美国海军开放架构战略分析及其启示*

谢劲松 胡 波

(海军装备部装备采购中心 北京 100071)



美国海军开放架构战略分析及其启示*

谢劲松 胡 波

(海军装备部装备采购中心 北京 100071)

在美军推行转型的过程中,美国海军实施了“开放架构”战略,探索将美国海军各类信息系统全面转向开发系统架构的途径。经过十多年的建设,美国海军取得了重要的进展,逐步完善了面向开放系统架构的技术、管理和基础设施。论文对美国海军“开放架构”战略进行了探讨和分析,归纳了开放架构实施中的成功经验启示。

美国海军; 开放架构战略

Class Number E843

1 引言

上个世纪末,美军开始了以联合作战能力发展为目标的转型,信息技术在军队中的革命性应用发展到一个新的阶段。在此背景下,美国海军实施了“开放架构”战略,为美国海军信息系统建设探索了一条极具特色的路径。

美国海军实施“开放架构”战略,目的是解决美国海军发展联合作战能力所面临的信息系统建设的一系列关键问题,包括系统互操作能力、费用控制、快速升级及风险控制等问题,其最终目标是将美国海军的各类作战系统、武器系统全面转换到模块化的、具有互操作能力的、可快速升级且具有可承受性的开放系统技术体制[1],建立起高效的、面向开放系统方法的信息系统采办管理体制,达到“在更短的周期内、以更少的费用,交付更高的作战能力[2]”。

经过十年的推行,美国海军获得了丰富的经验[3],建立起了“开放架构”战略实施的框架,为后续阶段完成战略任务奠定了坚实的基础。

作为推动美国海军实现转型的方案和路径[4],“开放架构”战略体现了美国海军在信息时代继续确保技术领先优势的战略雄心和转型的要求。分析美国海军“开放架构”战略产生的背景,研究其包含的理念、技术体制变革、采办政策变革的内容,梳理其发展的脉络,剖析其面临的问题和解决方案,对研究信息时代军队信息化建设途径具有重要的借鉴意义。

2 “开放架构”战略概述

2.1 “开放架构”战略是实现“开放系统”方法的途径

美国海军的“开放架构”战略是其向“开放架构”转型的方案和路径。2003年,美军在信息技术领域全面转向“开放系统”技术体制,要求“任何可行的情况下,应当应用模块化的开放系统方法”[4],而“开放架构”是美国海军应用模块化“开放系统”方法的途径和一整套方案[4]。

所谓“开放系统”,IEEE定义为开放系统是在接口、服务以及信息格式几个方面实现了足够多的开放规范,从而使经过良好工程过程的软件能够: 1) 仅经过最小的改动就能够移植到较宽范围的各类系统; 2) 能够与本地或者远程的系统进行互操作; 3) 与用户交互时能够支持用户的移动性[5]。

美国海军“开放架构”战略是美国海军针对如何在作战系统和武器系统采办中更好地运用“开放系统”方法所进行的探索,其目标是建立起符合“开放系统”原则,包括技术标准、工程规范、采办流程、合同管理方法等措施的,新的国防系统开发和采办管理体制。

2.2 “开放架构”战略实施的背景

1) 信息时代与美军转型

上个世纪末,冷战结束和信息技术高速发展对世界产生了深远的影响。面对新的形势,美军开始了以联合作战能力为目标的全面转型,此次转型,以信息技术应用为手段,以建设具备联合作战互操作能力的信息基础设施为重要支撑,使美军在国防费大幅缩减的条件下,获得更大的作战能力。

上个世纪末,信息技术进入到高速发展的阶段,技术创新和技术应用的深度和广度都大幅提高。信息技术的广泛应用提出了信息系统集成和互操作的需求,大大推动了开放标准体系的发展,使得基于开放标准的信息技术快速进入到网络时代。

国防经费缩减和民用技术的高速发展,促使美军在信息技术领域转向采用商用技术和产品。20世纪90年代开始,美国防部开始在采办法令中允许使用商用现货产品,2003年,美国防部发布新的DoD5000系列采办文件,在法律上确认了全面向“开放系统”技术体制转型。

2) 美国海军的转型及信息系统建设的问题

在美军转型的整体战略下,美国海军提出了“21世纪海上力量”作为海军转型的蓝图,设想了在革命性的信息应用基础上,将美国海军力量连接成网络化的整体,提供独立的海上进攻、防御、前沿存在能力。针对转型,美国海军提出了信息技术的应用方式——FORCEnet,作为美军GIG的海军部分,支撑美国海军的转型。

