船用電子設(shè)備可靠性設(shè)計研究

賈起浪，汪業(yè)術(shù)

（中船電子科技（三亞）有限公司，北京 100070）

受空間環(huán)境限制，船用電子設(shè)備需要在高溫、高濕、持續(xù)振動的環(huán)境中長時間工作，同時還承受著空間電磁干擾。在此情況下，船用電子設(shè)備經(jīng)常發(fā)生短路、死機、異常動作等故障，甚至出現(xiàn)冒煙、著火等現(xiàn)象。為解決這一問題，研究人員應(yīng)當根據(jù)船用電子設(shè)備實際工作情況提出具有針對性的可靠性設(shè)計方案，延長平均故障間隔時間（Mean Time Between Failure，MTBF），減少因設(shè)備故障帶來的損失。

1 船用電子通信設(shè)備可靠性設(shè)計

作為船舶對外通信的主要工具，船用電子通信設(shè)備多為無線模式，一旦出現(xiàn)特殊情況，船員只能通過電子通信設(shè)備與外界建立聯(lián)系，因此，船用電子通信設(shè)備可靠性至關(guān)重要，這也是船舶出航之前需要對所有電子通信設(shè)備進行調(diào)試的主要原因。

1.1 電子元器件選型優(yōu)化

針對無線電子通信設(shè)備對自身電路工作品質(zhì)的要求，在選擇元器件時應(yīng)嚴格控制其質(zhì)量，尤其是對于高頻電子通信系統(tǒng)，需要明確電子元器件的抗電磁干擾能力。

例如，某半雙工短波電子通信設(shè)備在切換工作狀態(tài)瞬間系統(tǒng)會發(fā)出異響，其原因是因為送話器切換工作狀態(tài)瞬間所產(chǎn)生的電磁輻射會對電子通信設(shè)備產(chǎn)生干擾，尤其是對存在大量感性電子元器件的電子設(shè)備影響最大，由于感性電子元器件起到濾波和防浪涌的效果，在無法取消感性元器件的情況下，則需要選擇具有較強抗電磁干擾能力的感性電子元器件。

1.2 電子通信設(shè)備功率自適應(yīng)調(diào)整

所謂功率自適應(yīng)調(diào)整，是指電子通信設(shè)備可以根據(jù)實際工作狀態(tài)變化而調(diào)整自身功率，傳統(tǒng)電子通信設(shè)備功率固定，長期在額定功率下工作將導(dǎo)致電子元器件壽命縮短，因此，電子通信設(shè)備可根據(jù)目標通信距離的變化，進行自身功率的自適應(yīng)調(diào)整。然而，這里需要注意的是，電子通信設(shè)備功率自適應(yīng)調(diào)整是以犧牲通信距離與通信質(zhì)量為代價，當電子通信設(shè)備通信距離與質(zhì)量無法達到要求時，操作人員需要及時進行功率匹配，避免因通信系統(tǒng)工作異常導(dǎo)致的風險。

1.3 電子通信設(shè)備冗余設(shè)計

冗余設(shè)計是提高電子裝備可靠性的又一重要手段，但是，在過去較長的一段時間里，電子通信設(shè)備冗余設(shè)計多為全套備份的方式，這種冗余設(shè)計不僅成本高，且無法實現(xiàn)智能故障識別與冗余切換功能。電子通信設(shè)備冗余設(shè)計是根據(jù)不同電子設(shè)備故障發(fā)生的具體數(shù)據(jù)，確定高頻故障類型與相關(guān)數(shù)據(jù)特征，結(jié)合故障監(jiān)視系統(tǒng)的應(yīng)用，當電子設(shè)備實時狀態(tài)數(shù)據(jù)與故障數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)故障模型擬合程度超出閾值后，電子通信設(shè)備將自動分析故障單元并激活冗余功能，從而保證電子通信設(shè)備的正常工作狀態(tài)。

2 船用慣性單元可靠性設(shè)計

慣性單元是船用導(dǎo)航系統(tǒng)的重要電子設(shè)備之一，其利用轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的定向性特征為船舶航行指明方向，即使在衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)高度發(fā)展的今天，慣性導(dǎo)航設(shè)備依然屬于強制安裝的電子設(shè)備。

2.1 船用慣性單元減振結(jié)構(gòu)與算法設(shè)計

船舶航行期間所產(chǎn)生的振動主要為低頻振動，慣性單元對低頻振動相對敏感性較低，但是，由于低頻振動的不規(guī)則特性，導(dǎo)致船用慣性導(dǎo)航設(shè)備在濾波算法方面無法有效抵消因低頻振動對導(dǎo)航精度帶來的誤差積累，由此造成船用慣性導(dǎo)航設(shè)備的精度持續(xù)降低，最終需要通過組合導(dǎo)航或多點校準的方式將誤差清零。

