综合试验船“六性”设计与应用

屈骎宇，欧盛春，张海清

（中电科海洋信息技术研究院有限公司，北京 100041）

0 引言

综合试验船的任务系统“六性”包括可靠性（reliability）、维修性（maintainability）、测试性（testability）、安全性（safety）、保障性（supportability）及环境适应性（environmental adaptability）[1]（以下简称：“六性”）。由于综合试验船搭载的设备较多，系统复杂度较高，为良好地开展各类试验任务，保障综合试验船的正常使用，需提前合理规划系统的六性指标，开展相应设计满足要求。

“六性”是装备的重要设计特性，是产品固有的质量特性[2]。作为国内首艘民用综合试验船，“电科1”号在设计建造阶段将全船系统的六性设计作为重点。本文将以该船为例对综合试验船任务系统的六性设计进行阐述。

1 可靠性设计

1.1 模块化设计

可靠性主要指产品在规定的条件下、规定的时间内完成规定功能的能力[3]。综合试验船“电科1”号按照各系统电路的功能，进行模块化设计。各模块采用屏蔽或密封措施，以减少插座转接的次数，简化了联线，有利于减弱电磁泄露且防潮。

1.2 减振设计

为防止“电科 1”号因振动冲击而引起振动加速度、冲击加速度超出设备的极限强度或导致设备的疲劳损坏，使得设备不能正常作业，必须采取减振防护设计[4]，主要采取以下方法：

1）系统中所有设备机柜以及壁挂式设备均通过减震器与船体相连，如搜索雷达、其它设备机柜及计算机网络机柜等，以降低振动和冲击的影响；

2）组合和模块单元设计采用锁紧装置固定，模块单元内不牢固的元器件、连线采用机械或硅橡胶进行固定。机柜和组合中的较长线缆采用线夹对其进行固定，对于较大的直立电解电容采用倒用并用带橡胶垫的固定夹固定。

1.3 软件可靠性设计

为保证“电科 1”号软件可靠运行，在软件设计中采取了如下方法：

1）严格按照软件模块化设计：软件按照功能主要分为接口、显示、数据处理等模块，约定模块之间的软件接口要求，分别对各个模块进行编程并测试；

2）采用容错、纠错设计，进行误操作防护和错误提示[5]：在各个显控台退出应用页面时，出现提示栏，提示是否确定退出；

3）对外来信息设定值域范围，并进行容错处理，保证不因外部输入信息错误而导致软件出错：在系统的网络协议中，约定了每个报文协议的长度以及各个数据项的值域范围，在报文协议长度或者值域范围出错时，软件对该错误报文不予处理。

1.4 信息冗余设计

在“电科 1”号系统中，许多同类信息有多源输入。在系统设计中，对这些信息进行充分应用，设置可使用性的优先级别，在判断优先级高的信息不能使用的情况下，自动选用优先级次之的信息源信息。“电科 1”号可在多种设备中对相同的数据进行冗余选择，如图1所示。

2 维修性设计

为了提高“电科1”号系统中设备的可维修性，采购、设计时需注重设备的模块化，设备设计配有故障检测模块，采用层次框架结构，便于对故障模块快速进行定位、更换，并提供准确、齐全的维修技术资料。具体措施如下[6]：

