屈骎宇，歐盛春，張海清

（中電科海洋信息技術(shù)研究院有限公司，北京 100041）

0 引言

綜合試驗船的任務(wù)系統(tǒng)“六性”包括可靠性（reliability）、維修性（maintainability）、測試性（testability）、安全性（safety）、保障性（supportability）及環(huán)境適應(yīng)性（environmental adaptability）[1]（以下簡稱：“六性”）。由于綜合試驗船搭載的設(shè)備較多，系統(tǒng)復(fù)雜度較高，為良好地開展各類試驗任務(wù)，保障綜合試驗船的正常使用，需提前合理規(guī)劃系統(tǒng)的六性指標(biāo)，開展相應(yīng)設(shè)計滿足要求。

“六性”是裝備的重要設(shè)計特性，是產(chǎn)品固有的質(zhì)量特性[2]。作為國內(nèi)首艘民用綜合試驗船，“電科1”號在設(shè)計建造階段將全船系統(tǒng)的六性設(shè)計作為重點。本文將以該船為例對綜合試驗船任務(wù)系統(tǒng)的六性設(shè)計進行闡述。

1 可靠性設(shè)計

1.1 模塊化設(shè)計

可靠性主要指產(chǎn)品在規(guī)定的條件下、規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力[3]。綜合試驗船“電科1”號按照各系統(tǒng)電路的功能，進行模塊化設(shè)計。各模塊采用屏蔽或密封措施，以減少插座轉(zhuǎn)接的次數(shù)，簡化了聯(lián)線，有利于減弱電磁泄露且防潮。

1.2 減振設(shè)計

為防止“電科 1”號因振動沖擊而引起振動加速度、沖擊加速度超出設(shè)備的極限強度或?qū)е略O(shè)備的疲勞損壞，使得設(shè)備不能正常作業(yè)，必須采取減振防護設(shè)計[4]，主要采取以下方法：

1）系統(tǒng)中所有設(shè)備機柜以及壁掛式設(shè)備均通過減震器與船體相連，如搜索雷達(dá)、其它設(shè)備機柜及計算機網(wǎng)絡(luò)機柜等，以降低振動和沖擊的影響；

2）組合和模塊單元設(shè)計采用鎖緊裝置固定，模塊單元內(nèi)不牢固的元器件、連線采用機械或硅橡膠進行固定。機柜和組合中的較長線纜采用線夾對其進行固定，對于較大的直立電解電容采用倒用并用帶橡膠墊的固定夾固定。

1.3 軟件可靠性設(shè)計

為保證“電科 1”號軟件可靠運行，在軟件設(shè)計中采取了如下方法：

1）嚴(yán)格按照軟件模塊化設(shè)計：軟件按照功能主要分為接口、顯示、數(shù)據(jù)處理等模塊，約定模塊之間的軟件接口要求，分別對各個模塊進行編程并測試；

2）采用容錯、糾錯設(shè)計，進行誤操作防護和錯誤提示[5]：在各個顯控臺退出應(yīng)用頁面時，出現(xiàn)提示欄，提示是否確定退出；

3）對外來信息設(shè)定值域范圍，并進行容錯處理，保證不因外部輸入信息錯誤而導(dǎo)致軟件出錯：在系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中，約定了每個報文協(xié)議的長度以及各個數(shù)據(jù)項的值域范圍，在報文協(xié)議長度或者值域范圍出錯時，軟件對該錯誤報文不予處理。

1.4 信息冗余設(shè)計

在“電科 1”號系統(tǒng)中，許多同類信息有多源輸入。在系統(tǒng)設(shè)計中，對這些信息進行充分應(yīng)用，設(shè)置可使用性的優(yōu)先級別，在判斷優(yōu)先級高的信息不能使用的情況下，自動選用優(yōu)先級次之的信息源信息?！半娍?1”號可在多種設(shè)備中對相同的數(shù)據(jù)進行冗余選擇，如圖1所示。

