此外，DDS规范还强力关注了对 QoS（Quality－of－Service）的支持，它定义了大量的QoS策略，使得DDS可以很好地配置和利用系统资源，协调可预测性与执行效率之间的平衡，以及支持复杂多变的数据流需求。目前，商用的DDS产品全球范围内已经有不少的供应商，其中最主要的有美国RTI公司、PrismTech公司以及Twin Oaks公司，它们之间的比较如表1所示。

表1 不同DDS产品之间比较

2.3 功能集成研究现状

功能集成的主要目的是实现功能“即插即用”，为了实现这个目标，在商用行业提出了一系列组合的解决方案，其中最具有代表性的是组件技术、中间件技术。目前，有多个组织和公司为组件、组件框架和接口建立了模型和技术规范，其中OMG CORBA、Microsoft COM／DCOM（或.NET）以及Sun JavaBean／EJB占主导地位。目前组件和中间件技术在舰船电子与信息系统中得到了较为广泛的应用，应用最多的是OMG CORBA。CORBA（Common Object Request Broker Architecture）是对象管理组织OMG在1992年发布的分布式对象计算的一种规范和标准。它定义了接口定义语言（IDL）和应用编程接口（API），从而通过实现对象请求代理（ORB）来激活客户／服务器的交互。1996年12月发布了CORBA2.0版本，定义了如何跨越不同的ORB提供者而进行通讯，以解决不同的ORB之间的协同工作。随着在实践中的不断完善，1999年又推出了CORBA3.0版本，融合了一些新兴的技术Java、MOM 等，推出了组件模型CCM结构，规范了一个创建即插即用对象框架，为CORBA的具体实现提供了一种标准的方法。

CORBA规范定义了ORB的体系结构及相关内容，定义了IDL语言及其映射，定义了对象间如何通过ORB互操作以及ORB间如何互操作。在CORBA中，对象请求代理（ORB）、接口定义语言（IDL）和因特网上对象请求代理之间的协议（IIOP）是三个核心组成部分，可使系统具有分布式、可移植、可裁剪和异构能力。此外，事件和命名服务（它们是使用最广泛的服务程序）在实现分布式、可移植、可裁剪和异构型的目标当中也起到了很大的作用。CORBA命名服务程序与CORBA典型事件服务程序对大量子系统与接口的成功集成起着关键的作用。图1是CORBA的体系结构，表示了客户、服务的执行对象与ORB接口间的关系。

图1 CORBA体系结构

2.4 过程集成研究现状

过程集成主要是将系统活动、流程等采用统一的组织方式、流程模式快速构建适用不同需求的系统流程，它的最主要的目的是为用户提供一个可以灵活定制的工作流程。目前在工业界最能够体现过程集成特点的是Web服务。Web服务是SOC与SOA中所强调的服务概念的一种具体表现形式和功能载体，它提供了面向Internet应用的统一服务注册、发现、绑定和集成机制，它是一种基于Web环境的具有自适应、自描述、模块化并且良好互操作能力的应用程序。Web服务模型包括三个实体（如图2）：提供商、客户和注册库。服务提供商负责Web服务的实现、发布和维护，注册库用于存储服务的描述信息并实现基于关键字的服务发现，客户通过查询注册库来发现可用的Web服务［7］。

图2 Web服务体系结构

Web服务的接口和绑定可以通过XML进行定义、描述和发现［8］，涉及的三项基本技术是：Web服务描述语言 WSDL（Web Service Description Language）［9］、Web服务与外界交互的SOAP协议（Simple Object Access Protocol）［10］、Web服务发布和发现的UDDI规范（Universal Description Discovery）［11］其中 WSDL是基于XML的 Web服务接口描述语言，用于描述服务的操作、参数类型以及服务的SOAP接入点；SOAP是分布式或集中式环境下基于XML的消息交换协议、UDDI则用来发布和发现服务。

由于舰船电子与信息系统在使用的过程中，一般需要遵循比较严格的程序和规范，因此在这方面主要是从人机交互界面的方便性、灵活性上进行一些工作。如在弗吉尼亚上通过开放式舱室，可以灵活的定义多功能显控台的功能，从而实现灵活的操作控制。荷兰舰船、德国的最新的舰船电子信息系统（作战系统）也采用同样技术。

2.5 综合集成研究现状

由于舰船电子与信息系统需要安装在舰船有限的空间上，并具有信息系统和控制系统的特征，因此，世界各国主要从硬件集成、信息集成、功能集成和过程集成等多个方面综合解决系统集成的问题，这种集成方式成为综合集成或一体化集成。舰船电子与信息系统综合集成（一体化集成）主要是基于开放式体系结构，广泛采用标准化的硬件和COTS技术，从而形成一套完整的集成解决方案。比较有代表性的有英国的SMCS系统、瑞典的9SCS MK3系统、挪威的MSI－90UMK2系统、法国的SUBICS系统、德国的ISUS90系统、美国的 AN／BSY－1、AN／BSY－2系统以及即将安装在最新型核动力潜艇NSSN上的C3I系统等。目前集成度最高、集成范围最广的是美国DDG1000的全舰计算环境。

