王 立

(河南大學(xué)歐亞國際學(xué)院 開封 475001)

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美海軍COTS技術(shù)應(yīng)用對我軍的啟示

王 立

(河南大學(xué)歐亞國際學(xué)院 開封 475001)

論文簡要分析了美海軍COTS技術(shù)應(yīng)用概念的提出,主要概念,發(fā)展歷程及應(yīng)用模式?？偨Y(jié)了COTS技術(shù)應(yīng)用過程中存在的問題,提出了我軍COTS應(yīng)用推進(jìn)的措施建議,為我軍艦載信息裝備發(fā)展提供參考。

商用貨架產(chǎn)品; 開放式體系架構(gòu); 艦載信息裝備

Class Number TN919.3

1 引言

長期以來,世界各國在軍用信息裝備,如軍用計(jì)算機(jī)等的開發(fā)和研制上采用專門定制的模式,完全遵循軍用標(biāo)準(zhǔn)的要求,這一方面加大了軍用信息裝備的開發(fā)難度,增加了成本和經(jīng)費(fèi),延長了開發(fā)周期;另一方面由于專門定制的信息裝備更新?lián)Q代緩慢,導(dǎo)致裝備系統(tǒng)性能差距加大,不能滿足迅速增長的軍事需求。而與此相伴的是,冷戰(zhàn)結(jié)束后,世界各國的裝備研制面臨著軍費(fèi)大為縮減的現(xiàn)實(shí)以及以信息化為方向的裝備更新?lián)Q代的緊迫要求,這都給裝備研制帶來了巨大的壓力。因此,探索技術(shù)先進(jìn)、性能優(yōu)良、成本低廉的軍品開發(fā)新途徑成為裝備建設(shè)面臨的新問題。

為此,美國國防部從1990年代初期開始進(jìn)行裝備采辦改革,采用開放式體系架構(gòu),并把經(jīng)濟(jì)可承受性作為其核心內(nèi)容之一,提出了基于先進(jìn)的商用標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)和產(chǎn)品發(fā)展軍用裝備的采辦思想,考慮在軍事裝備研制中直接采用現(xiàn)有的商用產(chǎn)品和技術(shù)。與此同時,美國國防部著手制定提出了商用產(chǎn)品大力應(yīng)用于裝備研制的推進(jìn)政策,提出“采用民用產(chǎn)品、服務(wù)和技術(shù)”作為其防務(wù)采辦工作的基本政策之一,明確采辦決策“優(yōu)先考慮從民用領(lǐng)域可以獲得的國內(nèi)或國外技術(shù)、系統(tǒng)和設(shè)備”,使其成為實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可承受性的一項(xiàng)重要措施,即所謂裝備研制和采辦的COTS(Commercial-Off-The-Shelf)策略[1]。

2 美軍開放式體系架構(gòu)及COTS技術(shù)的提出

2.1 美軍艦載信息基礎(chǔ)設(shè)施曾經(jīng)面臨的問題

隨著21世紀(jì)海上力量設(shè)想的提出,美海軍發(fā)現(xiàn)已有的艦艇戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、先進(jìn)作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)、宙斯盾系統(tǒng)(Advanced Electronic Guidance Information System,AEGIS)等艦艇電子信息裝備在設(shè)計(jì)上已不能滿足作戰(zhàn)能力的需要,這些系統(tǒng)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)開放性、可擴(kuò)展性差,不論是硬件還是軟件,其任何功能或性能的改變都牽扯到整個系統(tǒng),從而造成了壟斷,降低了能力,增加了成本。

同時,在建設(shè)規(guī)劃和管理上存在多頭管理的問題,如美國海軍的一體戰(zhàn)系統(tǒng)辦公室、水面系統(tǒng)司令部、C4I項(xiàng)目辦公室、空中系統(tǒng)司令部等均可規(guī)劃各自的信息基礎(chǔ)設(shè)施,形成各自專用的解決方案,系統(tǒng)間接口是點(diǎn)對點(diǎn)的方式,不同功能域間的集成能力很弱。

美軍認(rèn)識到系統(tǒng)建設(shè)必須從以單個項(xiàng)目或單平臺為對象進(jìn)行研制或優(yōu)化的思路,轉(zhuǎn)變到以多平臺為對象,提高開放性,重點(diǎn)解決各類C4ISR系統(tǒng)的一體化集成思路上,開放體系架構(gòu)是完成該轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵。2004年,開始將在主流商用軟硬件技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范基礎(chǔ)上開發(fā)的“開放式體系結(jié)構(gòu)”,作為艦艇各類作戰(zhàn)系統(tǒng)共同技術(shù)架構(gòu),將其作為指導(dǎo)艦艇信息系統(tǒng)建設(shè)的依據(jù),推動艦艇公共基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展,提高武器平臺的先進(jìn)性、通用性和可重用性[2]。美國海軍所期待的艦載信息基礎(chǔ)設(shè)施必須基于公共的基礎(chǔ)設(shè)施平臺,通過開放式接口,提供多域間的互操作解決方案,實(shí)現(xiàn)強(qiáng)跨域集成能力[3]。

2.2 COTS主要概念

COTS產(chǎn)品可直譯為商用現(xiàn)貨成品,指已開發(fā)成功并能夠快速投入使用的商業(yè)產(chǎn)品及其技術(shù),對信息領(lǐng)域而言,通常指可以采購到的具有開放性標(biāo)準(zhǔn)定義的接口的軟硬件產(chǎn)品和技術(shù)。

