从 20 世纪 90 年代的“哥白尼”构想到21世纪初的“网络中心战”计划，网络中心化逐步成为美国海军编队电子信息系统和舰船电子信息系统的发展方向，美国海军电子信息系统经历了一条不断集成、融合、创新的螺旋式发展道路，从原先分立的或“烟囱式”的系统发展成为由各种系统交联在的一体化、网络中心化的综合系统。美国海军作战舰艇编队中，几乎所有作战资源都被纳入网络中心化的作战体系中，而在个体舰船上，几乎所有的舰载作战资源都被逐步纳入作战系统的管理范围，集成为一个整体。

以替代先进作战指挥系统(ACDS)并装备于美国海军航母和大甲板两栖舰上的舰艇自防御系统(SSDS)为例，从其基本型到 MK 1，MK 2，越来越多的作战资源被集成起来。舰艇平台综合管理系统的快速发展使与舰艇运行有关的设备、系统以及除作战系统之外的各种资源迅速走向综合集成。这些系统的综合集成将最终导致舰艇平台系统走向一体化。

在舰船作战系统向一体化、集成化、系统化发展的基础上，美国海军利用全舰计算环境(TSCE)将它们进一步融合为一个一体化的网络。

从概念上讲，全舰计算环境是一种革新性的概念，以网络为中心，基于开放式体系结构和民用现成技术，将现代舰艇战时、平时各类运算操作、基础数据集成到一个统一的、公共计算环境中，实施分布或集中式管理。

从功能上讲，全舰计算环境将舰载系统应用程序与计算机及操作系统进行隔离，通过将各类应用软件和网络服务部件化，实现舰艇上各系统之间的集成，极大地推动舰载系统的模块化、部件化，最终达到舰艇武器跨系统、跨平台甚至跨领域的协同作战能力。该环境不仅包括舰载 C⁴ISR(指挥、控制、通信、计算机、情报、监视和侦察)、武器系统和舰船状态监控系统，还扩展到了岸上以支持舰船的维护、补给、训练等功能。

可以说，全舰计算环境是新一代舰载系统集成技术，对舰艇平台信息化具有重要意义和影响，是“网络中心战”在单个舰艇平台上的具体体现，也是舰艇平台信息化技术迈向“网络中心战”的一个重要里程碑。

美军下一代舰艇的开发和现有舰艇的升级都将采用全舰计算环境。目前美国最新研制的 DDG 1000 驱逐舰、LCS 近海战斗舰和“福特”级航母都将使用全舰计算环境技术。

DDG 1000 是第一艘全面应用实施全舰计算环境的美国海军舰船，DDG 1000 的设计定初就以开放体系结构为指导，它以全舰计算环境为各系统的集成系统，把其他系统(作战系统、预警系统、动力系统、武器系统、指挥控制系统等)进行信息整合，最终形成一个统一的“网络中心战”单元。图 1 所示为美国 DDG 1000 攻击驱逐舰全舰计算环境的结构示意图。

图1(Figure 1)

图 1 美国 DDG 1000 攻击驱逐舰全舰计算环境的结构示意图 Fig. 1 USN DDG 1000 TSCE structure

2010 年 7 月，雷声公司获得一项合同，为美国海军“杜鲁门”号航母(CVN 75)和“福特”号航母(CVN 78)提供舰艇自防御系统 MK 2，该系统选择部分为 DDG 1000 开发的全舰计算环境基础设施的组件。2012 年 1 月，上述合同中的系统全部交付完毕。2014 年 7 月，DDG 1000 级驱逐舰项目在初始作战能力阶段开始达到新里程碑，其中全舰计算环境(版本 7)软件成功通过测试审查，至此，雷声公司共推出了 7 个版本的全舰计算环境软件。

全舰计算环境是一个由网格化计算机构成的高性能分布式实时计算环境，它能够控制和执行分布式战术应用程序，提供应用程序加载、资源管理、实时应用程序通信、容错等服务。全舰计算环境由计算机、内部和外部网络通信设备、网络介质、操作和控制软件、通信软件、接口软件等组成。从技术层面来看，全舰计算环境由硬件层、操作系统层、中间件层、基础结构服务层、应用程序层和资源管理器组成，其中硬件层、操作系统层、中间件层、基础结构服务层构成了全舰计算环境的核心，即全舰计算环境基础设施。图 2 从全舰计算环境的功能层面上给出了系统体系结构，描述了建立多组件、重复、分布式对象实时系统所需要的能力和基础结构。

图2(Figure 2)

图 2 全舰计算环境功能层面的体系结构图 Fig. 2 Functional structure of TSCE

图 3 为其所对应的物理网络和计算环境体系结构，该图从物理层面上给出全舰计算环境的体系结构。

图3(Figure 3)

图 3 全舰计算环境物理层面的体系结构图 Fig. 3 Fhysical structure of TSCE

1)全舰计算环境基础设施

全舰计算环境基础设施是基础骨干，全舰所有应用软件都运行于其之上，实现了舰船上所有舰载系统的无缝集成。全舰计算环境基础设施与舰船任务应用程序结合，提供了一个开放体系结构的任务系统，能满足所有作战需求，并具有可扩展性以满足新的操作需求。该体系结构将所有战时和平时的操作集成到一个单一的、通用的计算环境中。

全舰计算环境基础设施为运行于其顶层的应用程序提供统一的信息交换、信息处理、信息存储、信息分发、信息安全和保密等服务，实现舰艇上所有系统的综合信息管理，提供信息的实时处理与分发、数据库存储与访问等服务。全舰计算环境基础设施支持应用系统的即插即用，是系统互联互通、信息共享、安全可靠运行的基础。全舰计算环境基础设施采用标准的软硬件系统，增强了海军使用标准软件和民用现成硬件的能力。

