生建友

(總參第六十三研究所,南京210007)

1 引 言

系統(tǒng)安全起源于20世紀(jì)50年代到60年代美國研制民兵式洲際導(dǎo)彈的過程中,美軍于1969年頒布了安全性軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-882,從此,系統(tǒng)安全的思想與技術(shù)在各個行業(yè)得到廣泛應(yīng)用[1]。我國武器裝備的安全性工作是在借鑒外軍先進經(jīng)驗基礎(chǔ)上開展的,也相繼頒布了一系列有關(guān)安全的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范,對提高裝備的安全性水平發(fā)揮了重要作用[1]。由于承制單位對裝備的安全性不重視,裝備研制過程中較少系統(tǒng)性地開展安全性工作,導(dǎo)致一些裝備存在先天性安全缺陷,并因此發(fā)生事故,造成重大損失。電子裝備作為現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭的核心裝備,功能越來越多,組成結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜,自動化程度越來越高,設(shè)備發(fā)生安全事故的可能性不斷增大,而且,隨著信息偵收技術(shù)的發(fā)展,電子設(shè)備運行過程中由于電磁輻射而泄露的信息被截獲的風(fēng)險也是越來越高[2-3],加強安全性的研究與設(shè)計顯得尤為迫切。

基于上述國內(nèi)外現(xiàn)狀分析,本文針對軍用電子設(shè)備的使用實際,研究并提出了軍用電子設(shè)備的安全性設(shè)計內(nèi)容和具體對策,以全面提高設(shè)備的安全性水平。

2 安全性的概念及作用

2.1 安全性概念

安全是指不發(fā)生可能造成人員傷亡、職業(yè)病、設(shè)備損壞、財產(chǎn)損失或環(huán)境損害的狀態(tài)。該定義是指產(chǎn)品在壽命周期內(nèi)某一時刻安全與否的狀態(tài),表征產(chǎn)品的瞬態(tài)特性和使用特性。安全性是指產(chǎn)品所具有的不導(dǎo)致人員傷亡、系統(tǒng)損壞、重大財產(chǎn)損失或不危及人員健康和環(huán)境的能力[4]。同可靠性、保障性等一樣,是通過設(shè)計賦予的一種固有的裝備屬性,是保障使用安全的能力體現(xiàn),是可度量與比較的。

2.2 安全性的作用意義

軍用電子設(shè)備要完成其規(guī)定的任務(wù),其作戰(zhàn)性能、功能固然重要,但是,如果設(shè)備不安全,經(jīng)常發(fā)生事故,再好的作戰(zhàn)效能也難以發(fā)揮。安全性作為設(shè)備的重要特性,其作用主要表現(xiàn)在以下三方面。

(1)有利于提高設(shè)備的作戰(zhàn)能力。設(shè)備安全性好,其發(fā)生事故的次數(shù)就少,平時能經(jīng)常處于安全可用狀態(tài),戰(zhàn)時能長時間安全作戰(zhàn),設(shè)備的作戰(zhàn)能力自然很強。

(2)有利于提高產(chǎn)品的市場競爭力,部隊的生存能力,節(jié)約保障資源。和平時期,設(shè)備質(zhì)量高,安全性好,信譽度就好,市場競爭力就強;戰(zhàn)爭時期,可有效減少機毀人亡的事故發(fā)生,必然減少保障人員和設(shè)施等保障資源,從而相對縮小部隊規(guī)模,提高部隊的機動性和生存能力。

(3)電子設(shè)備的電磁信息安全事關(guān)國家安危、戰(zhàn)爭勝負(fù)。設(shè)備電磁信息安全性不好,容易造成信息泄漏,被敵對勢力偵收后,就會掌握我方的裝備參數(shù)、方位及通信、指揮、控制等關(guān)鍵信息,從而給敵方有可乘之機,一旦有戰(zhàn)事,勢必造成更大范圍的人員傷亡、裝備損毀,進而影響戰(zhàn)局。

3 安全性設(shè)計的要求與內(nèi)容

3.1 安全性設(shè)計要求

安全性要求是設(shè)備研制過程中進行安全性設(shè)計、分析與評價的依據(jù)。應(yīng)將顧客對產(chǎn)品的安全性要求和有關(guān)法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計手冊規(guī)定的要求轉(zhuǎn)化為設(shè)備的安全性設(shè)計要求,包括定性要求和定量要求,使事故風(fēng)險在可接受的范圍內(nèi)。