根據(jù)美國聯(lián)邦項(xiàng)目開發(fā)管理?xiàng)l例中的規(guī)定,COTS產(chǎn)品被理解為在市場上銷售的商用化產(chǎn)品和標(biāo)準(zhǔn)技術(shù),具體形態(tài)一般是材料、元器件、軟件、子系統(tǒng)或系統(tǒng)[1]。它有明確的商品價格和固定的流通或銷售渠道,可直接從制造商或通過制造商的銷售網(wǎng)供應(yīng)給任何公司或個人使用。另外,COTS產(chǎn)品有明確的描述其功能、性能、機(jī)械、電氣和環(huán)境特性與極限的技術(shù)規(guī)范。

實(shí)際上,在美國國防采辦中,除要求考慮商用技術(shù)和產(chǎn)品外,還同樣建議使用商用服務(wù),如美國防部大量采購商用衛(wèi)星帶寬,將商用衛(wèi)星服務(wù)用于作戰(zhàn)行動等。

一般而言,商用技術(shù)是指主要針對民用市場需求,為達(dá)成商用產(chǎn)品功能、性能特性的實(shí)現(xiàn)而開發(fā)產(chǎn)生的相關(guān)技術(shù);商用產(chǎn)品是指按照民用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)、選用民用電子元器件生產(chǎn)及按照民用標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)的產(chǎn)品。兩者的概念和內(nèi)涵有很強(qiáng)的相關(guān)性,但實(shí)際上并不完全等同。對于兩者在軍用裝備中應(yīng)用分析隨裝備領(lǐng)域的不同有不同的解讀。如在信息裝備領(lǐng)域與在核武器、雷達(dá)隱身技術(shù)等領(lǐng)域?qū)τ贑OTS技術(shù)和產(chǎn)品的應(yīng)用認(rèn)可程度就會有很大不同,而同樣在信息裝備領(lǐng)域,也存在COTS技術(shù)可以大量應(yīng)用,但卻應(yīng)控制COTS產(chǎn)品應(yīng)用范圍的認(rèn)識。

其次,采用COTS產(chǎn)品和技術(shù)的同時必須考慮其適用性。在軍用裝備研制中客觀上存在著一些比較適宜采用COTS產(chǎn)品、技術(shù)、工藝和服務(wù)的領(lǐng)域,也存在一些不太適合采用COTS產(chǎn)品的領(lǐng)域,特別是當(dāng)軍事需求獨(dú)特、滿足軍事需求的產(chǎn)品與滿足民用需求的產(chǎn)品差異極大時尤其如此。而在電子信息系統(tǒng)領(lǐng)域,包括元器件、模塊等,由于需求差異較小,在一些非關(guān)鍵部位,可靠性、安全性要求不高的領(lǐng)域則可通過民品和民用采購方法獲得。

另外,COTS產(chǎn)品應(yīng)用于裝備系統(tǒng)還要重點(diǎn)考慮軍用環(huán)境下COTS的可靠性和抗惡劣環(huán)境的性能問題。為了適應(yīng)軍品使用環(huán)境,必須對COTS產(chǎn)品進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆庋b和防護(hù)。

3 國外艦載信息裝備COTS應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 美海軍推進(jìn)COTS的歷程

美軍倡導(dǎo)COTS首先是在電子信息裝備領(lǐng)域興起的。首先,美海軍意識到,相對商用技術(shù)先進(jìn),運(yùn)算速度快,價格便宜,升級擴(kuò)展容易來說,原先以定制開發(fā)模式研制的艦載軍用計(jì)算機(jī)發(fā)展緩慢且效率不高。如UYK-43計(jì)算機(jī),它開發(fā)于1980年,但它的普及卻是1990年代以后的事。雖然軍用計(jì)算機(jī)的可靠性、安全性、抗惡劣環(huán)境與維修性是商用計(jì)算機(jī)無法比擬的,但運(yùn)算速度與應(yīng)用技術(shù)趕不上商用產(chǎn)品卻也是不爭的事實(shí)。為了能應(yīng)用最新的技術(shù)并降低成本,在1984年2月美國防部廢除了用于軍用計(jì)算機(jī)指令結(jié)構(gòu)的5000.5X命令,美海軍也不得不降低對艦載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn),于20世紀(jì)80年代末期開始在艦上采用加固的現(xiàn)成商用計(jì)算機(jī)組件,通稱為COTS計(jì)算機(jī)產(chǎn)品。剛開始時加固計(jì)算機(jī)僅用于輔助支援性的運(yùn)算工作,隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步,現(xiàn)在加固計(jì)算機(jī)已逐漸能擔(dān)任第一線的作戰(zhàn)任務(wù),真正取代軍用計(jì)算機(jī)的地位。

80年代中后期至今,美國海軍制定并逐步完善了海軍計(jì)算機(jī)應(yīng)用發(fā)展計(jì)劃,包括以下幾個階段: 1) 從1989年到1992年選用DTC-2計(jì)算機(jī)作為海軍標(biāo)準(zhǔn)工作站。該工作站以Sun SPARC 4/110系列工作站為基礎(chǔ)加固而成,采用Unix操作系統(tǒng),可以通過以太網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)操作; 2) 從1992年到1996年應(yīng)用TAC-3工作站。TAC-3工作站比DTC-2工作站有更強(qiáng)的處理能力、更好的加固環(huán)境和更便宜的價格。該工作站采用HP Apollo 9000系列工作站。其最高檔的A系統(tǒng)是750型工作站,采用PA—RISC計(jì)算機(jī)。該工作站支持以太網(wǎng)、FDDI和SAFENET局部網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn); 3) 從1996年開始采用TAC-4工作站。TAC-4工作站的處理能力是TAC-3的2～3倍,具有大容量實(shí)際和虛擬存儲器、大容量磁盤存貯器、高性能圖形和圖形用戶接口、Posix操作系統(tǒng)和GOSIP(美國政府開放系統(tǒng)互連框架)柔性軟件。要求TA-4全部使用COTS產(chǎn)品,采用IBM RISC system/6000、普惠Apollo系列700或DECAlpha RISC工作站; 4) 2000年左右,應(yīng)用TAC-5計(jì)算機(jī),該機(jī)將比TAC-4功能更強(qiáng)、價格更便宜,并且是一個真正的開放式系統(tǒng)。