2 維修性設(shè)計

為了提高“電科1”號系統(tǒng)中設(shè)備的可維修性，采購、設(shè)計時需注重設(shè)備的模塊化，設(shè)備設(shè)計配有故障檢測模塊，采用層次框架結(jié)構(gòu)，便于對故障模塊快速進行定位、更換，并提供準(zhǔn)確、齊全的維修技術(shù)資料。具體措施如下[6]：

圖1 “電科1”號數(shù)據(jù)源選擇示意圖

1）設(shè)備以及設(shè)備周圍應(yīng)該留有充足的設(shè)備維修空間，對需檢查、維護或修理的零部件，應(yīng)有良好的可達(dá)性，對故障率高的部位提供最佳的可達(dá)性；

2）搜索雷達(dá)收發(fā)機柜的左側(cè)配備有外接波導(dǎo)，為方便波導(dǎo)的安裝，雷達(dá)的收發(fā)機柜靠右邊艙室壁擺放，同時在收發(fā)機柜左側(cè)及右側(cè)靠艙壁位置留出至少15 cm的間距；

3）在指揮室的操作臺左側(cè)距艙壁25 cm，人可側(cè)身在機柜后部對機柜進行固定或?qū)C柜頂部插頭進行插拔。搜索雷達(dá)顯控臺采用正面維修設(shè)計，維修空間大；

4）在機房中的計算機機柜前部有1.4 m空間，機柜后部留出1 m的維修通道，機柜采用正面維修，機柜上的設(shè)備可從軌道上拉出進行檢查、維修；

5）在甲板上對4個方艙進行布置設(shè)計時，把4個方艙門設(shè)置為向外開啟，此時方艙間距為1.5 m，便于維修使用。

3 安全性設(shè)計

3.1 人體安全

3.1.1 防止對人體的傷害措施

防止作業(yè)過程中對人體產(chǎn)生傷害的措施如下：

1）增加工作艇固定艇架，人員乘坐工作艇及布放回收更加安全；在后甲板安裝A型吊比單吊臂更能保障設(shè)備布放回收的安全；

2）所有可打開的機柜門設(shè)有固定裝置，當(dāng)門處于打開狀態(tài)時，門的打開位置固定，需要打開鎖緊裝置才能關(guān)上門，防止因為船的搖晃導(dǎo)致機柜門晃動對人造成傷害。

3.1.2 防止電磁波的傷害措施

預(yù)防電磁波傷害的措施如下：

1）“電科 1”號搜索雷達(dá)天線安裝在羅經(jīng)甲板上，雷達(dá)波束的主瓣及副瓣照射不到下層甲板，高頻室與綜合桅桿罩之間設(shè)有水密門屏蔽羅經(jīng)甲板上的電磁輻射；

2）在“電科1”號衛(wèi)星通信設(shè)備天線支架上的人員工作區(qū)有手扶護欄和固定安全帶的結(jié)構(gòu)件；搜索雷達(dá)有天線旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機電源開關(guān)，維修天線時需切斷電源；

3）雷達(dá)機柜門上設(shè)計有電源開關(guān)，打開機柜門維修設(shè)備時，電源即刻斷開，完全杜絕了高壓電源對人體造成傷害的情況發(fā)生。

3.2 設(shè)備安全

針對設(shè)備安全的措施如下：

1）“電科 1”號電纜優(yōu)先選用船用低鹵阻燃電纜，配電箱內(nèi)每一路輸出都配有單獨的過流保護開關(guān)；

2）關(guān)鍵設(shè)備電纜選用帶鎧甲的船用電纜，防止鼠咬；采用明線鋪設(shè)，在線纜受到損壞時可較方便、快捷地對其進行更換；

3）所有機柜頂部、機箱背部的插頭座都有明顯的標(biāo)志，插頭座普遍采用防插錯設(shè)計；

4）艙室內(nèi)、外的設(shè)備均安裝有隔震器，極大地提高了設(shè)備的抗震緩沖能力；在機柜中，設(shè)備都安裝在托盤上，且前后均固定在機架和托盤上；

5）設(shè)備具有電氣限位、機械限位和危險標(biāo)記等措施，確保設(shè)備的安全性；轉(zhuǎn)動天線均設(shè)有天線轉(zhuǎn)動止檔設(shè)備，當(dāng)天線縱橫搖范圍超出一定的角度范圍時，由機械裝置保證天線的安全。