3.1.1 定性要求

按照GJB367A和GJB900的要求,在項目研制任務(wù)書中,應(yīng)提出以下幾項要求[1,5]。

(1)減少危險品要求。設(shè)計師通過設(shè)計、選材等手段,盡量減少設(shè)備對危險品的使用。

(2)危險品隔離要求。將設(shè)備中的危險元器件隔離起來,如高壓器件、高輻射器件等。

(3)安全保護要求。將設(shè)備中的關(guān)鍵零部件、元器件保護起來。

(4)監(jiān)測、報警要求。設(shè)計具有控制或監(jiān)測功能的軟件和安全報警裝置,隨時檢測、監(jiān)視設(shè)備的危險狀況,并通過設(shè)備的顯示器、指示燈或揚聲器給出信號或發(fā)出聲音。

(5)警告信號要求。警告信號應(yīng)明顯,以減少操作人員對該類信號的漏判與誤判。

(6)警告標(biāo)志要求。通過設(shè)計不能消除的危險,應(yīng)在裝配、使用、維護說明書中給出警告和注意事項,并在危險零部件的醒目位置做標(biāo)記。

(7)預(yù)防差錯要求。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中采用防差錯措施,盡量減少設(shè)備在使用、保障中由人為差錯造成的危險。

(8)風(fēng)險最小化要求。通過設(shè)計,設(shè)備在各種約束條件下,達到人員傷亡、設(shè)備損壞、信息泄露和環(huán)境破壞的風(fēng)險最小化。

(9)電磁信息防護要求。通過設(shè)計、選材等手段,盡量減少設(shè)備的電磁信息泄露。

(10)報廢處理要求。電子設(shè)備中通常有一些會對環(huán)境造成污染的器件和電池,大批量列裝的設(shè)備,應(yīng)要求考慮退役后設(shè)備的處置安全問題。

3.1.2 定量要求

表征安全性的參數(shù)主要有事故率/概率、安全可靠度、事故風(fēng)險等。國內(nèi)外最常用的安全性度量方法是事故風(fēng)險評價[1,5]。GJB900給出了兩種風(fēng)險評價事例,具體的定量指標(biāo)可根據(jù)設(shè)備的具體情況和實際需求而定。GJB376A根據(jù)電子設(shè)備的特點,對設(shè)備的絕緣電阻、介電強度、泄漏電流等安全性指標(biāo)規(guī)定了具體的量值,具體值參見文獻[6]。目前,這兩個國軍標(biāo)還都沒有對電磁信息安全規(guī)定明確的定量指標(biāo)。

3.2 安全性設(shè)計內(nèi)容

按照安全性定義及GJB900的要求,安全性設(shè)計主要是人員、設(shè)備的安全設(shè)計及環(huán)境的防護設(shè)計。電子設(shè)備的使用、保障中不會對環(huán)境造成破壞,即便是設(shè)備損壞一般也不會損害環(huán)境,但是,設(shè)備工作時會發(fā)出電磁波,如果被敵方截獲則容易造成信息泄密,設(shè)備的電磁信息安全應(yīng)值得重視,因此,軍用電子設(shè)備的安全性設(shè)計主要包括人員、設(shè)備及電磁信息的安全設(shè)計等3部分內(nèi)容。

4 安全性設(shè)計

安全性水平的高低由設(shè)計決定的,如果“先天”設(shè)計不足靠“后天”彌補,不但費事而且費錢,得不償失。安全性設(shè)計應(yīng)在項目研制之初就開始進行,并貫穿于研制全過程,通過設(shè)計來實現(xiàn)設(shè)備的安全性要求。

安全性設(shè)計是通過各種設(shè)計措施來消除和控制各種危險,提高設(shè)備的安全性。安全性設(shè)計的指導(dǎo)思想是為設(shè)備的操作使用、維修保障人員提供可接受的保護措施,避免在使用、保障過程中,由于設(shè)計缺陷或誤操作而導(dǎo)致人身傷害、財產(chǎn)損失,避免設(shè)備工作時的電磁信息泄露。在安全性和成本等其他因素發(fā)生沖突時,應(yīng)該優(yōu)先考慮安全性的要求。

