中国指挥与控制学会会刊 
舰艇信息系统基础设施是指为舰艇信息系统开发与运行提供计算、存储、通信、显示、交互、控制以及开发、运维等公共服务的软硬件设施,是舰艇信息系统赖以生存、正常运行的基础条件。舰艇信息系统基础设施的组成、具体形态与舰艇信息系统发展的程度密切相关,当前阶段的主要形态有显控设备、计算设备、网络设备、接口机柜等。其中,显控和计算设备是基础设施的核心,涵盖了计算机、交换机、显示器、操控部件、控制板卡、软件模块等绝大部分更细粒度的基础设施。
随着信息技术在现代战争中的快速应用,软件实现或参与实现装备的功能越来越多,信息系统基础设施的建设受到更多的重视,舰用信息系统基础设施的发展经历了电子装备软硬平台到信息系统基础设施的发展历程,前期以显控台为核心产品的标准显控台及相关软硬件(标准显控台、多功能显控台),近期以新型显控设备、新一代计算环境为代表的信息系统基础设施。本文回顾发展过程,总结发展规律,展望发展趋势,探讨显控/计算设备下一步发展的技术特征、形态表现及相关关键技术。
1 基础设施发展历程
显控台作为舰艇各类电子装备最主要的人机接口设备,长期以来是舰艇信息系统基础设施的主要形态和重要组成部分。显控台的发展是伴随着计算机、显示、大规模集成电路、软件等技术的发展及各类电子装备需求的发展而逐步发展起来的。显控台的发展史基本上就是舰艇信息系统基础设施的发展史。
1.1 标准显控台之前
在舰用装备开展显控台标准化统型之前,各专业使用的显控台没有统一标准,由应用厂商各自独自设计,从早期的机电指挥仪逐步发展到数字指挥仪。机电指挥仪是二十世纪六七十年代最早研制的显控台,控制台上仅有指示灯、数码管和指针度盘式显示。二十世纪七十年代末支持软件编程的数字指挥仪开始出现,具有综合图形显示和表页显示等能力。二十世纪八十年代中后期,微型计算机和操作系统的应用,极大增强了数字指挥仪的功能,显示技术、操控技术、软硬件的模块化和通用化设计技术等都同步得到提升。
1.2 标准显控台时代
标准显控台自二十世纪末完成设计并开始应用。其在系统设计和系统集成技术上有创新,解决了VxWorks嵌入式实时操作系统在Multibus总线上的应用、多窗口多层综合显示、可编程触摸键盘、带功率补偿的模块电源等关键技术,开发了面向用户的支持软件,实现了显控台通用化、系列化、模块化设计,可满足雷达、声呐、光电、指控、火控和电子对抗等各类电子装备信息显示、操控和数据处理的需求。
2005年,标准显控台完成模块升级工作,主要改进是机箱升级为Compact PCI总线6U横式机箱,采用Intel Pentium II处理器主板和18″加固液晶显示器,操作系统扩展支持Windows。
1.3 多功能显控台时代
多功能显控台于2008年完成设计并开始使用,以满足不同空间环境的安装需要。相对于标准显控台,多功能显控台在综合显示能力、信息处理能力、人机交互能力、标准接口能力等方面有较大提升,选用了VxWorks5.5/6.6、WindowsXP、Solaris等商用主流操作系统,进一步实现了软硬件标准化,支持台位功能重定义和系统功能动态重组,可以配置不同的共性软件模块和加载不同的应用软件模块,能够满足雷达、声呐、水声对抗、电子对抗、光电、指控、火控和武器控制等电子信息装备对信息处理及显示控制功能的需求。
多功能标准台遵循统一的标准,提供一致的软硬件平台。多功能显控台以开放的软件体系结构为基础,实现软件构件和功能组件的即插即用,支持显控台功能的可定义以及系统动态重组,支持作战系统与其他系统异构平台的互联互通,为用户提供开放的、便于集成的软硬件平台。
1.4 新型显控设备及新一代计算设备