為解決該問題，傳統(tǒng)方法是增加多角度減振設(shè)計，通過柔性緩沖的方式將低頻振動對慣性導(dǎo)航設(shè)備在各方向上的力的作用距離大大縮短，實裝驗證結(jié)果顯示，單獨采取柔性減振設(shè)計并不能夠真正解決慣性導(dǎo)航設(shè)備的精度問題。并且，由于多角度減震設(shè)計導(dǎo)致慣性導(dǎo)航設(shè)備安裝平臺存在橫向與縱向位移，反而會降低慣性導(dǎo)航設(shè)備的航向與縱、橫搖精度。

目前，可推廣的船用慣性單元減振結(jié)構(gòu)設(shè)計為無轉(zhuǎn)角減震器，其通過橫向、縱向兩個方向上的獨立減振結(jié)構(gòu)設(shè)計，吸收慣性導(dǎo)航設(shè)備所受到的振動分量，并且，針對機械慣性導(dǎo)航設(shè)備，可采用龍門架結(jié)構(gòu)設(shè)計將低頻振動與核心組件進行二次隔離。同時，根據(jù)船用慣性單元減振結(jié)構(gòu)的設(shè)計情況，優(yōu)化導(dǎo)航軟件中濾波算法，對因低頻振動激勵的誤差進行處理，保證慣性單元的可靠性。

2.2 船用慣性導(dǎo)航設(shè)備溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

與其它電子設(shè)備不同，為保證導(dǎo)航精度，船用慣性導(dǎo)航設(shè)備需在靜水狀態(tài)下啟動，即便采取了雙機備份的設(shè)計，也無法避免在連續(xù)工作狀態(tài)下溫度持續(xù)升高導(dǎo)致的各種故障，因此，船用慣性導(dǎo)航設(shè)備可靠性水平與其溫度控制能力有著直接關(guān)系。以日本產(chǎn)TG-8000/8000I型電控羅經(jīng)為例，其溫度控制系統(tǒng)沿用了傳統(tǒng)的電加熱技術(shù)與風循環(huán)制冷技術(shù)，雖然，大規(guī)模集成電路的應(yīng)用有效降低了設(shè)備功耗，但是，由于電控羅經(jīng)工作特點，轉(zhuǎn)子高速轉(zhuǎn)動摩擦產(chǎn)生大量熱量，風循環(huán)制冷在溫度控制方面明顯滯后，電控羅經(jīng)溫度變化區(qū)間較大，以致因溫度漂移帶來的導(dǎo)航誤差。

為提高電控陀螺羅經(jīng)的溫度控制效率，保證其可靠性，研究人員可選用更加高效、穩(wěn)定的半導(dǎo)體溫度控制系統(tǒng)，半導(dǎo)體溫度控制系統(tǒng)原理如圖1。

圖1 半導(dǎo)體制冷示意圖

由圖1所示，通過外加電源的方式，實現(xiàn)N型、P型半導(dǎo)體內(nèi)部電子遷移，同時，利用溫度反饋控制技術(shù)，對直流電源電壓進行調(diào)整，最終達到慣性導(dǎo)航設(shè)備溫度精準控制目的。相比較傳統(tǒng)溫度控制技術(shù)來說，半導(dǎo)體溫度控制系統(tǒng)利用數(shù)字反饋控制技術(shù)，使溫度控制效率更高、實時性更好，船用慣性導(dǎo)航設(shè)備可靠性將得到明顯提升。

3 船用GPS定位系統(tǒng)可靠性設(shè)計

慣性導(dǎo)航設(shè)備是基于陀螺儀、加速度計等傳感器進行無源定位推算實現(xiàn)定位的，船用GPS定位系統(tǒng)則是通過接收衛(wèi)星信號的方式進行定位，因此，GPS定位系統(tǒng)的可靠性極為重要。

在實際使用過程中，GPS定位系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)信號丟失、數(shù)據(jù)發(fā)送失敗等故障，對船舶航行安全帶來了極大隱患。GPS定位系統(tǒng)之所以出現(xiàn)此類故障，其原因多由上層建筑物遮擋GPS信號接收器所導(dǎo)致，可通過調(diào)整船舶航向或GPS安裝位置解決。除此之外，也存在可靠性設(shè)計方面的問題，即GPS信號接收器密封性設(shè)計較差，導(dǎo)致潮濕空氣和海水進入接收器內(nèi)部，造成接收器內(nèi)部電路短路、腐蝕。針對這一問題，設(shè)計人員需要嚴格檢查GPS接收器的密封情況，對使用過程中存在密封性下降的GPS接收器及時進行密封處理，避免因密封問題導(dǎo)致的GPS定位系統(tǒng)故障。

4 結(jié)語

電子設(shè)備的應(yīng)用在保證船舶航行安全的同時，也提高了船舶運營管理效率，然而，受工作環(huán)境的影響，高溫、高濕、電磁干擾等相關(guān)因素的影響，使得電子設(shè)備可靠性明顯降低。為此，設(shè)計人員需要根據(jù)船用電子設(shè)備的實際工作環(huán)境，通過電氣設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝設(shè)計等相關(guān)過程，提高電子設(shè)備可靠性。