美海军DDG-1000全舰计算环境体系结构探析-董晓明石朝明黄坤王允峰(7)

0引言
全 舰 计 算 环 境（TSCE）是 美 海 军 新 型 多 任 务 驱 逐 舰 DDG-1000 的 十 大 关 键 技 术 之 一 。 DDG-1000 使 用 全 舰 计 算 环 境 作 为 舰 船 各 系 统 （指 控 情 报 、平 台 控 制 、动 力 系 统 、武 器 系 统 等）的 集 成 系 统 来 进 行 信 息 整 合 ，以 发 挥 系 统 整 体 资 源 优 势 ，最 终 形 成 一 个 统 一 的“ 网 络 中 心 战 ”节 点 。
威胁的不断变化和信息技术的不断创新促使 美 国 海 军 转 变 观 念 ，开 始 大 量 采 用 商 用 现 货 产 品 （COTS）、贯彻开放式体系结构及认同开源软件产 品。2008 年 7 月，美海军终止了“朱姆沃尔特”级 的批量建造计划（最初预计 32 艘），改为仅建造 3 艘。接着，于 2009 年 12 月又终止了 CG（X）的研发 与建造计划。之后，公布了再建造“阿利·伯克”级 ⅡA 型的计划和建造改进型Ⅲ型的计划意向，由 此 便 发 展 出 适 合 于 现 役 舰 的“ 宙 斯 盾 ”现 代 化 计 划。该计划对装配着“宙斯盾”的舰实施以武器体 系 为 中 心 的 软/硬 件 现 代 化 改 装 。 这 是 完 全 基 于
DONG Xiao-ming SHI Chao-ming HUANG Kun WANG Yun-feng China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China
Abstract：Total Ship Computing Environment（TSCE）is one of the critical technologies of DDG-1000， the new multipurpose destroyer of U.S. Navy，and has led to numerous changes in the design and integra⁃ tion of ship systems. This paper introduces the project background of TSCE，as well as its technical archi⁃ tecture，mission systems and Navy Open Architecture（OA）. The structure and composition of the TSCE Infrastructure（TSCE-I）segment are also analyzed，which includes elements such as the data processing unit，the adaptation unit，the human interface and the network infrastructure. Finally，some technical trad⁃ eoffs related to the Service Oriented Architecture（SOA）are introduced，i.e.，component-based develop⁃ ment，real-time or non real-time applications. Key words：Total Ship Computing Environment（TSCE）；DDG-1000；Open Architecture（OA）；TSCE Infrastructure；system integration
收稿日期：2012－06－21 基金项目：国家部委基金资助项目；国家自然科学基金项目（61203324） 作者简介：董晓明（1975－），男，博士，高级工程师。研究方向：舰载作战系统，分布式仿真，计算机系统结构。
E⁃mail：phdotd@ 通信作者：董晓明。
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中国舰船研究
第7卷
美海军开放式体系结构计算环境（OACE），将硬件 和软件分开实施的结果。对于“宙斯盾”舰作战系 统 功 能 /性 能 的 提 高 ，将 以 外 观 上 看 不 到 的 软 件 螺 旋式更新来实现 。 ［1-2］
美海军趁着“宙斯盾”的现代化之机实现了软 件构件化，开始全面转向面向服务架构（SOA），同 时推进下一代舰船基础设施的确立。这项工程不 只 是 针 对“ 宙 斯 盾 ”舰 ，而 是 贯 穿 于 新 型 核 动 力 航 母“ 福 特 ”CVN 78 的 舰 艇 自 防 御 系 统（SSDS）、新 型驱逐舰“朱姆沃尔特”级 DDG-1000 和濒海战斗 舰等所有水面舰船。
本 文 根 据 目 前 公 开 的 资 料 ，力 图 准 确 给 出 DDG-1000 全舰计算环境的概貌，并通过分析其体 系结构，达到借鉴其先进技术和设计思想的目的。
1 TSCE 项目背景
20 世纪 90 年代初，美国海军启动 SC 21 项目， 计划研制面向 21 世纪的系列水面作战舰船。几 经周折，该项目于 1997 年改名为 DD 21，核心是发 展 21 世 纪 的 驱 逐 舰 。 2000 年 ，其 首 舰 被 命 名 为 “朱姆沃尔特”号。2001 年 11 月，美国防部宣布停 止 DD 21 计划，随后以 DD（X）计划取而代之，原因 是经费预算大幅削减。2002 年 4 月，美国海军确 定由诺斯罗普·格鲁曼公司担当 DD（X）的主承包 商 。 2006 年 4 月 ，DD（X）的 项 目 代 号 改 为 DDG1000，标志着该级舰的论证已基本结束，将转入施 工设计和建造阶段。
岸基保障
探测
人员
全舰计算环境（TSCE）体系结构 作战系统
C4ISR
船舶
C2I 通信
பைடு நூலகம்
指控
交战
TSCE 基础设施
船桥 导航 机电控制 损管 状态评估
其他船体 和机械
软件 硬件固件接口/人与系统接口（HSI）/软件接口
硬件
