唐勇，張國華，鄧偉華，姜永廣

（中國電子科技集團公司第三十研究所，成都 610041）

引言

近年來，自然災害、事故災難、公共衛(wèi)生事件和社會安全事件出現(xiàn)突發(fā)和頻發(fā)態(tài)勢，給政府和軍隊處置應急事件提出了較高挑戰(zhàn)[1]。建立高效的應急通信指揮系統(tǒng)是國家進入現(xiàn)代化管理的必然選擇，是顯示國家應急處置能力和進入現(xiàn)代化的重要標志[2]。應急通信車作為應急指揮通信系統(tǒng)重要組成部分，廣泛應用于非戰(zhàn)爭軍事行動、搶險救援、公共安全等任務領(lǐng)域，具有高機動性、高越野性、多用途等特點，其任務現(xiàn)場環(huán)境的環(huán)境適應性成為任務成敗的關(guān)鍵要素。

美英等發(fā)達國家或組織是當前較早開展裝備環(huán)境適應研究的國家，20 世紀50年代，我國正式開始了裝備環(huán)境技術(shù)的相關(guān)研究工作[3]。業(yè)界對車載電子設(shè)備、機載電子設(shè)備等單體設(shè)備的環(huán)境適應性設(shè)計研究較為普遍，針對車輛平臺系統(tǒng)的裝備環(huán)境適應性設(shè)計研究較少，即便有也大多局限于單一環(huán)境應力的針對性設(shè)計研究，比如：施雷[4]等人研究了一種電源車方艙內(nèi)部的防雨、防砂塵、通風散熱進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計，趙世宜[5]等人研究了高溫高濕環(huán)境條件對車輛裝備影響及對策，何俊南[6]等人研究了高溫地區(qū)整車環(huán)境適應性試驗，劉策[7]等人對整車高寒地區(qū)環(huán)境適應性試驗進行了分析研究。國家軍用標準環(huán)境適應性的研究也主要是針對試驗方法等方面，比如GJB 150A-2009《軍用設(shè)備實驗室環(huán)境試驗方法》[8]、GJB 219B-2005《軍用通信車通用規(guī)范》[9]，關(guān)于車輛裝備的環(huán)境適應性設(shè)計方法幾乎空白。

采用系統(tǒng)工程設(shè)計思想，從頂層視角和全局視角進行創(chuàng)新設(shè)計，提出了基于分層分域理論方法的環(huán)境適應性分析設(shè)計方法和應急通信車工程應用實例，打破了業(yè)界一般針對單一環(huán)境、單設(shè)備級環(huán)境適應性研究的常態(tài)研究方法。

1 環(huán)境適應性分層分域設(shè)計理論和方法

1.1 環(huán)境適應性設(shè)計定義和內(nèi)涵

環(huán)境適應性是裝備承受環(huán)境作用能力的指標，是裝備的重要質(zhì)量特性之一，環(huán)境適應性設(shè)計是為保證裝備實際使用環(huán)境經(jīng)受綜合環(huán)境應力條件發(fā)揮性能的重要技術(shù)管理活動[10]。GJB 4239-2001《裝備環(huán)境工程通用要求》對環(huán)境適應性設(shè)計的定義為：為滿足裝備（產(chǎn)品）環(huán)境適應性要求而采取的一系列措施，包括改善環(huán)境或減緩環(huán)境影響的措施和提高裝備（產(chǎn)品）對環(huán)境耐受能力的措施[11]。

1.2 分層分域設(shè)計理論提出

原則上，系統(tǒng)裝備所涉及的系統(tǒng)、分系統(tǒng)、設(shè)備、模件等均需要進行環(huán)境適應性設(shè)計。需逐級進行環(huán)境適應性分析，通過環(huán)境要求、環(huán)境因素影響和機理分析、控制措施形成系統(tǒng)級產(chǎn)品的環(huán)境適應性設(shè)計方案。同時，按環(huán)境對裝備的影響又分為氣候環(huán)境條件、機械環(huán)境條件、生物環(huán)境條件、電場環(huán)境條件、輻射環(huán)境條件、人工環(huán)境條件[14]等，所涉及的環(huán)境條件也均需進行環(huán)境適應性設(shè)計。基于此，提出系統(tǒng)分層和條件分域的設(shè)計理論。