隨著Intel商用CPU技術(shù)的快速發(fā)展,美海軍艦艇的主流計(jì)算機(jī)也逐漸朝X86架構(gòu)體系發(fā)展,并在不斷升級更新。如在洛杉磯級核潛艇的計(jì)算能力提升計(jì)劃——“聲學(xué)商用現(xiàn)成技術(shù)快速插入”(ARCI)計(jì)劃中,將原先用于潛艇聲納的“奔騰”處理器換成了主頻為2.4G赫茲的“至強(qiáng)”處理器,這兩種處理器都是英特爾公司生產(chǎn)的,經(jīng)過升級后,潛艇的聲納系統(tǒng)檢測可視和聲學(xué)信號的能力增強(qiáng)了25%,錯誤報警率下降了40%;在信號被檢測到后,聲納操作人員識別和分類信號的速度加快了27分鐘(分類是通過將檢測到的信號與數(shù)據(jù)庫中的信號進(jìn)行比較);在檢測到可視和聲學(xué)信號之后,潛艇避免被發(fā)現(xiàn)的時間延長了25分鐘。

另外,洛克希德·馬丁公司的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程與試驗(yàn)中心(CSETS)也采用并集成商用現(xiàn)成(COTS)的計(jì)算機(jī)技術(shù)來改進(jìn)美國海軍“宙斯盾”武器系統(tǒng)的能力?！爸嫠苟堋蔽淦飨到y(tǒng)已經(jīng)從“基線5”型發(fā)展到6.3型、7.1型,越來越多的商用技術(shù)應(yīng)用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中,而這些計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是“宙斯盾”武器系統(tǒng)的核心,美海軍甚至希望計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以100%的使用現(xiàn)用商業(yè)技術(shù)。

由上述發(fā)展計(jì)劃可以看到,隨著對軍用計(jì)算機(jī)性能、價格等方面要求的不斷提高,COTS技術(shù)因其特有的優(yōu)勢,其應(yīng)用不斷得到推廣,占據(jù)著越來越重要的位置。

3.2 美海軍應(yīng)用COTS技術(shù)的模式

以軍用計(jì)算機(jī)為例,自從1994年起,COTS技術(shù)開始廣泛應(yīng)用于美國軍用計(jì)算機(jī)中。近20年來的發(fā)展,COTS硬件和軟件成為絕大多數(shù)美國軍用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)、制造、升級的基礎(chǔ),但這些軍用計(jì)算機(jī)并不是嚴(yán)格定義的COTS產(chǎn)品,而是基于COTS技術(shù),進(jìn)行相應(yīng)改裝的產(chǎn)品。今后,按客戶需求進(jìn)行COTS改裝形成軍用裝備成為美軍方采辦的原則,特別是對于軍用計(jì)算機(jī)更是如此。這種趨勢日益豐富和發(fā)展了COTS概念,并已越來越深刻地影響美軍用計(jì)算機(jī)的研制和生產(chǎn)?？傮w來說,按客戶需求定制COTS產(chǎn)品、采用模塊化設(shè)計(jì)方式,以及必須具備軍工經(jīng)驗(yàn)支持成為美軍COTS技術(shù)應(yīng)用于軍用信息裝備領(lǐng)域的基本模式和要求。

1) 客戶需求定制

目前,國際上已有許多公司從事根據(jù)軍用客戶需求定制軍用計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)。如Microlink公司,其專業(yè)定制設(shè)計(jì)的VME和CPCI加固計(jì)算機(jī)已廣泛用于軍用飛行器以及美國海軍研究試驗(yàn)室等項(xiàng)目中;CRI公司產(chǎn)品50%左右為按軍用客戶需求而定制的,其生產(chǎn)的SGIOnys Ⅱ型計(jì)算機(jī)工作站是一款非常成功的需求定制的緊湊型COTS產(chǎn)品;此外,還有一些介于標(biāo)準(zhǔn)和全定制加固計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)之間的公司,如Dolch公司等。

2) 模塊化設(shè)計(jì)

模塊化設(shè)計(jì)是眾多從事定制軍用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的公司的核心技術(shù)之一。如Miltope公司通過采用模塊化設(shè)計(jì)方式,保證其產(chǎn)品可最大程度上滿足不同客戶需求。該公司以典型軍用環(huán)境需求為目標(biāo),按照極端惡劣環(huán)境要求進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì),因此其設(shè)計(jì)的加固計(jì)算機(jī)可適用于不同的軍用領(lǐng)域;模塊化設(shè)計(jì)方式在Dolch公司也得到應(yīng)用,有利于Dolch公司采用在類似工作條件下已經(jīng)得到證實(shí)可用的COTS組件,與COTS組件供應(yīng)商建立穩(wěn)定的供求關(guān)系,以及通過提高定制設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的效率以獲取更高的效益。但是模塊化設(shè)計(jì)也存在其局限性,設(shè)計(jì)一種適用于所有客戶需求的高度模塊化計(jì)算機(jī)是基本不可能的,因?yàn)檫@種方式極其昂貴。

