孔維軒，劉寧，張強

（國家海洋標準計量中心，天津 300112）

引言

近年來，國內(nèi)海洋事業(yè)得到飛速發(fā)展，我國海洋科學、經(jīng)濟逐步向世界海洋強國看齊。作為海洋發(fā)展的基礎(chǔ)支撐，海洋科考/調(diào)查儀器為整個行業(yè)提供了重要的判別數(shù)據(jù)。隨著我國海洋發(fā)展的飛速增長，傳統(tǒng)進口儀器已不能滿足當前需求，加之一些核心涉海裝備仍受進口制約，因此大力發(fā)展國產(chǎn)海洋儀器裝備，建立我國自己的海洋環(huán)境工程體系成為近幾年迫切需要解決的問題。

該套體系以科學的態(tài)度從國產(chǎn)海洋儀器立項之初便引入環(huán)境管理和環(huán)境驗證思想，及早發(fā)現(xiàn)研發(fā)缺陷，改進儀器功能，提升儀器質(zhì)量，縮短研發(fā)周期。

1 環(huán)境工程

1.1 環(huán)境工程的興起

長久以來，為掌握儀器在各種環(huán)境下的適應(yīng)能力，工程人員設(shè)計了各種驗證試驗，以了解儀器性能，使其能應(yīng)對各種環(huán)境需求。這些工作在被總結(jié)、凝練之后逐步形成了統(tǒng)一的方法，并演變成一套標準的操作流程，即原始的環(huán)境工程思路。

上世紀40~70年代，初始階段的環(huán)境工程是以環(huán)境試驗的形式存在。這個階段，人們僅注重儀器是否適應(yīng)測試的環(huán)境，能否通過預期的驗證，僅建立了標準的試驗流程。80~90年代，隨著試驗技術(shù)的積累，一些國外著名的軍用裝備公司首次提出了包含管理概念的環(huán)境工程理論。但這一階段各個國家都在自行摸索，尚未形成統(tǒng)一的體系化認知。其中美軍標MIL-STD-810由于積累較為成熟，在全球范圍內(nèi)逐步形成引領(lǐng)趨勢。2000年，MIL-STD-810F《環(huán)境工程考慮和實驗室試驗》正式發(fā)布，并首次明確提出環(huán)境工程概念[1]。

MIL-STD-810F從形式上分為兩部分，前者為環(huán)境工程工作指南，后者分為實驗室試驗。它將傳統(tǒng)的管理與試驗分離開來，形成包括環(huán)境工程管理和實驗室試驗兩部分的混合型標準，同時給出環(huán)境工程設(shè)計流程。標準里的環(huán)境工程不是傳統(tǒng)意義上的對人產(chǎn)生影響的環(huán)保要素，而是指對各類儀器/裝備構(gòu)成影響的自然界因素和人工誘發(fā)因素[2]。

2001年，為緊跟世界先進裝備研發(fā)的需求，我國發(fā)布了GJB 4239《裝備環(huán)境工程通過要求》。標準依照我國實情，規(guī)定了“裝備環(huán)境工程是將各種科學技術(shù)和工程實踐用于減緩各種環(huán)境對裝備效能影響或提高裝備耐環(huán)境能力的一門工程學科[3]?！敝链?，我國的環(huán)境工程理論正式建立，并隨著應(yīng)用推廣逐步替代傳統(tǒng)的單一環(huán)境試驗。

1.2 環(huán)境工程與我國海洋儀器發(fā)展的關(guān)聯(lián)

新中國成立之初，我國海洋科技資源幾近空白。1965年，隨著國家海洋局海洋儀器研究所的成立，開啟了國產(chǎn)海洋科考儀器的研發(fā)之路。此后，又專門成立了負責海洋儀器性能測試的計量室，由此我國海洋儀器有了專門負責環(huán)境試驗和試驗標準編制的專業(yè)技術(shù)人員。

1985年，隨著國家大量引進國外先進標準，我國科技人員在吸收轉(zhuǎn)化后形成首部規(guī)范我國海洋儀器環(huán)境試驗的專業(yè)標準ZB Y339《海洋儀器基本環(huán)境試驗方法》。