4.1 人員、設(shè)備的安全性設(shè)計

人員、設(shè)備的安全性設(shè)計主要從防電擊、防高溫、防靜電、防著火、防輻射以及結(jié)構(gòu)設(shè)計、告警標(biāo)志等方面采取措施。

4.1.1 防電擊措施

電擊是由于電流通過人體而造成的,其引起的病理、生理反應(yīng)取決于電流的大小和持續(xù)的時間以及通過人體的路徑[7]。通常毫安級電流就會對人體產(chǎn)生危害,大電流甚至?xí)斐扇藛T死亡,防觸電保護是電子設(shè)備安全性設(shè)計的重要內(nèi)容?？刹扇∫韵麓胧┓乐闺姄魝?。

(1)在滿足功能要求的基礎(chǔ)上,限制電路輸出的電壓或電流,使操作者可接觸到的電壓和電流都是安全的。工作電壓超過30 V(均方根值或直流)的部位應(yīng)加防護裝置(如絕緣套管、防護隔板等),以防操作、維修時碰到被電擊。

(2)設(shè)備應(yīng)裝有能切斷設(shè)備電源的總開關(guān),高壓電路應(yīng)有自動放電電路,以保證斷電后在2 s內(nèi)放電至30 V以下[1]。

(3)綜合考慮電氣間隙、爬電距離等因素優(yōu)化電路設(shè)計,優(yōu)化線纜的走線設(shè)計與固定安裝,減少線纜的松動和表面絕緣層損壞的可能性,并采取有效絕緣和安全接地措施,確保設(shè)備電源輸入端與機箱之間的介電強度滿足GJB367A的要求,絕緣電阻在正常大氣條件下不小于100 MΨ,潮濕環(huán)境下不小于2 MΨ,機箱與地之間的泄漏電流不大于5 mA。

(4)安全接地措施。機箱上應(yīng)設(shè)計接地裝置,設(shè)備內(nèi)需要接地的零部件都應(yīng)通過它連接到保護大地上。當(dāng)?shù)鼐€作為線路的一部分時,任何電纜在其兩端的接線端應(yīng)有一條地線,接地線應(yīng)通過電連接器上的接線端接到機箱或機座上,電源回線不能作為接地線用。屏蔽電纜或金屬編織覆蓋層的屏蔽層、電連接器金屬外殼應(yīng)有效連接到機箱上。安全接地措施應(yīng)兼顧電磁信息安全設(shè)計和防靜電設(shè)計需要。

4.1.2 防高溫和著火措施

電子設(shè)備工作時會產(chǎn)生熱量,如果缺少熱絕緣或散熱能力不足,則會使設(shè)備產(chǎn)生高溫;設(shè)備由于過載、短路、元器件故障、絕緣擊穿等原因也會產(chǎn)生高溫,過高的溫度會燙傷人,會導(dǎo)致著火危險。針對高溫、著火危險,應(yīng)采取以下措施。

(1)選擇使用耐火、耐高溫性能好、不自然的材料、元器件,且不釋放出可燃或有毒氣體,并盡可能滿足軍用性能要求。

(2)根據(jù)設(shè)備的使用要求對元器件進行降額設(shè)計,減少功耗;采用熔斷器或斷路器,為設(shè)備提供過流過載保護;設(shè)計過流、過壓保護裝置,防止電路過熱[8]。

(3)對發(fā)熱量大的器件單獨采取傳熱措施,同時,對整機綜合采取增加散熱面積、表面涂深色涂料、機箱上增加散熱孔或外加風(fēng)冷、液冷模塊等措施,確保使用人員可觸及的設(shè)備表面溫度限制在允許的范圍內(nèi)。機箱上開孔要考慮電磁信息的安全性要求。

(4)電源線與插頭之間連接牢靠,導(dǎo)線截面積與電流匹配,連接線纜在機箱內(nèi)要固定等。

4.1.3 防靜電和輻射措施

靜電放電(ESD)會導(dǎo)致電子元器件、電子設(shè)備嚴(yán)重?fù)p壞,被稱為現(xiàn)代高技術(shù)工業(yè)中的病毒[8]。防靜電的關(guān)鍵就是防止靜電荷的產(chǎn)生與積累,使物體表面絕緣,阻隔靜電放電效應(yīng)發(fā)生的路徑,避免對電路的干擾?？刹捎萌缦麓胧?。