系統(tǒng)分層是從頂層自頂向下映射方式逐層細分到底層的架構(gòu)，結(jié)構(gòu)模型如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)模型

條件分域是從各個環(huán)境條件進行劃分，模型如圖2所示。

圖2 條件分域結(jié)構(gòu)模型

1.3 分層分域設(shè)計方法流程

按照環(huán)境適應性設(shè)計的定義和內(nèi)容，系統(tǒng)裝備分層分域設(shè)計方法流程包括裝備分層解析、裝備各層級環(huán)境適應性要求確立、裝備環(huán)境因素分域及影響機理分析、提出針對分層分域的裝備環(huán)境適應性設(shè)計方案。方法流程如圖3 所示。

圖3 基于分層分域的環(huán)境適應性設(shè)計方法流程

1）裝備分層解析。裝備分層采用自頂向下層層遞進的解析方法，將系統(tǒng)級裝備按系統(tǒng)、分系統(tǒng)、設(shè)備、模件進行逐級分解，確定系統(tǒng)級裝備所包含的各層級單元和要素。

2）裝備各層級環(huán)境適應性要求確立。裝備各層級的環(huán)境適應性要求包括系統(tǒng)、分系統(tǒng)、設(shè)備、模件的環(huán)境適應性要求，根據(jù)使用的位置和環(huán)境同一級系統(tǒng)、設(shè)備的環(huán)境適應性又可能分為不同要求。

3）裝備環(huán)境因素分域及影響機理分析。將影響裝備環(huán)境適應性的環(huán)境因素按環(huán)境條件分域，并對其壽命周期各階段的影響機理進行分析，找出系統(tǒng)分層的環(huán)境適應性設(shè)計對應的關(guān)注點。

4）提出針對分層分域的裝備環(huán)境適應性設(shè)計對策和方案?；谙到y(tǒng)分層和條件分域，結(jié)合環(huán)境適應性要求，分析建立環(huán)境適應性設(shè)計的關(guān)注點、控制措施、選材和工藝措施以及具體方法，制定出合理的環(huán)境適應性設(shè)計方案。

2 應急通信車的工程應用

2.1 應急通信車功能

應急通信車一般采用高機動越野一類底盤或二類底盤進行改裝集成設(shè)計[13]，與任務載荷一體集成構(gòu)建一個功能完備的移動指揮中心，為指揮中心指揮決策人員提供準確、及時的輔助支撐。應急通信車功能包括通信保障、指揮調(diào)度、計算、圖像采集、定位導航以及供配電、環(huán)境控制、照明等[14]。

2.2 應急通信車的系統(tǒng)分層

應急通信車從系統(tǒng)向下分層分為：第1 層，應急通信車；第2 層分為GPS/GIS 導航分系統(tǒng)、圖像采集與處理分系統(tǒng)、通信保障分系統(tǒng)、計算機及應用分系統(tǒng)、會議及輔助辦公分系統(tǒng)、環(huán)境控制分系統(tǒng)、供配電分系統(tǒng)、載車平臺等八個功能分系統(tǒng)；第3 層為各個分系統(tǒng)對應的設(shè)備、軟件；第4 層為構(gòu)成設(shè)備的元器件、結(jié)構(gòu)件、部件和裝車集成所用的結(jié)構(gòu)件、線纜等安裝附件。應急通信車分層結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

2.3 應急通信車環(huán)境適應性要求

按照GJB 219B-2005《軍用通信車通用規(guī)范》對環(huán)境適應性的要求描述通信車的環(huán)境適應性包括整車環(huán)境適應性和裝車設(shè)備的環(huán)境適應性兩部分，裝車設(shè)備的環(huán)境適應性要求應滿足GJB 367A《軍用通信設(shè)備通用規(guī)范》[15]中地面設(shè)備中車載式設(shè)備的要求。應急通信車環(huán)境適應性要求按照整車要求、裝車設(shè)備要求和裝車模件三個層面進行要求。整車要求包括：一般要求、道路行駛性要求以及使用、維修、運輸和貯存要求；裝車設(shè)備環(huán)境適應性要求包括僅在車內(nèi)使用的裝車設(shè)備和有露天使用要求的裝車設(shè)備以及裝車設(shè)備的機械適應性等要求；裝車模件環(huán)境適應性要求包括僅在車內(nèi)使用的裝車模件和有露天使用要求的裝車模件以及裝車模件的機械適應性等要求。應急通信車環(huán)境適應性要求如圖5 所示。