1992年，在結(jié)合國內(nèi)試驗設(shè)備的基礎(chǔ)上，編制了第一部海洋儀器環(huán)境試驗行業(yè)標準HY 016《海洋儀器基本環(huán)境試驗方法》。至此環(huán)境試驗和相關(guān)技術(shù)與國產(chǎn)海洋儀器的研發(fā)緊密聯(lián)系到一起，并融入了設(shè)計、生產(chǎn)和驗收的各個階段。

2015年，在國產(chǎn)海洋儀器提出要與世界先進裝備接軌的背景下，又推出了GB/T 32065《海洋儀器環(huán)境試驗方法》系列國家標準和GB/T 12763《海洋調(diào)查規(guī)范》等各類海上環(huán)境資料調(diào)查方法。由此，海洋儀器環(huán)境工程體系逐步得到完善，不僅建立了規(guī)范的試驗方法，還有各類環(huán)境數(shù)據(jù)獲取方法和體系管理要求。

1.3 海洋儀器環(huán)境工程體系組成

依照GJB 4239的要求和我國海洋事業(yè)的發(fā)展特色，海洋儀器環(huán)境工程體系主要包括如圖1所示的：環(huán)境分析、環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計、環(huán)境試驗與評價和環(huán)境工程管理四大方面[2]。每個方面又有各自的工作重點，它貫穿于儀器的設(shè)計、加工、驗收和全壽命使用過程，進而保證儀器質(zhì)量。

圖1 海洋儀器環(huán)境工程體系

2 海洋儀器環(huán)境工程體系內(nèi)容

2.1 環(huán)境分析

2.1.1 儀器壽命期環(huán)境影響分析

海洋儀器在其壽命期內(nèi)會經(jīng)歷存儲、運輸和使用等不同階段，各個階段都有其顯著的環(huán)境特征，為此技術(shù)人員在研發(fā)之處就要緊密結(jié)合海洋領(lǐng)域的“溫、鹽、壓、流、浪、潮”這幾項基礎(chǔ)要素進行環(huán)境影響分析[4]。通過分析各要素對儀器的影響程度，選取合理激勵開展驗證，剔除影響不大的激勵。

此處的環(huán)境是指在任意時刻和任意地點儀器產(chǎn)生或遇到的自然條件和人工誘發(fā)條件的綜合體[5]。按實驗室統(tǒng)計數(shù)據(jù)，引起海洋儀器故障的主要環(huán)境因素有：水下壓力、鹽霧腐蝕、生物附著、溫度、濕度、振動等，而非海洋要素的沙塵、降雪等很少涉及。這就需要根據(jù)實際情況進行數(shù)據(jù)篩選和辨別，進而建立合理的試驗驗證項目。

2.1.2 儀器使用環(huán)境測量與分析

環(huán)境數(shù)據(jù)是進行試驗設(shè)計的前提和支撐，就海洋儀器而言其使用環(huán)境可分為自然環(huán)境和平臺環(huán)境。各種環(huán)境涉及的場所如表1所示。

表1 海洋儀器環(huán)境數(shù)據(jù)分類

各種數(shù)據(jù)的獲取方式主要分為搜集現(xiàn)有數(shù)據(jù)和直接采集測量兩種。前者可調(diào)取所在地歷史數(shù)據(jù)直接獲得；后者可依據(jù)《海洋調(diào)查規(guī)范》的要求測量獲取海洋水文、氣象、生物、化學等數(shù)據(jù)，再結(jié)合船舶和運輸行業(yè)機械類標準獲取振動、沖擊、搖擺等數(shù)據(jù)。

縱觀我國海洋儀器發(fā)展歷史， 2010年前，國產(chǎn)儀器多在中國沿海省市、黃渤海和南海區(qū)域使用；2010年之后，隨著技術(shù)提升開始面向全球海域、極地區(qū)域和深海深淵領(lǐng)域全面發(fā)展。

2.1.3 確認試驗條件與類型

近五年，在完成海洋儀器數(shù)據(jù)采集之后，環(huán)境工程技術(shù)人員逐步建立了一些典型船舶數(shù)據(jù)庫、近岸試驗平臺數(shù)據(jù)庫和海上試驗場數(shù)據(jù)庫。在試驗設(shè)計時，技術(shù)人員可根據(jù)不同海洋儀器的使用需求，篩選對應(yīng)的參數(shù)，并進行有效性確認。然后利用風險回避法提取大概率數(shù)據(jù)，配合研發(fā)單位進行環(huán)境適應(yīng)性和可靠性設(shè)計，并將其貫穿于新型儀器研制的全過程，最終保障我國自研海洋儀器質(zhì)量。

