馬永龍
(武漢市洪山區(qū)獅子山街南湖汽校一村 武漢 430070)
由計(jì)算、存儲(chǔ)、顯控和網(wǎng)絡(luò)交換等硬件設(shè)備,以及操作系統(tǒng)、中間件等基礎(chǔ)支撐軟件所構(gòu)成的艦載信息基礎(chǔ)設(shè)施是構(gòu)建全艦電子信息系統(tǒng)裝備的基礎(chǔ)平臺(tái),是艦載裝備實(shí)施信息收集、信息傳輸、信息處理、信息使用的關(guān)鍵載體,是保證艦載電子信息系統(tǒng)作戰(zhàn)效能發(fā)揮的核心基礎(chǔ)。隨著“網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)”等作戰(zhàn)概念的提出和實(shí)踐,美國(guó)海軍力量轉(zhuǎn)型走上了快速發(fā)展之路,艦載信息基礎(chǔ)設(shè)施作為現(xiàn)代艦艇信息化的重要支撐,從原先作戰(zhàn)、航空、平臺(tái)和C4ISR等各部門專用、煙囪式的系統(tǒng)向一體化、網(wǎng)絡(luò)中心化的綜合系統(tǒng)發(fā)展。以全艦計(jì)算環(huán)境和統(tǒng)一海上網(wǎng)絡(luò)和企業(yè)服務(wù)為代表的新一代艦載信息基礎(chǔ)設(shè)施是隨著美海軍21世紀(jì)海上力量構(gòu)想的提出和開(kāi)放式體系架構(gòu)的推進(jìn),為解決宙斯盾系統(tǒng)等艦艇電子信息裝備硬件資源缺乏整合、利用率低、計(jì)算和顯控設(shè)備共用困難、軟件和硬件捆綁緊密、系統(tǒng)開(kāi)放性和可擴(kuò)展性差等問(wèn)題而提出的一系列逐漸演進(jìn)的解決方案和項(xiàng)目。
2002年,負(fù)責(zé)監(jiān)督艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、建造和發(fā)展的美海軍海上系統(tǒng)司令部(NAVSEA)綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)項(xiàng)目辦公室(PEO IWS),開(kāi)始倡導(dǎo)推行“開(kāi)放式體系架構(gòu)計(jì)算環(huán)境”(OACE),以提高系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和集成能力,增強(qiáng)艦艇武器平臺(tái)的先進(jìn)性、通用性和可重用性[1~2]。按照開(kāi)放的程度將開(kāi)放式體系架構(gòu)計(jì)算環(huán)境從低到高分為兼容、初始、公共功能、全艦計(jì)算等5級(jí),現(xiàn)役裝備分步、逐級(jí)提高,新研裝備直接采用最新開(kāi)放式體系架構(gòu)技術(shù)。最高等級(jí)是第5級(jí),也就是全艦計(jì)算級(jí),其標(biāo)志性特征包括構(gòu)建全艦一體化信息基礎(chǔ)設(shè)施,為各應(yīng)用系統(tǒng)提供公共計(jì)算服務(wù)支持;廣泛使用公共業(yè)務(wù)功能服務(wù),提升應(yīng)用系統(tǒng)的容錯(cuò)抗毀性、靈活部署性和敏捷升級(jí)性,降低維修保障工作和人員配置需求;大量應(yīng)用最新商用信息技術(shù),有效降低全壽命周期費(fèi)用。目前,美國(guó)最新研制的DDG1000、DDG1001、DDG1002系列“朱姆沃爾特”級(jí)驅(qū)逐艦、LCS瀕海戰(zhàn)斗艦和CVN78“福特”級(jí)核動(dòng)力航母都采用了OACE[3~4]。
2004年,美國(guó)雷聲公司(Raytheon)在DDG1000研制中大力推行“全艦計(jì)算”裝備產(chǎn)品概念,按照開(kāi)放式體系架構(gòu)第五級(jí)要求,在作戰(zhàn)系統(tǒng)和平臺(tái)系統(tǒng)中全面應(yīng)用全艦計(jì)算環(huán)境(TSCE)。主要特點(diǎn)是按照開(kāi)放式體系架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)把計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)、顯控等硬件設(shè)備及其基礎(chǔ)支撐軟件集成為一整套可組合的計(jì)算服務(wù)平臺(tái),為全艦各種應(yīng)用提供自動(dòng)部署、敏捷集成和抗毀容災(zāi)支持[5]。TSCE是DDG1000任務(wù)系統(tǒng)集成的重要基礎(chǔ)和信息系統(tǒng)的核心平臺(tái),目前已知經(jīng)歷了7個(gè)版本的迭代,每個(gè)版本都為DDG1000系列艦艇的計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施增添了新的和改進(jìn)的任務(wù)執(zhí)行能力。它為全艦各系統(tǒng)提供核心寬帶網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、分布式高性能處理服務(wù)、數(shù)據(jù)按需一致共享服務(wù),實(shí)現(xiàn)了“網(wǎng)絡(luò)一體化、設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化、計(jì)算虛擬化、軟件服務(wù)化”。美軍認(rèn)為采用TSCE后,系統(tǒng)可獲得免維護(hù)部署能力、更強(qiáng)的生命力、更高的自動(dòng)化能力及更少的人員配置需求,并具備可升級(jí)、可重構(gòu)的特性[6]。