图 2 DD（X）全舰计算环境系统定义 Fig.2 DD（X）TSCE system definitions
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这是目前公开资料中第一次出现“全舰计算环境” 的概念。
在 TSCE 中，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 软件均分布在这个虚拟的计算环境中。所有传感 器、受动器、激励器和武器通过适配器与全舰计算
无人机
轻型机载 多用途系统
全频段数字通信
全舰指控中心
近程防御 火炮
武装直升机
体搜索雷达
Ｘ波段 多功能雷达
先进识别
协同作战 能力
电子传感
高频艏部声呐
LBVDS MFTA
声呐探测
遥控猎雷
高速交换式互连 通用计算机
全舰计算环境
先进燃气轮机
集成电力 系统
基于状态的 先进维修
先进集成 电子战
先进火炮
导弹火控 系统
环境连接。 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、更高的自动化能力以及 更 少 的 人 员 配 置 需 求 ，并 具 备 可 升 级 、可 重 构 等 特性。
2.2 DD（X）TSCE 系统定义
TSCE 是一个包括岸基保障、C4ISR、作战系统 以及船机电的全舰系统（图 2）。TSCE-I 是为全舰 任务应用提供服务的计算硬件和公共软件。
垂直发射
战斧武器 控制
水下火控
先进制导 弹药
改进型海麻 雀导弹， 战斧导弹， 海麻雀导弹
轻型混合 鱼雷
鱼雷防御
图 1 全舰计算环境概念及 DD（X）配置 Fig.1 Concept of TSCE and configuration of DD（X）
第6期
董晓明等：美海军 DDG-1000 全舰计算环境体系结构探析
如图 3 所示，TSCE 系统自顶向下划分为 5 个 层 次 ，分 别 为 系 统（System）、段（Segment）、单 元 （Element）、组 件（Component）和 模 组（Ensem⁃ ble）。整个全舰计算环境系统包括 6 个段：船舶、 基础设施、探测、指控与情报（C2I）、交战和保障。
包 括 数 据 处 理 、适 配 、人 机 接 口 、网 络 等 基 础 设 施 ，以 及 实 现 面 向 服 务 架 构（SOA）的 相 关 技 术 权 衡 ，得 出 公 共 计
算服务环境是未来舰船提高综合作战能力和信息化水平的有效手段。并根据分析研究，提出了开展 TSCE 研制
必须突破的几项主要关键技术。
TSCE 基于开放式体系结构（OA），通过软、硬件模 块 化 以 及 构 件 化 和 服 务 化 ，解 决 了 各 分 系 统 独 立 运 行 、互 操 作 困 难 、资 源 无 法 共 享 等 问 题 ，最 终 达 到跨平台、跨领域的协同作战能力。
我国在舰船信息化和系统集成等相关领域的 技术和研究水平与国外差距较大，缺少成熟产品。 因此，有必要对 TSCE 进行研究，掌握其关键技术 和设计方法，以满足我国海军装备研制的需要。
2.3 开放式体系结构
TSCE 以 OA 为基础，基于全舰计算环境基础 设 施 所 提 供 的 平 台 化 计 算 支 持 ，能 够 更 好 地 解 决 各系统集成时的“烟囱”问题，为舰船提供可升级、 自组织、可配置、可高水平完成系统集成和自动化 操作的平台，提升了装备的快速交付能力。图 4 所示为 OA 的结构层次［4］。
关键词：全舰计算环境；DDG-1000；开放式体系结构；基础设施；系统集成
中图分类号：TP311.523
文献标志码：A
文章编号：1673－3185（ 2012 ）06－07－09
Analysis on the Architecture of USN DDG-1000 Total Ship Computing Environment
系统 System
TSCE
段 Segment 单元 Element
船舶 TSCE-I 探测 C2I 交战 保障
人机接口 数据处理 网络
适配
基础设施 基础设施 基础设施 基础设施
组件 Component
战位
非战位
HCI 服务
模组 Ensemble
展示服务
人机接口
图 3 全舰计算环境系统划分层次 Fig.3 Segments of TSCE system
第7卷 第6期 第2061期2 年 12 月
中国舰船研究 Chinese Journal of Ship Research
doi：10 . 3969 / j . issn . 1673－3185 . 2012 . 06 . 002
Vol.7 No.6 Dec. 2012
美海军 DDG-1000 全舰计算环境体系结构探析
2.1 TSCE 简介
TSCE 是 DDG-1000 任 务 系 统 集 成 的 重 要 基 础。在 DDG-1000 舰上，通过 TSCE 对作战系统和 平台机电等系统的软件开发进行了规范和统一， 采 用 了 大 量 商 用 计 算 机 、服 务 器 以 及 分 布 式 中 间 件等商用现货产品来对系统进行集成。图 1 所示 为美国海军水面战中心（NSWC）于 1998 年在风险 分析中给出的基于 TSCE 的 DD（X）配置示意图［3］，
从 DDG-1000 的 曲 折 历 程 中 ，也 折 射 出 美 海 军 的 装 备 发 展 思 路 已 发 生 变 化 ，不 再 一 味 追 求 舰 船 的 高 性 能 ，不 一 定 会 选 用 最 先 进 的 技 术 方 案 。 观念转变带来的直观效益就是经济的可承受性和 技术成熟度的提高。
2 TSCE 体系结构
董晓明 石朝明 黄 坤 王允峰
中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 430064
摘 要：作为美海军新型多任务驱逐舰 DDG-1000 的关键技术之一，全舰计算环境（TSCE）代表了舰船信息系
统集成技术的先进水平，带来了舰船系统设计和集成方式的变化。在描述 TSCE 的项目背景、系统概况、技术架
构、任务系统以及海军开放式体系结构（OA）等的基础上，分析全舰计算环境基础设施（TSCE-I）的结构和组成，