圖5 應急通信車環(huán)境適應性要求

2.4 應急通信車環(huán)境因素分域及影響機理分析

應急通信車在使用過程中可能經(jīng)歷的環(huán)境條件按影響因素進行分域，分為氣候環(huán)境、機械環(huán)境、輻射環(huán)境、生物環(huán)境、電場條件。氣候環(huán)境條件包括溫度、濕度、氣壓、砂塵、鹽霧、雨、風，機械環(huán)境條件包括振動、沖擊、顛搖、碰撞，輻射環(huán)境條件包括太陽輻射、紫外線輻射，生物環(huán)境條件包括霉菌，電場環(huán)境條件包括放電、雷擊和漏電。在各類環(huán)境條件下，應急通信車及所用的設(shè)備、材料、零部件、元器件都可能發(fā)生環(huán)境效應，降低使用可靠性。應急通信車環(huán)境因素與影響機理如表1 所示。

表1 應急通信車環(huán)境因素與影響機理

2.5 應急通信車環(huán)境適應性設(shè)計對策

本論文考慮設(shè)計篇幅和重點，底盤、上裝設(shè)備和模件均按應急通信車環(huán)境適應性要求選擇已經(jīng)經(jīng)過環(huán)境適應性考核檢驗的成品，不做具體設(shè)計。應急通信車整車層面，提出氣候環(huán)境、機械環(huán)境、輻射環(huán)境、生物環(huán)境、電場環(huán)境五個方面的設(shè)計。

2.5.1 氣候環(huán)境適應性設(shè)計

1）環(huán)境控制設(shè)計：①通過采用底盤原裝空調(diào)或加裝的取暖制冷設(shè)備實現(xiàn)車內(nèi)工作環(huán)境溫度調(diào)節(jié)。②對網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)備等大功率設(shè)備加裝散熱風扇，提供良好的設(shè)備散熱循環(huán)通道。③對與連續(xù)剎車導致的局部高溫，加裝水冷散熱裝置。

2）防潮、防鹽霧、防霉菌設(shè)計：①金屬鍍層和化學覆蓋層的選擇考慮使用環(huán)境工作條件、材料性質(zhì)、鍍覆特性、鍍覆后的工作條件等因素。②金屬和非金屬結(jié)構(gòu)件在基體表面或基體表面的金屬或非金屬覆蓋層上涂覆有機涂層，進一步防止基體材料在野外惡劣環(huán)境條件下的腐蝕。③采用固體薄膜保護劑對鍍金層、銀層接插件進行涂覆，延緩銀層變色，減低插拔力，增加接插件可靠性。⑤天線、支架及基座采用的噴鋅后多層涂料重防護，選擇好底漆、面漆的配套工藝技術(shù)。⑥天線罩及支撐件的防護可選用芳倫復合材料或碳纖維復合材料制造支撐件或箱體等異形構(gòu)件。

3）低氣壓環(huán)境適應性設(shè)計：①底盤和發(fā)電油機選擇高原型。②蓄電池考慮設(shè)計余量。③衛(wèi)星天線非密封設(shè)計，使低氣壓環(huán)境內(nèi)外大氣壓力平衡。

4）防淋雨設(shè)計：①車輛壁盒采用絕緣材料，蓋板采用上翻蓋設(shè)計并在兩側(cè)設(shè)計可折收擋雨板。②天線饋線線口、空調(diào)安裝架螺栓等改變車體結(jié)構(gòu)的安裝設(shè)計區(qū)域進行密封膠處理。

5）防砂塵設(shè)計：①門窗均設(shè)計密封膠條，在門窗關(guān)閉情況防止車外風沙進入車內(nèi)。②車壁接插件安裝防塵帽。③配備壁盒、天線防塵帆布套，在風沙環(huán)境中保護壁盒、天線不被風沙侵蝕。

