指挥信息系统显控计算设备工程化设计研究∗

2022-03-14刘海峰韩兴宇王梦潇侯文君

舰船电子工程 2022年2期

刘海峰韩兴宇王梦潇侯文君

（1.91977部队北京 100036）（2.南京电子工程研究所南京 210007）

1 引言

指挥信息系统是综合运用以计算机技术为核心的信息技术，以保障各级指挥机构对所属部队及武器平台实施科学、高效的指挥控制为目的，实现作战信息从获取、传输、处理至利用的自动化，具有指挥、控制、通信、信息处理、情报、侦察与监视功能的军事信息系统［1］。显控计算设备是指挥信息系统实现计算处理、存储和人机交互功能的重要基础设施，在指挥信息系统研制、建设中，显控计算设备的方案设计和研制集成与系统效能的实现密切相关。一是部署应用方面，车载、船载、濒海等建设环境对显控计算设备的通用质量特性指标提出了较高要求；二是集成优化方面，指挥信息系统业务多样化、规模化、复杂化发展，要求显控计算设备具备大规模、灵活部署能力。本文基于指挥信息系统显控计算设备的应用需求，提出显控计算设备的工程化设计思路，探索指挥信息系统显控计算平台构建方法。

2 显控计算设备应用需求

指挥信息系统显控计算设备工程应用需求主要包括恶劣环境部署和系统优化集成等方面，一是恶劣环境部署需求，指挥信息系统建设主要涉及湿热、盐雾、霉菌、冲击振动、电磁等恶劣环境因素，需在设备功能设计的基础上开展通用质量特性设计；二是系统集成方面，显控计算设备需具备大规模、灵活部署能力，以适应指挥信息系统的海量数据业务和系统快速开设需求。

2.1 大规模应用和快速部署能力需求

随着指挥信息系统任务的日趋复杂化与多样化，大规模实时应用和快速灵活部署成为指挥信息系统必备的组织运用能力，要求配套电子信息装备具备功能可重构、高速互联和实时处理等能力。在大数据、云计算等新一代信息技术的推动下，指挥信息系统由C/S、B/S架构向“云+端”的体系架构演变，配套信息基础设施也随之向虚拟化分布式计算、高带宽网络化承载、大幅面超高清显示的趋势发展［2］。指挥信息系统显控计算设备作为各类业务的人机交互平台和数据处理平台，主要包括大厅、值班室、机房等要素部位部署的工作台、电子沙盘、服务器机柜等，应具备大规模部署、快速响应、柔性重组等信息系统开设应用能力。

2.2 通用质量特性需求

指挥信息系统涉及岛礁、地下、车载、船载等多样化应用环境，需具备适应高温、高湿热、高盐雾、电磁辐射、强振动等复杂环境的能力［2］：船载、沿海岛礁、地下等环境设备的壳体、板卡、模块等易发生侵蚀、腐蚀，导致设备功能失效［2］；显控计算设备应具备适应其部署环境的通用质量特性能力指标。

3 显控计算设备工程化设计关键技术

3.1 通用质量特性设计

为满足指挥信息系统在复杂环境下的开设需求，围绕耐高低温、抗腐蚀、抗冲击振动、防电磁辐射等方面开展设备通用质量特性设计，主要包括散热、抗冲击振动、三防、电磁兼容等方面。

3.1.1 散热设计

显控计算设备根据设备发热量和部署需求不同，主要采用风冷式、传导式等散热方式。

1）风冷式散热设计

对于工作站、工控主机、服务器等较大功耗显控计算设备，整机采用通风式设计，散热风道根据设备安装集成方式进行设计，通常包括前进风、后出风或上进风、下出风等形式。设备进风处结构需开设大面积进风槽，出风处结构需安装抽风风扇。同时为了扩大散热能力，设备机壳一般采用散热性能良好的铝合金机箱，并在机壳上开设散热槽，提高设备的散热性能。

