薛 亮，孔祥營

(1. 海軍裝備研究院，北京 100161；2. 江蘇自動化研究所，江蘇 連云港 222061)

艦艇信息系統(tǒng)基礎設施是指為艦艇信息系統(tǒng)開發(fā)與運行提供計算、存儲、通信、顯示、交互、控制以及開發(fā)、運維等公共服務的軟硬件設施，是艦艇信息系統(tǒng)賴以生存、正常運行的基礎條件。艦艇信息系統(tǒng)基礎設施的組成、具體形態(tài)與艦艇信息系統(tǒng)發(fā)展的程度密切相關，當前階段的主要形態(tài)有顯控設備、計算設備、網絡設備、接口機柜等。其中，顯控和計算設備是基礎設施的核心，涵蓋了計算機、交換機、顯示器、操控部件、控制板卡、軟件模塊等絕大部分更細粒度的基礎設施。

隨著信息技術在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的快速應用，軟件實現(xiàn)或參與實現(xiàn)裝備的功能越來越多，信息系統(tǒng)基礎設施的建設受到更多的重視，艦用信息系統(tǒng)基礎設施的發(fā)展經歷了電子裝備軟硬平臺到信息系統(tǒng)基礎設施的發(fā)展歷程，前期以顯控臺為核心產品的標準顯控臺及相關軟硬件(標準顯控臺、多功能顯控臺)，近期以新型顯控設備、新一代計算環(huán)境為代表的信息系統(tǒng)基礎設施。本文回顧發(fā)展過程，總結發(fā)展規(guī)律，展望發(fā)展趨勢，探討顯控/計算設備下一步發(fā)展的技術特征、形態(tài)表現(xiàn)及相關關鍵技術。

1 基礎設施發(fā)展歷程

顯控臺作為艦艇各類電子裝備最主要的人機接口設備，長期以來是艦艇信息系統(tǒng)基礎設施的主要形態(tài)和重要組成部分。顯控臺的發(fā)展是伴隨著計算機、顯示、大規(guī)模集成電路、軟件等技術的發(fā)展及各類電子裝備需求的發(fā)展而逐步發(fā)展起來的。顯控臺的發(fā)展史基本上就是艦艇信息系統(tǒng)基礎設施的發(fā)展史。

1.1 標準顯控臺之前

在艦用裝備開展顯控臺標準化統(tǒng)型之前，各專業(yè)使用的顯控臺沒有統(tǒng)一標準，由應用廠商各自獨自設計，從早期的機電指揮儀逐步發(fā)展到數(shù)字指揮儀。機電指揮儀是二十世紀六七十年代最早研制的顯控臺，控制臺上僅有指示燈、數(shù)碼管和指針度盤式顯示。二十世紀七十年代末支持軟件編程的數(shù)字指揮儀開始出現(xiàn)，具有綜合圖形顯示和表頁顯示等能力。二十世紀八十年代中后期，微型計算機和操作系統(tǒng)的應用，極大增強了數(shù)字指揮儀的功能，顯示技術、操控技術、軟硬件的模塊化和通用化設計技術等都同步得到提升。

1.2 標準顯控臺時代

標準顯控臺自二十世紀末完成設計并開始應用。其在系統(tǒng)設計和系統(tǒng)集成技術上有創(chuàng)新，解決了VxWorks嵌入式實時操作系統(tǒng)在Multibus總線上的應用、多窗口多層綜合顯示、可編程觸摸鍵盤、帶功率補償?shù)哪K電源等關鍵技術，開發(fā)了面向用戶的支持軟件，實現(xiàn)了顯控臺通用化、系列化、模塊化設計，可滿足雷達、聲吶、光電、指控、火控和電子對抗等各類電子裝備信息顯示、操控和數(shù)據處理的需求。

2005年，標準顯控臺完成模塊升級工作，主要改進是機箱升級為Compact PCI總線6U橫式機箱，采用Intel Pentium II處理器主板和18″加固液晶顯示器，操作系統(tǒng)擴展支持Windows。