图1 “电科1”号数据源选择示意图

1）设备以及设备周围应该留有充足的设备维修空间，对需检查、维护或修理的零部件，应有良好的可达性，对故障率高的部位提供最佳的可达性；

2）搜索雷达收发机柜的左侧配备有外接波导，为方便波导的安装，雷达的收发机柜靠右边舱室壁摆放，同时在收发机柜左侧及右侧靠舱壁位置留出至少15 cm的间距；

3）在指挥室的操作台左侧距舱壁25 cm，人可侧身在机柜后部对机柜进行固定或对机柜顶部插头进行插拔。搜索雷达显控台采用正面维修设计，维修空间大；

4）在机房中的计算机机柜前部有1.4 m空间，机柜后部留出1 m的维修通道，机柜采用正面维修，机柜上的设备可从轨道上拉出进行检查、维修；

5）在甲板上对4个方舱进行布置设计时，把4个方舱门设置为向外开启，此时方舱间距为1.5 m，便于维修使用。

3 安全性设计

3.1 人体安全

3.1.1 防止对人体的伤害措施

防止作业过程中对人体产生伤害的措施如下：

1）增加工作艇固定艇架，人员乘坐工作艇及布放回收更加安全；在后甲板安装A型吊比单吊臂更能保障设备布放回收的安全；

2）所有可打开的机柜门设有固定装置，当门处于打开状态时，门的打开位置固定，需要打开锁紧装置才能关上门，防止因为船的摇晃导致机柜门晃动对人造成伤害。

3.1.2 防止电磁波的伤害措施

预防电磁波伤害的措施如下：

1）“电科 1”号搜索雷达天线安装在罗经甲板上，雷达波束的主瓣及副瓣照射不到下层甲板，高频室与综合桅杆罩之间设有水密门屏蔽罗经甲板上的电磁辐射；

2）在“电科1”号卫星通信设备天线支架上的人员工作区有手扶护栏和固定安全带的结构件；搜索雷达有天线旋转驱动电机电源开关，维修天线时需切断电源；

3）雷达机柜门上设计有电源开关，打开机柜门维修设备时，电源即刻断开，完全杜绝了高压电源对人体造成伤害的情况发生。

3.2 设备安全

针对设备安全的措施如下：

1）“电科 1”号电缆优先选用船用低卤阻燃电缆，配电箱内每一路输出都配有单独的过流保护开关；

2）关键设备电缆选用带铠甲的船用电缆，防止鼠咬；采用明线铺设，在线缆受到损坏时可较方便、快捷地对其进行更换；

3）所有机柜顶部、机箱背部的插头座都有明显的标志，插头座普遍采用防插错设计；

4）舱室内、外的设备均安装有隔震器，极大地提高了设备的抗震缓冲能力；在机柜中，设备都安装在托盘上，且前后均固定在机架和托盘上；

5）设备具有电气限位、机械限位和危险标记等措施，确保设备的安全性；转动天线均设有天线转动止档设备，当天线纵横摇范围超出一定的角度范围时，由机械装置保证天线的安全。

3.3 信息安全

综合试验船“电科 1”号作为海上重要的信息节点和信息枢纽，其信息的安全性十分重要。在设计时主要采用以下措施加以保障：

1）重要数据进行冗余备份：所有工作站、服务器都有SAS RAID功能，SAS RAID卡提供了比常用磁盘存储更高的性能指标、数据完整性和数据可用性；在进行系统设计时，数据库管理服务器采用了2个服务器集群的方式，提供了主备冗余通道，同时采用磁盘阵列进行数据存储，提高了数据的可靠性[7]；

2）机房配置有UPS电源，防止突然断电对设备的损坏：机房配置了10 kW的UPS电源，经测试，在船上的交流电断电时，能为机房供电不少于40 min，以保护服务器、磁盘阵列、核心交换机等设备。

3）合理设置防火墙，防止外部攻击：“电科1”号采用硬件防火墙连接系统网关和船载网络，对外部输入信息进行过滤，以防系统遭受外部攻击；

4）设置用户登陆权限，防止越权使用：在每台系统计算机上设有用户名和密码，未经授权不能进入计算机系统；

5）根据工作和娱乐的不同使用目的，对网络进行分级控制：根据“电科 1”号船载网络中用户及信息的类型，把船载网络分为工作网和生活网。

4 测试性设计

测试性是指产品能及时准确地确定其状态（可工作、不可工作、性能下降）和隔离其内部故障的设计特性。“电科1”号采取了下列设计进行保障：

1）各个设备向控制台发送本设备的工作状态和自检信息，系统状态菜单显示系统中的设备及其工作状态；

2）“电科 1”号设备面板上可显示设备的工作状态或模块的工作状态，部分设备具有BIT（built in test，机内自测试）功能，根据这些信息能把设备故障隔离到外场可更换单元（LRU）或外场可更换模块（LRM）[8]；