图1 设备风冷式散热示意图

2）传导式散热设计

对于显控计算设备集成的操控单元等发热量较小的模块，采用全密闭结构传导散热设计，具体措施如下。

（1）对低发热量设备的单元、模块、板卡进行合理化布局，优化设备整体的散热能力；

（2）在靠近核心电路板等发热量较高的部位铣制散热肋片，通过增大散热面积的方式提升壳体热传导效率；

（3）在满足强度、刚度和良好的机加工性能的条件下，选择铝合金等具有较高导热系数的金属材料，各部分结构件结合紧密，保证良好的热传导性。

3.1.2 三防设计

三防（防潮、防盐雾、防霉菌）技术涉及材料、元器件、电路、结构、工艺等多方面内容，主要防护技术包括材料防护、结构防护、工艺防护［7］等方面。针对指挥信息系统部署环境特点，显控计算设备三防设计主要措施如表1所述。

3.1.3 抗冲击振动设计

显控计算设备多由离散器件组成，器件和连接器刚度应对运输振动冲击能力不强，需通过加固设计提高刚度、强度及结构固有频率［8］，对显控计算设备开展整机级、板卡级和液晶屏加固，如下所述。

1）整机级加固

显控计算设备整机加固措施如下所述：

（1）采用强度比较高的铝合金进行焊接成型，在减轻重量的同时提高整体机箱的强度刚度，提高整机的抗振性能；

（2）对设备的各个层次进行加固，主板直接与机壳底板或安装板刚性连接，四周、底部局部垫实，提高其固有频率；

（3）通过在机箱内设置走线架，并对接插件部位的线缆进行捆扎限位，降低设备内部线缆在长时间冲击振动环境下的应力损耗，如图2所示。

表1 显控计算设备三防设计主要措施

图2 机箱走线设计示意图

2）板卡级加固

显控计算设备板卡级加固措施如下所述。

（1）通过增加背板提高扩展板抗变形能力，背板采用铝板铣削加工工艺，局部挖空和铣薄，同时增加扩展卡和背板之间的支撑点数量，减小扩展卡和背板之间各连接点的支撑跨度；

（2）通过采用楔块锁紧套件来改善显卡等金手指板卡的固定方式；

（3）通过绝缘垫柱将CPU散热器载荷卸载到机壳上，提高CPU的抗冲击振动能力，同时改善散热效果。

图3 板卡加固设计示意图

3）液晶屏加固

显控计算设备配套集成的液晶屏利用结构件可靠固定在面板上，采用屏幕邦定工艺将特种玻璃用光学胶与液晶屏粘贴，对液晶显示屏实现主动加固，使液晶显示模块固有频率得到提高。

图4 液晶屏加固设计及邦定示意图

3.1.4 电磁兼容设计

电磁兼容设计从基础的布局到采取屏蔽、滤波、接地等措施［9～12］，确保设备不受干扰和本身无自干扰。针对复杂电磁环境下工作台、服务机柜等显控计算设备部署应用需求，综合应用布局设计，电磁屏蔽和滤波等技术，解决传导干扰，缝隙泄漏和电缆间串扰等问题，具体措施如表2所述。

3.2 协同设计与集成优化

协同设计是解决多种耦合要素约束条件下系统或产品设计的一种重要设计方法，通过规划建模、任务分解、并行设计、冲突消解等设计过程［2］。在指挥信息系统恶劣部署环境中，显控计算设备通过开展散热设计、三防设计、抗冲击振动设计和电磁兼容设计等工程化设计，能够基本满足高可靠运行和环境适应性要求，但由于热设计和电磁兼容设计、环境适应性设计和设备性能等设计要素存在相互耦合、相互矛盾的关系，应采用协同设计思路，优化整机集成方案。本文根据指挥信息系统高可靠运行和快速部署需求，针对恶劣环境下信息处理工程化设计过程中存在的耦合要素，提出显控计算设备协同设计方法，提升系统整体效能。

表2 显控计算设备电磁兼容设计主要措施

3.2.1 散热与电磁兼容协同设计

散热性能与电磁兼容是电子设备性能完全不同的两个方面，但却由同一个物理结构确定，电子设备物理结构的改动可能既影响到散热性能，又影响到电磁兼容性能［2］。显控计算设备工程化设计应统筹考虑散热和电磁辐射影响，具体措施如表3所述。