3) 軍工經(jīng)驗(yàn)支持

將COTS計(jì)算機(jī)及其部件用于軍事用途,需要大量的專業(yè)軍工經(jīng)驗(yàn)做支撐。如Argon、Microlink等公司的所有工程師均出身國防工業(yè),具備了大量的專業(yè)軍工經(jīng)驗(yàn),并能深刻理解軍用規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。這些經(jīng)驗(yàn)都是從諸如Boeing、Raytheon、Hughes等公司逐步積累起來的,可以說,如果沒有具備軍工設(shè)計(jì)的人才和經(jīng)歷,應(yīng)用COTS技術(shù)和產(chǎn)品的工作是不可能有效進(jìn)行的。

總之,美軍裝備中應(yīng)用COTS技術(shù)已經(jīng)是廣泛趨勢,使得艦載作戰(zhàn)系統(tǒng)也能享受到商用計(jì)算機(jī)性能越來越高,價格越來越便宜的好處,突破以往性能提升不易的障礙。而軟件則因穩(wěn)定性與安全性的考慮,在使用商用技術(shù)方面的步調(diào)落后于硬件COTS產(chǎn)品的應(yīng)用。

4 COTS技術(shù)應(yīng)用存在的問題

當(dāng)前,COTS技術(shù)和產(chǎn)品在我軍艦載信息裝備中應(yīng)用還存在以下幾個方面的問題。

4.1 COTS技術(shù)和產(chǎn)品的應(yīng)用存在突出的兩面性

盡管COTS技術(shù)和產(chǎn)品正得到越來越多的應(yīng)用,但是從另一個角度來說,正是隨著COTS技術(shù)的應(yīng)用的發(fā)展和延伸,其不足和局限性日漸明顯,如何改善或改進(jìn)不足,擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域,是目前迫切需要解決的關(guān)鍵問題。

1) 自主安全、保密問題。安全保密工作對于國防事業(yè)尤為重要。在全球化浪潮下,商用技術(shù)和產(chǎn)品難以避免國外技術(shù)和產(chǎn)品的來源,目前我軍配備的計(jì)算機(jī)及其系統(tǒng)大量使用國外計(jì)算機(jī)硬件及系統(tǒng)軟件,其系統(tǒng)的安全保密問題在國防安全和現(xiàn)代軍備競爭中的關(guān)鍵性毋庸置疑,但卻無法得到很好的解決;另外標(biāo)準(zhǔn)的COTS產(chǎn)品不能對某些應(yīng)用提供一切必要的性能,COTS標(biāo)準(zhǔn)選擇不當(dāng)則會引入風(fēng)險。因此,當(dāng)軍用計(jì)算機(jī)及其系統(tǒng)的可靠性存在問題時或?qū)τ陉P(guān)鍵性任務(wù),一定要經(jīng)過反復(fù)驗(yàn)證,再決定是否采用COTS技術(shù)或者選擇何種COTS產(chǎn)品、標(biāo)準(zhǔn)等。因此,在應(yīng)用COTS技術(shù)開發(fā)軍用計(jì)算機(jī)及其系統(tǒng)時,不僅要對引進(jìn)的COTS技術(shù)、產(chǎn)品、標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行深入的研究,還應(yīng)該同步研制自主可控知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品,從源頭上杜絕發(fā)生安全保密事故。

2) 適應(yīng)性問題。一方面,由于商用計(jì)算機(jī)市場幾乎沒有按軍用環(huán)境要求設(shè)計(jì)制造產(chǎn)品、開發(fā)新技術(shù)、頒布新標(biāo)準(zhǔn);另一方面,軍用環(huán)境,如高溫、振動、實(shí)時操作等對產(chǎn)品要求甚高,如果完全采用軍用標(biāo)準(zhǔn)來衡量、選擇商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的COTS產(chǎn)品,則會在很大程度上減小COTS在軍用計(jì)算機(jī)及其系統(tǒng)中的應(yīng)用范圍,甚至難以獲取滿意的選擇結(jié)果。為此,在使用COTS時,一方面對其的評價和選擇標(biāo)準(zhǔn)需要做必要的修改或偏移,以增強(qiáng)其應(yīng)用功能和適應(yīng)能力;另一方面,應(yīng)該用需求來影響供應(yīng),以提供滿足其緊迫需要的COTS產(chǎn)品和服務(wù)。

4.2 牽引COTS應(yīng)用的開放系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)欠缺,COTS產(chǎn)品的應(yīng)用有待規(guī)范

COTS產(chǎn)品能否在軍事領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵在于它們的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范是否一致。為此,需要采用一種與商用/工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)一致的開放的系統(tǒng),以便COTS產(chǎn)品能夠引入;另外由于最新的COTS計(jì)算機(jī)產(chǎn)品一般都基于最新的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn),產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化程度高,易升級,且支持多種標(biāo)準(zhǔn),美海軍為推廣COTS技術(shù),提出了計(jì)算機(jī)開放系統(tǒng)實(shí)施計(jì)劃COSIP(Computer Open System Implementation Program),該計(jì)劃把海軍標(biāo)準(zhǔn)化要求同開放式結(jié)構(gòu)及商用現(xiàn)成技術(shù)相結(jié)合,強(qiáng)調(diào)采用能有效改善海軍平臺安全性、機(jī)動性及連續(xù)作戰(zhàn)能力的商用計(jì)算機(jī)。開放式系統(tǒng)正是在這種軍事需求的牽引下誕生的。而COTS技術(shù)則是實(shí)現(xiàn)開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的支持技術(shù)之一。

