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第45卷第2 1期2023年11月舰船科学技术SHIP SCIENCEAND TECHNOLOGYVol.45,No.21Nov.,2023舰船显控台技术发展与展望赵金鹏，邱刚刚(江苏自动化研究所，江苏连云港2 2 2 0 0 6)摘要：显控台是舰船电子信息系统的重要组成部分，其功能性能反映了舰船电子信息系统装备技术的发展，本文研究国外舰船基础软硬平台发展，对计算机体系、基础软硬件、计算机工程、显控与人机交互、显示、测试性可靠性和保障性技术等核心关键方面进行分析研究，阐述舰船显控台总体技术发展趋势，展望未来新一代舰船显控台总体技术的研究方向。关键词：显控台；计算机；总体技术；人机交互中图分类号：TP332文章编号：16 7 2-7 6 49(2 0 2 3)2 1-0 16 6-0 5Development and prospect of ship display console technology(Jiangsu Automation Research Institute,Lianyungang 222006,China)Abstract:The display console is a very important part for the ships electronic information system,which is a directmanifestation of the development of the ships electronic information system equipment technology.In this paper,the devel-opment of the basic software and hardware platforms of foreign ships are studied.The core key aspects are analyzed and re-searched,such as computer system,basic software and hardware,computer engineering,display control and human-com-puter interaction,display,test reliability and support technology.The overall technology development trend of ship displayconsole is summarized.The future research direction of the overall technology of the new generation ship display console isprospected.Key words:display console;computer;overall technology;human-computer interaction0引言舰船显控设备的发展先后经历了海军电子装备标准显控台和海军舰艇多功能标准显控台2 个发展阶段，标准显控台侧重统一外观形态、配套模块和对外接口，多功能标准显控台在提升硬件性能的同时，统一了基础软件标准，实现了基础软硬件的标准化、系列化和模块化。随着现代军事应用需求和信息电子技术的发展，舰船显控台的通用化、网络化、一体化、智能交互、人机协调等使用需求日益受到重视。美国“棱镜门”事件曝光后，对主要舰船显控台的安全性、可靠性提出了更高要求，特别是2 0 19 年“华为”事件后，全面运用自主可控产品，强化应用验证与系统集成优化，收稿日期：2 0 2 2-0 7-14基金项目：装备发展部“十四五”信息系统装备预研项目（50 9 12 0 2 0 10 5）作者简介：赵金鹏（19 8 9-），男，硕士，高级工程师，研究方向为电子设备与显控台总体设计、结构设计与电气测试。文献标识码：AZHAO Jin-peng,QIU Gang-gangdoi:10.3404/j.issn.1672-7649.2023.21.031大幅提升自主保障水平，满足多平台、多专业应用需求，充分体现以人为本，提升人机交互效率等逐渐成为舰船显控台自主可控发展和新型电子信息系统架构的普遍性要求。本文介绍国内外显控台总体技术的发展概况，在计算机体系、基础软硬件、计算机工程、显控与人机交互、显示、测试性可靠性和保障性技术等核心关键方面进行分析研究，指出国内外核心关键技术间的差异，对未来新一代舰船显控台技术的发展提出建议。1国内外发展现状1.1国外发展现状国外以美国海军为代表的发达国家舰船用基础软硬平台发展基本分为5个阶段，如图1所示。