ISUS90综合作战系统（参见图2）是德国STN阿特拉斯公司上世纪80年代研制的ISUS83系统的改进型。ISUS90采用开放式体系结构，采用交换式以太网双总线网络拓扑结构，将声纳、光导、光学、雷达、电子支援措施和通信情报系统、导航系统与武器系统有效地集成到一起。整个系统具有数据联系能力，计算机通信由以太网双总线系统和光纤数据传输系统控制。所有子系统均装备了先进的基于PC的处理计算机实现实时控制。整个系统采用标准化信号处理，尽可能减少信号误差。系统的实时控制采用PC处理机，声纳信号处理采用高速RISC处理机。系统采用通用多功能控制台，功能可以互换，所有显示器上的术语通用，信息显示共同处理。系统减少使用专用硬件，将重点放在采用国际通用标准的功能化软件上，整个系统提供了大量的备用替换能力。

图3 ISUS90的典型配置

SMCS指挥系统是作战系统中最具有代表性和特点的系统，由英国宇航防御系统有限公司研制，是一个以SUCCESSOR结构为基础的模块化全分布式系统，该系统首先装备于英国“前卫”、“特拉法尔加”、“快速”级潜艇。

SMCS采用双冗余光纤局域网与潜艇的声纳、战术武器连接，提供对武器发射系统的控制，可支持“战斧”对地导弹。该系统共使用了200多个80386／486微处理机，使用 Ada程序设计语言。BAeSEMA公司的SUCCESSOR产品可支持灵活的用户－服务器结构，而且能够把应用软件从操作系统和基础软件中隔离出来。在应用软件中还可以进一步分层，把每一个应用程序分成若干子系统，每个子系统都具有明确的任务和接口。该系统根据潜艇／水面舰艇指挥与控制系统后续发展的作战要求，采用了系列化的硬件／软件模块。在改进中，该系统引用了大量的COTS软件和硬件。

SUBTICS战术综合作战系统（参见图3）是法国UDS公司研制的第一个开放式、模块化结构系统，适合装备各类潜艇，包括新建和改装艇。SUBTICS的核心是一个开放式模块化结构，以标准数据处理机、冗余数据总线和多功能控制台为基础，采用双冗余以太网总线，将所有的声和非声传感器的输入以及武器、导航系统、指挥和武器控制系统的功能综合到6和双屏多功能彩色控制台上。该系统提高了总的作战性能；广泛采用COTS技术和开放式模块化系统结构，系统兼容性好，升级容易，配置灵活；适装性好。

图4 法国的SUBTICS系统

图5 美国舰艇作战系统集成环境Hiper－D

NSSN C3I系统先进的作战系统，也是美国海军第一个全综合作战系统——Hiper－D（如图5），它装备在潜艇上，几乎综合了潜艇上的所有电子设备，形成了一个以光纤局域网连接的全分布式处理系统。该系统采用顶层系统设计原则，突出浅海作战和联合作战；采用实时Unix操作系统和全开放式模块化系统结构，使系统升级，技术转移、改进和扩充更方便；最大限度地利用了商用流行技术，极大地减少了研制费用，缩短了研制周期。C3I系统中的各个子系统连接在一种松耦合联合体系结构中，它们通过ATM光纤网络的分层结构共享处理过的数据和信息。该艇95%是模块化的结构。由于在NSSN试验期间不断用最新技术对C3I系统进行更新，以最新产品取代那些过时的硬件和软件，因此当NSSN交付使用时，NSSN C3I系统仍然是代表当时技术水平的先进系统。

目前装备在美国海军新型驱逐舰DDG1000（也称朱姆沃尔特）上的全舰计算环境TSCE（Total Ship Computing Environment）（如图6）是美国乃至全世界范围内舰艇电子与信息系统综合集成的典型代表，也是最高水平，将舰艇平台上的电子与信息系统的综合集成推向了极致，全舰计算环境是DDG1000十大关键技术之一。在DDG1000舰上，通过TSCE对处理机柜和显控台等设施根据作战系统、机械、电气、通信等专业的不同进行了分类标准化和通用化，硬件主要选用商用现货产品。全舰计算环境的基础设施（TSCE－I）形成一个开放的、虚拟的计算环境，所有计算资源统一调度管理，可为其他领域的应用提供服务，所有应用软件均分布在这个计算环境中。所有传感器、受动器、激励器和武器通过适配器与全舰计算环境连接。DDG1000全舰计算环境从集成范围上包含了舰船导航、外部通信、传感器、指挥控制情报、飞机、交战、支持等全体船上系统，TSCE可以使得海军通过在舰队范围内使用标准软件和COTS硬件获得持续增强的能力。

图6 DDG1000全舰计算环境示意图

全舰计算环境通过开放式技术体系结构的技术框架，该框架利用计算机、网络设备、处理器、实时操作系统、CORBA中间件、DDS中间件等技术，为舰上电子与信息系统提供了基础软硬件平台。几乎所有的基础软硬件平台都是依赖商用计算技术。DDG1000能够将如此大规模应用软件无缝地集成到一起，并且提供软件和硬件的持续增强能力，TSCE是关键因素。这种级别的集成和自动化是史无前例的，也是DDG1000驱逐舰人员减少60%的主要原因。