開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不僅涉及計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu),而且涉及網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)和應(yīng)用體系結(jié)構(gòu)。對開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的一般認(rèn)識是:廣泛采用商用標(biāo)準(zhǔn)的COTS軟硬件產(chǎn)品、標(biāo)準(zhǔn)和完全確定的接口;支持相互可操作性;以最低的費(fèi)用和對現(xiàn)有系統(tǒng)部件的最小影響,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能和能力的增長、支持軟件的重用和可移植性,以及產(chǎn)品渠道和開發(fā)方式上的開放性。

此外,開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是由開放系統(tǒng)接口標(biāo)準(zhǔn)所定義的一個結(jié)構(gòu)框架,具有可移植性、可變規(guī)模性、可交互操作性。該結(jié)構(gòu)最具吸引力的是在計(jì)劃開發(fā)、采購、維修及更新時能降低成本,增加了可重新使用機(jī)會,更有可能使用COTS,還能快速建立系統(tǒng)模型。采用該結(jié)構(gòu)后,較好地解決了系統(tǒng)的功能擴(kuò)充、修改、元器件的更新?lián)Q代。開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由民用向軍用推廣存在著爭論,主要由于標(biāo)準(zhǔn)的和最佳性能不能兼顧,一些領(lǐng)域還不能完全滿足軍事上的需要,這就要和專利性標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合。另外,同樣的接口,可能有幾個開放式結(jié)構(gòu)的選擇,減少了可重用的優(yōu)點(diǎn)。但不管如何,開放式工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)向軍用過渡趨勢已很明顯,因?yàn)樵摌?biāo)準(zhǔn)為減少成本,增加競爭,增加可互用性提供了潛在的優(yōu)勢。為此,美國有關(guān)方面正在不斷探索開放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)向軍事上應(yīng)用的轉(zhuǎn)移,其發(fā)展趨勢是不可逆轉(zhuǎn)的。

4.3 COTS應(yīng)用范圍還未明確界定,應(yīng)用缺乏指導(dǎo)

在軍用計(jì)算機(jī)大量采用COTS技術(shù)時,必須考慮COTS的可靠性和抗惡劣環(huán)境的性能。從而在實(shí)際上也需要限定COTS產(chǎn)品的軍用范圍。

目前,在我國還缺乏COTS產(chǎn)品應(yīng)用的相關(guān)范圍和評價標(biāo)準(zhǔn),基本是各個研制單位自行其事,COTS產(chǎn)品應(yīng)用指導(dǎo)缺失,從而在裝備的實(shí)際的效能和可靠性等方面,難以進(jìn)行有效評估。不利于統(tǒng)一規(guī)范和引導(dǎo)COTS技術(shù)在裝備中合理應(yīng)用。

4.4 缺乏COTS應(yīng)用的可靠性風(fēng)險控制方法

軍事裝備研制中,采用COTS技術(shù)是一把雙刃劍,既可能獲得巨大的收益,也包含了巨大的風(fēng)險。其收益主要體現(xiàn)在:加快裝備研制進(jìn)度;降低研制費(fèi)用;技術(shù)成熟;批量大,COTS缺陷暴露充分;可以產(chǎn)生競爭環(huán)境。其風(fēng)險主要體現(xiàn)在可靠性方面,在軍用環(huán)境中,COTS是否可靠、故障是否可測、是否易修、可否持續(xù)保障。顯然,要實(shí)現(xiàn)COTS的巨大收益,必須配套采取有效的管理措施和技術(shù)手段,降低其應(yīng)用風(fēng)險。

要控制COTS可靠性風(fēng)險,必須首先找出風(fēng)險源。分析COTS可靠性風(fēng)險源,可以從軍民品使用環(huán)境的差異、裝備的可靠性(含維修性、維修保障)要求、國情化特色等方面著手。COTS主要包括以下可靠性風(fēng)險源。

1) 不能滿足軍用環(huán)境的要求:COTS技術(shù)和產(chǎn)品的適用性不能完全覆蓋裝備的任務(wù)能力需求;供貨商不能按照要求進(jìn)行環(huán)境適應(yīng)性修改。

2) 可靠性不能滿足軍事用途要求:COTS故障的后果不能預(yù)期,某些故障在民用中其影響可能是可接受的,在裝備及軍事系統(tǒng)中則可能是致命的;對于只在航空航天及軍事使用中暴露的故障,供貨商能否及時對故障采取糾正措施;由于軍民品任務(wù)適用性的巨大差異,COTS在航空航天及軍事使用環(huán)境下的可靠性水平難以準(zhǔn)確預(yù)期。

3) 維修性不能滿足軍事用途要求:COTS故障后的檢測、隔離、恢復(fù)能力與裝備BIT/ATE系統(tǒng)不能兼容;COTS故障后的故障檢測、隔離、恢復(fù)能力不能滿足裝備及軍事系統(tǒng)的嚴(yán)格要求;COTS故障后不能滿足快速更換、分級維修的要求,不能與裝備保障系統(tǒng)相協(xié)調(diào)。