(1)選用內(nèi)部有靜電保護電路的器件、對靜電不敏感的器件。

(2)對靜電敏感的器件設(shè)計保護電路;I/O端口加裝ESD專用濾波器;隔離ESD敏感電路,并單獨設(shè)計屏蔽盒。

(3)PCB上下兩層大面積敷銅并多點接地;選用多層PCB;在PCB板的頂層與底層周邊設(shè)計保護帶鑲邊(鑲邊不同于地線)[9]。

輻射包括電離輻射(如χ射線、γ射線等)和非電離輻射(包括紅外、射頻、微波以及激光輻射等)。防輻射主要是控制設(shè)備輻射出來的電磁能量或射線劑量,采取的措施主要是屏蔽、接地與隔離。具體措施與電磁信息的安全設(shè)計類似。

4.1.4 結(jié)構(gòu)防護措施

為進一步確保軍用電子設(shè)備安全性,在結(jié)構(gòu)設(shè)計上也應(yīng)同步采取防護措施。

(1)結(jié)構(gòu)件要具有足夠的強度和剛度,為電路單元的連接和固定提供安全可靠的支撐。結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)確保設(shè)備重心在下,以防傾倒,避免造成人機傷害。

(2)操作、維修人員接觸到的結(jié)構(gòu)件要避免出現(xiàn)銳角和銳邊,結(jié)構(gòu)件外露的銳邊應(yīng)打圓。

(3)設(shè)計防誤插裝置,確保電連接器不會因誤接而造成設(shè)備損壞,同時采取措施,確保連接器在分離前后工作人員不致受到電擊。

(4)設(shè)備面板上的顯示裝置、調(diào)節(jié)機構(gòu)及操作部件應(yīng)按人機工程學(xué)的要求進行設(shè)計。設(shè)備的結(jié)構(gòu)應(yīng)為維修人員提供最大的方便和安全[10]:一是看得見;二是夠得著,維修人員的手直接或借助于工具能夠接觸到維修部位;三是有足夠的操作空間。

(5)對于抽屜式結(jié)構(gòu)的機箱或安裝在機架上的設(shè)備應(yīng)有限位和固定裝置,以防其從機架上跌落,而對設(shè)備和人員造成不必要的傷害。

(6)設(shè)備外露的電連接器座、波導(dǎo)口等應(yīng)配有防護蓋,以防運輸、貯存中損壞,或雜物、蟲子、灰塵、雨、雪進入。

(7)連接用螺釘(螺栓)的螺紋擰入長度不少于1.2倍的螺紋直徑,并保證在振動環(huán)境中不松動,沖擊環(huán)境中不斷裂。

(8)設(shè)計的機箱應(yīng)滿足設(shè)備特定的使用環(huán)境,且必須與保護接地連接。

4.1.5 安全性說明與標(biāo)記

如果上述防護措施不能消除某項危險的可能性時,則應(yīng)考慮提示性安全措施,即文件和標(biāo)記,可以通過裝配說明書、用戶使用手冊進行描述,簡要說明在什么情況下采取何種措施才能安全使用,出現(xiàn)什么危險時應(yīng)采取的相應(yīng)措施等,也可以在相應(yīng)危險零部件、器材、設(shè)備上設(shè)計醒目標(biāo)記,避免設(shè)備在操作、安裝、維修、運輸?shù)冗^程中引起危險。標(biāo)記應(yīng)包括文字、顏色和圖樣,告警標(biāo)記應(yīng)符合GB2894-1996《安全標(biāo)志》的規(guī)定[7-8]。根據(jù)電子設(shè)備的特點,以下幾點必須在設(shè)備的相應(yīng)位置進行標(biāo)記:

(1)電氣插座旁必須標(biāo)出供電的電壓、相位及頻率等特性參數(shù),熔斷器座旁必須標(biāo)出額定電流值;

