構建海洋儀器環境工程體系探討

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，國內海洋事業得到飛速發展，我國海洋科學、經濟逐步向世界海洋強國看齊。作為海洋發展的基礎支撐，海洋科考/調查儀器為整個行業提供了重要的判別數據。隨著我國海洋發展的飛速增長，傳統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，因此大力發展國產海洋儀器裝備，建立我國自己的海洋環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度從國產海洋儀器立項之初便引入環境管理和環境驗證思想，及早發現研發缺陷，改進儀器功能，提升儀器質量，縮短研發周期。

1 環境工程

1.1 環境工程的興起

長久以來，為掌握儀器在各種環境下的適應能力，工程人員設計了各種驗證試驗，以了解儀器性能，使其能應對各種環境需求。這些工作在被總結、凝練之后逐步形成了統一的方法，并演變成一套標準的操作流程，即原始的環境工程思路。

上世紀40~70年代，初始階段的環境工程是以環境試驗的形式存在。這個階段，人們僅注重儀器是否適應測試的環境，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，在全球范圍內逐步形成引領趨勢。2000年，MIL-STD-810F《環境工程考慮和實驗室試驗》正式發布，并首次明確提出環境工程概念[1]。

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

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

1.2 環境工程與我國海洋儀器發展的關聯

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，開啟了國產海洋科考儀器的研發之路。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境試驗和試驗標準編制的專業技術人員。

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化后形成首部規范我國海洋儀器環境試驗的專業標準ZB Y339《海洋儀器基本環境試驗方法》。

1992年，在結合國內試驗設備的基礎上，編制了第一部海洋儀器環境試驗行業標準HY 016《海洋儀器基本環境試驗方法》。至此環境試驗和相關技術與國產海洋儀器的研發緊密聯系到一起，并融入了設計、生產和驗收的各個階段。

2015年，在國產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《海洋儀器環境試驗方法》系列國家標準和GB/T 12763《海洋調查規范》等各類海上環境資料調查方法。由此，海洋儀器環境工程體系逐步得到完善，不僅建立了規范的試驗方法，還有各類環境數據獲取方法和體系管理要求。

1.3 海洋儀器環境工程體系組成

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

圖1 海洋儀器環境工程體系

2 海洋儀器環境工程體系內容

2.1 環境分析

2.1.1 儀器壽命期環境影響分析

海洋儀器在其壽命期內會經歷存儲、運輸和使用等不同階段，各個階段都有其顯著的環境特征，為此技術人員在研發之處就要緊密結合海洋領域的“溫、鹽、壓、流、浪、潮”這幾項基礎要素進行環境影響分析[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。

此處的環境是指在任意時刻和任意地點儀器產生或遇到的自然條件和人工誘發條件的綜合體[5]。按實驗室統計數據，引起海洋儀器故障的主要環境因素有：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。這就需要根據實際情況進行數據篩選和辨別，進而建立合理的試驗驗證項目。

2.1.2 儀器使用環境測量與分析

環境數據是進行試驗設計的前提和支撐，就海洋儀器而言其使用環境可分為自然環境和平臺環境。各種環境涉及的場所如表1所示。

表1 海洋儀器環境數據分類

各種數據的獲取方式主要分為搜集現有數據和直接采集測量兩種。前者可調取所在地歷史數據直接獲得；后者可依據《海洋調查規范》的要求測量獲取海洋水文、氣象、生物、化學等數據，再結合船舶和運輸行業機械類標準獲取振動、沖擊、搖擺等數據。

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

2.1.3 確認試驗條件與類型

近五年，在完成海洋儀器數據采集之后，環境工程技術人員逐步建立了一些典型船舶數據庫、近岸試驗平臺數據庫和海上試驗場數據庫。在試驗設計時，技術人員可根據不同海洋儀器的使用需求，篩選對應的參數，并進行有效性確認。然后利用風險回避法提取大概率數據，配合研發單位進行環境適應性和可靠性設計，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量。

2.2 環境適應性設計

2.2.1 環境影響機理研究與應用

儀器發生故障的本質是由于不適應周圍環境產生理化、結構變化，進而導致其不能滿足原有設計功能[6]。因此，技術人員需要區分不同環境因素的作用機理，并明確各自特征和區別，避免混淆相近機理。同時，由于海洋環境的特殊屬性，不同環境之間還會出現相互促進或相互抑制的情況，故在進行分析時還應考慮試驗順序問題。這樣在出現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 海洋環境適應性設計