4) 維修保障不能滿足/持續(xù)滿足軍用要求:民品供貨商存在市場競爭風(fēng)險,供貨商可能被迫改變;民品技術(shù)升級后COTS可能不再大批量生產(chǎn)或停產(chǎn),升級后的產(chǎn)品應(yīng)是后向兼容的,以實(shí)現(xiàn)COTS的持續(xù)保障;供貨商自身的供貨鏈的持續(xù)保障能力;應(yīng)分析供貨商的子供貨商的持續(xù)供給與保障能力。

5) 特殊風(fēng)險:軍民品質(zhì)量水平差異較大,應(yīng)特別加強(qiáng)供貨商及COTS產(chǎn)品的質(zhì)量甄選;軍品批量小,導(dǎo)致對供貨商及COTS產(chǎn)品的管理監(jiān)控難度增大;應(yīng)特別強(qiáng)調(diào)進(jìn)口民用產(chǎn)品的持續(xù)保障風(fēng)險;非自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)產(chǎn)品的持續(xù)保障風(fēng)險。

5 COTS產(chǎn)品在裝備中應(yīng)用的推進(jìn)措施建議

5.1 制定COTS應(yīng)用的管理辦法和規(guī)范

1) 制定裝備COTS應(yīng)用工作原則

研究總結(jié)國內(nèi)外的裝備研制思路,軍品研制中選用COTS(設(shè)備/分系統(tǒng)、軟件和元器件)應(yīng)遵循下列原則。

性能原則:COTS必須滿足軍事裝備技術(shù)指標(biāo)及接口要求、重量要求、空間要求等。

經(jīng)濟(jì)性原則:綜合考慮采購與保障費(fèi)用,COTS的采用必須在壽命周期費(fèi)用上是合算的。

環(huán)境適應(yīng)性原則:COTS必須能在軍事環(huán)境下正常工作,應(yīng)能承受預(yù)期的極限溫度、振動、濕度、輻射、鹽霧、霉菌等使用環(huán)境。

可靠性原則:COTS必須能在軍事環(huán)境下可靠工作,并防止災(zāi)難性故障后果[4]。

維修保障原則:COTS必須與現(xiàn)有的維修保障體系相協(xié)調(diào),并能快速診斷、更換、修理和持續(xù)保障。

安全性原則:COTS產(chǎn)品必須安全可控,防止在裝備對抗及使用過程中被操控和癱瘓的風(fēng)險[5]。

性能原則和經(jīng)濟(jì)性原則是選用COTS時必須具備的前提,環(huán)境適應(yīng)性原則、可靠性原則、維修保障原則則更多對應(yīng)的是風(fēng)險,稱之為可靠性風(fēng)險[6],因此必須建立相應(yīng)的風(fēng)險規(guī)避機(jī)制。

2) COTS應(yīng)用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范建立

裝備系統(tǒng)有其比較苛刻的環(huán)境適應(yīng)性和物理特性匹配性要求,特別是艦船裝備的高溫、高濕、高鹽“三高”環(huán)境。商用標(biāo)準(zhǔn)如接口標(biāo)準(zhǔn)和工具標(biāo)準(zhǔn),若以嚴(yán)格符合形式應(yīng)用于裝備系統(tǒng),在許多情況下是行不通的。

在基于COTS產(chǎn)品進(jìn)行裝備系統(tǒng)設(shè)計(jì)和集成過程中,前期需要對COTS產(chǎn)品的準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn),需求符合度,產(chǎn)品“六性”等建立完善的產(chǎn)品采購、測試和準(zhǔn)入制度[7];在后期裝備系統(tǒng)選型過程中,對COTS產(chǎn)品的選用要建立產(chǎn)品選用的指導(dǎo)性文件和規(guī)范[8];在裝備系統(tǒng)設(shè)計(jì)與集成過程中,對COTS產(chǎn)品的適應(yīng)性,以及系統(tǒng)的整體符合性要建立完善的驗(yàn)證、評估標(biāo)準(zhǔn)[9]?；贑OTS產(chǎn)品的裝備系統(tǒng)設(shè)計(jì)與集成都要建立在這些完善的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的指導(dǎo)下進(jìn)行。

另外,對于COTS商用標(biāo)準(zhǔn)與裝備系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)之間有一定的沖突:沒有完全嚴(yán)格遵從裝備標(biāo)準(zhǔn)的商品,但存在滿足需求的非標(biāo)準(zhǔn)商品。因此必須要以標(biāo)準(zhǔn)決定COTS應(yīng)用的整個過程,即在眾多標(biāo)準(zhǔn)中提選出適合需求的標(biāo)準(zhǔn)、明確標(biāo)準(zhǔn)在整個系統(tǒng)中的作用、明確必須實(shí)現(xiàn)的接口、盡可能選擇商業(yè)標(biāo)準(zhǔn),并積極參與標(biāo)準(zhǔn)的制定。

3) COTS應(yīng)用體系的完善

首先,采用基于COTS的裝備研發(fā)和采辦策略必須建立完善的組織體系,對COTS裝備系統(tǒng)的產(chǎn)品準(zhǔn)入,產(chǎn)品分析,產(chǎn)品選型,評估機(jī)制以及維護(hù)保障機(jī)制進(jìn)行全面的組織和管理。組織體系是所有行動的基本保障,也是各項(xiàng)活動的基礎(chǔ),只有組織體系的保障下,COTS產(chǎn)品在裝備系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)程才能有序的推進(jìn)。