2006年,為了整合C4ISR系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和服務(wù),美海軍空間和海戰(zhàn)系統(tǒng)司令部(SPAWAR,2019年改名為信息戰(zhàn)系統(tǒng)司令部NAVWAR)C41項(xiàng)目辦公室(PEO C4I)采用開(kāi)放式體系架構(gòu)思想、借鑒集成全艦計(jì)算環(huán)境的成果,提出了統(tǒng)一海上網(wǎng)絡(luò)和企業(yè)服務(wù)(Consolidated Afloat Networks and Enterprise Ser?vices,CANES)項(xiàng)目,主要組成和關(guān)鍵技術(shù)包括公共計(jì)算環(huán)境(Common Computing Enviroment,CCE)、海上核心服務(wù)(Afloat Core Services,ACS)和跨域解決方案(Cross Domain Solution,CDS)[7~8]。其中,CCE主要實(shí)現(xiàn)計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)硬件基礎(chǔ)設(shè)施的虛擬化管理,ACS利用SOA方式創(chuàng)建可升級(jí)的服務(wù)分層交互模型將軟件從專屬軟硬件環(huán)境分離出來(lái),CDS實(shí)現(xiàn)不同安全保密級(jí)別的系統(tǒng)運(yùn)行在同一套公共基礎(chǔ)設(shè)施上。該項(xiàng)目計(jì)劃對(duì)現(xiàn)役192個(gè)平臺(tái)(包括水面艦船、潛艇以及海上作戰(zhàn)中心)的C41系統(tǒng)進(jìn)行改換裝,2008年11月,CANES實(shí)質(zhì)性開(kāi)發(fā)決策獲批;2012年12月,第1套CANES安裝在DDG69上。
圖1 開(kāi)放式體系架構(gòu)計(jì)算環(huán)境示意圖
2016年后,美海軍將TSCE從全艦計(jì)算環(huán)境逐步演變成為整個(gè)海軍的海軍網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施,即公共計(jì)算環(huán)境(CCE),成為CANES項(xiàng)目的一部分,采用SOA架構(gòu)的虛擬化技術(shù)將艦載網(wǎng)絡(luò)硬件、機(jī)架、服務(wù)器等整合到一個(gè)公共網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器組,把海上編隊(duì)各種應(yīng)用和軟件服務(wù)都將部署到CCE的硬件基礎(chǔ)設(shè)施上。CANES以一體化艦載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(ISNS)為基礎(chǔ),逐步把聯(lián)合區(qū)域信息交換系統(tǒng)(CEN?TRIXS)、潛艇局域網(wǎng)(SUBLAN)、絕密信息網(wǎng)絡(luò)(SCI)、視頻信息交換系統(tǒng)(VIXS)、艦載視頻分發(fā)系統(tǒng)(SVDS)等傳統(tǒng)煙囪式網(wǎng)絡(luò)集成到一起,并將原有網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用都遷移到CANES中。CANES根據(jù)應(yīng)用安裝部署的硬件需求,利用標(biāo)準(zhǔn)化網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和通用化機(jī)柜體系結(jié)構(gòu)創(chuàng)建公共計(jì)算環(huán)境,通過(guò)提供企業(yè)服務(wù)的形式為作戰(zhàn)業(yè)務(wù)和管理應(yīng)用程序提供“托管服務(wù)”,以提高互操作水平,減少傳統(tǒng)硬件數(shù)量和安裝空間[9]。