(2)非電氣連接器座旁必須印有插座的用途名稱(如數(shù)據(jù)、話音、天線等)和插座位號(如XS01),名稱與位號應(yīng)與用戶使用手冊的內(nèi)容相一致;

(3)印制板上的接地點和設(shè)備上的接地裝置旁必須有接地標(biāo)記,開關(guān)旁應(yīng)有“通-斷”標(biāo)記;

(4)可觸及的零部件表面溫度由于功能原因或環(huán)境溫度過高超過允許的限值,必須有“小心燙傷”的標(biāo)記。

標(biāo)記作為確保設(shè)備安全的措施之一,應(yīng)是耐久、清晰、容易辨認(rèn)的,標(biāo)記的位置應(yīng)是人容易看到和閱讀的地方。

4.2 電磁信息的安全性設(shè)計

電磁信息安全性設(shè)計就是根據(jù)電磁信息泄露機理,采取電磁信息泄露防護技術(shù),使電路單元及設(shè)備的電磁發(fā)射水平限制在不易被截獲的范圍內(nèi)。電磁信息泄露防護技術(shù)開始是作為電磁兼容(EMC)的一部分,現(xiàn)在已發(fā)展成為一門獨立的學(xué)科和技術(shù)[2]。

電磁信息泄露防護技術(shù)主要有3種:一是物理抑制技術(shù),分為包容法和抑源法兩種[3];二是偽輻射技術(shù),偽輻射技術(shù)就是使設(shè)備產(chǎn)生不帶信息的偽噪聲,以淹沒設(shè)備中的有用信息,使敵方偵收到的信息是虛假信息;三是Soft-TEMPEST技術(shù)[2]。該技術(shù)誕生于20世紀(jì)末,用軟件的方法通過改變設(shè)備的工作狀態(tài)和信號特征達到抑制電磁泄露的目的。偽輻射技術(shù)和Soft-TEMPEST技術(shù)可參考其他有關(guān)文獻,本文主要討論物理抑制技術(shù)。

4.2.1 分區(qū)隔離設(shè)計

根據(jù)信息泄露的可能性和防護要求,對設(shè)備的各組成單元進行區(qū)域劃分,凡是只載有或處理非保密信息的電路依據(jù)防護要求標(biāo)定為黑區(qū),而載有或處理未經(jīng)加密的機密信息的電路標(biāo)定為紅區(qū),紅區(qū)與黑區(qū)之間實施電磁隔離,且紅、黑區(qū)分別供電。對紅區(qū)嚴(yán)格實施屏蔽、濾波、接地等電磁信息泄露防護措施,而黑區(qū)則可以放寬要求。

4.2.2 抑源法

抑源法從元器件、線路和印制板(PCB)入手,消除產(chǎn)生強電磁波的根源。主要有以下5種措施。

(1)合理選用元器件

元器件是影響設(shè)備電磁輻射能量的主要因素之一。選用元器件時應(yīng)綜合考慮以下因素[9]:外形尺寸小的SMT或者BGA封裝;芯片內(nèi)部PCB有多層電源層和接地層;耗散功率很小;功能滿足要求的前提下,運行速率盡可能低;電源和接地管腳位于封裝中央;IC封裝內(nèi)使用高頻去耦電容的芯片;具有金屬外殼;散熱性能好。

(2)選用多層印制電路板

資料表明:如果增加一個接地層,就會提高PCB板的信號完整性和電磁兼容能力,如對雙層板增加兩個或多個電源層和接地層,就可以獲得10～20 dB輻射性能的改進[9]。因此,應(yīng)選用有多個電源層和接地層的多層印制板,當(dāng)然,應(yīng)兼顧費用問題。

(3)優(yōu)化印制板的布局與布線

布局與布線的好壞直接影響到PCB板的電磁輻射水平。布局時應(yīng)注意:強信號、弱信號、高電壓信號和低電壓信號完全分開;同時包含高速、中速、低速邏輯電路時,高速電路應(yīng)緊靠邊緣連接器,中、低速電路依次遠(yuǎn)離連接器;時鐘電路遠(yuǎn)離輸入輸出端;使用同一種電源供電的元器件盡量放在一起;集成電路的去耦電容盡量靠近芯片的電源腳。布線時應(yīng)注意:輸入輸出端的連線避免平行走線;所有連線盡可能短,關(guān)鍵信號線最短;線寬合理,且電源線、地線盡量寬,地線>電源線>信號線;電源線與地線盡可能靠近;布線寬度不要突變,不要突然拐角。具體的布局與布線參見文獻[3,9]。