1.3 多功能顯控臺時代

多功能顯控臺于2008年完成設計并開始使用，以滿足不同空間環(huán)境的安裝需要。相對于標準顯控臺，多功能顯控臺在綜合顯示能力、信息處理能力、人機交互能力、標準接口能力等方面有較大提升，選用了VxWorks5.5/6.6、WindowsXP、Solaris等商用主流操作系統(tǒng)，進一步實現(xiàn)了軟硬件標準化，支持臺位功能重定義和系統(tǒng)功能動態(tài)重組，可以配置不同的共性軟件模塊和加載不同的應用軟件模塊，能夠滿足雷達、聲吶、水聲對抗、電子對抗、光電、指控、火控和武器控制等電子信息裝備對信息處理及顯示控制功能的需求。

多功能標準臺遵循統(tǒng)一的標準，提供一致的軟硬件平臺。多功能顯控臺以開放的軟件體系結構為基礎，實現(xiàn)軟件構件和功能組件的即插即用，支持顯控臺功能的可定義以及系統(tǒng)動態(tài)重組，支持作戰(zhàn)系統(tǒng)與其他系統(tǒng)異構平臺的互聯(lián)互通，為用戶提供開放的、便于集成的軟硬件平臺。

1.4 新型顯控設備及新一代計算設備

新型顯控設備主要為適應軍事應用和信息電子技術發(fā)展需求，貫徹標準化設計思想，力圖在以下四個方面得到提升：1)滿足“云+端”模式下的臺位共用與互備使用要求；2)全面運用自主可控產品，強化應用驗證與系統(tǒng)集成優(yōu)化，提升自主保障水平；3)增加語音、圖像、觸控等智能傳感交互手段，提升人機交互效率；4)體現(xiàn)以人為本，創(chuàng)新應用人因工程設計方法。

新一代計算設備設計工作是與新型顯控設備同步開展的。標準顯控臺、多功能顯控臺時代，主要是針對顯控設備的標準化，沒有涉及作為計算設備的任務計算機，計算功能分散在每個顯控臺下方的任務計算機中，僅規(guī)定了在臺體下方的安裝形式。新一代計算設備基于服務器CPU強大的計算能力，采用虛擬化、云計算等技術，規(guī)范了計算、存儲、通信等服務，替代技術體制、組成形態(tài)各異的任務計算機，將計算資源統(tǒng)一管理，具備“體系結構開放、資源池化共用、彈性靈活調配、服務按需集成、安全健壯抗毀”等特性。

2 基礎設施發(fā)展規(guī)律

無數(shù)的歷史都證明了一句話：從一個事物發(fā)展過程可給我們一些有益的啟示。

2.1 標準化是演進的主線

顯控計算設備演進的主線和目標是標準化。三代顯控設備主要從結構造型、軟硬件技術體制(組成、功能與接口等)、適用范圍等方面逐步進行了標準化。

標準顯控臺完成的標準化工作主要在結構造型，第一次將原來外形各異的指揮儀統(tǒng)一為水面、水下兩個系列，顏色、結構、操控臺面及部件、顯示器、計算機機箱、CPU型號、操作系統(tǒng)、通信協(xié)議、對外接口等實現(xiàn)了標準化。標準顯控臺雖然對軟件接口和底板總線做了初步規(guī)范：采用類Xwindows風格的API和MultiBus總線，但是未真正實現(xiàn)不同廠家軟硬件模塊的互換。期間進行過一次升級，總線升級為CPCI總線，操作系統(tǒng)由iRMX升級為VxWorks5.4/5.5和WindowsNT，圖形編程接口也升級為UGL/Zinc/Tilcon。

多功能顯控臺在標準顯控臺基礎上提升性能的同時，實現(xiàn)了對軟硬件模塊的真正標準化，從一定意義上是對標準顯控臺升級型的鞏固與提升。多功能顯控臺詳細規(guī)定了軟硬件模塊的組成、功能、硬件板卡的底板芯線定義、軟件API形式、操控部件的通信協(xié)議，實現(xiàn)了不同廠商同等功能軟硬件模塊的互換。操作系統(tǒng)統(tǒng)型為VxWorks5.5、WindowsXP、Solaris。圖形編程接口標準采用JARI-EGK，嵌入式操作系統(tǒng)下采用了設備管理器，實現(xiàn)了對硬件模塊的自動掃描，驅動程序動態(tài)加載功能。但是未實現(xiàn)傳感器視頻顯示的標準化。多功能顯控臺也進行了一次升級，操作系統(tǒng)升級為VxWorks6.8/deltaOS，圖形編程采用Qt，國產關鍵軟硬件開始應用。多功能顯控臺使用上不再囿于水面水下的限制，可根據實際需要選用相應的型號，并且適用范圍從六大專業(yè)擴展到八大專業(yè)。

