艦載電子裝備環(huán)境機柜模塊化開放式設計思路

楊致怡 ，黃艷芳,陳飛宇

(1.中國船舶工業(yè)集團公司船舶系統(tǒng)工程部, 北京 100000；2.北京石油化工學院工程師學院，北京 100000; 3.中國船舶重工集團公司第七二四研究所,南京 211153)

艦載電子裝備環(huán)境機柜模塊化開放式設計思路

楊致怡1，黃艷芳2,陳飛宇3

(1.中國船舶工業(yè)集團公司船舶系統(tǒng)工程部, 北京 100000；2.北京石油化工學院工程師學院，北京 100000; 3.中國船舶重工集團公司第七二四研究所,南京 211153)

針對近年來國內(nèi)外裝備體系建設對艦載電子裝備抗惡劣環(huán)境電子機柜提出的新需求，介紹了開放式環(huán)境機柜的設計思想，提出了應用該思想進行電子環(huán)境機柜設計的一些具體技術途徑，最后對未來開放式環(huán)境機柜的發(fā)展進行了展望。

艦載電子機柜；抗惡劣環(huán)境；模塊化；開放式設計

0 引 言

二十一世紀，信息科技的突飛猛進推動了海軍逐步實現(xiàn)戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型的思想。擴大裝備體系結(jié)構的開放化程度，不僅能夠提高系統(tǒng)的易擴展性和可維護性，同時也降低了系統(tǒng)的開發(fā)和維護費用，特別是能夠使新的信息技術帶來的成果更容易植入到各個裝備，從而迅速提高裝備的作戰(zhàn)能力。

在美國海軍，早期的電子設備硬件和軟件結(jié)構的封閉性導致了重復冗余的研發(fā)、試驗及維護，同時還需要應用與之相關的大量基礎設施來保障這些硬、軟件的運作，這嚴重地限制了裝備作戰(zhàn)能力的提升。例如，如果不花大力氣對“宙斯盾”武器系統(tǒng)的結(jié)構進行改造，其體系結(jié)構的封閉性將會嚴重阻礙多任務彈道導彈防御能力在該型艦的拓展。還有些作戰(zhàn)系統(tǒng)的計算能力和顯控能力過于落后，如果升級到新的產(chǎn)品需要較長的時間、較大的難度以及不菲的改造經(jīng)費，就將大大影響部隊戰(zhàn)斗力的快速提升[1]。

速度不斷落后的低性能計算機或集成電路芯片，其中一些可能早已停產(chǎn)或廢型，它們的維修、維護成本和難度都越來越大，更換也不是一件容易的事，需要耗費大量的人力、財力和時間。因此，無論是老型電子裝備的改進，還是新型電子裝備的研制，都應該貫徹“模塊化”、“開放式”的設計理念，使得最新的研究成果能夠快速、便捷、隨時隨地地應用在裝備中，從而達到系統(tǒng)的可兼容性。采用模塊化、標準化設計，可使硬件和軟件重復使用，以此達到縮短研制周期、降低研發(fā)成本、易于擴展和升級改造的目的。另外，采用商業(yè)通用標準，更方便容納商用成品標準板卡及其支持軟件。這已成為管理當今軍用裝備最為經(jīng)濟、可行的措施。

另一方面，各類艦載電子裝備長期處于海洋的惡劣環(huán)境中。這些惡劣環(huán)境因素有來自裝備所處海上環(huán)境帶來的沖擊、震動等機械因素，也有高熱、潮濕、鹽霧等惡劣氣候因素，還存在著由于氣候環(huán)境導致的霉菌等微生物的破壞因素以及由于艦載復雜電磁環(huán)境帶來的電磁兼容性因素等。新型裝備研制對艦載電子系統(tǒng)環(huán)境適應性設計提出了新的需求，并開始從系統(tǒng)和頂層設計的角度予以重視。長期以來，在解決電子裝備的環(huán)境適應性方面，傳統(tǒng)的做法主要是從電子設備機殼和內(nèi)部組件兩方面整體解決。機殼需要解決抗沖擊、振動等機械適應性問題，內(nèi)部板卡則重點完成耐高溫、“三防”及電磁兼容問題。這一方法的弱點是內(nèi)部組件研制需要特殊的工藝，且保障費用昂貴，不利于系統(tǒng)進行經(jīng)濟有效的升級換代，嚴重限制了系統(tǒng)的開放性。此外，目前大多數(shù)設備雖然都以模塊化思想進行設計，但是模塊化程度不高，結(jié)構形式各式各樣，模塊通用性還不夠，很難做到互換。因此，以單元模塊作為抗惡劣環(huán)境的艦載電子裝備基礎結(jié)構還有大量的工作需要去做。