(4)濾波與吸收

濾波是抑制信息傳導(dǎo)泄漏的有效措施。對設(shè)備中的電源線、信號傳輸線、公共地線等選用相應(yīng)的濾波器,以阻隔電磁波傳播。設(shè)計電路板時,印制板上電源線與地線之間的濾波也應(yīng)重視,要適當(dāng)加些濾波電容。

(5)接地

良好的接地是抑制電磁信息泄漏的有效途徑,它既可以解決傳導(dǎo)泄漏又可以解決輻射泄漏。設(shè)計時,將信號地與噪聲地、高電平信號與低電平信號地線、數(shù)字信號與模擬信號地線分開敷設(shè),接地線都應(yīng)盡可能短、粗、直。屏蔽盒、屏蔽窗、電纜屏蔽層以及晶體、濾波器的外殼等都要良好接地。

4.2.3 包容法

包容法主要從材料、結(jié)構(gòu)和工藝等方面采取措施對電路單元和設(shè)備進行屏蔽設(shè)計,屏蔽是抑制電磁輻射最有效的手段。主要包括以下 5方面措施[3]。

(1)機箱屏蔽

金屬材料的機箱屏蔽效果好,是首選。如果是工程塑料制成的機箱,則應(yīng)采用真空沉積、電涂、粘貼等工藝技術(shù)在機箱內(nèi)壁粘附一層導(dǎo)電薄膜,使其具有屏蔽效果。

(2)電路局部屏蔽

對設(shè)備內(nèi)部電磁輻射能量較大的單元單獨制作屏蔽盒進行局部屏蔽,這樣和機箱一起就起到了雙重屏蔽效果。

(3)縫隙屏蔽

由于裝配、維修的需要,機箱上都有縫隙,為防止縫隙電磁泄露,應(yīng)在縫隙處加裝導(dǎo)電襯墊,以保持機箱電氣上的連續(xù)性,提高設(shè)備的屏蔽效能。導(dǎo)電襯墊的種類、結(jié)構(gòu)形式很多,應(yīng)根據(jù)機箱的具體結(jié)構(gòu)選用、安裝相應(yīng)的導(dǎo)電襯墊,具體見文獻[11]。

(4)孔 、窗屏蔽

如機箱上有散熱通風(fēng)孔,則在通風(fēng)孔處安裝截止波導(dǎo)窗,它在抑制電磁泄露、提高屏蔽效能的同時還能保證良好的通風(fēng)能力。機箱上指示燈孔的屏蔽也可以采取這種方法。顯示器是軍用電子設(shè)備的常用模塊,由于窗口面積較大,需要安裝屏蔽窗,屏蔽窗既能屏蔽電場,也能屏蔽磁場和平面電磁波,能很好地防止電磁信息從顯示窗口泄漏出去。

(5)保險絲座屏蔽

保險絲是電子設(shè)備的常用器件,單個保險絲座則用金屬帽把它覆蓋起來,帽蓋內(nèi)裝彈性簧片使其與機箱有良好的電接觸。多個保險絲座則將它們集中在一起,專門設(shè)計屏蔽罩將其蓋住。

5 結(jié)束語

安全性作為武器裝備的通用質(zhì)量特性之一,其設(shè)計應(yīng)和其他特性設(shè)計、性能設(shè)計、功能設(shè)計結(jié)合起來,統(tǒng)籌考慮。軍用電子設(shè)備的安全性設(shè)計涉及面廣,是一門綜合性較強的專業(yè),同時也是一項實踐性很強的工作,沒有一個固定的格式可套。不同類型的產(chǎn)品,不同的使用場合,會有不完全相同的安全要求和設(shè)計方法。設(shè)計人員應(yīng)牢固樹立新的質(zhì)量觀,重視安全性設(shè)計工作,積極跟蹤并采用國內(nèi)外有關(guān)安全性分析設(shè)計的理論和技術(shù),努力提高我國軍用電子設(shè)備的安全性水平。

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