2020年8月,美海軍海上系統(tǒng)司令部(NAV?SEA)發(fā)布需求書(shū),將啟動(dòng)“硬件工廠”計(jì)劃,以保持艦艇計(jì)算平臺(tái)處在最新?tīng)顟B(tài),希望通過(guò)硬件工廠和硬件流水線概念采用敏捷開(kāi)發(fā)技術(shù)促進(jìn)計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施研發(fā)。該名為“未來(lái)綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)和計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施”(FICS-CI)的計(jì)劃由海上系統(tǒng)司令部(NAVSEA)的綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)項(xiàng)目辦公室(PEO IWS)管理,旨在將系統(tǒng)納入“通用、可擴(kuò)展的間歇連接邊緣云體系架構(gòu)”,打造基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)平臺(tái),作為向海軍艦艇普遍采用的基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)(IaaS)的“體系架構(gòu)、運(yùn)行實(shí)施和系統(tǒng)運(yùn)維”轉(zhuǎn)型工作的組成部分。海上系統(tǒng)司令部(NAVSEA)希望為大小型戰(zhàn)艦、航母、兩棲戰(zhàn)艦以及海軍陸戰(zhàn)隊(duì)、外貿(mào)裝備、未來(lái)戰(zhàn)艦等相關(guān)計(jì)劃部署計(jì)算體系架構(gòu)。
2020年9月,美海軍信息戰(zhàn)系統(tǒng)司令部(NAVWAR)提出“軟件工廠”概念,希望通過(guò)敏捷開(kāi)發(fā)、數(shù)字孿生、從編譯到作戰(zhàn)、開(kāi)發(fā)-安全-運(yùn)維(DevSecOps)等概念解決艦船交付時(shí)機(jī)或適用性導(dǎo)致軟件交付復(fù)雜程度高,需要在預(yù)定時(shí)間內(nèi)執(zhí)行多次升級(jí)等問(wèn)題,作為統(tǒng)一海上網(wǎng)絡(luò)和企業(yè)服務(wù)(CANES)開(kāi)放架構(gòu)和平臺(tái)即服務(wù)(PaaS)實(shí)施途徑,滿足對(duì)軟件開(kāi)發(fā)速度、承受能力和互操作性的需求。美海軍在2018年已進(jìn)行了“24小時(shí)內(nèi)從編譯到作戰(zhàn)”(C2C24)的試驗(yàn),目前能夠在8h內(nèi)完成一個(gè)應(yīng)用程序的更新。
2020財(cái)年,美國(guó)海軍在人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域投資9億美元,其中預(yù)算的新增項(xiàng)目中絕大部分都與人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)相關(guān),研發(fā)可用于低功耗平臺(tái)的嵌入式深度學(xué)習(xí)算法與稀疏數(shù)據(jù)分析的深度學(xué)習(xí)技術(shù),以及通過(guò)深度學(xué)習(xí)方法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)分類等,通過(guò)實(shí)施基于認(rèn)知的協(xié)作決策感知認(rèn)知模型、基于腦電波識(shí)別和認(rèn)知算法的戰(zhàn)場(chǎng)威脅探測(cè)技術(shù)等項(xiàng)目,大力推進(jìn)認(rèn)知計(jì)算技術(shù)在艦載領(lǐng)域的應(yīng)用。美國(guó)海軍在長(zhǎng)期作戰(zhàn)任務(wù)中,已經(jīng)研制部署了大量的監(jiān)視、偵察、預(yù)警、探測(cè)、跟蹤、識(shí)別、定位等裝備,隨著不同類型傳感器收集獲取數(shù)據(jù)量的激增,海量異類情報(bào)信息存儲(chǔ)管理、處理分析與融合整編的難度日益復(fù)雜。到2025年前,美海軍系統(tǒng)預(yù)計(jì)將著重提升對(duì)海量、異構(gòu)數(shù)據(jù)的分析處理能力,強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)分析技術(shù)的核心地位,同時(shí)加強(qiáng)數(shù)據(jù)可視化能力,提高戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)理解能力。
通過(guò)跟蹤研究美海軍艦載公共計(jì)算發(fā)展歷程和最新進(jìn)展,分析當(dāng)前美海軍技術(shù)體制和今后發(fā)展趨動(dòng)向,未來(lái)美海軍艦載公共計(jì)算的發(fā)展趨勢(shì)主要集中在以下方面。