1 開放式設計思想

開放式設計思想是由美國軍方開放系統(tǒng)聯(lián)合工作組(OSJTF)提出來的。模塊化開放式系統(tǒng)開發(fā)方法(Modular Open Systems Approach，MOSA) 是一種開發(fā)一個新系統(tǒng)或者現(xiàn)代化升級改造一個現(xiàn)有系統(tǒng)的商業(yè)和技術策略，是評估和實踐在采用模塊化設計理念的系統(tǒng)開發(fā)中使用廣泛支持的商業(yè)接口標準的一種方法。它使得項目團隊更快速和經(jīng)濟實惠地構建、升級以及保障一個系統(tǒng)，可以最低的成本提高武器系統(tǒng)的使用年限，并且提高其技術性能。

模塊化開放式方法的核心內(nèi)容是指定關鍵接口，盡可能在關鍵接口中利用廣泛支持的行業(yè)標準進行系統(tǒng)設計，即關鍵接口盡量使用開放式標準，并輔以模塊化設計，以大大提高模塊的重復利用性，降低系統(tǒng)的總成本。

因為所有系統(tǒng)用的是開放式接口，每一個新研發(fā)的模塊可以為所有使用開放式接口的系統(tǒng)進行升級，這不僅減少了重復設計的成本，而且減少了研發(fā)周期，可快速提高系統(tǒng)的升級能力。

MOSA效益的實現(xiàn)有賴于堅持5個規(guī)則：建立有利于MOSA的環(huán)境、使用模塊化設計、定義重要接口、使用開放式標準以及驗證一致性。

(1) 有利環(huán)境的建立

有效地建立開放式系統(tǒng)研發(fā)策略所需的設計規(guī)范、配套要求、方案實現(xiàn)、研制流程、技術開發(fā)、采購、測試、評估以及產(chǎn)品支持策略等。

(2) 模塊化設計的采用

在設計過程中給系統(tǒng)適當分區(qū)，按照實現(xiàn)的功能劃分模塊(如信號處理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊等等)，并使得系統(tǒng)易于開發(fā)、維護、升級或者改造。模塊應該可重復利用，并嚴格定義模塊化接口。

(3) 關鍵接口的制定

按照一定原則把接口分為重要接口和非重要接口來管理，通過判別接口中技術可靠性和不可靠的模塊、高度可靠的和經(jīng)常損壞的模塊、模塊間具有最少互操作影響的和那些傳遞重要互操作信息的模塊等等來劃分接口。

(4) 開放式標準的使用

為了充分利用模塊化設計的優(yōu)勢，接口標準必須明確、成熟，并被市場廣泛應用，且一應俱全。一般情況下，開放式標準更適應于未來新技術的能力，從而使得客戶得到最大的利益，所以接口應首選開放式標準。

作為一般規(guī)律，應該第一優(yōu)先考慮開放式標準，其次是約定俗成的標準，最后是政府和專有的接口標準。最大限度地在關鍵接口中使用常用的工業(yè)化標準，以便在產(chǎn)品周期中產(chǎn)生最大的成本效益。

(5) 一致性的驗證

建立驗證和檢查機制，如一致性認證以及測試計劃，以確保系統(tǒng)及其器件符合外部和內(nèi)部的開放式接口要求，且具備即插即用、互換、網(wǎng)絡中心信息交換以及面對新的形勢和技術進行任務重新分配的能力，并確認系統(tǒng)器件和選定的商業(yè)化產(chǎn)品不是選擇獨特的供應商，而是可方便地被其他供應商相似的器件或模塊所替代。

MOSA的優(yōu)勢是其傾力于使用開放式接口，可以連接不同模塊，在對系統(tǒng)進行升級的時候，只需要設計新的處理器單元即可，而有摩爾定律的保證，處理器單元性能越來越好并且也越來越廉價，所以通過轉(zhuǎn)化升級的速度(并不是升級整個系統(tǒng)，僅對模塊進行升級)，便可以達到對整個武器系統(tǒng)升級成本大大降低的效果，同時可延長其使用壽命。

2 開放式環(huán)境機柜設計方法

為了解決艦載電子裝備抗惡劣環(huán)境的問題，可應用MOSA方法提出研制開放式環(huán)境機柜的解決策略。設計艦載環(huán)境機柜的目的在于將電子裝備的環(huán)境適應性問題集中到裝備的機殼上去解決，不再對機殼內(nèi)部的核心電子電氣組件提出較高的環(huán)境適應性設計，從而有效地解決了開放式架構體系對裝備提出的需求。

環(huán)境機柜的設計需要解決如下問題：機柜具備環(huán)境隔離功能，并符合開放式規(guī)范；設計滿足標準規(guī)定的環(huán)境機柜及相應組件；能夠?qū)υO計的符合性進行檢驗。