新型显控设备主要为适应军事应用和信息电子技术发展需求,贯彻标准化设计思想,力图在以下四个方面得到提升:1)满足“云+端”模式下的台位共用与互备使用要求[1];2)全面运用自主可控产品,强化应用验证与系统集成优化,提升自主保障水平;3)增加语音、图像、触控等智能传感交互手段,提升人机交互效率;4)体现以人为本,创新应用人因工程设计方法。
新一代计算设备设计工作是与新型显控设备同步开展的。标准显控台、多功能显控台时代,主要是针对显控设备的标准化,没有涉及作为计算设备的任务计算机,计算功能分散在每个显控台下方的任务计算机中,仅规定了在台体下方的安装形式。新一代计算设备基于服务器CPU强大的计算能力,采用虚拟化、云计算等技术[2],规范了计算、存储、通信等服务,替代技术体制、组成形态各异的任务计算机,将计算资源统一管理,具备“体系结构开放、资源池化共用、弹性灵活调配、服务按需集成、安全健壮抗毁”等特性。
2 基础设施发展规律
无数的历史都证明了一句话:从一个事物发展过程可给我们一些有益的启示。
2.1 标准化是演进的主线
显控计算设备演进的主线和目标是标准化。三代显控设备主要从结构造型、软硬件技术体制(组成、功能与接口等)、适用范围等方面逐步进行了标准化。
标准显控台完成的标准化工作主要在结构造型,第一次将原来外形各异的指挥仪统一为水面、水下两个系列,颜色、结构、操控台面及部件、显示器、计算机机箱、CPU型号、操作系统、通信协议、对外接口等实现了标准化。标准显控台虽然对软件接口和底板总线做了初步规范:采用类Xwindows风格的API和MultiBus总线,但是未真正实现不同厂家软硬件模块的互换。期间进行过一次升级,总线升级为CPCI总线,操作系统由iRMX升级为VxWorks5.4/5.5和WindowsNT,图形编程接口也升级为UGL/Zinc/Tilcon。
多功能显控台在标准显控台基础上提升性能的同时,实现了对软硬件模块的真正标准化,从一定意义上是对标准显控台升级型的巩固与提升。多功能显控台详细规定了软硬件模块的组成、功能、硬件板卡的底板芯线定义、软件API形式、操控部件的通信协议,实现了不同厂商同等功能软硬件模块的互换。操作系统统型为VxWorks5.5、WindowsXP、Solaris。图形编程接口标准采用JARI-EGK,嵌入式操作系统下采用了设备管理器,实现了对硬件模块的自动扫描,驱动程序动态加载功能。但是未实现传感器视频显示的标准化。多功能显控台也进行了一次升级,操作系统升级为VxWorks6.8/deltaOS,图形编程采用Qt,国产关键软硬件开始应用。多功能显控台使用上不再囿于水面水下的限制,可根据实际需要选用相应的型号,并且适用范围从六大专业扩展到八大专业。
新型显控设备贯彻了标准化设计思想,将计算设备纳入统型范畴。显控设备方面,依据应用需求,对软硬件组成重新做了划分,视频传输实现了标准化。计算设备采用基于虚拟化技术的新一代计算设备替代技术体制、形态各异的任务计算机,规范了计算、存储、通信等服务,具备“体系结构开放、资源池化共用、弹性灵活调配、服务按需集成、安全健壮抗毁”等特性,适用范围扩展到岸、海、车、岛所有装备。新型显控计算设备在多功能显控台关键软硬件国产化基础上,进一步提升了国产化比例,元器件初步实现了全面国产化。
2.2 需求的演变和技术的发展决定了标准化的过程
标准显控台设计之前,舰载装备指挥仪由各用户单位各自研制,形态和操作方式都缺乏统一规范,与舰艇设计、部队使用需求存在差距;技术上,MultiBus/ISA等总线不支持自动扫描和动态插拔、iRmx等操作系统不支持动态加载,软硬件技术尚不能支撑在满足大多数应用需求的前提下实现软件硬件的互换,因此,标准化的重点只能放在外形结构上。