2.2 環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計

2.2.1 環(huán)境影響機理研究與應(yīng)用

儀器發(fā)生故障的本質(zhì)是由于不適應(yīng)周圍環(huán)境產(chǎn)生理化、結(jié)構(gòu)變化，進而導致其不能滿足原有設(shè)計功能[6]。因此，技術(shù)人員需要區(qū)分不同環(huán)境因素的作用機理，并明確各自特征和區(qū)別，避免混淆相近機理。同時，由于海洋環(huán)境的特殊屬性，不同環(huán)境之間還會出現(xiàn)相互促進或相互抑制的情況，故在進行分析時還應(yīng)考慮試驗順序問題。這樣在出現(xiàn)故障時可以準確定位原因，有針對性的提出驗證試驗方案。

2.2.2 海洋環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計

環(huán)境適應(yīng)性是指儀器在其壽命期可能遇到的各種環(huán)境作用下，正常實現(xiàn)其所有預定功能、性能和不被破壞的能力[7]。當元器件被選定后，儀器的適應(yīng)性就被固化，后期的工藝改進無法大幅改變其對環(huán)境的適應(yīng)能力。因此，研發(fā)方和驗證方在設(shè)計初期就需引入環(huán)境適應(yīng)性檢測理念，并結(jié)合海洋領(lǐng)域特色，制定適合的檢測方法，不能直接照搬其他通用標準。

依據(jù)我國海洋儀器環(huán)境試驗相關(guān)標準[8]，目前主要包含圖2中涉及的項目。

圖2 海洋儀器環(huán)境適應(yīng)性項目

在試驗選取時，我們需要依據(jù)儀器的使用環(huán)境進行合理的剪裁，利用最佳試驗組合來激發(fā)儀器缺陷，復現(xiàn)儀器故障環(huán)境。

2.2.3 環(huán)境故障數(shù)據(jù)庫建立與應(yīng)用

長久以來，我國海洋儀器種類繁多，但批量較小，單一故障很難反映批量缺陷。為此，技術(shù)人員開始摸索建立故障儀器資料庫，將使用環(huán)境與故障復現(xiàn)結(jié)合起來，逐步實現(xiàn)“設(shè)計與試驗—故障分析—技術(shù)改進”的閉環(huán)工作模式，逐級解決儀器缺陷。從而加快研發(fā)進度，提高儀器質(zhì)量和可靠性。

2.3 環(huán)境試驗與評價

2.3.1 環(huán)境試驗技術(shù)

在海洋儀器環(huán)境工程體系中環(huán)境試驗占有重要比例，它分為自然環(huán)境試驗、實驗室環(huán)境試驗和使用環(huán)境試驗[9]。各項試驗的適用范圍如表2所示。

表2 海洋儀器環(huán)境試驗適用范圍

自然環(huán)境試驗是材料和整機儀器長期暴露于某種自然環(huán)境中，以確定該種自然環(huán)境對其影響，主要用于考核材料的抗腐蝕/附著特性和儀器的長期運轉(zhuǎn)特性等。試驗條件取決于自然因素，具有不可控和無法固化的特點，目前在北海、東海和南海三個海區(qū)依托典型環(huán)境的沿海臺站建有相關(guān)測試環(huán)境，是三類試驗之中使用最少的。

實驗室環(huán)境試驗是在實驗室內(nèi)按規(guī)定的條件和負載進行的標準化試驗，試驗條件是標準設(shè)備提供的，可實現(xiàn)真實模擬，也可實現(xiàn)加速試驗。該類試驗是海洋儀器使用最多的，它可對儀器在運輸、存儲和使用中的各個重要環(huán)節(jié)進行性能摸底，并可復現(xiàn)故障環(huán)境進行反復測試，是研發(fā)和驗收階段的必備試驗。并且隨著國產(chǎn)儀器的適用范圍越加廣泛，試驗項目也在不斷的更新和擴充。