3）搜索雷达设备采用模块化设计，能对故障进行定位，在更换故障模块后一般不需要调试、增加设备的可维修性，其它外购产品也是由几个模块进行组合的，模块可直接更换，且不影响设备的性能指标。

5 保障性设计

5.1 备件供应

针对“电科 1”号系统的维修保障，在结构设计和电路设计中对其进行了充分的考虑：组合和备件完全以模块形式提供，给备件的生产、保存、管理以及维修带来便利。同时，系统提供了多种类型的插头作为备件。

5.2 人员人力

“电科 1”号采用开放式体系架构和模块化设计，具备机内故障自动检测系统[9]，可降低系统对人员人力的要求。一级维修仅需一名经过专业培训的信息技术人员即可完成，二级维修需要一名专业技术人员来完成。

5.3 培训

为保障“电科 1”号系统设备的正常运行，对相关人员进行培训。编制了系统使用维护说明书，采用理论与实践相结合的方法进行保障培训。

6 环境适应性设计

6.1 温度适应性设计

在“电科 1”号系统中（尤其是功耗较大的设备），需采用如下设计措施以满足其温度适应性：

1）在设备的选用上应尽量采用其他海用平台上使用过的产品，元器件选用时应尽可能地选用国产元器件，尽量选用在其它型号产品中成熟使用的、符合使用要求的元器件，尽量减少元器件的品种和规格，以确保采购的质量和保障能力；

2）各模块均要进行参数和容差设计，电源设计应考虑采用高转换效率的DC/DC组件，并利用冗余设计以降低因电源热失效而导致的系统失效风险；

3）设备需进行热源分析和热计算，并根据分析和计算结果进行散热设计，视情况采取自然对流或强制对流等热处理措施[10]，以保证设备的散热需求。

6.2 抗冲振设计

电子设备的故障在很大程度上是由机械负荷引起的，在冲振条件下，元件的失效频度比在实验室条件下大许多倍。因此，要确保设备的可靠运作，除采用隔振外，还应提高其刚度与强度，即提高设备的固有频率。因为电子设备抗高频低振幅的性能比低频大振幅的性能好。基于这样的原则，在设计系统设备时应考虑的问题如下：

1）设备以铝型材和刚性较好的大底板为骨架，使整个设备的刚度提高；

2）降低重心，并尽量使设备呈对称布置，以减小离心惯性力；

3）对较大的印制板或过高的元器件而言，必须适当对其进行加固，以减小元器件与印制板之间的相互耦合振动。

6.3 三防设计

针对潮湿、霉菌、盐雾所引发的环境效应，在本系统中，设备采用如下的设计措施进行防护：

1）设备的选材上优先选用耐腐蚀性良好的防锈铝，加工后的零件喷涂三防漆，非金属选用抗霉性能好的尼龙等；射频类组件用激光进行封焊，组件、模块盒体喷色漆保护，在电路调试完成后涂三防漆；

2）室外天线上的齿轮箱等盖板使用橡胶衬垫并合理设计密封槽的结构形式，以满足系统对防水处理的需要；

3）室内的设备也要求厂家喷涂三防漆，主要包括所有的服务器、气象测量设备和时统设备等。

7 实际应用

作为国内首艘民用综合试验船，“电科1”号自投入运营以来已完成大量海上及水下试验任务。在“电科1”号的运营过程中，各设备工作状态平稳，系统运行正常，可靠性等六性方面未见明显问题。通过本文所述的设计理念及，较好地达成了“电科1”号的“六性”设计要求，保障了各类待验设备海上试验任务的圆满完成。本船的六性设计效果得到了良好的检验，受到了用户的好评。

8 结论

通过对各类实际应用的检验，充分验证了“电科1”号可通过前期对可靠性、维修性、安全性、测试性、保障性及环境适应性的完善设计，保障了综合试验船的平稳运行及各类试验的正常开展，为后续民用综合试验船的六性设计提供了良好范例。