表3 显控计算设备散热与电磁兼容协同设计主要措施

3.2.2 系统集成优化协同设计

随着指挥信息系统向云边化、智能化体系架构发展，显控计算设备的高密度集成应用能力成为提升系统效能的关键，在工程化设计中，应统筹考虑设备通用质量特性和系统效能指标需求，从设备级和系统级两个层面开展优化集成设计，具体方式如下。

1）设备级集成优化设计，针对车载、船载等恶劣环境下显控计算设备的高密度部署需求，可采用LRM架构和CPEX总线架构，通过定制化设计满足系统效能和恶劣环境使用需要；针对濒海、地下等陆上固定环境，可采用集成环境调节系统的微模块机柜集成服务器、磁盘阵列等显控计算设备，提升恶劣环境下信息系统运行效能。

2）系统级集成优化设计，采用分布式设备管控体系架构，将工作台、电子沙盘等前台设备集成的信息处理单元集中部署于后台微模块机柜中，同时优化前台设备人因工程设计，实现人机交互和信息处理功能的优化重组，提升系统效能。

4 显控计算设备集成设计典型应用

为适应大数据、云计算技术体制，支撑大规模、分布式、虚拟化计算存储应用能力，指挥信息系统显控计算平台需集成部署大批量高性能服务器。在高温、高湿热、高盐雾等复杂环境下，综合考虑系统功能性能、成本工期以及建设费效比等因素，本文设计一种分布式集成部署的应用模式，在系统前端部署工作台、电子沙盘等环境适应能力较强的显控终端设备；在系统后台设计应用一种密闭机柜，为服务器、交换机等高性能信息处理、传输设备提供相对优良的微环境；两者基于光纤网络构建云平台计算环境，实现显控计算平台的系统集成优化。

4.1 密闭机柜微环境集成设计

为加强服务器等核心显控计算设备的环境适应能力，通过密闭机柜设计，为服务器、工作站等各类设备提供安装集成微环境。

1）冷通道设计

机柜采用冷通道密闭设计，冷通道封闭由机柜、通道门和顶盖组成，可将环境内热空气和冷空气完全分隔，结合精密空调使用，显著提高制冷效率。整体冷通道设计采用模块化结构，与工业机柜完全兼容，安装扩展改装便捷，有利于提高安装设备的性能，延长设备使用寿命。冷通道内可持续的提供无乱流、均衡的空气，适用于安装更高的服务器功率密度。通道各部件均安装在机柜承重框架上固定点，侧面安装简单，整体美观，便于维护。

2）散热与电磁兼容协同设计

密闭机柜的协同设计以热对流、热传导为设计的协同点，实现通风散热与电磁兼容的协同优化。热对流与电磁兼容协同设计方面，采用在通风孔洞上增加截止波导的设计技术，保证密闭机柜在通风散热的同时，有效抑制电磁能力泄露；热传导与电磁兼容协同设计方面，由于密闭机柜内部集成了较多有源器件，裸露的散热器很容易产生电场或磁场耦合，应将散热器与机壳地或信号地连接，避免发生二次电弧等放电现象。

4.2 分布式部署应用架构

1）部署应用模式

按分布式应用模式，指挥信息系统大厅及各要素部位部署工作台、电子沙盘、显示大屏等加固类显控终端，后台机房集中部署密闭机柜，内部集成高密度服务器、工作站、交换机及各类信息传输服务设备，系统部署模式如图5所示。

图5 分布式部署应用模式

2）应用效果

（1）高可靠应用与复杂环境适应能力

根据复杂环境设备应用需求，对工作台、工作站、电子沙盘、服务器等各类显控计算设备开展高低温、三防、加固及电磁兼容设计，在保证设备满足功能性能需求的前提下具备耐高低温、防磁抗振等环境适应能力，支撑指挥信息系统在复杂环境下的高可靠连续运行。

（2）分布式系统集成优化部署

通过设计、应用冷通道密闭机柜，为服务器、交换机等设备的高密度部署提供优于外部环境的微环境，同时基于光纤网络架构实现前端显控设备与后台处理设备的互联通信，有效解决服务器、交换机等高性能信息传输处理设备在复杂环境中的应用问题，实现指挥信息系统在复杂环境中的高效灵活部署，为虚拟化、云计算技术体制构建提供基础支撑平台。