使用環(huán)境試驗是在規(guī)定的實際使用條件下評估儀器的環(huán)境適應(yīng)性水平，試驗條件取決于當時的地理、氣候、海洋等多方面綜合因素。海洋領(lǐng)域推廣度較高的湖試、海試實際上就是此類試驗的具體表現(xiàn)。它以諸多科考船和各沿海省市建立的海上平臺為載體，利用現(xiàn)場的真實條件來檢測儀器的綜合運行狀態(tài)。由于每次試驗的組織形式不同、搭載儀器不同，故需要針對每個儀器的需求制定獨立詳細的湖/海試大綱，然后依據(jù)大綱實施。同時此類大綱尚未達到標準化，還需進一步統(tǒng)一和提升。

2.3.2 環(huán)境試驗設(shè)備的自主研發(fā)

不同的需求，孕育出不同的檢測裝置。由于海洋環(huán)境較陸地和航空更為復雜，故市場上通用的環(huán)境試驗設(shè)備未必完全滿足海洋領(lǐng)域的檢測需求。這就要求環(huán)境工程人員依據(jù)環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計技術(shù)和海洋環(huán)境參數(shù)，改造現(xiàn)有的通用檢測設(shè)備或自主研發(fā)涉及“溫、鹽、壓、流、浪、潮”這幾項基礎(chǔ)海洋要素的專業(yè)檢測儀器。同時，隨著國際海洋發(fā)展重心的偏移，近幾年急需開展極地和深海方面的環(huán)境模擬裝置研建，并增加被測儀器實時狀態(tài)分析功能。由于此類儀器在國際上應(yīng)用較晚，故加快我國相關(guān)裝置的研發(fā)還可實現(xiàn)引領(lǐng)國際前言技術(shù)[10]。

2.3.3 海洋環(huán)境試驗結(jié)果評價

試驗結(jié)束后，需按照試驗大綱對儀器進行功能檢驗和評價。這里的功能是指儀器實現(xiàn)或產(chǎn)生規(guī)定動作行為的能力，單純有功能并不能說達到規(guī)定的指標，還需檢驗其計量指標是否滿足預期要求。1992版的行業(yè)標準僅對儀器試驗后的功能是否健全進行要求，對其在一定環(huán)境條件下性能指標是否滿足計量要求未做明確規(guī)定。2015版的國家標準在制定試驗大綱時推薦只有功能合格，計量指標無重大偏差才能說明其具備在預定環(huán)境中正常工作的能力。在試驗結(jié)果評價中逐步引入計量性能可使儀器評價更加合理。

2.4 環(huán)境工程管理

2.4.1 儀器全壽命環(huán)境工程管理

儀器的壽命期是指從其開始設(shè)計到使用結(jié)束的全時間剖面，而海洋儀器由于使用環(huán)境復雜，故對其壽命期內(nèi)的各項要求也需更加嚴格。由于選定元器件會鎖死儀器的基礎(chǔ)適應(yīng)性和使用壽命，故需要在設(shè)計前就引入環(huán)境工程管理概念，并在儀器壽命的不同階段開展工程研制試驗、有效性試驗、合格鑒定試驗、環(huán)境驗收試驗和環(huán)境例行試驗，以驗證各階段目標的達成程度[11]。同時，還需由環(huán)境工程專家，發(fā)揮其橋梁作用輔助供需雙方制定試驗大綱、驗收細則和功能評價方案等工作。這一點可參考瑞典沙伯-斯堪尼亞飛機設(shè)計公司的做法，在體系內(nèi)專門設(shè)立環(huán)境工程部，負責協(xié)調(diào)各項試驗并對每個項目制定專門的環(huán)境試驗方案[12]。

2.4.2 試驗要素管理

由于實驗室試驗和海上現(xiàn)場試驗均屬于典型的海洋儀器環(huán)境試驗手段，為保證環(huán)境工程的有效實施，我們需要嚴格控制如圖3所示的五個管理要素[13]。

圖3 環(huán)境試驗場所管理要素

人，需對環(huán)境工程人員的資質(zhì)、技術(shù)水平進行跟蹤，保障其具備開展相應(yīng)工作的能力。機，要按量值溯源要求保證用于實驗室和海上試驗的所有儀器/裝置均具備可靠的性能，避免出現(xiàn)偏差。料，被檢測的樣品需根據(jù)各試驗的不同需求進行前期準備，保障試驗的有效性。法，用于檢測的各項標準和臨時性大綱，需環(huán)境工程專家對其適用性和有效性進行逐一確認。環(huán)，不同試驗項目都有不同的外部設(shè)施要求，需要進行全程跟蹤，確保試驗在有效范圍內(nèi)開展。