3.3 信息安全

綜合試驗船“電科 1”號作為海上重要的信息節(jié)點和信息樞紐，其信息的安全性十分重要。在設(shè)計時主要采用以下措施加以保障：

1）重要數(shù)據(jù)進行冗余備份：所有工作站、服務(wù)器都有SAS RAID功能，SAS RAID卡提供了比常用磁盤存儲更高的性能指標(biāo)、數(shù)據(jù)完整性和數(shù)據(jù)可用性；在進行系統(tǒng)設(shè)計時，數(shù)據(jù)庫管理服務(wù)器采用了2個服務(wù)器集群的方式，提供了主備冗余通道，同時采用磁盤陣列進行數(shù)據(jù)存儲，提高了數(shù)據(jù)的可靠性[7]；

2）機房配置有UPS電源，防止突然斷電對設(shè)備的損壞：機房配置了10 kW的UPS電源，經(jīng)測試，在船上的交流電斷電時，能為機房供電不少于40 min，以保護服務(wù)器、磁盤陣列、核心交換機等設(shè)備。

3）合理設(shè)置防火墻，防止外部攻擊：“電科1”號采用硬件防火墻連接系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)和船載網(wǎng)絡(luò)，對外部輸入信息進行過濾，以防系統(tǒng)遭受外部攻擊；

4）設(shè)置用戶登陸權(quán)限，防止越權(quán)使用：在每臺系統(tǒng)計算機上設(shè)有用戶名和密碼，未經(jīng)授權(quán)不能進入計算機系統(tǒng)；

5）根據(jù)工作和娛樂的不同使用目的，對網(wǎng)絡(luò)進行分級控制：根據(jù)“電科 1”號船載網(wǎng)絡(luò)中用戶及信息的類型，把船載網(wǎng)絡(luò)分為工作網(wǎng)和生活網(wǎng)。

4 測試性設(shè)計

測試性是指產(chǎn)品能及時準(zhǔn)確地確定其狀態(tài)（可工作、不可工作、性能下降）和隔離其內(nèi)部故障的設(shè)計特性?！半娍?”號采取了下列設(shè)計進行保障：

1）各個設(shè)備向控制臺發(fā)送本設(shè)備的工作狀態(tài)和自檢信息，系統(tǒng)狀態(tài)菜單顯示系統(tǒng)中的設(shè)備及其工作狀態(tài)；

2）“電科 1”號設(shè)備面板上可顯示設(shè)備的工作狀態(tài)或模塊的工作狀態(tài)，部分設(shè)備具有BIT（built in test，機內(nèi)自測試）功能，根據(jù)這些信息能把設(shè)備故障隔離到外場可更換單元（LRU）或外場可更換模塊（LRM）[8]；

3）搜索雷達(dá)設(shè)備采用模塊化設(shè)計，能對故障進行定位，在更換故障模塊后一般不需要調(diào)試、增加設(shè)備的可維修性，其它外購產(chǎn)品也是由幾個模塊進行組合的，模塊可直接更換，且不影響設(shè)備的性能指標(biāo)。

5 保障性設(shè)計

5.1 備件供應(yīng)

針對“電科 1”號系統(tǒng)的維修保障，在結(jié)構(gòu)設(shè)計和電路設(shè)計中對其進行了充分的考慮：組合和備件完全以模塊形式提供，給備件的生產(chǎn)、保存、管理以及維修帶來便利。同時，系統(tǒng)提供了多種類型的插頭作為備件。

5.2 人員人力

“電科 1”號采用開放式體系架構(gòu)和模塊化設(shè)計，具備機內(nèi)故障自動檢測系統(tǒng)[9]，可降低系統(tǒng)對人員人力的要求。一級維修僅需一名經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)的信息技術(shù)人員即可完成，二級維修需要一名專業(yè)技術(shù)人員來完成。

5.3 培訓(xùn)

為保障“電科 1”號系統(tǒng)設(shè)備的正常運行，對相關(guān)人員進行培訓(xùn)。編制了系統(tǒng)使用維護說明書，采用理論與實踐相結(jié)合的方法進行保障培訓(xùn)。