到标准显控台后期,多功能显控台论证阶段,为提升装备保障能力,部队对备件标准化、通用化需求日趋强烈;技术上,支持热插拔动态扫描的CPCI/USB总线、支持动态驱动/组件加载VxWorks操作系统以及中间件技术的成熟并得到应用验证,为多功能显控台实现软硬件模块的标准化奠定了技术基础。
多功能显控台应用阶段,电子与信息技术的快速发展,装备数据化、软件化趋势加快,对计算、存储等能力需求不再是静态、一成不变的,以及国际关系的变化,对基础设施提出灵活重组、弹性扩充、国产化等需求;技术上,计算力的大幅提升、虚拟化、云计算、数据订阅分发等技术的成熟和商业化应用,为实现任务计算标准化提供了借鉴,公共计算技术体制成为新一代装备的标准。
3 下一代基础设施展望
通过显控计算设备的建设,基础设施完成了从结构外观到内部软硬件、从显控到计算的标准化过程。前两代基础设施的生命周期基本为10年左右,期间分别经历了一次升级过程,时间大约在完成鉴定45年后。升级的主要原因:一是需要提升性能,二是需要吸收一些新技术,解决产品使用过程中的问题。我们认为后续基础设施的发展仍将遵循上述规律,长期仍将以标准化为目标,短期内将进行一次升级改造。由于网络设备的升级主要是性能的提升,与应用开发关系不大,本文将讨论的重点放在显控和计算设备上。
3.1 基础设施平台化——全舰操作系统
平台通常是指一种基础的、可用于衍生其他产品的环境。通过三代显控计算设备的建设,基本完成了显控、计算、存储、网络等功能各自的标准化工作,但是对应用开发、使用而言,基础设施仍是分散的,显控与计算仍缺乏统一的管理,距离全舰计算环境这一概念仍有较大差距,需要从平台这一视角进行统一设计,构建一个全舰操作系统,实现平台级的标准化,在此之上,可以快速衍生各种应用,支撑软件定义装备的发展需求。
按照操作系统的定义,操作系统是管理计算机硬件与软件资源的计算机程序,全舰操作系统就是管理所有舰载计算设备(具备CPU功能的所有设备)软硬件资源的程序,包括所有计算、显示、操控、通信、存储、数据、共性服务等软硬件资源,把他们作为一个计算系统统一看待,为应用提供统一的访问操作接口。
关键技术主要有全舰操作系统架构、数据管理机制、实时可靠通信机制、任务调度机制、系统的健壮性与一致性等技术及相关标准规范。
3.2 新型显控计算设备升级型
升级主要是吸收新技术,解决可能存在的问题。新型显控计算设备开展使用后的一定时间内,也将面临一次升级过程,裸金属计算设备、公共显控设备将是计算实时性和显控共用性最为可能的解决方案。
3.2.1 现有方案亟须解决的问题
基于“虚拟化+云计算”模式的公共计算技术体制虽然具备“体系结构开放、资源池化共用、弹性灵活调配、服务按需集成、安全健壮抗毁”等特性,但是虚拟化带来的不确定性一直被人们所质疑。
现有基于虚拟化技术的计算设备,软件层次结构如图1 所示。应用程序运行在客户操作系统上,客户操作系统运行在虚拟机上,虚拟机由主机操作系统调度。虽然可借助一些实时虚拟化技术改进系统的实时性能,但并不能从实质上解决系统的实时性问题。
实时性即确定性,也是系统可在确定的时间执行确定的动作。采用基于云计算的公共计算体制,原有的控制系统必须将计算与控制相分离,通过引入适配器,实现物理世界与新一代计算设备的连接。新一代计算设备专注于计算,通过网络与适配器通信,实现对物理世界信息的采集和控制。因此,系统的实时性转化为与适配器信息交换的网络报文的确定性,即计算结果必须在确定的时刻发送给适配器,适配器才能在要求的时间内完成对物理世界的响应。测试数据表明,基于基本型软硬件架构系统的事件响应(对外通信延迟)时间为毫秒级,与采用多功能显控台模式相比事件响应时间增大了一个数量级(原有系统对外通信延迟约为100200 μs)[3]。