1)架構(gòu)開(kāi)放化。從開(kāi)放式體系架構(gòu)概念和分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的提出,到全艦計(jì)算環(huán)境(TSCE)、統(tǒng)一海上網(wǎng)絡(luò)和企業(yè)服務(wù)(CANES)的具體落實(shí),再發(fā)展到最新的“未來(lái)綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)和計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施”(FICS-CI)計(jì)劃,美海軍艦載信息基礎(chǔ)設(shè)施的架構(gòu)沿著開(kāi)放式道路一脈相承。不管主管部門是海上系統(tǒng)司令部(NAVSEA)還是信息戰(zhàn)系統(tǒng)司令部(NAVWAR),也不管供貨商是IBM還是HP,都秉承從芯片到云(From Chip To Cloud,C2C)的開(kāi)放式理念開(kāi)展設(shè)計(jì)和集優(yōu)。
2)資源虛擬化。公共計(jì)算環(huán)境(CCE)通過(guò)采用虛擬化技術(shù)將艦載網(wǎng)絡(luò)傳輸、計(jì)算服務(wù)、顯示控制等設(shè)備整合到全艦艇云計(jì)算環(huán)境中,替換原來(lái)功能相似、重疊配置、分散獨(dú)立的硬件,從而實(shí)現(xiàn)全艦軟硬資源的池化管理、云化共享。采用虛擬化技術(shù)后,不同種類的操作系統(tǒng)以及它們各自所支持的所有應(yīng)用程序都將可以在同樣的硬件和服務(wù)器設(shè)施上加以同時(shí)運(yùn)行,最終實(shí)現(xiàn)將多種計(jì)算功能整合到一體化網(wǎng)絡(luò)和云計(jì)算環(huán)境中的目標(biāo),這將有效擴(kuò)展全艦計(jì)算能力,并能夠使硬件設(shè)備投資和軟硬資源得到最大化利用。
3)軟件服務(wù)化?;赟OA核心服務(wù)架構(gòu),采用基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)(IaaS)、平臺(tái)即服務(wù)(PaaS)、軟件即服務(wù)(SaaS),能夠創(chuàng)建一種可升級(jí)的層次化服務(wù)交互模型,將傳統(tǒng)煙囪式系統(tǒng)的應(yīng)用軟件解構(gòu)、轉(zhuǎn)換、封裝為面向不同用戶和數(shù)據(jù)的可復(fù)用式公共應(yīng)用服務(wù),這些公共應(yīng)用服務(wù)能夠利用現(xiàn)有信息基礎(chǔ)服務(wù)、軟件框架服務(wù)、海上核心服務(wù)和專用業(yè)務(wù)服務(wù)。能夠快速創(chuàng)建、動(dòng)態(tài)調(diào)用、按需執(zhí)行和管理編排各種基于服務(wù)的新業(yè)務(wù)應(yīng)用以及以網(wǎng)絡(luò)為中心的核心業(yè)務(wù)服務(wù)等,從而滿足不斷變化的作戰(zhàn)需求[10]。
4)研發(fā)敏捷化。美國(guó)一方面在2019年專門成立海軍敏捷辦公室(Naval X),加強(qiáng)與優(yōu)勢(shì)研發(fā)單位的合作,壓縮采辦層級(jí)和流程,加快技術(shù)創(chuàng)新與能力交付,已發(fā)布“落實(shí)敏捷開(kāi)發(fā)”和“云遷移”等工具;另一方面推行“硬件工廠”和“軟件工廠”等新概念,采用3D打印、數(shù)字孿生、應(yīng)用倉(cāng)庫(kù)等新技術(shù),運(yùn)用敏捷和精益開(kāi)發(fā)理念提升硬件和軟件研發(fā)、集成和部署速度,以及全壽命周期的運(yùn)維保障效率和服務(wù)質(zhì)量,實(shí)現(xiàn)24h乃至8h從編譯到作戰(zhàn)[11]。
5)集成普適化。支持對(duì)先進(jìn)傳感器、新型宙斯盾系統(tǒng)、定向能和電磁武器系統(tǒng)的集成,美海軍計(jì)劃阿里·伯克III版本的驅(qū)逐艦在2023年~2024年開(kāi)始大規(guī)模生產(chǎn),形成初始作戰(zhàn)能力的時(shí)間為2026年。開(kāi)放式的全艦計(jì)算環(huán)境將提供對(duì)包括對(duì)最新的宙斯盾系統(tǒng)(MK7)、AN/SPY-6(V)和AMDR雙波段雷達(dá)、AN/SQS-53C聲納、MK41垂直發(fā)射系統(tǒng)、定向能和電磁武器等支持,并完成作戰(zhàn)系統(tǒng)集成。
6)基礎(chǔ)智能化。美海軍聯(lián)合DARPA開(kāi)展了數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器學(xué)習(xí)、知識(shí)圖譜、語(yǔ)義分析、智能代理等大量智能基礎(chǔ)技術(shù)研究項(xiàng)目,大力推進(jìn)認(rèn)知計(jì)算、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)可視化等技術(shù)在艦載領(lǐng)域的應(yīng)用,提供對(duì)人工智能應(yīng)用與大數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)支撐能力,推動(dòng)重視信息域的信息共享水平的“網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)”向重視認(rèn)知域的認(rèn)知理解水平的“決策中心戰(zhàn)”的作戰(zhàn)理念轉(zhuǎn)變。隨著美國(guó)人工智能應(yīng)用與海上無(wú)人系統(tǒng)研究的深入發(fā)展,相關(guān)裝備應(yīng)用也應(yīng)在2025年前后上艦使用[12]。