第1和第45卷节2 阶段可以统一归结为“集中式”软硬平台；第3阶段的舰船基础软硬平台称为“分布式”软硬平台；目前美国海军大量装备第4阶段的基础软硬平台称为“开放式”软硬平台，采用开放式体系结构和模块化、标准化设计，将各处理机、控制台、武器单元以及传感器通过数据总线或计算机网络互连起来，实现了资源共享和分散处理；第5阶段的基础软硬平台称为“网络式”软硬平台，以美军最新装备的大型水面舰艇DDG-1000为例，其分类采用标准设备，形成一个统一的综合显控平台，为全舰“即插即用”地集成各设备功能提供了一个开放、通用、标准的集成环境。20世纪9 0 年代以前，美国海军舰船显控台传统的模式是特定的任务系统、操控计算软件、操作系统、计算机大多一一对应，整体呈现“烟肉式”架构，如一型雷达会有专门的计算机、专门的雷达信号处理转换设备、专门的操控与显示系统。9 0 年代以后，显控台和计算机逐步走向通用化，各系统软硬件逐步分离，商用计算机开始逐步取代军用标准计算机，开放式体系结构逐步应用，使得商用技术广泛应用，实现通用化和互操作性，促进软硬件分离。美国海军在“福特”级航母等舰船上部署了通用显示系统（CDS），如图2 所示。通用显示系统（CDS）允许操作人员从任何显控台访问不同分类级别的应用程序和数据。通过同时显示多个独立安全级别的信息，消除单个台位只能执行单一分类级别数据的管理和操作限制，减少所需系统的数量，降低采购和维护成本4。21世纪以来，随着全舰计算环境的深人应用，美国海军舰船作战系统设备正全面向通用化、集成化发展，软硬件进一步分离，各类数据处于“网格化处赵金鹏，等：舰船显控台技术发展与展望重用应用&公共服务开放式体系结构进一步“公共功能”系统V公共服务升级完善/快速&可获得的升级+第3软硬件解藕基于分布式体系支持无限计算能力增长选择结构计算环境系统标准的系统第1&2当前系统图1美国海军基础软硬平台发展历程Fig.1 The development history of the basic soft and hard platform of the US Navy理”阶段。通过广泛采用标准化的商用现成计算机和网络硬件、分布式中间件，将上千舰载网络节点连接起来，将指挥、传感器、武器、舰船控制系统等具体应用通过中间件封装成分布式应用中的软部件，实现“即插即用”，提高了舰船平台对多种作战环境和任务的适应能力，系统总体能力有了大幅提升，理论上具备无限可扩展能力。图2 美军通用显示系统（CDS）显控台Fig.2US Army common display system（CD S）c o n s o l e1.2国内发展现状国内显控台的发展经历了第1代“机柜+挂架”结构显控台，第2 代“琴式/模块”结构显控台，目前正向新一代“公共计算环境”体制下显控台发展3。第一代“机柜+挂架”结构显控台是以标准机柜为载体或在标准机柜的基础上叠加结构附件组成的显控设备。其设计仅从满足显示控制的基本功能着手，未考虑人机工程学的相关要求，适用于空间紧凑的环境，挂件作为一个结构附件叠加在标准机柜前部，作为显示设备的前脸和操控设备的平台，一般为铸铝结167/平台提供计算服务第5显著提高自动化程度&全舰计算减少人员要求系统/增强的生存能力&无需维护的部署+第4公共作战应用提供性能逐步提升/支持公共功能采用符合OA系统的接口遗留应用168构，外表采用机械加工成型。第二代“琴式/模块”结构显控台其基本配置为显示单元、操控单元和电子机箱单元，各单元均为独立的结构单元，如图3所示。采用积木化组合方式成型，可根据使用要求任意并台。在保持原显控台功能、性能的前提下，通过结构件尺寸优化设计、形状优化设计、热通道优化设计、自动温控技术、碳纤维复合材料应用等措施实现设备轻型化、静音化，研发了轻静型显控台。同时又衍生出军贸显控台、车载显控台、易部署指挥工作台，可广泛应用于舰船、车载、机载、岸基环境等对设备重量及噪声有严格要求的环境中。图3第二代“琴式/模块”结构显控台Fig.3The second generation of Piano/Module structuredisplay consol随着云计算技术的普及和全舰计算环境体制的发展5，新型显控台正应运而生。其主要趋势是计算功能将逐渐从显控台中剥离出来，转移到公共计算服务设备中实现，同时充分吸收主流的商用显控技术，如超高清显示、语音操控、手势操控、综合光控等。在软件定义方面，显控台的界面信息和作战信息将根据战位人员的职位和密级自动推送，最大程度的实现台位共用。2核心关键技术发展分析在新时代、新形势、新需求、新技术的牵引和推动下，显控设备技术正处于自主可控的快速发展期，通过跨专业跨学科的融合创新和务实安全的应用创新，逐步实现从“芯”到“平台”的全方位基础核心技术和应用自主可控，构建安全可信的信息技术与产业生态环境，推进自主可控抗恶劣环境计算技术及应用的跨越式发展6 。