下面以一臺模塊化、開放式通用艦載電子裝備中的小尺寸電子機柜設計為例，按照MOSA的設計方法對上述問題的具體解決措施加以說明。

2.1 環(huán)境機柜的隔離功能及相應指標

為了使機柜里面的商用貨架產(chǎn)品滿足軍用環(huán)境，環(huán)境機柜需要提供振動和沖擊的隔離功能，溫度和濕度隔離功能以及電磁兼容隔離功能。上述隔離功能的指標如表1所示。

表1 環(huán)境機柜隔離的機柜內(nèi)外環(huán)境指標對比

上述指標主要針對海上典型商用電子產(chǎn)品和軍用環(huán)境，具體指標還需要根據(jù)國軍標及相應的設計規(guī)范進行。除了上述環(huán)境隔離功能需求以外，環(huán)境機柜還應該考慮維護性設計、可靠性設計、安全性設計以及測試性設計。

2.2 環(huán)境機柜及相應組件的設計

2.2.1 結(jié)構設計

結(jié)構的設計包括總體布局、模塊尺寸及總體尺寸的確定以及結(jié)構形式的確定。設計的環(huán)境機柜中結(jié)構設計主要考慮如下幾方面的因素：

(1) 由于機柜內(nèi)設備以VME總線機箱或其他標準電子機箱為主，主尺寸的確定主要考慮能夠容納6U14槽的立式VME插卡機箱。在商用VME機箱外再加上環(huán)境機柜的散熱系統(tǒng)、供電系統(tǒng)以及隔振緩沖系統(tǒng)的大小?？傮w尺寸定為460(w)×636(h)×450(d)mm。

(2) 結(jié)構形式主要采用鋁合金鈑金工藝。該工藝有利于減輕設備重量，增強其在艦上的適裝性，同時解決了鈑金工藝較難滿足電磁兼容性要求的難題。

2.2.2 濕熱設計

通常環(huán)境機柜只考慮了溫度隔離的功能，濕度隔離的功能則交給板卡的“三防”處理，環(huán)境要求高時可采用溫濕度自適應控制的密閉機柜。在本系統(tǒng)中，既要考慮對機柜內(nèi)部進行冷卻的熱設計方案(有自然風冷、專用冷風通道、水冷等方式)，同時又要考慮當環(huán)境溫度降低時潮濕環(huán)境在設備上的凝結(jié)成露的現(xiàn)象。對防冷凝的問題采用了對機柜進行加熱的方式予以解決。加熱功能要求艦艇給機柜提供兩路可切換的電源，一路是工作電源，另一路為不工作電源。工作電源是指電子設備正常工作時自身提供的電源；不工作電源是指設備不工作時或艦艇不在作戰(zhàn)狀態(tài)時提供的電源，例如電站電源或岸電。這樣做的主要目的是為防冷凝加熱板提供不間斷電源。

2.2.3 抗振動沖擊設計

抗振動、沖擊設計主要采用了剛度、強度設計以及隔振、緩沖設計兩個方面。在剛度、強度方面通過提高機柜機架的剛度設計、提高插箱模塊的剛度、加強聯(lián)接剛度，從而有效地提高機柜的剛度和強度。隔振緩沖設計主要采用4個與機柜實際載荷匹配的隔振器，有效提高了機柜的抗沖擊能力。

2.2.4 電磁兼容性設計

設計的環(huán)境機柜采用的是鋁合金鈑金工藝，并非采用傳統(tǒng)的鑄造工藝，因此在電磁兼容性設計上尤為困難。除了常規(guī)的設備接地措施外，主要采用精密的焊接工藝，有效提高主鈑金機柜的電磁兼容性。此外，在主機柜與機柜活動蓋的中間增加金屬彈性接觸片，使連接處具有良好的導電性，防止外部干擾通過縫隙進入設備內(nèi)部。在主機柜與機柜活動蓋中間的機架框上嵌入導電橡膠密封條，橡膠條與機柜門接觸的表面涂上導電漆，達到電磁屏蔽的作用。

2.2.5 電氣設計

電氣設計是環(huán)境機柜的另一重要設計內(nèi)容。相比傳統(tǒng)的機柜，環(huán)境機柜主要電氣功能是艦電濾波、電源開關、工作小時計數(shù)器、空氣冷卻、防冷凝加熱、機柜故障及可用性狀態(tài)信號生成和狀態(tài)指示等功能。