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

依據我國海洋儀器環境試驗相關標準[8]，目前主要包含圖2中涉及的項目。

圖2 海洋儀器環境適應性項目

在試驗選取時，我們需要依據儀器的使用環境進行合理的剪裁，利用最佳試驗組合來激發儀器缺陷，復現儀器故障環境。

2.2.3 環境故障數據庫建立與應用

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，技術人員開始摸索建立故障儀器資料庫，將使用環境與故障復現結合起來，逐步實現“設計與試驗—故障分析—技術改進”的閉環工作模式，逐級解決儀器缺陷。從而加快研發進度，提高儀器質量和可靠性。

2.3 環境試驗與評價

2.3.1 環境試驗技術

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

表2 海洋儀器環境試驗適用范圍

自然環境試驗是材料和整機儀器長期暴露于某種自然環境中，以確定該種自然環境對其影響，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依托典型環境的沿海臺站建有相關測試環境，是三類試驗之中使用最少的。

實驗室環境試驗是在實驗室內按規定的條件和負載進行的標準化試驗，試驗條件是標準設備提供的，可實現真實模擬，也可實現加速試驗。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節進行性能摸底，并可復現故障環境進行反復測試，是研發和驗收階段的必備試驗。并且隨著國產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。

使用環境試驗是在規定的實際使用條件下評估儀器的環境適應性水平，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。它以諸多科考船和各沿海省市建立的海上平臺為載體，利用現場的真實條件來檢測儀器的綜合運行狀態。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，然后依據大綱實施。同時此類大綱尚未達到標準化，還需進一步統一和提升。

2.3.2 環境試驗設備的自主研發

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

2.3.3 海洋環境試驗結果評價

試驗結束后，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或產生規定動作行為的能力，單純有功能并不能說達到規定的指標，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，對其在一定環境條件下性能指標是否滿足計量要求未做明確規定。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境中正常工作的能力。在試驗結果評價中逐步引入計量性能可使儀器評價更加合理。

2.4 環境工程管理

2.4.1 儀器全壽命環境工程管理

儀器的壽命期是指從其開始設計到使用結束的全時間剖面，而海洋儀器由于使用環境復雜，故對其壽命期內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適應性和使用壽命，故需要在設計前就引入環境工程管理概念，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、環境驗收試驗和環境例行試驗，以驗證各階段目標的達成程度[11]。同時，還需由環境工程專家，發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-斯堪尼亞飛機設計公司的做法，在體系內專門設立環境工程部，負責協調各項試驗并對每個項目制定專門的環境試驗方案[12]。

2.4.2 試驗要素管理

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

圖3 環境試驗場所管理要素

人，需對環境工程人員的資質、技術水平進行跟蹤，保障其具備開展相應工作的能力。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，避免出現偏差。料，被檢測的樣品需根據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，需環境工程專家對其適用性和有效性進行逐一確認。環，不同試驗項目都有不同的外部設施要求，需要進行全程跟蹤，確保試驗在有效范圍內開展。

2.4.3 環境標準的制修訂

標準是一個領域內有所工作妥協的產物。為保證海洋儀器環境工程的規范實施，必須以成熟有效的檢測技術為基礎，平衡設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標準。同時，還應通過行政手段增加技術管理層面的標準，促進研發人員在項目立項之初就考慮引入環境工程管理標準，并將環境工程檢測技術貫穿于儀器研發的全過程[14]。

3 海洋儀器環境工程的重要作用

3.1 支撐和保障海洋儀器研制

海洋環境復雜多變，研制國產儀器需要各種環境工程基礎技術和標準的支持。這些技術和標準應該在立項之前就進行論證，如此才能確保研發的順利開展。推行環境工程需要合理利用環境分析、環境適應新設計、環境試驗與評價和環境工程管理等措施。將這些工作貫穿于儀器研發的全過程，從指標設計、元器件選材、結構設計、加工工藝、組裝聯調由始而終，在各個重要環節及早激發故障，改進問題。若問題集中到最終驗收階段，則工藝已經固化，前期有所工作均需推翻重做，極大地浪費精力。

3.2 確保儀器抗環境能力合理設計

儀器研發的第一步就是確定合理的環境要求，它可由儀器環境適應性設計、環境試驗與評價來完成。儀器環境要求是否合理，直接關系研發成本、技術投入和加工周期。若環境過于嚴酷，會加大研發投入和周期，造成不必要的浪費；若環境過于寬松，則不能保障儀器在使用期間的質量。同時，環境參數的選取還直接影響環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 確保海洋儀器適應性

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

4 結論

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

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

3）環境工程管理應加大宣傳，通過標準制定宣貫和相關行政手段，增加裝備研發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的過程要求。