美军舰载信息基础设施发展研究及启示∗

马永龙

（武汉市洪山区狮子山街南湖汽校一村 武汉 430070）

1 引言

由计算、存储、显控和网络交换等硬件设备，以及操作系统、中间件等基础支撑软件所构成的舰载信息基础设施是构建全舰电子信息系统装备的基础平台，是舰载装备实施信息收集、信息传输、信息处理、信息使用的关键载体，是保证舰载电子信息系统作战效能发挥的核心基础。随着“网络中心战”等作战概念的提出和实践，美国海军力量转型走上了快速发展之路，舰载信息基础设施作为现代舰艇信息化的重要支撑，从原先作战、航空、平台和C4ISR等各部门专用、烟囱式的系统向一体化、网络中心化的综合系统发展。以全舰计算环境和统一海上网络和企业服务为代表的新一代舰载信息基础设施是随着美海军21世纪海上力量构想的提出和开放式体系架构的推进，为解决宙斯盾系统等舰艇电子信息装备硬件资源缺乏整合、利用率低、计算和显控设备共用困难、软件和硬件捆绑紧密、系统开放性和可扩展性差等问题而提出的一系列逐渐演进的解决方案和项目。

2 发展历程

2.1 开放式体系架构的提出

2002年，负责监督舰艇作战系统设计、建造和发展的美海军海上系统司令部（NAVSEA）综合作战系统项目办公室（PEO IWS），开始倡导推行“开放式体系架构计算环境”（OACE），以提高系统的设计和集成能力，增强舰艇武器平台的先进性、通用性和可重用性［1～2］。按照开放的程度将开放式体系架构计算环境从低到高分为兼容、初始、公共功能、全舰计算等5级，现役装备分步、逐级提高，新研装备直接采用最新开放式体系架构技术。最高等级是第5级，也就是全舰计算级，其标志性特征包括构建全舰一体化信息基础设施，为各应用系统提供公共计算服务支持；广泛使用公共业务功能服务，提升应用系统的容错抗毁性、灵活部署性和敏捷升级性，降低维修保障工作和人员配置需求；大量应用最新商用信息技术，有效降低全寿命周期费用。目前，美国最新研制的DDG1000、DDG1001、DDG1002系列“朱姆沃尔特”级驱逐舰、LCS濒海战斗舰和CVN78“福特”级核动力航母都采用了OACE［3～4］。

2.2 全舰计算环境TSCE

2004年，美国雷声公司（Raytheon）在DDG1000研制中大力推行“全舰计算”装备产品概念，按照开放式体系架构第五级要求，在作战系统和平台系统中全面应用全舰计算环境（TSCE）。主要特点是按照开放式体系架构标准把计算、存储、网络、显控等硬件设备及其基础支撑软件集成为一整套可组合的计算服务平台，为全舰各种应用提供自动部署、敏捷集成和抗毁容灾支持［5］。TSCE是DDG1000任务系统集成的重要基础和信息系统的核心平台，目前已知经历了7个版本的迭代，每个版本都为DDG1000系列舰艇的计算基础设施增添了新的和改进的任务执行能力。它为全舰各系统提供核心宽带网络服务、分布式高性能处理服务、数据按需一致共享服务，实现了“网络一体化、设备标准化、计算虚拟化、软件服务化”。美军认为采用TSCE后，系统可获得免维护部署能力、更强的生命力、更高的自动化能力及更少的人员配置需求，并具备可升级、可重构的特性［6］。

2.3 统一海上网络和企业服务CANES

2006年，为了整合C4ISR系统网络和服务，美海军空间和海战系统司令部（SPAWAR，2019年改名为信息战系统司令部NAVWAR）C41项目办公室（PEO C4I）采用开放式体系架构思想、借鉴集成全舰计算环境的成果，提出了统一海上网络和企业服务（Consolidated Afloat Networks and Enterprise Ser⁃vices，CANES）项目，主要组成和关键技术包括公共计算环境（Common Computing Enviroment，CCE）、海上核心服务（Afloat Core Services，ACS）和跨域解决方案（Cross Domain Solution，CDS）［7～8］。其中，CCE主要实现计算和网络硬件基础设施的虚拟化管理，ACS利用SOA方式创建可升级的服务分层交互模型将软件从专属软硬件环境分离出来，CDS实现不同安全保密级别的系统运行在同一套公共基础设施上。该项目计划对现役192个平台（包括水面舰船、潜艇以及海上作战中心）的C41系统进行改换装，2008年11月，CANES实质性开发决策获批；2012年12月，第1套CANES安装在DDG69上。