6）抗風設(shè)計：①抗風8 級風工作、12 級風不損壞進行整車受風力計算和薄弱環(huán)節(jié)控制設(shè)計。②進行抗風設(shè)計校核和設(shè)計仿真。

7）降噪設(shè)計：①車內(nèi)設(shè)備采用前后固定安裝，減少車輛行駛中設(shè)備沖擊震動引起的噪聲。②機柜減震器增加限位裝置，避免車輛行駛時機柜與車體撞擊引起噪聲。③車輛內(nèi)飾加裝材料選用吸音材料。④散熱風扇選用噪聲等級低的風機部件。

2.5.2 機械環(huán)境適應性設(shè)計

抗振動和沖擊遵循GJB 367A-2001《軍用通信設(shè)備通用規(guī)范》相關(guān)要求開展，主要措施包括：①設(shè)備安裝方式主要分為上架安裝和臺面安裝兩種形式。其中上架設(shè)備采用標準機柜安裝，機柜采取整體減震措施。②臺式安裝設(shè)備均采取單設(shè)備減振措施，并通過可靠措施固定。③抽屜活動件安裝鎖定裝置，以免震動或沖擊時打開。④衛(wèi)星天線通過安裝支架安裝，底部螺栓與安裝支架固定牢靠。⑥整車附件均有安裝固定措施。⑦灌封后的插頭座，最后應當套上預置的熱縮套管、熱縮后使導線相對位置固定。

2.5.3 輻射環(huán)境適應性設(shè)計

非金屬材料選擇抗日光、紫外線等輻射環(huán)境較好的材料，車外二次涂覆材料選擇抗日光直曬的特種涂料。

2.5.4 生物環(huán)境適應性設(shè)計

應急通信車氣生物環(huán)境適應性設(shè)計主要考慮霉菌，設(shè)計對策與氣候環(huán)境適應性中“防潮、防鹽霧、防霉菌設(shè)計”對策一致。

2.5.5 電場環(huán)境適應性設(shè)計

1）防雷設(shè)計：根據(jù)不同線路、接口的電氣特性和信號參數(shù)選擇與之相匹配的專用防雷模塊加裝。

2）防漏放電設(shè)計：①車內(nèi)接地設(shè)計，通過接地匯接線和接地匯流銅帶實現(xiàn)設(shè)備就近共地。②整車接地設(shè)計，在壁盒設(shè)計車體地和測量地接地端子，進行車體接地和接地性能監(jiān)測。③車輛底部設(shè)計地拖接地，在車輛行駛時進行靜電釋放。

3）防電磁危害設(shè)計：對頭、胸、腹高度截面內(nèi)場強分布建立電磁模型并進行計算仿真，防止衛(wèi)星、集群和電臺對人體電磁危害。

3 結(jié)語

環(huán)境適應性是產(chǎn)品的固有特性，是產(chǎn)品質(zhì)量特性的重要組成部分，是裝備的六大重要通用質(zhì)量特性之一，直接關(guān)系產(chǎn)品性能，是產(chǎn)品全壽命周期發(fā)揮使用效能的關(guān)鍵要素，環(huán)境適應性設(shè)計已成為裝備研制過程中的重要工作，需要在產(chǎn)品設(shè)計方案設(shè)計中納入“六性”設(shè)計同步開展。系統(tǒng)級裝備大多具有“系統(tǒng)—分系統(tǒng)—設(shè)備—模件”多個層次，應急通信車作為系統(tǒng)級裝備環(huán)境適應性設(shè)計所涉及的內(nèi)容點多面廣，需要解決的問題和設(shè)計關(guān)注點較多，相較于普通軍用電子裝備難度較大。為保證應急通信車可靠性和質(zhì)量，需要從頂層環(huán)境適應性設(shè)計指標和全局狀態(tài)的過程監(jiān)控開展應急通信車的適應性設(shè)計。本文借助系統(tǒng)工程理論的分析模型，將系統(tǒng)層層分解，將環(huán)境條件按屬性和影響分域分析，建立了全要素的環(huán)境適應性設(shè)計方法流程，并以應急通信車為工程設(shè)計用例進行了設(shè)計展示，為系統(tǒng)級裝備開展環(huán)境適應性設(shè)計提供了一種可行的借鑒方法。