实现FORCEnet对美国海军来说是一个巨大的挑战,既要解决系统之系统的集成,还需要对现役装备进行网络中心战能力升级,不论是新能力的开发还是现有舰队装备的信息化改造,都存在非常大的困难和风险。

2.3 美国海军探索开放系统技术方法的情况

从20世纪90年代开始,随着商用信息技术的发展,美国国防部逐步改变了信息技术和产品的采办政策,在这个过程中,美国海军的各系统司令部和项目执行办公室对如何有效采用开放系统技术和产品,经过了将近十年的多个阶段的探索。

1) 采用商用现货产品阶段

1990年代的中后期,美国海军开始将主要的武器系统和作战系统的硬件更换成商用产品。其中,潜艇部门取得了非常成功的经验。

1995年开始,美国海军潜艇装备部门开始实施水声商用现货快速插入(Acoustic Rapid COTS Insertion,ARCI)项目,在保留潜艇传感器的基础上,对声纳系统的信息处理部分采用开放系统技术体制进行改造[6]。通过采用商用计算机硬件产品,同时采用模块化方法来开发信号处理和水声应用软件,ARCI项目实现了声纳信号处理系统的功能和处理能力每年升级一次的快速更新模式,计算机硬件与商用主流产品升级换代保持同步,既能够不断提高系统的处理能力,也能够使整个服役期的计算机硬件替代费用大幅降低[7]。

ARCI项目得到美军广泛认可,成为推动“开放架构”战略的重要经验。

同一时期,弗吉尼亚级潜艇作战系统开发、宙斯盾系统升级都采用了商用现货,达到了既降低采办费用,也大幅提升计算能力的目标。

运用苗头预测法是解决劳动争议“防调结合，以防为主”工作方针的具体要求。要做到“防调结合，以防为主”。必须及时掌握纠纷发展、变化的客观规律，发现纠纷发展和深化的苗头，洞察纠纷当事人思想和行为不断变化的蛛丝马迹，及时有针对性地采取措施．进行积极的疏导，把矛盾解决在萌芽状态，防止其扩大和激化。

2) 通用计算环境阶段

进入21世纪,在国防系统中采用开放系统技术和产品已成共识,美国海军的大量作战系统和武器系统的开发和升级都转向开放系统体制,DDG1000、LCS、P-8A、E-2等项目都采用开放系统技术体制并在工程实现过程中获得了许多实施经验。

美国海军开发DDG1000驱逐舰的作战系统时,设计了基于开放系统技术体制的全舰计算环境,大量采用商用现货硬件产品,并采用了开源的操作系统RedHat Linux,在开发费用、开发周期、风险控制等各个方面取得了显著的成效,成为大型作战系统开发的参照模式。

3) “开放架构”思想形成

在各个领域向开放系统技术体制变革的过程中,美国海军认识到有必要在整个海军建立一套制度,达到既可以共享系统工程中的有效措施,也能够实现整个海军范围内最大限度共享相同的技术产品和功能模块。

为了更好地统筹水面舰艇作战系统的开发,减少重复采办,2002年,美国海军成立了海军综合作战系统(Integrated Warfare System,IWS)项目管理办公室(Program Executive Office Integrated Warfare Systems,PEO-IWS),负责除航母以外各类水面舰艇平台的作战系统和武器系统项目管理。美国海军赋予PEO-IWS探索水面舰艇模块化作战系统开发方法的任务,期望尽可能地提高水面舰艇作战系统功能共享程度,实现整个水面舰艇作战系统“全寿命可承受”的目标[7]。

PEO-IWS提出了统一技术体制和统一作战系统功能架构的思想,采用DDG1000全舰计算环境类似的作战系统功能架构,把作战系统划分层多个层次、各层次由多个功能模块组成,通用硬件和通用的基础软件构成通用的计算环境,支撑由领域相关的功能模块构成的各类作战系统应用。PEO-IWS力图通过统一的功能架构,为整个水面舰艇领域相同功能重复利用,提高作战系统开发的速度和投资效率提供一个基础[8]。

在探索模块化开放系统方法的过程中,美国海军结合实践经验和学术机构研究结论,明确了整个海军整体协调转型的要求,不仅在技术体制转型,还必须在采办管理制度,人员观念实现转变。2004年8月,美国海军负责装备研发和采办的副部长发布了“开放架构”政策,建立起一个包含所有系统司令部和项目执行办公室人员的专门机构——开放架构企业团队(Open Architecture Enterprise Team,OAET),负责整个海军实施“开放架构战略”的全局工作,同时明确了各系统司令部和项目管理办公室对“开放架构”实施的职责;之后,美国海军作战部发布了海军开放架构需求文件[9],提出“开放架构”的原则,要求在所有的武器系统和作战系统研制、升级中考虑“开放架构”的要求;此后,“开放架构”成为美国海军的战略,推动美国海军全面实施向开放系统技术体制的变革。