图1 开放式体系架构计算环境示意图

2016年后，美海军将TSCE从全舰计算环境逐步演变成为整个海军的海军网络基础设施，即公共计算环境（CCE），成为CANES项目的一部分，采用SOA架构的虚拟化技术将舰载网络硬件、机架、服务器等整合到一个公共网络和服务器组，把海上编队各种应用和软件服务都将部署到CCE的硬件基础设施上。CANES以一体化舰载网络系统（ISNS）为基础，逐步把联合区域信息交换系统（CEN⁃TRIXS）、潜艇局域网（SUBLAN）、绝密信息网络（SCI）、视频信息交换系统（VIXS）、舰载视频分发系统（SVDS）等传统烟囱式网络集成到一起，并将原有网络应用都迁移到CANES中。CANES根据应用安装部署的硬件需求，利用标准化网络基础设施和通用化机柜体系结构创建公共计算环境，通过提供企业服务的形式为作战业务和管理应用程序提供“托管服务”，以提高互操作水平，减少传统硬件数量和安装空间［9］。

3 最新进展

3.1 未来综合作战系统基础设施即服务FICS-CI及硬件工厂计划

2020年8月，美海军海上系统司令部（NAV⁃SEA）发布需求书，将启动“硬件工厂”计划，以保持舰艇计算平台处在最新状态，希望通过硬件工厂和硬件流水线概念采用敏捷开发技术促进计算基础设施研发。该名为“未来综合作战系统基础设施即服务和计算基础设施”（FICS-CI）的计划由海上系统司令部（NAVSEA）的综合作战系统项目办公室（PEO IWS）管理，旨在将系统纳入“通用、可扩展的间歇连接边缘云体系架构”，打造基础设施服务平台，作为向海军舰艇普遍采用的基础设施即服务（IaaS）的“体系架构、运行实施和系统运维”转型工作的组成部分。海上系统司令部（NAVSEA）希望为大小型战舰、航母、两栖战舰以及海军陆战队、外贸装备、未来战舰等相关计划部署计算体系架构。

3.2 24小时从编译到作战及软件工厂概念

2020年9月，美海军信息战系统司令部（NAVWAR）提出“软件工厂”概念，希望通过敏捷开发、数字孪生、从编译到作战、开发-安全-运维（DevSecOps）等概念解决舰船交付时机或适用性导致软件交付复杂程度高，需要在预定时间内执行多次升级等问题，作为统一海上网络和企业服务（CANES）开放架构和平台即服务（PaaS）实施途径，满足对软件开发速度、承受能力和互操作性的需求。美海军在2018年已进行了“24小时内从编译到作战”（C2C24）的试验，目前能够在8h内完成一个应用程序的更新。

3.3 智能基础设施

2020财年，美国海军在人工智能和机器学习领域投资9亿美元，其中预算的新增项目中绝大部分都与人工智能和机器学习相关，研发可用于低功耗平台的嵌入式深度学习算法与稀疏数据分析的深度学习技术，以及通过深度学习方法和人工神经网络实现目标分类等，通过实施基于认知的协作决策感知认知模型、基于脑电波识别和认知算法的战场威胁探测技术等项目，大力推进认知计算技术在舰载领域的应用。美国海军在长期作战任务中，已经研制部署了大量的监视、侦察、预警、探测、跟踪、识别、定位等装备，随着不同类型传感器收集获取数据量的激增，海量异类情报信息存储管理、处理分析与融合整编的难度日益复杂。到2025年前，美海军系统预计将着重提升对海量、异构数据的分析处理能力，强调数据分析技术的核心地位，同时加强数据可视化能力，提高战场态势理解能力。

4 发展趋势和相关启示

4.1 发展趋势

通过跟踪研究美海军舰载公共计算发展历程和最新进展，分析当前美海军技术体制和今后发展趋动向，未来美海军舰载公共计算的发展趋势主要集中在以下方面。

1）架构开放化。从开放式体系架构概念和分级标准的提出，到全舰计算环境（TSCE）、统一海上网络和企业服务（CANES）的具体落实，再发展到最新的“未来综合作战系统基础设施即服务和计算基础设施”（FICS-CI）计划，美海军舰载信息基础设施的架构沿着开放式道路一脉相承。不管主管部门是海上系统司令部（NAVSEA）还是信息战系统司令部（NAVWAR），也不管供货商是IBM还是HP，都秉承从芯片到云（From Chip To Cloud，C2C）的开放式理念开展设计和集优。

2）资源虚拟化。公共计算环境（CCE）通过采用虚拟化技术将舰载网络传输、计算服务、显示控制等设备整合到全舰艇云计算环境中，替换原来功能相似、重叠配置、分散独立的硬件，从而实现全舰软硬资源的池化管理、云化共享。采用虚拟化技术后，不同种类的操作系统以及它们各自所支持的所有应用程序都将可以在同样的硬件和服务器设施上加以同时运行，最终实现将多种计算功能整合到一体化网络和云计算环境中的目标，这将有效扩展全舰计算能力，并能够使硬件设备投资和软硬资源得到最大化利用。

