舰载电子装备环境机柜模块化开放式设计思路

杨致怡 ，黄艳芳,陈飞宇

(1.中国船舶工业集团公司船舶系统工程部, 北京 100000；2.北京石油化工学院工程师学院，北京 100000; 3.中国船舶重工集团公司第七二四研究所,南京 211153)

舰载电子装备环境机柜模块化开放式设计思路

杨致怡1，黄艳芳2,陈飞宇3

(1.中国船舶工业集团公司船舶系统工程部, 北京 100000；2.北京石油化工学院工程师学院，北京 100000; 3.中国船舶重工集团公司第七二四研究所,南京 211153)

针对近年来国内外装备体系建设对舰载电子装备抗恶劣环境电子机柜提出的新需求，介绍了开放式环境机柜的设计思想，提出了应用该思想进行电子环境机柜设计的一些具体技术途径，最后对未来开放式环境机柜的发展进行了展望。

舰载电子机柜；抗恶劣环境；模块化；开放式设计

0 引 言

二十一世纪，信息科技的突飞猛进推动了海军逐步实现战略转型的思想。扩大装备体系结构的开放化程度，不仅能够提高系统的易扩展性和可维护性，同时也降低了系统的开发和维护费用，特别是能够使新的信息技术带来的成果更容易植入到各个装备，从而迅速提高装备的作战能力。

在美国海军，早期的电子设备硬件和软件结构的封闭性导致了重复冗余的研发、试验及维护，同时还需要应用与之相关的大量基础设施来保障这些硬、软件的运作，这严重地限制了装备作战能力的提升。例如，如果不花大力气对“宙斯盾”武器系统的结构进行改造，其体系结构的封闭性将会严重阻碍多任务弹道导弹防御能力在该型舰的拓展。还有些作战系统的计算能力和显控能力过于落后，如果升级到新的产品需要较长的时间、较大的难度以及不菲的改造经费，就将大大影响部队战斗力的快速提升[1]。

速度不断落后的低性能计算机或集成电路芯片，其中一些可能早已停产或废型，它们的维修、维护成本和难度都越来越大，更换也不是一件容易的事，需要耗费大量的人力、财力和时间。因此，无论是老型电子装备的改进，还是新型电子装备的研制，都应该贯彻“模块化”、“开放式”的设计理念，使得最新的研究成果能够快速、便捷、随时随地地应用在装备中，从而达到系统的可兼容性。采用模块化、标准化设计，可使硬件和软件重复使用，以此达到缩短研制周期、降低研发成本、易于扩展和升级改造的目的。另外，采用商业通用标准，更方便容纳商用成品标准板卡及其支持软件。这已成为管理当今军用装备最为经济、可行的措施。

另一方面，各类舰载电子装备长期处于海洋的恶劣环境中。这些恶劣环境因素有来自装备所处海上环境带来的冲击、震动等机械因素，也有高热、潮湿、盐雾等恶劣气候因素，还存在着由于气候环境导致的霉菌等微生物的破坏因素以及由于舰载复杂电磁环境带来的电磁兼容性因素等。新型装备研制对舰载电子系统环境适应性设计提出了新的需求，并开始从系统和顶层设计的角度予以重视。长期以来，在解决电子装备的环境适应性方面，传统的做法主要是从电子设备机壳和内部组件两方面整体解决。机壳需要解决抗冲击、振动等机械适应性问题，内部板卡则重点完成耐高温、“三防”及电磁兼容问题。这一方法的弱点是内部组件研制需要特殊的工艺，且保障费用昂贵，不利于系统进行经济有效的升级换代，严重限制了系统的开放性。此外，目前大多数设备虽然都以模块化思想进行设计，但是模块化程度不高，结构形式各式各样，模块通用性还不够，很难做到互换。因此，以单元模块作为抗恶劣环境的舰载电子装备基础结构还有大量的工作需要去做。

1 开放式设计思想

开放式设计思想是由美国军方开放系统联合工作组(OSJTF)提出来的。模块化开放式系统开发方法(Modular Open Systems Approach，MOSA) 是一种开发一个新系统或者现代化升级改造一个现有系统的商业和技术策略，是评估和实践在采用模块化设计理念的系统开发中使用广泛支持的商业接口标准的一种方法。它使得项目团队更快速和经济实惠地构建、升级以及保障一个系统，可以最低的成本提高武器系统的使用年限，并且提高其技术性能。

模块化开放式方法的核心内容是指定关键接口，尽可能在关键接口中利用广泛支持的行业标准进行系统设计，即关键接口尽量使用开放式标准，并辅以模块化设计，以大大提高模块的重复利用性，降低系统的总成本。

因为所有系统用的是开放式接口，每一个新研发的模块可以为所有使用开放式接口的系统进行升级，这不仅减少了重复设计的成本，而且减少了研发周期，可快速提高系统的升级能力。