2.1计算机体系技术抗恶劣环境体系结构计算机多在军事领域开展了研究和应用，主要解决复杂电磁与辐噪环境、温度与湿度环境、振动与冲击环境下的信息系统可靠性问舰船科学技术题。随着无人化、智能化及物联网设备的发展，空间受限、供电受限、资源受限的恶劣环境对嵌入式计算机体系结构的影响进一步加大，恶劣环境的内涵已由物理环境延伸至网、电、信息环境，因此对抗恶劣环境计算机小型化、低功耗、安全性的需求进一步提升。未来需加强异构融合架构和动态安全架构的研究，并实现不同抗恶劣环境体系结构在嵌人式计算机中的有机融合，从而满足未来多样化信息设备对抗恶劣环境的综合需求。2.2基础软硬件技术云计算、大数据、工业互联网、人工智能等新型信息技术的应用催生出了多种形态的软硬件产品需求。具体表征为高性能、低功耗、微型化等特性的组合应用，异构融合与软硬件协同设计是满足这些应用需求的重要方法，在万物智联的时代，应用场景更加复杂多样，对基础软硬件的多维度需求也将更加显著。现阶段信息技术基础产业发展仍比较滞后，需增强自主可控基础研发能力，在DSP、FPG A、射频、光通信芯片、数模转换器/模数转换器等领域补齐短板，提升国产处理器的性能、可靠性及工艺水平，强化恶劣环境适应性设计，构建安全可控的信息技术生态体系，推进国产基础软硬件技术的深度替代。2.3计算机工程技术计算机工程设计技术是融合热学、力学、电磁学、材料与工艺等多学科的综合性设计技术。随着电子信息技术、控制技术、新材料新工艺技术的应用，抗恶劣环境计算机逐渐朝小型化、轻静化、智能化方向发展，计算机工程设计技术将围绕高效散热技术（液冷、热管）、智能减振技术（磁流变、压电式、电磁式）、主动电磁防护技术、轻质导热复合材料和三防工艺技术开展研究。2.4操控与人机交互技术显控台作为战场指挥控制和人机交互的中心，战斗中向各战位发送准确的指令至关重要，传统的键盘、触摸球等设备通过双手操作实现人机交互，制约了操控实时性的需求。随着人工智能技术的快速发展，更加自然、高效的操控方式已在商用产品上获得广泛应用，多点触控技术可以让战位人员以单击、双击、按压、滚动、旋转等不同手势触摸屏幕，迅捷高效完成各种应用。同时多点触控屏软件模拟专用操控部件的产品也即将推出；语音识别可以解放双手，支持本地指令集操控以及云端的语义识别、文档记录；手势识别可方便快速的实现拖拽、缩放等基本操作，第45卷第45卷主要用于大屏和会上桌向上级汇报作战意图和展示整体态势；用户专用键与触控屏合并，进一步减小台面体积。随着科学技术的不断进步，眼球操控以及脑电波操控也将成为现实。2.5显示技术现代战争的态势越来越复杂，显示界面需要呈现更多的图形、图像和文字信息，画面的精细层度与显示品质要求越来越高，战争开始前，会商桌上的排兵布阵、沙盘推演、动态战场演示以及显控台上的弹道模拟，均需要通过三维显示的方式提供多视角供首长进行观演评估，显控设备迫切需要更高的综合显示处理能力，同时满足多路4K超高清显示和三维显示。随着全息显示技术的不断进步，AR增强现实眼镜显示的灵活性越来越突出，可将需显示的信息直接投影在眼镜上，整个立体空间均为信息场，可实现手势、语音、眼球、脑电波等多种操作，且不影响透视，解放战位人员双手双脚、脱离战位束缚，减少战位数量。2.6测试性、可靠性和保障性设计技术测试性、可靠性和保障性技术对自主可控抗恶劣环境计算功能的实现具有基础性、全局性作用，军事领域的的抗恶劣环境计算长期采用X86技术架构，在计算性能、测试性、可靠性取得较大提升的同时，也面临着较大的软硬件安全隐患。为实现抗恶劣环境计算技术的自主可控和可持续发展，形成自主式保障体系，需从体系结构、系统设计、开发、调试、集成、运行、维护等各个环节，开展测试性、可靠性和保障性设计等技术研究。3显控台总体技术发展分析通过对国内外研究现状和核心关键技术发展分Tab.1 Comparison table of research and development of domestic and abroad技术方向容错体系以几余架构为主，异构融合架构以CPU少量大计算机体系技术核+众多小核、CPU+FPGA为代表自主可控基础软硬件产品谱系趋于完备，产品在性能、可靠基础软硬件技术性和环境适应性方面有待加强，自主可控生态体系不足，产品商业化程度不够针对抗恶劣环境计算机开展研究，重点方向与国际基本一计算机工程技术致，其发展主要由军工领域项目推进在应用和产品层面的发展较快，但对于基础核心技术的自主对基础软硬件和核心算法架构的研究比较深入，注重平台化操控与交互设计化程度不高，核心算法、体系架构仍依赖进口在LCD、O L ED、3D/全息显示技术几个方向的技术成熟度显示技术均比较高，有几家企业引领该技术领域的发展方向测试性可靠性和保障性技术相比国外虽然起步晚，但是近年来由于有国家电子工业部门美国制定了一系列标准指南，在世界范围内处于领先地位赵金鹏，等：舰船显控台技术发展与展望析，舰船显控设备在计算机体系技术、基础软硬件技术、计算机工程技术、显控与人机交互技术、显示技术、测试性可靠性和保障性技术等共性基础方面的研究进展各不相同，研究方向也有很大差别7-10 。