新型顯控設備貫徹了標準化設計思想，將計算設備納入統(tǒng)型范疇。顯控設備方面，依據應用需求，對軟硬件組成重新做了劃分，視頻傳輸實現(xiàn)了標準化。計算設備采用基于虛擬化技術的新一代計算設備替代技術體制、形態(tài)各異的任務計算機，規(guī)范了計算、存儲、通信等服務，具備“體系結構開放、資源池化共用、彈性靈活調配、服務按需集成、安全健壯抗毀”等特性，適用范圍擴展到岸、海、車、島所有裝備。新型顯控計算設備在多功能顯控臺關鍵軟硬件國產化基礎上，進一步提升了國產化比例，元器件初步實現(xiàn)了全面國產化。

2.2 需求的演變和技術的發(fā)展決定了標準化的過程

標準顯控臺設計之前，艦載裝備指揮儀由各用戶單位各自研制，形態(tài)和操作方式都缺乏統(tǒng)一規(guī)范，與艦艇設計、部隊使用需求存在差距；技術上，MultiBus/ISA等總線不支持自動掃描和動態(tài)插拔、iRmx等操作系統(tǒng)不支持動態(tài)加載，軟硬件技術尚不能支撐在滿足大多數(shù)應用需求的前提下實現(xiàn)軟件硬件的互換，因此，標準化的重點只能放在外形結構上。

到標準顯控臺后期，多功能顯控臺論證階段，為提升裝備保障能力，部隊對備件標準化、通用化需求日趨強烈；技術上，支持熱插拔動態(tài)掃描的CPCI/USB總線、支持動態(tài)驅動/組件加載VxWorks操作系統(tǒng)以及中間件技術的成熟并得到應用驗證，為多功能顯控臺實現(xiàn)軟硬件模塊的標準化奠定了技術基礎。

多功能顯控臺應用階段，電子與信息技術的快速發(fā)展，裝備數(shù)據化、軟件化趨勢加快，對計算、存儲等能力需求不再是靜態(tài)、一成不變的，以及國際關系的變化，對基礎設施提出靈活重組、彈性擴充、國產化等需求；技術上，計算力的大幅提升、虛擬化、云計算、數(shù)據訂閱分發(fā)等技術的成熟和商業(yè)化應用，為實現(xiàn)任務計算標準化提供了借鑒，公共計算技術體制成為新一代裝備的標準。

3 下一代基礎設施展望

通過顯控計算設備的建設，基礎設施完成了從結構外觀到內部軟硬件、從顯控到計算的標準化過程。前兩代基礎設施的生命周期基本為10年左右，期間分別經歷了一次升級過程，時間大約在完成鑒定4～5年后。升級的主要原因：一是需要提升性能，二是需要吸收一些新技術，解決產品使用過程中的問題。我們認為后續(xù)基礎設施的發(fā)展仍將遵循上述規(guī)律，長期仍將以標準化為目標，短期內將進行一次升級改造。由于網絡設備的升級主要是性能的提升，與應用開發(fā)關系不大，本文將討論的重點放在顯控和計算設備上。

3.1 基礎設施平臺化——全艦操作系統(tǒng)

平臺通常是指一種基礎的、可用于衍生其他產品的環(huán)境。通過三代顯控計算設備的建設，基本完成了顯控、計算、存儲、網絡等功能各自的標準化工作，但是對應用開發(fā)、使用而言，基礎設施仍是分散的，顯控與計算仍缺乏統(tǒng)一的管理，距離全艦計算環(huán)境這一概念仍有較大差距，需要從平臺這一視角進行統(tǒng)一設計，構建一個全艦操作系統(tǒng)，實現(xiàn)平臺級的標準化，在此之上，可以快速衍生各種應用，支撐軟件定義裝備的發(fā)展需求。