1)“技術(shù)保先”:持續(xù)迭代升級(jí),保持技術(shù)先進(jìn)性。針對(duì)電子信息裝備“交付即落后”的潛在風(fēng)險(xiǎn),充分考慮商用先進(jìn)技術(shù)的演進(jìn)發(fā)展,結(jié)合未來(lái)國(guó)產(chǎn)CPU、操作系統(tǒng)、云計(jì)算等核心軟硬件的技術(shù)多樣性,搭建公共計(jì)算環(huán)境裝備平行驗(yàn)證系統(tǒng),不斷納入新技術(shù)和行業(yè)新成果,形成能夠支撐裝備基線式漸進(jìn)升級(jí)的技術(shù)驗(yàn)證體系和工程管理流程,加速電子信息裝備迭代升級(jí)換代周期,確保技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和裝備的持續(xù)先進(jìn)。
2)“裝備統(tǒng)型”:國(guó)產(chǎn)化硬件架構(gòu)和軟件服務(wù)融合設(shè)計(jì),統(tǒng)型裝備規(guī)格和技術(shù)狀態(tài)。針對(duì)當(dāng)前公共計(jì)算服務(wù)系統(tǒng)基于申威和飛騰兩條獨(dú)立技術(shù)路線,開(kāi)展設(shè)備形態(tài)和平臺(tái)服務(wù)的迭代融合統(tǒng)型,構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)放、狀態(tài)統(tǒng)一的系列化公共計(jì)算服務(wù)系統(tǒng)軟硬件裝備,屏蔽不同處理器架構(gòu)等給業(yè)務(wù)應(yīng)用帶來(lái)的差異,保持所承載的業(yè)務(wù)系統(tǒng)作戰(zhàn)能力與底層軟硬件選型差異的無(wú)關(guān)性。
3)“體系賦能”:面向作戰(zhàn)使用需求,著力提升系統(tǒng)能力?;谂炌畔⒀b備作戰(zhàn)使用環(huán)境復(fù)雜、作戰(zhàn)樣式及各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的多樣化資源需求,針對(duì)當(dāng)前公共計(jì)算環(huán)境自動(dòng)化、智能化服務(wù)能力不足,數(shù)據(jù)資源散、雜等難點(diǎn)、痛點(diǎn)問(wèn)題,開(kāi)展裝備可靠性保障、大數(shù)據(jù)處理支撐、智能化資源管理、對(duì)業(yè)務(wù)軟件的集成支撐等方面關(guān)鍵技術(shù)研究,提升計(jì)算環(huán)境裝備智能化化運(yùn)維和對(duì)業(yè)務(wù)應(yīng)用的大數(shù)據(jù)處理、AI計(jì)算、信息挖掘與知識(shí)發(fā)現(xiàn)、業(yè)務(wù)軟件集成等方面的支撐能力,為智能化作戰(zhàn)系統(tǒng)的構(gòu)建提供資源和服務(wù)保障。
艦載信息基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和發(fā)展是以提高艦艇裝備的綜合作戰(zhàn)效能為目標(biāo),適應(yīng)海軍新時(shí)期軍事轉(zhuǎn)型的需要,通過(guò)研制先進(jìn)高效、開(kāi)放兼容的艦載電子信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)及其基礎(chǔ)設(shè)施,實(shí)現(xiàn)艦艇電子信息裝備由分散、分項(xiàng)、分專業(yè)為主的模式向綜合集成為主的模式轉(zhuǎn)變。艦載信息基礎(chǔ)設(shè)施的未來(lái)發(fā)展一方面需要全面采用國(guó)產(chǎn)化自主可控軟硬件設(shè)備,另一方面需要逐步擴(kuò)展應(yīng)用支持范圍,研制適用于全艦所有裝備的信息基礎(chǔ)設(shè)施。同時(shí),為保證艦載信息基礎(chǔ)設(shè)施的全壽命周期可維護(hù)性和演進(jìn)發(fā)展的持續(xù)性,需建立常態(tài)化需求開(kāi)發(fā)管理、基線式系統(tǒng)功能性能升級(jí)機(jī)制,提高電子信息裝備與作戰(zhàn)業(yè)務(wù)功能的錯(cuò)峰發(fā)展能力,為艦艇裝備在長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年的服役過(guò)程中能夠保持或持續(xù)提升作戰(zhàn)能力提供支撐。