3）软件服务化。基于SOA核心服务架构，采用基础设施即服务（IaaS）、平台即服务（PaaS）、软件即服务（SaaS），能够创建一种可升级的层次化服务交互模型，将传统烟囱式系统的应用软件解构、转换、封装为面向不同用户和数据的可复用式公共应用服务，这些公共应用服务能够利用现有信息基础服务、软件框架服务、海上核心服务和专用业务服务。能够快速创建、动态调用、按需执行和管理编排各种基于服务的新业务应用以及以网络为中心的核心业务服务等，从而满足不断变化的作战需求［10］。

4）研发敏捷化。美国一方面在2019年专门成立海军敏捷办公室（Naval X），加强与优势研发单位的合作，压缩采办层级和流程，加快技术创新与能力交付，已发布“落实敏捷开发”和“云迁移”等工具；另一方面推行“硬件工厂”和“软件工厂”等新概念，采用3D打印、数字孪生、应用仓库等新技术，运用敏捷和精益开发理念提升硬件和软件研发、集成和部署速度，以及全寿命周期的运维保障效率和服务质量，实现24h乃至8h从编译到作战［11］。

5）集成普适化。支持对先进传感器、新型宙斯盾系统、定向能和电磁武器系统的集成，美海军计划阿里·伯克III版本的驱逐舰在2023年～2024年开始大规模生产，形成初始作战能力的时间为2026年。开放式的全舰计算环境将提供对包括对最新的宙斯盾系统（MK7）、AN/SPY-6（V）和AMDR双波段雷达、AN/SQS-53C声纳、MK41垂直发射系统、定向能和电磁武器等支持，并完成作战系统集成。

6）基础智能化。美海军联合DARPA开展了数据挖掘、机器学习、知识图谱、语义分析、智能代理等大量智能基础技术研究项目，大力推进认知计算、数据分析和数据可视化等技术在舰载领域的应用，提供对人工智能应用与大数据分析的基础支撑能力，推动重视信息域的信息共享水平的“网络中心战”向重视认知域的认知理解水平的“决策中心战”的作战理念转变。随着美国人工智能应用与海上无人系统研究的深入发展，相关装备应用也应在2025年前后上舰使用［12］。

4.2 对我军装备研制的启示

1）“技术保先”：持续迭代升级，保持技术先进性。针对电子信息装备“交付即落后”的潜在风险，充分考虑商用先进技术的演进发展，结合未来国产CPU、操作系统、云计算等核心软硬件的技术多样性，搭建公共计算环境装备平行验证系统，不断纳入新技术和行业新成果，形成能够支撑装备基线式渐进升级的技术验证体系和工程管理流程，加速电子信息装备迭代升级换代周期，确保技术标准和装备的持续先进。

2）“装备统型”：国产化硬件架构和软件服务融合设计，统型装备规格和技术状态。针对当前公共计算服务系统基于申威和飞腾两条独立技术路线，开展设备形态和平台服务的迭代融合统型，构建标准开放、状态统一的系列化公共计算服务系统软硬件装备，屏蔽不同处理器架构等给业务应用带来的差异，保持所承载的业务系统作战能力与底层软硬件选型差异的无关性。

3）“体系赋能”：面向作战使用需求，着力提升系统能力。基于舰艇信息装备作战使用环境复杂、作战样式及各业务系统的多样化资源需求，针对当前公共计算环境自动化、智能化服务能力不足，数据资源散、杂等难点、痛点问题，开展装备可靠性保障、大数据处理支撑、智能化资源管理、对业务软件的集成支撑等方面关键技术研究，提升计算环境装备智能化化运维和对业务应用的大数据处理、AI计算、信息挖掘与知识发现、业务软件集成等方面的支撑能力，为智能化作战系统的构建提供资源和服务保障。

5 结语

舰载信息基础设施的建设和发展是以提高舰艇装备的综合作战效能为目标，适应海军新时期军事转型的需要，通过研制先进高效、开放兼容的舰载电子信息系统体系结构及其基础设施，实现舰艇电子信息装备由分散、分项、分专业为主的模式向综合集成为主的模式转变。舰载信息基础设施的未来发展一方面需要全面采用国产化自主可控软硬件设备，另一方面需要逐步扩展应用支持范围，研制适用于全舰所有装备的信息基础设施。同时，为保证舰载信息基础设施的全寿命周期可维护性和演进发展的持续性，需建立常态化需求开发管理、基线式系统功能性能升级机制，提高电子信息装备与作战业务功能的错峰发展能力，为舰艇装备在长达数十年的服役过程中能够保持或持续提升作战能力提供支撑。