2.4 “开放架构”战略的目标及原则

“开放架构”战略是美国海军在海军全局推行模块化开放系统方法的战略,这一战略力图通过在管理、技术及观念三个层面的变革,在美国海军建立起整套的、模块化开放系统技术应用模式和管理制度。

“开放架构”战略的最终目标,是将美国海军作战系统和武器系统转变到“模块化的、具有可承受的升级能力的系统”。

美国海军认识到,实现“开放架构”的目标,必须有效地吸收信息技术进步的成果并结合军队装备采办和升级的特点,寻求适当的途径,这个途径,不仅包括技术上的变革,也包括在装备采办管理方面的变革。这些变革的要求,首先体现在基本的原则。美国海军发布的开放架构需求文档提出了系统开发必须遵循的五个基本原则[9]:

1) 模块化设计及设计公开;

2) 可重用的应用软件;

3) 可互操作的联合作战应用软件和安全的消息交换;

4) 全寿命的可承受性;

5) 激励竞争和协作。

上述各项原则,体现了开放系统方法要求和美军装备采办特点,模块化设计和设计公开是核心,快速升级和共性功能通用的基础是模块化;此外,全寿命的可承受性则体现了海军装备一次开发、多次升级的特点所要求的总体费用最优需求。

3 “开放架构”战略的变革情况

美国海军认识到,“开放架构”战略目标不仅仅是技术的改变就可以达到,而必须通过管理方面和技术方面整体协调的变革,形成适应开放系统技术体制的采办流程和制度,技术实现的系统工程方法,以及各类人员的观念。因此,“开放架构”的实施过程,包括了三个方面的主要措施。

1) 变革海军的流程和管理措施,以“利用开放系统技术体制,达到快速部署可承受的、具备互操作能力的系统”;

2) 在技术层面提供基于开放系统技术体制的系统工程领导,以更小的经费、更快的速度,获得更加通用化的,具有互操作性的能力;

3) 改变海军和海军陆战队的文化,以更深入地落实开放系统方法的原则。

3.1 “开放架构”战略的主要措施

为推进“开放架构”战略,在OAET的主导下,美国海军在技术、管理和培训三个方面系统地推行新的措施。

在管理层面,美国海军主要的措施包括:公开设计资料,谈判获取适当的数据产权、增加全局协作、强化方案审查、发展新的管理模式、变革合同管理、增强工业界竞争、针对全寿命可承受性进行设计。

在技术层面,美国海军主要的措施包括:采用模块化系统、发布接口规范、隔离专用部件、采用得到广泛使用的标准、重复使用软件部件、开发有互操作能力的应用软件、确保安全的数据交换。

在培训层面,美国海军着力在军方和工业部门推广“开放架构”战略的思想,力图取得各个方面的共识和支持,主要的措施包括:在美国国防采办大学开设“开放架构”的训练课程,定期举行军方和工业部门参与的学术会议和工业日,支持美国海军研究生院开展“开放架构”方面的研究等。

3.2 “开放架构”战略的基础建设

为了把“开放架构”战略所要求的新的技术措施和管理措施落到实处,形成可操作的流程和方法,提供可利用的工具和标准,美国海军首先推动了相关基础建设。

1) 模块化开发方法的基础建设

在模块化开发模式下,部件或模块成为最重要的资产。“开放架构”战略的基础建设,包括开发统一的技术参考模型及建立海军共用的模块库,来更好地支撑海军范围的模块化开发方法。

技术参考模型是一个对系统结构、功能组成和技术标准进行定义或规范的集合,是系统设计中划分模块的标准及系统功能结构定义的框架。“开放架构”战略确定将美国海军类型众多的作战系统和武器系统的技术参考模型统一到尽量少的几个模型,以最大限度地提高整个海军范围内国防系统模块的重复利用程度。

美国海军统一技术参考模型的工作包含各领域协调和海军范围的协调,首先是各系统司令部及项目管理办公室内进行统一和协调,然后,通过OAET的总体协调,平衡领域独特性和通用性要求,兼顾现有系统转换的考虑,在海军范围内开发全海军共用的几个技术参考模型。海军共用的技术参考模型采用一致的基础计算服务架构,而在领域特有功能的划分和定义中体现领域的特点。目前,水面舰艇、航空、C4I系统的升级已经全面向新的技术参考模型迁移。

