技术进步正在改变军事系统（尤其是海军系统）的设计、开发与维护方式。二十世纪，随着私营部门引领互联网与个人计算崛起的技术创新，海军日益采用商业技术。二战后的军事系统依赖定制的电子设备与在独特操作系统上运行的专用软件。受限于有限的存储与处理能力，这些系统必须精简且确定性强。例如，像UYH-十六型这样的十余件军用规格设备的总存储容量，现可容纳于八美元的通用串行总线存储设备中。随着时间的推移，随着内存与处理能力的扩展，这些单体软件程序规模不断扩大，在纳入新功能的同时保留了过时的架构。这给向微服务与先进硬件等现代技术过渡带来了挑战。尽管现代化改造成本高昂且复杂，但对保持战备状态至关重要。无人水面艇、"宙斯盾"虚拟化与综合作战系统等项目的工作，体现了美海军在采用更敏捷、可扩展系统及加速舰队部署方面的进展。这些举措反映了海军有效且高效利用技术进步以保持作战准备状态的承诺。
图. 综合作战系统遗产代码重新架构方法。来源：综合作战系统项目执行办公室（2024年）。
美海军作战系统发展受限于冗长的测试、评估与认证流程，部分原因在于传统的单体软件架构。单体计算将所有组件集成到单一代码块中，虽简化了部署却带来可扩展性与维护挑战。任何修改都需要完全重新编译，增加了复杂性并拖慢开发周期。
A. 向现代架构转型
技术进步推动美国海军系统从定制军用硬件转向商业基础架构。现代微服务提供模块化方法，提升灵活性与可扩展性（Newman，2021年）。通过去中心化软件设计，微服务将应用程序构建为通过应用程序编程接口或消息队列进行通信的独立、松散耦合服务。与单体系统不同，微服务支持独立开发、部署与扩展，增强可维护性与韧性（Lewis & Fowler，2014年）。每个服务自主运行，实现针对性扩展并减少资源低效。例如，高流量推荐引擎可与计费系统分开扩展。此外，微服务支持多样化技术栈，根据服务特定需求优化性能（Nadareishvili等人，2016年）。
B. 克服遗留系统挑战
现代化软件架构需理解现有系统及其原始设计选择。单体架构将用户界面、业务逻辑与数据管理集成到紧耦合实体中，使开发与维护复杂化。微小更新可能无意影响无关组件，导致错误风险增加与开发周期延长（Bass等人，2021年）。向微服务过渡通过将应用程序分解为独立服务来缓解这些挑战。该方法增强灵活性、减少依赖性并改进故障隔离，确保软件高效演进。然而，微服务引入复杂性，如通信开销、延迟以及跨分布式系统的数据一致性挑战。确保无缝交互同时维持可靠性安全性需要精密解决方案。
C. 通过开发运维实现敏捷开发
采用微服务与持续集成或持续部署相结合，加速升级、降低风险并增强系统能力。先进的开发运维实践（如自动化测试、基础设施即代码与容器化）促进微服务部署与监控（Newman，2021年）。Docker与Kubernetes等工具简化操作，提升大型演进中应用程序的可扩展性与敏捷性。尽管存在操作复杂性，开发运维促进自动化、协作与持续改进。持续集成、自动化测试与集中监控等关键实践有助于缩短上市时间并提升软件质量。然而，将开发运维与微服务集成也带来挑战，包括工具复杂性增加、文化适应与网络安全问题。战略规划与现代开发工作流对克服这些障碍至关重要。
D. 海军向微服务转型
美海军从定制计算硬件软件向现代架构的转型，使基于微服务的流程实施成为可能。这些进步使得软件能力能在数周而非数月或数年内快速部署。全面实施后，这些技术将显著降低开发、测试、认证与分发成本，同时提升作战准备状态与应对新兴威胁的响应能力。美国海军已完成从定制计算硬件软件向现代架构的转型，使相关流程得以实施，从而在数周而非数月或数年内部署基于微服务的粒度化软件。这些使能技术全面实施后，将降低能力开发、测试、认证与分发的成本。
E. 无人水面艇计算基础设施快速原型设计
2020年秋季，海军水面战中心达尔格伦分部计算基础设施小组受命开发交付原型设备，以支持大型无人水面艇项目的"宙斯盾"武器系统与"战斧"武器系统要素。初始部署要求于2023年底前为大型无人水面艇首平台提供政府供给设备。作为大型无人水面艇综合作战系统的主要项目管理者，项目执行办公室综合作战系统80部门强调需要现代化计算基础设施，具备虚拟化作战计算机程序与先进网络、处理及存储硬件。当时，TI16采购计划正在为美国海军水面部队提供网络处理存储硬件。然而，该计划选定的硬件已接近淘汰。至2023年大型无人水面艇部署其初始政府供给设备时，基于TI16的基础设施已超8年之久，引发对其长期生存能力与技术相关性的担忧。在现代防御领域，先进计算与网络能力对确保任务成功至关重要。