基于分層分域理論的應急通信車環境適應性設計方法

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、公共衛生事件和社會安全事件出現突發和頻發態勢，給政府和軍隊處置應急事件提出了較高挑戰[1]。建立高效的應急通信指揮系統是國家進入現代化管理的必然選擇，是顯示國家應急處置能力和進入現代化的重要標志[2]。應急通信車作為應急指揮通信系統重要組成部分，廣泛應用于非戰爭軍事行動、搶險救援、公共安全等任務領域，具有高機動性、高越野性、多用途等特點，其任務現場環境的環境適應性成為任務成敗的關鍵要素。

美英等發達國家或組織是當前較早開展裝備環境適應研究的國家，20 世紀50年代，我國正式開始了裝備環境技術的相關研究工作[3]。業界對車載電子設備、機載電子設備等單體設備的環境適應性設計研究較為普遍，針對車輛平臺系統的裝備環境適應性設計研究較少，即便有也大多局限于單一環境應力的針對性設計研究，比如：施雷[4]等人研究了一種電源車方艙內部的防雨、防砂塵、通風散熱進行了結構設計，趙世宜[5]等人研究了高溫高濕環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整車環境適應性試驗，劉策[7]等人對整車高寒地區環境適應性試驗進行了分析研究。國家軍用標準環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《軍用設備實驗室環境試驗方法》[8]、GJB 219B-2005《軍用通信車通用規范》[9]，關于車輛裝備的環境適應性設計方法幾乎空白。

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

1 環境適應性分層分域設計理論和方法

1.1 環境適應性設計定義和內涵

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

1.2 分層分域設計理論提出

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

系統分層是從頂層自頂向下映射方式逐層細分到底層的架構，結構模型如圖1 所示。

圖1 系統分層結構模型

條件分域是從各個環境條件進行劃分，模型如圖2所示。

圖2 條件分域結構模型

1.3 分層分域設計方法流程

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

圖3 基于分層分域的環境適應性設計方法流程

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，將系統級裝備按系統、分系統、設備、模件進行逐級分解，確定系統級裝備所包含的各層級單元和要素。

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

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

4）提出針對分層分域的裝備環境適應性設計對策和方案。基于系統分層和條件分域，結合環境適應性要求，分析建立環境適應性設計的關注點、控制措施、選材和工藝措施以及具體方法，制定出合理的環境適應性設計方案。

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計[13]，與任務載荷一體集成構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、指揮調度、計算、圖像采集、定位導航以及供配電、環境控制、照明等[14]。

2.2 應急通信車的系統分層

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

2.3 應急通信車環境適應性要求

按照GJB 219B-2005《軍用通信車通用規范》對環境適應性的要求描述通信車的環境適應性包括整車環境適應性和裝車設備的環境適應性兩部分，裝車設備的環境適應性要求應滿足GJB 367A《軍用通信設備通用規范》[15]中地面設備中車載式設備的要求。應急通信車環境適應性要求按照整車要求、裝車設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；裝車設備環境適應性要求包括僅在車內使用的裝車設備和有露天使用要求的裝車設備以及裝車設備的機械適應性等要求；裝車模件環境適應性要求包括僅在車內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。應急通信車環境適應性要求如圖5 所示。

圖5 應急通信車環境適應性要求

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

表1 應急通信車環境因素與影響機理

2.5 應急通信車環境適應性設計對策

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

2.5.1 氣候環境適應性設計

1）環境控制設計：①通過采用底盤原裝空調或加裝的取暖制冷設備實現車內工作環境溫度調節。②對網絡控制設備等大功率設備加裝散熱風扇，提供良好的設備散熱循環通道。③對與連續剎車導致的局部高溫，加裝水冷散熱裝置。

2）防潮、防鹽霧、防霉菌設計：①金屬鍍層和化學覆蓋層的選擇考慮使用環境工作條件、材料性質、鍍覆特性、鍍覆后的工作條件等因素。②金屬和非金屬結構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。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件。

3）低氣壓環境適應性設計：①底盤和發電油機選擇高原型。②蓄電池考慮設計余量。③衛星天線非密封設計，使低氣壓環境內外大氣壓力平衡。

4）防淋雨設計：①車輛壁盒采用絕緣材料，蓋板采用上翻蓋設計并在兩側設計可折收擋雨板。②天線饋線線口、空調安裝架螺栓等改變車體結構的安裝設計區域進行密封膠處理。

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

6）抗風設計：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節控制設計。②進行抗風設計校核和設計仿真。

7）降噪設計：①車內設備采用前后固定安裝，減少車輛行駛中設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 機械環境適應性設計

抗振動和沖擊遵循GJB 367A-2001《軍用通信設備通用規范》相關要求開展，主要措施包括：①設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臺式安裝設備均采取單設備減振措施，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 輻射環境適應性設計

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

2.5.4 生物環境適應性設計

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

2.5.5 電場環境適應性設計

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

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

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

3 結語

環境適應性是產品的固有特性，是產品質量特性的重要組成部分，是裝備的六大重要通用質量特性之一，直接關系產品性能，是產品全壽命周期發揮使用效能的關鍵要素，環境適應性設計已成為裝備研制過程中的重要工作，需要在產品設計方案設計中納入“六性”設計同步開展。系統級裝備大多具有“系統—分系統—設備—模件”多個層次，應急通信車作為系統級裝備環境適應性設計所涉及的內容點多面廣，需要解決的問題和設計關注點較多，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量，需要從頂層環境適應性設計指標和全局狀態的過程監控開展應急通信車的適應性設計。本文借助系統工程理論的分析模型，將系統層層分解，將環境條件按屬性和影響分域分析，建立了全要素的環境適應性設計方法流程，并以應急通信車為工程設計用例進行了設計展示，為系統級裝備開展環境適應性設計提供了一種可行的借鑒方法。