美国海军建立了“软硬件资产重用企业系统”——SHARE[10](Software/Hardware,Asset Reuse Enterprise environment),作为整个海军可共用的功能模块的资源库,在资源库中,保存了软件模块、硬件部件的设计资料、功能定义、技术规范、关键接口定义等部件使用过程中必须了解的信息以及软件的代码。

与SHARE相配套的,有模块提交的认证机制和模块共用的授权许可证制度。模块提交的认证机制决定什么模块可以进入SHARE,授权许可证制度则决定军方及国防承包商如何访问SHARE及使用SHARE中模块资产的知识产权许可方式。

2) 管理制度建设

管理制度变革的目标是建立渐进式采办模式,美国海军在美国国防部采办管理制度的框架下,对国防系统的采办制度进行了变革,建立起支持独立模块采办的渐进采办制度。

首先,美国海军在采办管理的流程中嵌入“开放架构”管理机制,在多个里程碑审查和节点审查中,增加“开放架构”审查条目,并明确规定评价各类项目系统工程规划是否符合“开放架构”要求的准则。

针对新的采办制度,美国海军发布了《“开放架构”项目管理员合同指南》文件[11],对新的采办模式下合同的内容和“开放架构”原则的运用提供指导和规范,要求海军项目管理员”用开放架构“的语言签订合同。

此外,美国海军发布了“开放架构”评估工具[12](Open Architecture Assessment Tool,OAAT),为项目管理员和海军作战部的相关部门对项目和系统的“开放架构”成熟程度进行评估。

4 “开放架构”战略的启示

美国海军“开放架构”战略实施已经将近十年,在十年的发展中,美国海军取得了显著的进步,分析其成功的经验,可以得到以下启示:

1) 在军用系统中全面应用开放系统技术体制是可行的。

美国海军“开放架构”战略发展的经验表明,应用开放系统技术体制,采纳商用信息技术应用中成功的工程经验,对实现军用系统快速开发,在技术上是完全可行的。

2) 采用开放系统技术体制的关键是采用模块化开发方法。

模块化开发方法对军用大型系统,以及存续生命周期非常长的军用系统的开发、升级是非常有效的。通过应用模块化开发方法,可以充分实现大范围的软件模块的重复使用,降低军方采购的总体成本,在经济上可承受是完全可行的。

3) 应用开放系统技术体制的关键还在于建立适应其运用的采办管理机制。

美国海军“开放架构”战略实施过程中,逐步形成了支撑开放系统技术运用和模块化开发方法的业务运行机制。要实现充分竞争和模块化采办,改变军方的采办政策,协调军工部门竞争和协作是非常重要和关键的。

4) 要改变人的观念。

“开放架构”战略是全面的转型,对新的理念的认同,并在行动中有共同的目标,是“开放架构”战略成功的关键。在开放系统技术体制转型中,传统的采办体制、机制对人的思想的同化必须通过新的理念的灌输才能得到改变。

5 结语

美国海军根据其作战系统开发升级的特点,推行“开放架构”战略,有效地建立起了面向开放系统技术体制的作战系统开发和管理模式,为信息时代海军信息化的发展提供了重要借鉴。

美国海军在“开放架构”战略实施中,从海军全局角度来考虑统一技术参考模型,建立全局公用的资源库,强调管理和培训方面的配套建设,对信息技术资产比重日渐加重的各国海军提高信息能力提供了非常有益的经验。

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[11] Naval OAET, USA. Naval Open Architecture Contract Guidebook For Program Managers(version 2.0, June 2010)[EB/OL]. https://acc.dau.mil/OA,2014.

[12] Naval OAET, USA. Open Architecture Assessment Tool, Version 1.1[CP/OL]. https://acc.dau.mil/OA/,2013.

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《舰船电子工程》编辑部

Analysis and Suggestion for the “Open Architecture” Strategy of USA Navy

XIE Jinsong HU Bo

(Equipment Procurement Center of the Equipment Department of the Navy, Beijing 100071)

In the course of USA military transforming, the USA navy conducted the “Open Architecture” strategy which was promoted to transform the warfare systems of the navy to the open system architecture. As the strategy had been carried for more than ten years, great improvement had been achieved in open system architecture oriented technology, business transforming and infrastructure establishement. In this paper, the “open architecture” strategy was discussed and analyzed with many successful stories and suggestions presented in details.

USA navy, “Open Architecture” strategy

2015年2月7日,

2015年3月18日

谢劲松,男,博士,工程师,研究方向:指控系统总体技术。胡波,男,博士,高级工程师,研究方向:电子信息装备总体技术。

E843

10.3969/j.issn1672-9730.2015.08.001