綜合試驗船“六性”設計與應用

屈骎宇，歐盛春，張海清

（中電科海洋信息技術研究院有限公司，北京 100041）

0 引言

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

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

1 可靠性設計

1.1 模塊化設計

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

1.2 減振設計

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

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

2）組合和模塊單元設計采用鎖緊裝置固定，模塊單元內不牢固的元器件、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 軟件可靠性設計

為保證“電科 1”號軟件可靠運行，在軟件設計中采取了如下方法：

1）嚴格按照軟件模塊化設計：軟件按照功能主要分為接口、顯示、數據處理等模塊，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、糾錯設計，進行誤操作防護和錯誤提示[5]：在各個顯控臺退出應用頁面時，出現提示欄，提示是否確定退出；

3）對外來信息設定值域范圍，并進行容錯處理，保證不因外部輸入信息錯誤而導致軟件出錯：在系統的網絡協議中，約定了每個報文協議的長度以及各個數據項的值域范圍，在報文協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 信息冗余設計

在“電科 1”號系統中，許多同類信息有多源輸入。在系統設計中，對這些信息進行充分應用，設置可使用性的優先級別，在判斷優先級高的信息不能使用的情況下，自動選用優先級次之的信息源信息?！半娍?1”號可在多種設備中對相同的數據進行冗余選擇，如圖1所示。

2 維修性設計

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

圖1 “電科1”號數據源選擇示意圖

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

2）搜索雷達收發機柜的左側配備有外接波導，為方便波導的安裝，雷達的收發機柜靠右邊艙室壁擺放，同時在收發機柜左側及右側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距艙壁25 cm，人可側身在機柜后部對機柜進行固定或對機柜頂部插頭進行插拔。搜索雷達顯控臺采用正面維修設計，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個方艙進行布置設計時，把4個方艙門設置為向外開啟，此時方艙間距為1.5 m，便于維修使用。

3 安全性設計

3.1 人體安全

3.1.1 防止對人體的傷害措施

防止作業過程中對人體產生傷害的措施如下：

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備布放回收的安全；

2）所有可打開的機柜門設有固定裝置，當門處于打開狀態時，門的打開位置固定，需要打開鎖緊裝置才能關上門，防止因為船的搖晃導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

預防電磁波傷害的措施如下：

1）“電科 1”號搜索雷達天線安裝在羅經甲板上，雷達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有水密門屏蔽羅經甲板上的電磁輻射；

2）在“電科1”號衛星通信設備天線支架上的人員工作區有手扶護欄和固定安全帶的結構件；搜索雷達有天線旋轉驅動電機電源開關，維修天線時需切斷電源；

3）雷達機柜門上設計有電源開關，打開機柜門維修設備時，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生。

3.2 設備安全

針對設備安全的措施如下：

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

2）關鍵設備電纜選用帶鎧甲的船用電纜，防止鼠咬；采用明線鋪設，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志，插頭座普遍采用防插錯設計；

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

5）設備具有電氣限位、機械限位和危險標記等措施，確保設備的安全性；轉動天線均設有天線轉動止檔設備，當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點和信息樞紐，其信息的安全性十分重要。在設計時主要采用以下措施加以保障：

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

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

3）合理設置防火墻，防止外部攻擊：“電科1”號采用硬件防火墻連接系統網關和船載網絡，對外部輸入信息進行過濾，以防系統遭受外部攻擊；

4）設置用戶登陸權限，防止越權使用：在每臺系統計算機上設有用戶名和密碼，未經授權不能進入計算機系統；

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

4 測試性設計

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

1）各個設備向控制臺發送本設備的工作狀態和自檢信息，系統狀態菜單顯示系統中的設備及其工作狀態；

2）“電科 1”號設備面板上可顯示設備的工作狀態或模塊的工作狀態，部分設備具有BIT（built in test，機內自測試）功能，根據這些信息能把設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）搜索雷達設備采用模塊化設計，能對故障進行定位，在更換故障模塊后一般不需要調試、增加設備的可維修性，其它外購產品也是由幾個模塊進行組合的，模塊可直接更換，且不影響設備的性能指標。

5 保障性設計

5.1 備件供應

針對“電科 1”號系統的維修保障，在結構設計和電路設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、保存、管理以及維修帶來便利。同時，系統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和模塊化設計，具備機內故障自動檢測系統[9]，可降低系統對人員人力的要求。一級維修僅需一名經過專業培訓的信息技術人員即可完成，二級維修需要一名專業技術人員來完成。

5.3 培訓

為保障“電科 1”號系統設備的正常運行，對相關人員進行培訓。編制了系統使用維護說明書，采用理論與實踐相結合的方法進行保障培訓。

6 環境適應性設計

6.1 溫度適應性設計

在“電科 1”號系統中（尤其是功耗較大的設備），需采用如下設計措施以滿足其溫度適應性：

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

2）各模塊均要進行參數和容差設計，電源設計應考慮采用高轉換效率的DC/DC組件，并利用冗余設計以降低因電源熱失效而導致的系統失效風險；

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

6.2 抗沖振設計

電子設備的故障在很大程度上是由機械負荷引起的，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，要確保設備的可靠運作，除采用隔振外，還應提高其剛度與強度，即提高設備的固有頻率。因為電子設備抗高頻低振幅的性能比低頻大振幅的性能好。基于這樣的原則，在設計系統設備時應考慮的問題如下：

1）設備以鋁型材和剛性較好的大底板為骨架，使整個設備的剛度提高；

2）降低重心，并盡量使設備呈對稱布置，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 三防設計

針對潮濕、霉菌、鹽霧所引發的環境效應，在本系統中，設備采用如下的設計措施進行防護：

1）設備的選材上優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計密封槽的結構形式，以滿足系統對防水處理的需要；

3）室內的設備也要求廠家噴涂三防漆，主要包括所有的服務器、氣象測量設備和時統設備等。

7 實際應用

作為國內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。在“電科1”號的運營過程中，各設備工作狀態平穩，系統運行正常，可靠性等六性方面未見明顯問題。通過本文所述的設計理念及，較好地達成了“電科1”號的“六性”設計要求，保障了各類待驗設備海上試驗任務的圓滿完成。本船的六性設計效果得到了良好的檢驗，受到了用戶的好評。

8 結論

通過對各類實際應用的檢驗，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、保障性及環境適應性的完善設計，保障了綜合試驗船的平穩運行及各類試驗的正常開展，為后續民用綜合試驗船的六性設計提供了良好范例。