全舰计算环境基础设施的结构分以下 4 层：

① 硬件层。硬件层包括支撑系统运行的计算机、电缆设备、交换机、驱动器等硬件设施，这些硬件设施均采用标准民用现成设备，它们构成了全舰计算环境的网络和计算环境基础。

② 操作系统层。操作系统层包括运行于硬件层计算机之上的各种类型的操作系统。这些操作系统采用标准民用现成技术，全舰计算环境基础设施支持包括实时 Linux、便携式计算机操作系统接口(POSIX)等多种操作系统。

③ 中间件层。中间件层是全舰计算环境基础设施的核心部分，它位于操作系统和应用软件之间，实现全舰计算环境各种类型操作系统和应用程序之间的实时通信和资源共享。

④ 基础结构服务层。基础结构服务层为应用程序层提供应用程序管理及信息交换、处理和管理等各项基础服务，它分为通用服务和领域专用服务，通用服务指所有应用程序均使用的服务，如时间同步、数据记录、输入/输出控制、电力管理、声明管理、数据分发管理等；领域专用服务则指某一个或一些应用程序专用的服务，如信息可靠性和安全性管理、任务特殊资源管理等。

图4(Figure 4)

图 4 全舰计算环境基础设施的体系结构示意图 Fig. 4 Infrastucture structure of TSCE

2)以中间件技术为核心的舰载系统集成技术

“中间件”由于在系统结构中往往居于计算机硬件及操作系统与应用软件之间而得名，多用于分布式系统，通过标准化的程序接口和协议、数据传输和网络服务，将异种/异构计算机硬件及操作系统、应用程序加以封装，隐藏其特异性以解决这些异种/异构应用系统难以集成的问题，进而提高系统整体的开放性。

全舰计算环境作为一种以网络为中心的、分布式、实时和嵌入式大系统，其对全舰计算环境基础设施的技术性能要求可以概括为：必须同时满足能够对数据通信反应时间/抖动/流量进行准确预测、可扩展、可信赖、高度安全和实时工作模式等方面的要求；可针对不同的配置、环境条件和成本提供不同层级的服务，且必须可由作战系统基础结构和应用软件进行快速地处理；必须能与其他维度的服务层级动态地进行协调以满足应用程序的需求并确保任务的达成，例如，消息传递的安全性和可靠性就必须与网络反应时间和可预测性进行协调权衡；对自主及时间关键性应用工况的需求要求系统基础结构软构件具有足够的柔性，可根据任务需求和环境条件的动态变化鲁棒地进行调整。

全舰计算环境基础设施中所采用的多层中间件系统包括主机基础结构中间件、分布中间件、公共中间件服务和领域专用中间件服务(见图 5)。需要特别指出的是，基础结构服务本身也是一种中间件，只是运行于全舰计算环境基础设施中间件系统的高端。全舰计算环境基础设施多层中间件系统细述如下：

图5(Figure 5)

图 5 全舰计算环境基础设施的多层中间件结构 Fig. 5 Middleware of the multi-layer infrastructure of TSCE

① 主机基础结构中间件用于封装和强化本地操作系统的通信和并发机制以生成可移植、可重用的网络程序软构件，如反应器、接收器-连接器、监视器对象、活动对象及软构件配置等。这些软构件隔离了偶然出现的个别操作系统不兼容问题，避免了通过低级操作系统编程应用程序界面。

② 分布中间件定义了一种高端分布式编程模型，其可重复使用的应用程序界面和机制是对通过主机基础结构中间件封装的本地操作系统网络编程能力的扩展，并使之自动化。分布中间件支持开发人员可以像开发单机应用程序那样开发分布式应用程序，即通过请求操作目标对象或分布式软构件的形式。

③ 公共中间件服务是对分布中间件的扩充，通过定义一组高层的、与应用领域无关的、可重用的服务，包括事件通知、命名、数据存储和分发、安全和故障恢复等，以保证多计算机环境下大多数分布式应用软件的高效运行。

④ 领域专用中间件服务根据特定作战系统应用领域，包括航空电子任务计算、雷达信号处理、武器瞄准，以及指挥与决策系统等的需求定制的一批中间件。与前 3 种中间件层的软构件具有广泛的民用现成技术来源不同，领域专用中间件服务是目前全舰计算环境基础设施中间层中发展和应用最不成熟的一层。

3)资源管理器——高可用性和抗毁性的关键

全舰计算环境能够保持高效运转、且具备高可用性和高抗毁性的核心保障之一，就是其采用的动态资源管理技术。资源管理器所采用的动态机制将根据战术平台所处情况的具体需求动态地分配应用程序所需的计算和网络资源。例如，当确认一个来自空中的威胁时，“处理器池”将主要被分配给打击空中目标所需的各类显示、计算任务，而当这种威胁被消除时，同一个“处理器池”将可能被分配用于反舰攻击的各项运算任务。对比“烟囱”式系统体系僵硬固定、专属专用的基础结构软件和硬件而言，这种机制无疑在应对变化的作战环境和资源故障方面具有极大的灵活性。

全舰计算环境资源管理器能够在分布式系统环境中监控网络、操作系统、中间件和应用程序资源，主要具备应用软件/处理监控、操作系统监控、网络监控、系统健康监控、资源和应用软件控制、系统和资源规范、故障检测/故障隔离/故障恢复、动态资源分配等功能(见图 6)。

图6(Figure 6)

图 6 全舰计算环境的资源管理体系结构 Fig. 6 Resource management structure of TSCE