第二,建立基于COTS的裝備研發(fā)和采辦策略的法規(guī)制度體系,目前,COTS產(chǎn)品在裝備領(lǐng)域的應(yīng)用過程中,產(chǎn)品的檢驗(yàn)規(guī)范,選型規(guī)范,可靠性、安全性標(biāo)準(zhǔn),以及評估和驗(yàn)證制度等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范都比較欠缺。雖然軍方和民用領(lǐng)域的積極性都很高,但由于沒有法規(guī)制度的約束和規(guī)范,采用COTS產(chǎn)品進(jìn)行裝備系統(tǒng)研制則難以深入和拓展。

第三,要建立有效的評估檢驗(yàn)體系。以評估和檢驗(yàn)COTS產(chǎn)品在裝備系統(tǒng)中應(yīng)用的技術(shù)成熟度、可行性等問題。

5.2 加強(qiáng)COTS的應(yīng)用領(lǐng)域界定

基于COTS產(chǎn)品進(jìn)行裝備系統(tǒng)設(shè)計(jì)和研制首先要對裝備系統(tǒng)中COTS的應(yīng)用領(lǐng)域及需求進(jìn)行詳細(xì)的分析和研究。

1) 需求定義,分析裝備系統(tǒng)應(yīng)用需求及COTS產(chǎn)品的需求滿足度,確認(rèn)COTS產(chǎn)品的適用范圍。

2) COTS產(chǎn)品識別與選擇,減少詳細(xì)評估時的候選COTS產(chǎn)品數(shù)量。通過分析COTS開發(fā)商提供的文檔、評述、識別者的先驗(yàn)知識和專家的建議進(jìn)行產(chǎn)品評估。

3) COTS產(chǎn)品檢驗(yàn),充分理解實(shí)際COTS產(chǎn)品可獲得的功能、性能、質(zhì)量,深入了解COTS產(chǎn)品與裝備系統(tǒng)的適配度。

4) 可行性研究,從需求定義、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、工作量估測和風(fēng)險評估等四個角度分析采用COTS產(chǎn)品的可行性。以多元化的研究方案針對不同COTS產(chǎn)品、產(chǎn)品組合和有無COTS產(chǎn)品開展系統(tǒng)的可行性論證。

5) 做出決策,在已獲取的資料基礎(chǔ)上,結(jié)合產(chǎn)品研發(fā)預(yù)算、開發(fā)成本和風(fēng)險進(jìn)行決策。根據(jù)具體情況選擇相應(yīng)的決策方法,綜合權(quán)衡需求、成本和風(fēng)險等各方面因素對COTS產(chǎn)品進(jìn)行界定。

5.3 嚴(yán)格COTS產(chǎn)品選型及風(fēng)險控制

COTS產(chǎn)品的選擇將影響到開發(fā)過程的復(fù)雜度、開發(fā)代價以及目標(biāo)系統(tǒng)的功能和性能。因此,如何從眾多的COTS產(chǎn)品中合理選擇產(chǎn)品就成為裝備系統(tǒng)研制的首要問題。

COTS產(chǎn)品的選擇主要從兩個方面進(jìn)行:一是管理角度,即有關(guān)COTS的可獲取性、安全認(rèn)證、注冊、升級、價格、知識產(chǎn)權(quán)、壽命周期等問題的協(xié)商和談判;二是技術(shù)角度,即結(jié)合COTS功能、質(zhì)量和項(xiàng)目條件進(jìn)行評估。

COTS產(chǎn)品的選擇過程包括系統(tǒng)的規(guī)劃評估、評估準(zhǔn)則的建立、產(chǎn)品數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)分析和決策選擇等環(huán)節(jié)。一般而言,COTS的選擇評估并不是一個規(guī)劃評估、建立評估準(zhǔn)則、收集數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)和做出選擇的順序過程,而是一個復(fù)雜的過程,如圖1所示。 1) 收集數(shù)據(jù)過程中的意外發(fā)現(xiàn)、 2) 分析數(shù)據(jù)后對COTS的新的理解都可能需要重新修正評估計(jì)劃。此外, 3) 分析數(shù)據(jù)也可能發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的缺陷并要求重新收集數(shù)據(jù)或 4) 分析的結(jié)論促使新的評判準(zhǔn)則的產(chǎn)生。

COTS產(chǎn)品選擇也可能帶來產(chǎn)品的選型風(fēng)險。COTS產(chǎn)品的使用引起很多組織發(fā)生改變,而已采用COTS方法的組織并沒有意識到這些改變或者對這些改變認(rèn)識不到位,這就導(dǎo)致對COTS產(chǎn)品抱有不切實(shí)際的期望,或被誤導(dǎo)試圖修改COTS產(chǎn)品,或者當(dāng)新方法更簡單適用時,依然堅(jiān)持傳統(tǒng)的開發(fā)方法或堅(jiān)持與使用COTS方法不相符的行為。上述種種行為都給裝備系統(tǒng)的開發(fā)、保障帶來了風(fēng)險。因而,如何降低或規(guī)避風(fēng)險就成為COTS產(chǎn)品選型過程中風(fēng)險評估的主要任務(wù)。

圖1 COTS選擇評估過程

5.4 做精基于COTS的裝備系統(tǒng)設(shè)計(jì)與集成

在裝備系統(tǒng)的設(shè)計(jì)階段,如何關(guān)聯(lián)和集成各COTS產(chǎn)品以及開發(fā)非COTS模塊是設(shè)計(jì)階段考慮的主要問題。此外,還需對風(fēng)險、集成工作量以及全部代價進(jìn)行重新評估。

集成階段主要將各COTS產(chǎn)品、非COTS模塊及連接件“組裝”集成,研制和選擇COTS產(chǎn)品的軟硬件集成環(huán)境和連接件,最終滿足裝備系統(tǒng)的應(yīng)用需求。裝備系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)之后同時還需對系統(tǒng)按裝備系統(tǒng)的規(guī)范和需求進(jìn)行完善的集成測試。