MOSA效益的实现有赖于坚持5个规则：建立有利于MOSA的环境、使用模块化设计、定义重要接口、使用开放式标准以及验证一致性。

(1) 有利环境的建立

有效地建立开放式系统研发策略所需的设计规范、配套要求、方案实现、研制流程、技术开发、采购、测试、评估以及产品支持策略等。

(2) 模块化设计的采用

在设计过程中给系统适当分区，按照实现的功能划分模块(如信号处理模块、数据处理模块等等)，并使得系统易于开发、维护、升级或者改造。模块应该可重复利用，并严格定义模块化接口。

(3) 关键接口的制定

按照一定原则把接口分为重要接口和非重要接口来管理，通过判别接口中技术可靠性和不可靠的模块、高度可靠的和经常损坏的模块、模块间具有最少互操作影响的和那些传递重要互操作信息的模块等等来划分接口。

(4) 开放式标准的使用

为了充分利用模块化设计的优势，接口标准必须明确、成熟，并被市场广泛应用，且一应俱全。一般情况下，开放式标准更适应于未来新技术的能力，从而使得客户得到最大的利益，所以接口应首选开放式标准。

作为一般规律，应该第一优先考虑开放式标准，其次是约定俗成的标准，最后是政府和专有的接口标准。最大限度地在关键接口中使用常用的工业化标准，以便在产品周期中产生最大的成本效益。

(5) 一致性的验证

建立验证和检查机制，如一致性认证以及测试计划，以确保系统及其器件符合外部和内部的开放式接口要求，且具备即插即用、互换、网络中心信息交换以及面对新的形势和技术进行任务重新分配的能力，并确认系统器件和选定的商业化产品不是选择独特的供应商，而是可方便地被其他供应商相似的器件或模块所替代。

MOSA的优势是其倾力于使用开放式接口，可以连接不同模块，在对系统进行升级的时候，只需要设计新的处理器单元即可，而有摩尔定律的保证，处理器单元性能越来越好并且也越来越廉价，所以通过转化升级的速度(并不是升级整个系统，仅对模块进行升级)，便可以达到对整个武器系统升级成本大大降低的效果，同时可延长其使用寿命。

2 开放式环境机柜设计方法

为了解决舰载电子装备抗恶劣环境的问题，可应用MOSA方法提出研制开放式环境机柜的解决策略。设计舰载环境机柜的目的在于将电子装备的环境适应性问题集中到装备的机壳上去解决，不再对机壳内部的核心电子电气组件提出较高的环境适应性设计，从而有效地解决了开放式架构体系对装备提出的需求。

环境机柜的设计需要解决如下问题：机柜具备环境隔离功能，并符合开放式规范；设计满足标准规定的环境机柜及相应组件；能够对设计的符合性进行检验。

下面以一台模块化、开放式通用舰载电子装备中的小尺寸电子机柜设计为例，按照MOSA的设计方法对上述问题的具体解决措施加以说明。

2.1 环境机柜的隔离功能及相应指标

为了使机柜里面的商用货架产品满足军用环境，环境机柜需要提供振动和冲击的隔离功能，温度和湿度隔离功能以及电磁兼容隔离功能。上述隔离功能的指标如表1所示。

表1 环境机柜隔离的机柜内外环境指标对比

上述指标主要针对海上典型商用电子产品和军用环境，具体指标还需要根据国军标及相应的设计规范进行。除了上述环境隔离功能需求以外，环境机柜还应该考虑维护性设计、可靠性设计、安全性设计以及测试性设计。

2.2 环境机柜及相应组件的设计

2.2.1 结构设计

结构的设计包括总体布局、模块尺寸及总体尺寸的确定以及结构形式的确定。设计的环境机柜中结构设计主要考虑如下几方面的因素：

(1) 由于机柜内设备以VME总线机箱或其他标准电子机箱为主，主尺寸的确定主要考虑能够容纳6U14槽的立式VME插卡机箱。在商用VME机箱外再加上环境机柜的散热系统、供电系统以及隔振缓冲系统的大小。总体尺寸定为460(w)×636(h)×450(d)mm。

(2) 结构形式主要采用铝合金钣金工艺。该工艺有利于减轻设备重量，增强其在舰上的适装性，同时解决了钣金工艺较难满足电磁兼容性要求的难题。

2.2.2 湿热设计

通常环境机柜只考虑了温度隔离的功能，湿度隔离的功能则交给板卡的“三防”处理，环境要求高时可采用温湿度自适应控制的密闭机柜。在本系统中，既要考虑对机柜内部进行冷却的热设计方案(有自然风冷、专用冷风通道、水冷等方式)，同时又要考虑当环境温度降低时潮湿环境在设备上的凝结成露的现象。对防冷凝的问题采用了对机柜进行加热的方式予以解决。加热功能要求舰艇给机柜提供两路可切换的电源，一路是工作电源，另一路为不工作电源。工作电源是指电子设备正常工作时自身提供的电源；不工作电源是指设备不工作时或舰艇不在作战状态时提供的电源，例如电站电源或岸电。这样做的主要目的是为防冷凝加热板提供不间断电源。