3 系统集成发展的启示

当前舰船电子与信息系统综合集成是将硬件集成、信息集成、功能集成和过程集成等融为一体的全方位集成，基于开放体系结构，构造出能够为舰艇水声、电磁、导航、外部通信、指挥控制情报、仿真推演等提供高性能计算环境，为指控、通信、交战等应用提供高可靠的服务平台，在国内也已经形成了基本共识，并且国内多家企业也开展了基础研究。根据技术发展和舰船应用需求，我国应该制定相应的对策，可以从以下几方面考虑：

1）全局规划逐步开展

舰船电子与信息系统综合集成涉及到多任务并行计算、信息协同处理和在线仿真推演等不同特征大容量计算，同时也涉及到硬件集成、信息综合、应用集成等公共服务，我国在这方面的研究应该采取全局规划、逐步开展的策略，应该由具有集成能力强的单位牵头，联合具有不同专业优势单位共同对舰船电子与信息系统综合集成的整体架构、容错技术、虚拟技术、协同计算环境、信息集成技术等开展专项研究，并且首先在集成度要求高、集成范围较小的中型舰船上分步实施应用，然后将成熟的技术逐步应用到大型舰船上中。

2）加快推进软件计价

实现舰船电子与信息系统综合集成的一个核心是软件，综合集成是通过其基础软件集成舰艇上所有的软硬件资源为各个应用提供计算、存储、控制等的服务。因此要推动舰船电子与信息系统综合集成技术在舰船上的应用，必须首先将硬件和软件分离，实现硬件与其上层软件单独计价、独立交付，这样不仅能够使舰船电子与信息系统综合集成基础软件这种不依附任何特定硬件又必须部署于相关硬件的软件实体，具有研制、装备的驱动力，同时也为舰船电子与信息系统各种应用软件的构件化以及独立于硬件开发提供基础条件。

3）加快推进硬件标准化、通用化与系列化

舰船电子与信息系统综合集成技术要求其硬件尽可能标准化和通用化，这样基础软件和应用软件构件在进行部署、运行时采用相对统一的技术方案，从而减少由于不同硬件之间转换与匹配的开销。当前海军在多功能显控台方面已经形成了标准化，为了适应舰船电子与信息系统综合集成技术在舰艇上的应用，还需要推动水声信号处理、电磁计算等硬件标准化和通用化工作。同时在硬件型号的鉴定与管理上，如何根据摩尔定律，保持硬件型号计算能力与技术发展相匹配，形成同一型号种多种性能产品系列，也是需要统称考虑。

4 结语

系统综合集成是舰船电子与信息系统发展的一次重要革新，它是硬件集成、信息集成和功能集成和过程集成等的综合实现，同时也是基于开放体系结构将中间件、网格计算、云计算等新理念、思想、技术和方法应用于舰船电子与信息系统，是大幅度提升舰船电子与信息系统集成优化水平的必然途径，能够提升舰船执行任务的能力，这些在国内已经形成共识。对此本文首先对集成技术进行介绍，分析了硬件集成、信息集成、功能集成和过程集成的不同侧重点和相关集成内涵；然后根据舰船电子与信息系统的使用特点以及所涉及领域特征，详细阐述了舰船电子与信息系统综合集成在国外研究进展和发展趋势情况，在此基础上，针对我国舰船电子与信息系统的现状，提出了我国发展舰船电子与信息系统综合集成应该采取的策略，目的是为我舰船电子与信息系统实施综合集成提供参考。

［1］李冠宇，刘军，张俊.分布式异构数据集成系统的研究与实现［J］.计算机应用研究，2004，21（3）：96－98.

［2］The BEA Liquid Data Team.BEA Liquid Data for WebLogic：XML－based Enterprise Information Integration［C］／／Proceedings of the 20th International Conference on Data Engineering，2004：68－73.

［3］McHugh J，Abiteboul S，Coldman R，et al.Lore：A Database Management System for Semistructured Data［J］.ACM SIGMOD，1997，26（3）：54－66.

［4］韩江洪，郑淑丽，魏振春，等.面向XML的 Web数据模型研究［J］.小型微型计算机系统，2005，26（4）：609－613.

［5］IBM.Internet Application Development with MQSeries and Java［M］.Palos Verdes：Vervante Corporate Publishing，1997：123－127.

［6］Object Management Group.Data Distribution Service for Real－time Systems［M］.Version1.2，Jan.2007.

［7］柴晓路.Web服务架构与开放互操作技术［M］.北京：清华大学出版社，2002：5－270.

［8］姚世军.基于Agent的面向服务选择的 Web Service架构研究［J］.计算机技术与发展，2006，16（9）：59－61.

［9］WSDL 规范［EB／OL］.http：／／www.w3.org／TR／wsdl／.

［10］SOAP 规 范 ［EB／OL］.http：／／www.w3.org／TR／soap／.

［11］UDDI规范［EB／OL］.http：／／www.uddl.org／.