按照操作系統(tǒng)的定義，操作系統(tǒng)是管理計算機硬件與軟件資源的計算機程序，全艦操作系統(tǒng)就是管理所有艦載計算設備(具備CPU功能的所有設備)軟硬件資源的程序，包括所有計算、顯示、操控、通信、存儲、數(shù)據、共性服務等軟硬件資源，把他們作為一個計算系統(tǒng)統(tǒng)一看待，為應用提供統(tǒng)一的訪問操作接口。

關鍵技術主要有全艦操作系統(tǒng)架構、數(shù)據管理機制、實時可靠通信機制、任務調度機制、系統(tǒng)的健壯性與一致性等技術及相關標準規(guī)范。

3.2 新型顯控計算設備升級型

升級主要是吸收新技術，解決可能存在的問題。新型顯控計算設備開展使用后的一定時間內，也將面臨一次升級過程，裸金屬計算設備、公共顯控設備將是計算實時性和顯控共用性最為可能的解決方案。

基于“虛擬化+云計算”模式的公共計算技術體制雖然具備“體系結構開放、資源池化共用、彈性靈活調配、服務按需集成、安全健壯抗毀”等特性，但是虛擬化帶來的不確定性一直被人們所質疑。

現(xiàn)有基于虛擬化技術的計算設備，軟件層次結構如圖1所示。應用程序運行在客戶操作系統(tǒng)上，客戶操作系統(tǒng)運行在虛擬機上，虛擬機由主機操作系統(tǒng)調度。雖然可借助一些實時虛擬化技術改進系統(tǒng)的實時性能，但并不能從實質上解決系統(tǒng)的實時性問題。

圖1 基于虛擬化+云計算的基本型軟件層次

實時性即確定性，也是系統(tǒng)可在確定的時間執(zhí)行確定的動作。采用基于云計算的公共計算體制，原有的控制系統(tǒng)必須將計算與控制相分離，通過引入適配器，實現(xiàn)物理世界與新一代計算設備的連接。新一代計算設備專注于計算，通過網絡與適配器通信，實現(xiàn)對物理世界信息的采集和控制。因此，系統(tǒng)的實時性轉化為與適配器信息交換的網絡報文的確定性，即計算結果必須在確定的時刻發(fā)送給適配器，適配器才能在要求的時間內完成對物理世界的響應。測試數(shù)據表明，基于基本型軟硬件架構系統(tǒng)的事件響應(對外通信延遲)時間為毫秒級，與采用多功能顯控臺模式相比事件響應時間增大了一個數(shù)量級(原有系統(tǒng)對外通信延遲約為100～200 μs)。

基于新一代計算設備的新一代技術體制要求支持“靈活調配、按需集成、健壯抗毀”等功能，這就要求顯控臺支持應用的臺位遷移(靈活調配、按需集成)、多應用可同時共用一個顯控臺(靈活調配、健壯抗毀)，但是新型顯控設備與多功能顯控臺軟硬件架構上并沒有實質性差異，受操作系統(tǒng)的限制，既不能支持異構(不同OS)應用的跨臺位遷移，又不能確保多個同構(相同OS)應用運行在同一個顯控臺運行時的安全性(沒有隔離措施)。

裸金屬計算設備并非裸金屬服務器，而是借鑒了裸金屬服務器的思想，是介于傳統(tǒng)任務計算機與新一代計算設備之間的一種形態(tài)，物理上是一個或多個獨立的計算機，邏輯上通過公共計算機服務軟件統(tǒng)一管理，對上提供與原有新一代計算設備一致的API和管理界面，是兼具虛擬機彈性和物理機性能的新一代計算設備的新形態(tài)。如圖2所示。

圖2 裸金屬計算設備組成示意

裸金屬計算設備物理上是由多個獨立的計算機組成，因此，可以為應用分配物理上獨立的完整計算機(計算、中斷、存儲、通信等)。裸金屬公共計算機管理軟件主要用于物理計算資源的管理，包括遠程開關機、狀態(tài)監(jiān)測、資源分配等。但是裸金屬計算設備計算資源分配的最小單位是單個物理計算機，不會出現(xiàn)多個應用競爭一臺物理機(計算、通信、中斷等)的情形，消除了不確定性，實時性得到充分保證。另一方面，裸金屬公共計算機管理軟件實現(xiàn)了所有物理計算機資源統(tǒng)一管理，為應用提供與云計算同樣功能的軟件管理接口，同樣具有較好的彈性擴充、靈活重組、健壯抗毀等特性。