2.2.3 抗振动冲击设计

抗振动、冲击设计主要采用了刚度、强度设计以及隔振、缓冲设计两个方面。在刚度、强度方面通过提高机柜机架的刚度设计、提高插箱模块的刚度、加强联接刚度，从而有效地提高机柜的刚度和强度。隔振缓冲设计主要采用4个与机柜实际载荷匹配的隔振器，有效提高了机柜的抗冲击能力。

2.2.4 电磁兼容性设计

设计的环境机柜采用的是铝合金钣金工艺，并非采用传统的铸造工艺，因此在电磁兼容性设计上尤为困难。除了常规的设备接地措施外，主要采用精密的焊接工艺，有效提高主钣金机柜的电磁兼容性。此外，在主机柜与机柜活动盖的中间增加金属弹性接触片，使连接处具有良好的导电性，防止外部干扰通过缝隙进入设备内部。在主机柜与机柜活动盖中间的机架框上嵌入导电橡胶密封条，橡胶条与机柜门接触的表面涂上导电漆，达到电磁屏蔽的作用。

2.2.5 电气设计

电气设计是环境机柜的另一重要设计内容。相比传统的机柜，环境机柜主要电气功能是舰电滤波、电源开关、工作小时计数器、空气冷却、防冷凝加热、机柜故障及可用性状态信号生成和状态指示等功能。

2.2.6 模块化设计

模块化设计是装备标准化设计的高级形式，以实现组件可重用为目的。标准件通用化只是在零件级进行通用互换，模块化则在部件级甚至子系统级进行通用互换，从而实现更高层次的简化。设计的开放式、模块化机柜中，将机柜与里面的处理机箱进行分离，将机柜进行标准化、模块化设计，实现一型机柜支持多种用途，例如将里面装上VME机箱就可作为显控台或接口单元使用，若将里面装上与VME机箱尺寸相同的雷达接收模块和信号处理模块就可作为雷达的信号处理机柜。

2.2.7 可靠性、维护性、安全性及测试性设计

在设计机柜电路中，充分采用成熟可靠的电气元件，为了方便维修，设计可方便拆卸的电子机箱和密封盖；为了装备及人员的安全，机柜中设置了安全防范措施以及高压危险等安全标示；为了方便测试，在控制面板的设计中设计了计时器和状态指示电路。

设计的标准化小尺寸环境机箱主体结构图如图1所示。该标准化小尺寸环境机柜设计可以推广到大尺寸环境机柜上去，尺寸可以达到32U高度，总体尺寸711.2(w)×1905 (h)×914.4(d)mm。大尺寸机柜可以容纳各种舰载电子设备，提高了机柜的重用性和设备的开放程度。

图1 通用模块化小尺寸环境机箱结构设计图

3 未来发展展望

开放式、模块化、通用化体系架构可成功完成新技术的植入、解决装备研制周期长及保障经费高昂等棘手的问题。MOSA设计思路将海军的武器系统概念变革成为一个装备体系的开放架构。无论是基于财政还是作战因素考虑，都需要依靠在大系统中实行开放式、模块化体系结构来尽可能快地提升装备的战斗力。

随着舰艇制造理念的不断创新，未来环境机柜的应用将更加普及，美国在其《开放式体系结构计算环境》一文中对符合开放式体系架构环境机柜也提供了理论基础和指导原则。该文指出：“如果存在合理的技术和商业理由对系统架构进行改变，那么计算资源就不必受到现有电缆布线和机柜的位置以及连通性的限制”[3]。开放式体系结构机柜方便了设备内所有部件的安装，符合已有舰船系统的空间和重量预算。在该理念的指导下，美国当今世界最先进的DDG1000驱逐舰提出了EME模块化电子机柜。该机柜实际上为一个大型的集装箱式的机柜，长10.668 m，宽3.6576 m，高2.4384 m，里面能够容纳235个普通商用电子机柜。该集装箱式机柜能够允许经过授权的维护人员进入[2]，其原理采用了本文提到的环境机柜的模块化、开放式设计原理，不同之处在于可重用的单元更大，更加有利于舰艇的模块化设计与建造，这也代表了未来舰载电子机柜的发展方向。

[1] 刘占荣.宙斯盾作战系统结构分析[J].情报指挥控制系统与仿真技术，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

北京市属高等学校人才强教计划资助项目，项目编号PHR201108373

杨致怡(1979-)，男，高级工程师，研究方向：水面舰船综合电子信息系统；黄艳芳(1980-)，女，讲师，研究方向：机械工程;陈飞宇(1983-)，男，工程师。

TN959.72

A

1009-0401(2014)01-0011-04