2.2.6 模塊化設計

模塊化設計是裝備標準化設計的高級形式，以實現(xiàn)組件可重用為目的。標準件通用化只是在零件級進行通用互換，模塊化則在部件級甚至子系統(tǒng)級進行通用互換，從而實現(xiàn)更高層次的簡化。設計的開放式、模塊化機柜中，將機柜與里面的處理機箱進行分離，將機柜進行標準化、模塊化設計，實現(xiàn)一型機柜支持多種用途，例如將里面裝上VME機箱就可作為顯控臺或接口單元使用，若將里面裝上與VME機箱尺寸相同的雷達接收模塊和信號處理模塊就可作為雷達的信號處理機柜。

2.2.7 可靠性、維護性、安全性及測試性設計

在設計機柜電路中，充分采用成熟可靠的電氣元件，為了方便維修，設計可方便拆卸的電子機箱和密封蓋；為了裝備及人員的安全，機柜中設置了安全防范措施以及高壓危險等安全標示；為了方便測試，在控制面板的設計中設計了計時器和狀態(tài)指示電路。

設計的標準化小尺寸環(huán)境機箱主體結(jié)構圖如圖1所示。該標準化小尺寸環(huán)境機柜設計可以推廣到大尺寸環(huán)境機柜上去，尺寸可以達到32U高度，總體尺寸711.2(w)×1905 (h)×914.4(d)mm。大尺寸機柜可以容納各種艦載電子設備，提高了機柜的重用性和設備的開放程度。

圖1 通用模塊化小尺寸環(huán)境機箱結(jié)構設計圖

3 未來發(fā)展展望

開放式、模塊化、通用化體系架構可成功完成新技術的植入、解決裝備研制周期長及保障經(jīng)費高昂等棘手的問題。MOSA設計思路將海軍的武器系統(tǒng)概念變革成為一個裝備體系的開放架構。無論是基于財政還是作戰(zhàn)因素考慮，都需要依靠在大系統(tǒng)中實行開放式、模塊化體系結(jié)構來盡可能快地提升裝備的戰(zhàn)斗力。

隨著艦艇制造理念的不斷創(chuàng)新，未來環(huán)境機柜的應用將更加普及，美國在其《開放式體系結(jié)構計算環(huán)境》一文中對符合開放式體系架構環(huán)境機柜也提供了理論基礎和指導原則。該文指出：“如果存在合理的技術和商業(yè)理由對系統(tǒng)架構進行改變，那么計算資源就不必受到現(xiàn)有電纜布線和機柜的位置以及連通性的限制”[3]。開放式體系結(jié)構機柜方便了設備內(nèi)所有部件的安裝，符合已有艦船系統(tǒng)的空間和重量預算。在該理念的指導下，美國當今世界最先進的DDG1000驅(qū)逐艦提出了EME模塊化電子機柜。該機柜實際上為一個大型的集裝箱式的機柜，長10.668 m，寬3.6576 m，高2.4384 m，里面能夠容納235個普通商用電子機柜。該集裝箱式機柜能夠允許經(jīng)過授權的維護人員進入[2]，其原理采用了本文提到的環(huán)境機柜的模塊化、開放式設計原理，不同之處在于可重用的單元更大，更加有利于艦艇的模塊化設計與建造，這也代表了未來艦載電子機柜的發(fā)展方向。

[1] 劉占榮.宙斯盾作戰(zhàn)系統(tǒng)結(jié)構分析[J].情報指揮控制系統(tǒng)與仿真技術，2004(2).

[2] http://www.naval-technology.com/news/news 84325. html，Raytheon Delivers First EME for US Navy Zumwalt Destroyer，2010.6.

[3] TACTICOS NC.Link Y TECHNICAL MANUAL[M]. Thales Netherland Corp.,2006.

Modular open design of environmental cabinets for ship-borne electronic equipment

YANG Zhi-yi1, HUANG Yan-fang2, CHEN Fei-yu3

(1. Marine System Engineering Research Institute of CSSC, Beijing 100000; 2. Engineer School of Beijing Institute of Petrochemical Technology, Beijing 100000;3. No.724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

In light of the recent new requirements on ship-borne electronic cabinets that can resist severe environment for the construction of equipment system home and abroad, the modular open systems approach (MOSA) is introduced and some specific technical methods are proposed to design electronic cabinets based on the MOSA. Finally, the future development of the open environmental cabinets is prospected.

ship-borne electronic cabinet; anti-adverse environment; modular; open design

2013-12-24；

2014-01-12

北京市屬高等學校人才強教計劃資助項目，項目編號PHR201108373

楊致怡(1979-)，男，高級工程師，研究方向：水面艦船綜合電子信息系統(tǒng)；黃艷芳(1980-)，女，講師，研究方向：機械工程;陳飛宇(1983-)，男，工程師。

TN959.72

A

1009-0401(2014)01-0011-04