5.5 加強(qiáng)基于COTS的裝備系統(tǒng)驗(yàn)證與評估

由于是基于COTS產(chǎn)品進(jìn)行的裝備系統(tǒng)設(shè)計(jì)和集成,各COTS產(chǎn)品的功能、性能及可靠性、安全性等與裝備系統(tǒng)的應(yīng)用需求都存在差異,因此,對裝備系統(tǒng)進(jìn)行全面的評估和驗(yàn)證是需要重點(diǎn)考慮的問題。在裝備系統(tǒng)驗(yàn)證和評估過程中,以下幾個方面是需要深入分析和研究的問題:

1) 保障性評估。COTS產(chǎn)品采辦的持續(xù)、穩(wěn)定、可靠地供貨,以及后期產(chǎn)品的可靠性與維修保障支持等是裝備系統(tǒng)保障性評估要考慮的問題,應(yīng)從采購與保障費(fèi)用兩方面進(jìn)行裝備系統(tǒng)全壽命周期費(fèi)用進(jìn)行綜合分析。

2) 性能、可靠性驗(yàn)證。對單體COTS產(chǎn)品、基于COTS產(chǎn)品集成后的裝備系統(tǒng)的性能和可靠性要根據(jù)裝備系統(tǒng)的需求定義和相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行全面的功能、性能和可靠性驗(yàn)證,并將COTS產(chǎn)品的功能、性能、可靠性的選用規(guī)范化地納入裝備研制過程之中。

3) COTS故障仿真驗(yàn)證。模擬裝備系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境,分析裝備系統(tǒng)的故障可能能,建立COTS產(chǎn)品的故障注入平臺和故障檢測機(jī)制,仿真分析COTS產(chǎn)品及其集成系統(tǒng)在軍用環(huán)境下的故障情況、容錯能力與可靠性水平。

4) 安全性評估。由于不存在絕對安全的COTS產(chǎn)品,因此必須假定所有的COTS構(gòu)件均存在潛在的系統(tǒng)脆弱源,通過安全風(fēng)險分析來選擇合適的安全策略。裝備系統(tǒng)的安全需求包括機(jī)密性、完整性、訪問控制、認(rèn)證與不可抵賴性等,提供這些安全的機(jī)制主要包括認(rèn)證、授權(quán)與加密技術(shù)等,但是,COTS產(chǎn)品由于其“黑箱”性,裝備系統(tǒng)研制時不能依據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)圖、源代碼等對COTS產(chǎn)品進(jìn)行安全分析和測試,因此必須解決裝備系統(tǒng)的安全需求與COTS產(chǎn)品“封閉性”之間的沖突。同時在分析安全因素時,必須考慮裝備系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)。只有符合裝備系統(tǒng)安全性標(biāo)準(zhǔn)的COTS產(chǎn)品,才能作為裝備系統(tǒng)的選型產(chǎn)品。

[1] M. Morisiod, C. B. Seamanb, c, V.R. Basili a,c, A.T. Parrae, S.E. Kraftf. COTS-based software development: Processes and open issues[J]. The Journal of Systems and Software,2002,61:189-199.

[2] 李明.美海軍開放式體系架構(gòu)計(jì)算環(huán)境發(fā)展綜述及啟示[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程,2012,40(12):56-59.

[3] 董曉明,石朝明,黃坤,等.美海軍DDG-1000全艦計(jì)算環(huán)境體系結(jié)構(gòu)探析[J].中國艦船研究,2012,7(6):7-14.

[4] 歐中紅,袁由光,趙曉勇,等.基于COTS技術(shù)的高可靠通用容錯計(jì)算機(jī)容錯機(jī)制研究[J].計(jì)算機(jī)科學(xué),2006,33(4):284-288.

[5] Ronald ORourke. Navy Aegis Ballistic Missile Defense(BMD) Program: Backgmund and Issues for Congress[R]. Apr,2011.

[6] 董曉明,馮浩,石朝明,等.全艦計(jì)算環(huán)境體系結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)集成框架[J].中國艦船研究,2012,9(1):7-13.

[7] 李明,唐亮,王允峰,等.全艦計(jì)算環(huán)境工程項(xiàng)目管理研究[J].艦船電子工程,2012,32(12):4-8.

[8] Department of defense joint technical architecture(JTA). version 2.0[R/OL]. 1998. [2013-06-30].http://oai.dtic.mil/oai/oai？verb=getRecord&metadata?Prefix=html&identifier=ADA350368.

[9] THOMAS L. Ship design and construction[M/OL]. New York: The Society of Naval Architects and Marine Engineers,2004[2013-01-19]. http://legacy.sname.org/newsletter/VOLIITOC.pdf.

Enlightenment of COTS Appliance in USA Navy

WANG Li

(Oya International College of Henan University, Kaifeng 475001)

The proposition, concept, main technological innovations and application model of USA navy COTS(Commercial-Off-The-Shelf) strategy was briefly analyzed in this paper. The problems of COTS application process was summarized, and some recommendations of COTS appliance of Chinese navy was brought out, to provide reference of development of shipboard information system.

commercial-off-the-shelf, open architecture, shipboard information system

2015年1月5日,

2015年2月27日 作者簡介:王立,男,實(shí)驗(yàn)師,研究方向:實(shí)驗(yàn)教學(xué)與管理。

TN919.3

10.3969/j.issn1672-9730.2015.07.006