基于新一代计算设备的新一代技术体制要求支持“灵活调配、按需集成、健壮抗毁”等功能,这就要求显控台支持应用的台位迁移(灵活调配、按需集成)、多应用可同时共用一个显控台(灵活调配、健壮抗毁),但是新型显控设备与多功能显控台软硬件架构上并没有实质性差异,受操作系统的限制,既不能支持异构(不同OS)应用的跨台位迁移,又不能确保多个同构(相同OS)应用运行在同一个显控台运行时的安全性(没有隔离措施)。
3.2.2 裸金属计算设备
裸金属计算设备物理上是由多个独立的计算机组成,因此,可以为应用分配物理上独立的完整计算机(计算、中断、存储、通信等)。裸金属公共计算机管理软件主要用于物理计算资源的管理,包括远程开关机、状态监测、资源分配等。但是裸金属计算设备计算资源分配的最小单位是单个物理计算机,不会出现多个应用竞争一台物理机(计算、通信、中断等)的情形,消除了不确定性,实时性得到充分保证。另一方面,裸金属公共计算机管理软件实现了所有物理计算机资源统一管理,为应用提供与云计算同样功能的软件管理接口,同样具有较好的弹性扩充、灵活重组、健壮抗毁等特性。
关键技术主要有公共计算机服务软件架构设计、资源分配算法、远程开关机技术、软件系统远程安装/卸载技术、设备状态感知机制等。公共计算机服务软件将是全舰操作系统的雏形。
3.2.3 公共显示系统(CDS)
公共显示系统(Common Display Console,CDS)最早是由General Dynamics(GD)公司为DDG1000提供的一种双任务显示系统(dual/multi-task display system)[6,7],作为DDG1000全舰计算环境(Total Ship Computing Environment,TSCE)的重要组成部分,能够支持在同一个显控台上同时运行两个任务系统[7],允许所有在岗监控者都可以在任何一台CDS上调出自己所需要的系统界面,真正实现了随需显示、台位功能重定义和台位共用功能。CDS采用的操作系统是LynxSecure,体系结构如图3 所示[8]。LynxSecure提供分区内核,为多个异构操作系统提供基于ARINC 653的固定周期调度算法,分区间相互隔离,符合多重独立等级安全(Multiple Independent Levels of Safety/Security,MILS)体系结构,从根本上解决了多级安全关键高确保系统的安全性和防危性。
文献[9]给出了一个基于软件定义思想的公共显示系统的实现方案,软件架构如图4 所示。硬件主板可采用多核处理器,如FT2000新4核,核0作为Host,其他三个核可分别运行一个虚拟机,用于执行相同或不同的客户操作系统(对应不同的应用任务);多路以太网口,可根据需要分别透传给对应的客户操作系统;采用支持多路输出显卡;采用一块多路时统板,可提供4路时统信号,可分别透传给不同的客户操作系统,为系统提供高精度对时功能;可编程触摸键盘和用户专用键固件版本支持对当前通信的客户操作系统IP地址的自动识别,以支持在多个应用任务间的实时动态切换。操控部件采用USB接口,可动态接入SDC,以适应应用需求。
显然,虚拟化技术的引入使得CDS可较好支持异构应用的跨台位迁移和多异构应用任务的同台共用。
关键技术主要有实时HyperVisor、显示虚拟化、共用操控模块设计等。
4 结束语
在软件定义一切的数据化、智能化时代大背景下,作为舰艇信息系统重要组成部分,基础设施的重要性日益凸显,推动与制约其发展的因素非常多,需求变化的不确定性、技术发展的迅猛等因素交织在一起,预测其发展非常困难。但是通过吸收最新技术,提高装备标准的程度,对于满足应用需求,提升装备性能,缩短研发周期,降低维保难度都有较大意义。公共计算技术体制从论证到如今开始推广应用经历了近10年的漫长过程,因此,开展下一代基础设施关键技术的论证研究、原型研制迫在眉睫。