關鍵技術主要有公共計算機服務軟件架構設計、資源分配算法、遠程開關機技術、軟件系統(tǒng)遠程安裝/卸載技術、設備狀態(tài)感知機制等。公共計算機服務軟件將是全艦操作系統(tǒng)的雛形。

公共顯示系統(tǒng)(Common Display Console，CDS)最早是由General Dynamics(GD)公司為DDG1000提供的一種雙任務顯示系統(tǒng)(dual/multi-task display system)，作為DDG1000全艦計算環(huán)境(Total Ship Computing Environment，TSCE)的重要組成部分，能夠支持在同一個顯控臺上同時運行兩個任務系統(tǒng)，允許所有在崗監(jiān)控者都可以在任何一臺CDS上調出自己所需要的系統(tǒng)界面，真正實現(xiàn)了隨需顯示、臺位功能重定義和臺位共用功能。CDS采用的操作系統(tǒng)是LynxSecure，體系結構如圖3所示。LynxSecure提供分區(qū)內核，為多個異構操作系統(tǒng)提供基于ARINC 653的固定周期調度算法，分區(qū)間相互隔離，符合多重獨立等級安全(Multiple Independent Levels of Safety/Security，MILS)體系結構，從根本上解決了多級安全關鍵高確保系統(tǒng)的安全性和防危性。

圖3 LynxSecure體系架構

文獻[9]給出了一個基于軟件定義思想的公共顯示系統(tǒng)的實現(xiàn)方案，軟件架構如圖4所示。硬件主板可采用多核處理器，如FT2000新4核，核0作為Host，其他三個核可分別運行一個虛擬機，用于執(zhí)行相同或不同的客戶操作系統(tǒng)(對應不同的應用任務)；多路以太網口，可根據需要分別透傳給對應的客戶操作系統(tǒng)；采用支持多路輸出顯卡；采用一塊多路時統(tǒng)板，可提供4路時統(tǒng)信號，可分別透傳給不同的客戶操作系統(tǒng)，為系統(tǒng)提供高精度對時功能；可編程觸摸鍵盤和用戶專用鍵固件版本支持對當前通信的客戶操作系統(tǒng)IP地址的自動識別，以支持在多個應用任務間的實時動態(tài)切換。操控部件采用USB接口，可動態(tài)接入SDC，以適應應用需求。

圖4 軟件定義顯控臺組成圖

顯然，虛擬化技術的引入使得CDS可較好支持異構應用的跨臺位遷移和多異構應用任務的同臺共用。

圖3、4中采用的是半虛擬化技術(Para Virtualization)，是直接在物理硬件平臺上運行的，LyuxSecure虛擬化關鍵硬件設備，提供幾個獨立的分區(qū)，并提供分區(qū)間控制和通信的基本服務。因為虛擬機管理程序(HyperVisor)的虛擬環(huán)境接近硬件，并且能夠直接使用硬件資源，半虛擬化VM性能基本等同于硬件性能，更適用于實時系統(tǒng)。即使采用全虛擬化(Full Virtualization)方案，通過采用實時虛擬化技術，以及核綁定、硬件透傳等技術手段，實測數(shù)據表明，虛擬機對外部事件中斷性事件仍可控制在20 μs之內。另一方面，與計算相比，顯控應用的反應時間要求較低，通常為毫秒級甚至亞毫秒級，實時虛擬化完全可以勝任。

關鍵技術主要有實時HyperVisor、顯示虛擬化、共用操控模塊設計等。

4 結束語

在軟件定義一切的數(shù)據化、智能化時代大背景下，作為艦艇信息系統(tǒng)重要組成部分，基礎設施的重要性日益凸顯，推動與制約其發(fā)展的因素非常多，需求變化的不確定性、技術發(fā)展的迅猛等因素交織在一起，預測其發(fā)展非常困難。但是通過吸收最新技術，提高裝備標準的程度，對于滿足應用需求，提升裝備性能，縮短研發(fā)周期，降低維保難度都有較大意義。公共計算技術體制從論證到如今開始推廣應用經歷了近10年的漫長過程，因此，開展下一代基礎設施關鍵技術的論證研究、原型研制迫在眉睫。