6 環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計

6.1 溫度適應(yīng)性設(shè)計

在“電科 1”號系統(tǒng)中（尤其是功耗較大的設(shè)備），需采用如下設(shè)計措施以滿足其溫度適應(yīng)性：

1）在設(shè)備的選用上應(yīng)盡量采用其他海用平臺上使用過的產(chǎn)品，元器件選用時應(yīng)盡可能地選用國產(chǎn)元器件，盡量選用在其它型號產(chǎn)品中成熟使用的、符合使用要求的元器件，盡量減少元器件的品種和規(guī)格，以確保采購的質(zhì)量和保障能力；

2）各模塊均要進行參數(shù)和容差設(shè)計，電源設(shè)計應(yīng)考慮采用高轉(zhuǎn)換效率的DC/DC組件，并利用冗余設(shè)計以降低因電源熱失效而導(dǎo)致的系統(tǒng)失效風(fēng)險；

3）設(shè)備需進行熱源分析和熱計算，并根據(jù)分析和計算結(jié)果進行散熱設(shè)計，視情況采取自然對流或強制對流等熱處理措施[10]，以保證設(shè)備的散熱需求。

6.2 抗沖振設(shè)計

電子設(shè)備的故障在很大程度上是由機械負(fù)荷引起的，在沖振條件下，元件的失效頻度比在實驗室條件下大許多倍。因此，要確保設(shè)備的可靠運作，除采用隔振外，還應(yīng)提高其剛度與強度，即提高設(shè)備的固有頻率。因為電子設(shè)備抗高頻低振幅的性能比低頻大振幅的性能好?；谶@樣的原則，在設(shè)計系統(tǒng)設(shè)備時應(yīng)考慮的問題如下：

1）設(shè)備以鋁型材和剛性較好的大底板為骨架，使整個設(shè)備的剛度提高；

2）降低重心，并盡量使設(shè)備呈對稱布置，以減小離心慣性力；

3）對較大的印制板或過高的元器件而言，必須適當(dāng)對其進行加固，以減小元器件與印制板之間的相互耦合振動。

6.3 三防設(shè)計

針對潮濕、霉菌、鹽霧所引發(fā)的環(huán)境效應(yīng)，在本系統(tǒng)中，設(shè)備采用如下的設(shè)計措施進行防護：

1）設(shè)備的選材上優(yōu)先選用耐腐蝕性良好的防銹鋁，加工后的零件噴涂三防漆，非金屬選用抗霉性能好的尼龍等；射頻類組件用激光進行封焊，組件、模塊盒體噴色漆保護，在電路調(diào)試完成后涂三防漆；

2）室外天線上的齒輪箱等蓋板使用橡膠襯墊并合理設(shè)計密封槽的結(jié)構(gòu)形式，以滿足系統(tǒng)對防水處理的需要；

3）室內(nèi)的設(shè)備也要求廠家噴涂三防漆，主要包括所有的服務(wù)器、氣象測量設(shè)備和時統(tǒng)設(shè)備等。

7 實際應(yīng)用

作為國內(nèi)首艘民用綜合試驗船，“電科1”號自投入運營以來已完成大量海上及水下試驗任務(wù)。在“電科1”號的運營過程中，各設(shè)備工作狀態(tài)平穩(wěn)，系統(tǒng)運行正常，可靠性等六性方面未見明顯問題。通過本文所述的設(shè)計理念及，較好地達(dá)成了“電科1”號的“六性”設(shè)計要求，保障了各類待驗設(shè)備海上試驗任務(wù)的圓滿完成。本船的六性設(shè)計效果得到了良好的檢驗，受到了用戶的好評。

8 結(jié)論

通過對各類實際應(yīng)用的檢驗，充分驗證了“電科1”號可通過前期對可靠性、維修性、安全性、測試性、保障性及環(huán)境適應(yīng)性的完善設(shè)計，保障了綜合試驗船的平穩(wěn)運行及各類試驗的正常開展，為后續(xù)民用綜合試驗船的六性設(shè)計提供了良好范例。