总体看来，国外的计算机抗恶劣环境共性基础技术研究更先进、更成体系，国内外发展对比如表1所示。3.1外形结构由笨重型向轻薄简约型发展传统显控台均采用铸铝和钣金壳体以及复杂的套娃结构，导致显控台台体笨重。碳纤维等复合材料已在汽车、家电等商业领域得到广泛应用，它不仅质量轻、抗拉能力强，而且具有耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、结构尺寸稳定、设计性强、可大面积整体成型的等优点，未来显控设备的轻量化过程中传统的铸铝和钣金结构将为碳纤维复合材料取代，整体重量有望减小30%。以加固机集成化、复合材料轻质化为基础，显控设备结构造型将向着轻薄简约型型发展。当前显控设备的操控部件均为多级加固，导致操控部件笨重，使用手感嗨涩。未来将进一步引入商业元素，改变现有的加固方式，给人以更加舒适的人因体验。电话外形将会更像一个流线型的手柄，内侧是拨号按键或者触控屏按键，同时可通过触控屏拨号，通话时可与耳麦互补；键盘将采用商用轻薄剪刀脚薄膜键盘、导电油墨键盘、容式薄膜键盘或者激光键盘，内部添加指纹按键，方便指纹验证，按键与台面平齐；光电鼠标将替代触摸球，非工作时可以一键固定或者隐藏；可编程触摸键盘将采用柔软薄膜有机材料的OLED按键，可自定义文字、图形、图像。3.2战位设置由专用型向台位共用型发展在全舰计算环境基础设施的支持下，显控设备作为公共计算环境的“终端”设备，通过对操作人员进表1国内外研究发展对比表研究发展情况国内支持处理器锁步、穴余等容错技术，异构融合架构已形成Cell、A PU、M I C、Zy n q 等多种产品各国都在积极投入建设自主可控的信息技术体系，并取得了突破性进展，美国仍在基础软硬件技术中保持主导优势相关技术已经成功应用到计算机硬件设备中，且有成体系的设计技术发展，市场化程度较高，应用不局限于军事领域日本、韩国在LCD和LED显示技术的研发比较早，欧美国家在3D/全息显示技术方面有明显优势?169.国外170 行指纹、人脸、用户+密码等身份和等级识别，即可将原台位的操作界面及数据转移到当前台位，不仅能减少功能战位，而且能增加台位互备能力。在公共计算环境体制下，全舰所有的数据信息均为数字量，存储在服务器机柜，显控设备通过网络对外连接获得所有作战信息，对外接口统一，实现多专业、多功能台位共用。4展望通过对国内外发展概况、核心关键技术发展趋势、显控设备总体技术发展趋势3个方面分析，结合当前舰船电子信息系统不同平台之间作战系统通用化的共性需求，未来新一代舰船显控台技术的发展需要综合考量：1）立足军事装备发展应用需求和信息技术发展最前沿，顺应武器装备自主可控发展要和电子信息系统新架构，覆盖电子信息装备对显示控制功能与性能的需求。2）加强人机交互能力、计算机实时处理能力研究，采用开放式计算机体系架构，依托自主可控产品推荐名录，充分利用现代人工智能技术发展成果，实现快捷、高效的人机操作和清晰、立体的图形、图像显示；3）在充分继承前两代显控设备技术经验和成果基础上，模块硬件之间更加通用互备、基础和应用软件按作战需求部署、各系统及设备之间作战信息更加融合共享。4）重视新型复合材料、水冷技术和轻量化技术的应用，将新一代显控台产品广泛应用于对重量、噪声等环境适应性要求更加严苛的作战场景中。参考文献：【1】许建平，曹宁生.国外舰艇多功能显控台的现状和发展趋势.舰船电子工程,2 0 0 8,2 8(7):1-3.XU J P,CAO N S.Present situation and developing tendencyof abroad ship multifunction consoleJ.Ship Electronic Engi-neering,2008,28(7):1-3.2李祥震.舰艇显控平台一体化发展与展望C/中国造船工舰船科学技术程学会电子技术学术委员会.中国，2 0 17:14-17.LI X Z.Development and Prospect of Ship Display and Con-trol Platform Integration C/Electronic Technology Academ-ic Committee of Chinese Society of Shipbuilding 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