2.4.3 環(huán)境標準的制修訂

標準是一個領(lǐng)域內(nèi)有所工作妥協(xié)的產(chǎn)物。為保證海洋儀器環(huán)境工程的規(guī)范實施，必須以成熟有效的檢測技術(shù)為基礎(chǔ)，平衡設(shè)計方和使用方的需求，最終形成具有科學性和可操作性的檢測技術(shù)標準。同時，還應(yīng)通過行政手段增加技術(shù)管理層面的標準，促進研發(fā)人員在項目立項之初就考慮引入環(huán)境工程管理標準，并將環(huán)境工程檢測技術(shù)貫穿于儀器研發(fā)的全過程[14]。

3 海洋儀器環(huán)境工程的重要作用

3.1 支撐和保障海洋儀器研制

海洋環(huán)境復雜多變，研制國產(chǎn)儀器需要各種環(huán)境工程基礎(chǔ)技術(shù)和標準的支持。這些技術(shù)和標準應(yīng)該在立項之前就進行論證，如此才能確保研發(fā)的順利開展。推行環(huán)境工程需要合理利用環(huán)境分析、環(huán)境適應(yīng)新設(shè)計、環(huán)境試驗與評價和環(huán)境工程管理等措施。將這些工作貫穿于儀器研發(fā)的全過程，從指標設(shè)計、元器件選材、結(jié)構(gòu)設(shè)計、加工工藝、組裝聯(lián)調(diào)由始而終，在各個重要環(huán)節(jié)及早激發(fā)故障，改進問題。若問題集中到最終驗收階段，則工藝已經(jīng)固化，前期有所工作均需推翻重做，極大地浪費精力。

3.2 確保儀器抗環(huán)境能力合理設(shè)計

儀器研發(fā)的第一步就是確定合理的環(huán)境要求，它可由儀器環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計、環(huán)境試驗與評價來完成。儀器環(huán)境要求是否合理，直接關(guān)系研發(fā)成本、技術(shù)投入和加工周期。若環(huán)境過于嚴酷，會加大研發(fā)投入和周期，造成不必要的浪費；若環(huán)境過于寬松，則不能保障儀器在使用期間的質(zhì)量。同時，環(huán)境參數(shù)的選取還直接影響環(huán)境試驗中嚴酷度等級的剪裁，測試中的過試驗和欠試驗都會影響對儀器真實性能的評價[15]。

3.3 確保海洋儀器適應(yīng)性

2000年前，海洋領(lǐng)域的傳統(tǒng)環(huán)境試驗主要依托于實驗室試驗。而后隨著時代和科技的發(fā)展，環(huán)境工程中的自然環(huán)境試驗、實驗室環(huán)境試驗和使用環(huán)境試驗并駕齊驅(qū)，組成了保障儀器質(zhì)量的三駕馬車。當前他們發(fā)揮著各自的特點，相互補充，從材料選材到加工工藝，從單一性能到現(xiàn)場綜合功能驗證，全面保障了海洋儀器在研發(fā)各個階段的質(zhì)量評價需求，為我國海洋儀器的快速研發(fā)和國產(chǎn)化進程提供重要技術(shù)支撐。

4 結(jié)論

1）環(huán)境工程是一項由多個學科技術(shù)組成的綜合體。它即包括試驗技術(shù)，也包括過程管理，我們在研發(fā)海洋儀器時要綜合考慮管理和技術(shù)的問題。

2）環(huán)境分析是合理開展環(huán)境工程的基礎(chǔ)，環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計是其延伸，環(huán)境試驗是其具體實施。當今海洋儀器研發(fā)急需依托科考船舶、測試平臺等環(huán)境進一步完善測量數(shù)據(jù)測量，而后整合環(huán)境參數(shù)和故障資料庫，完善特色海洋環(huán)境試驗項目，并研發(fā)引領(lǐng)世界的專業(yè)海洋檢測儀器，形成完備的海洋儀器性能評價體系。

3）環(huán)境工程管理應(yīng)加大宣傳，通過標準制定宣貫和相關(guān)行政手段，增加裝備研發(fā)人員和項目管理人員的認可度，進一步將其納入海洋儀器研發(fā)的過程要求。