对无人水面艇项目而言，快速、灵活且高效采购尖端技术的能力极为关键。该项目利用其他交易授权进行原型开发，以快速、灵活且经济高效地开发创新解决方案。其他交易授权使政府能在10个月内从设计到首站点交付军用规格机柜中的现代网络、存储与计算硬件。该方法立即缩小了军事与商业能力间的技术差距，并为部署基于微服务的现代化虚拟化与容器化软件提供了路径。利用其他交易授权交付无人水面艇综合作战系统计算基础设施硬件及基础设施即服务与平台即服务，确保了能在数月而非6至8年内交付相关解决方案。尽管使用其他交易授权将开发者限制于解决方案范围内，但它使团队能集中全部精力于组装组件设计与集成，以交付可行解决方案。这种基于其他交易授权的硬件快速原型设计与交付称为"铸造厂硬件工厂"，向美国海军水面作战系统交付硬件与基础设施即服务。虽然更传统采办流程包含冗长产品选择过程（常伴随长达数年的评估），无人水面艇其他交易授权流程让小型开发团队专注于"制造工作"与进度安排。知悉所交付解决方案现代化且得到大量商业部署与应用支持，团队专注于关键开发特性，确信底层硬件软件支持系统要求。
F. 综合作战系统概念
快速交付作战能力的下一关键使能因素是软件重新架构。该努力基于综合作战系统概念。美海军水面战中心达尔格伦分部工程师Alvin Murphy博士在为项目执行办公室综合作战系统撰写的论文中，详细阐述了综合作战系统作战管理系统概念参考模型，为现代海军作战系统提供全面框架。该模型确保传感器、武器系统、通信网络与决策工具的无缝集成以提升作战效能。综合作战系统旨在改进态势感知、优化资源使用并实现跨平台互操作性（Murphy，2022年）。核心组件作战管理系统作为核心处理单元，集成传感器数据、评估威胁并协调武器接战。它采用人工智能与机器学习进行实时数据融合、预测分析与决策支持，使操作员能快速响应演化威胁。系统的模块化与可扩展性便于升级与适应新技术，确保长期生存能力。该模型纳入网络安全措施以防范网络威胁，同时保持作战韧性。此外，系统之系统工程方法支持跨海军、空军与陆军联合作战，促进协同防御策略。通过应对资源约束、人为因素与生命周期管理等挑战，综合作战系统作战管理系统框架为现代海军环境建立了面向未来、适应性强且高效作战的系统。综合作战系统模型的关键原则包括：• 敏捷性：强调适应变化中作战与技术环境的灵活性。• 互操作性：确保跨平台与盟国的无缝通信。• 成本效益：通过模块化设计与高效采办流程降低生命周期成本。• 可扩展性：通过适应性强系统支持多样化任务需求。
G. 锻造厂
现代防御软件开发的关键使能因素是"Forge软件工厂"。"Forge"是国防部的一项倡议，专注于革命化防御系统的软件开发与交付。由美国海军主导，"Forge"作为软件工厂运营，利用现代开发实践与技术，快速高效生产高质量、任务关键型应用程序。"Forge"旨在应对传统防御软件开发的关键挑战，包括交付周期长、灵活性有限以及集成新兴技术的挑战。其主要目标为加速开发与部署：• 采用敏捷与DevSecOps方法论，"Forge"强调持续集成、测试与交付，以缩短向作战平台交付软件所需时间。• 确保可扩展性与适应性。• 专注于生产模块化、可扩展解决方案，能轻松适应演进中的任务需求，确保长期相关性与可用性。• 将网络安全嵌入开发。• 将安全集成到软件生命周期的每个阶段（DevSecOps），确保从一开始就具备针对网络威胁的强健防御。• 提供跨平台互操作性。• 采用模块化开放系统方法构建软件，确保美国海军与联合部队内多样化系统平台间的兼容性。
H. 结论
海军向现代软件架构（尤其是微服务）的转型对提升作战效率与适应性至关重要。微服务提供模块化、可扩展的方法，通过实现服务独立性、去中心化数据管理与更快更新，满足演进中的技术要求。这些优势增强系统韧性与适应性，确保作战系统能快速响应任务需求演进。然而，采用微服务引入挑战，包括管理复杂性增加、安全风险与操作开销。为最大化微服务效益，美国海军必须增强其开发运维能力。持续集成、自动化部署与快速迭代提升可扩展性与软件质量。但成功实施需要克服文化转变、工具复杂性与集成挑战。此外，其他交易授权等现代采办方法促进更快创新。大型无人水面艇项目例证了快速原型设计与虚拟化作战软件部署的效益，确保应对演进威胁的作战准备状态。综合作战系统与作战管理系统进一步推进美国海军作战能力。这些系统强调模块化、实时数据处理、人工智能驱动决策支持与增强网络安全。通过将敏捷与DevSecOps方法论同快速硬件原型设计相结合，美国海军确保其作战系统保持灵活、高效与面向未来。
原文
相关内容
微信扫码咨询专知VIP会员