构建海洋仪器环境工程体系探讨

2022-09-22孔维轩刘宁张强

环境技术 2022年4期

孔维轩，刘宁，张强

（国家海洋标准计量中心，天津 300112）

引言

近年来，国内海洋事业得到飞速发展，我国海洋科学、经济逐步向世界海洋强国看齐。作为海洋发展的基础支撑，海洋科考/调查仪器为整个行业提供了重要的判别数据。随着我国海洋发展的飞速增长，传统进口仪器已不能满足当前需求，加之一些核心涉海装备仍受进口制约，因此大力发展国产海洋仪器装备，建立我国自己的海洋环境工程体系成为近几年迫切需要解决的问题。

该套体系以科学的态度从国产海洋仪器立项之初便引入环境管理和环境验证思想，及早发现研发缺陷，改进仪器功能，提升仪器质量，缩短研发周期。

1 环境工程

1.1 环境工程的兴起

长久以来，为掌握仪器在各种环境下的适应能力，工程人员设计了各种验证试验，以了解仪器性能，使其能应对各种环境需求。这些工作在被总结、凝练之后逐步形成了统一的方法，并演变成一套标准的操作流程，即原始的环境工程思路。

上世纪40~70年代，初始阶段的环境工程是以环境试验的形式存在。这个阶段，人们仅注重仪器是否适应测试的环境，能否通过预期的验证，仅建立了标准的试验流程。80~90年代，随着试验技术的积累，一些国外著名的军用装备公司首次提出了包含管理概念的环境工程理论。但这一阶段各个国家都在自行摸索，尚未形成统一的体系化认知。其中美军标MIL-STD-810由于积累较为成熟，在全球范围内逐步形成引领趋势。2000年，MIL-STD-810F《环境工程考虑和实验室试验》正式发布，并首次明确提出环境工程概念[1]。

MIL-STD-810F从形式上分为两部分，前者为环境工程工作指南，后者分为实验室试验。它将传统的管理与试验分离开来，形成包括环境工程管理和实验室试验两部分的混合型标准，同时给出环境工程设计流程。标准里的环境工程不是传统意义上的对人产生影响的环保要素，而是指对各类仪器/装备构成影响的自然界因素和人工诱发因素[2]。

2001年，为紧跟世界先进装备研发的需求，我国发布了GJB 4239《装备环境工程通过要求》。标准依照我国实情，规定了“装备环境工程是将各种科学技术和工程实践用于减缓各种环境对装备效能影响或提高装备耐环境能力的一门工程学科[3]。”至此，我国的环境工程理论正式建立，并随着应用推广逐步替代传统的单一环境试验。

1.2 环境工程与我国海洋仪器发展的关联

新中国成立之初，我国海洋科技资源几近空白。1965年，随着国家海洋局海洋仪器研究所的成立，开启了国产海洋科考仪器的研发之路。此后，又专门成立了负责海洋仪器性能测试的计量室，由此我国海洋仪器有了专门负责环境试验和试验标准编制的专业技术人员。

1985年，随着国家大量引进国外先进标准，我国科技人员在吸收转化后形成首部规范我国海洋仪器环境试验的专业标准ZB Y339《海洋仪器基本环境试验方法》。

1992年，在结合国内试验设备的基础上，编制了第一部海洋仪器环境试验行业标准HY 016《海洋仪器基本环境试验方法》。至此环境试验和相关技术与国产海洋仪器的研发紧密联系到一起，并融入了设计、生产和验收的各个阶段。

2015年，在国产海洋仪器提出要与世界先进装备接轨的背景下，又推出了GB/T 32065《海洋仪器环境试验方法》系列国家标准和GB/T 12763《海洋调查规范》等各类海上环境资料调查方法。由此，海洋仪器环境工程体系逐步得到完善，不仅建立了规范的试验方法，还有各类环境数据获取方法和体系管理要求。

1.3 海洋仪器环境工程体系组成

依照GJB 4239的要求和我国海洋事业的发展特色，海洋仪器环境工程体系主要包括如图1所示的：环境分析、环境适应性设计、环境试验与评价和环境工程管理四大方面[2]。每个方面又有各自的工作重点，它贯穿于仪器的设计、加工、验收和全寿命使用过程，进而保证仪器质量。

图1 海洋仪器环境工程体系

2 海洋仪器环境工程体系内容

2.1 环境分析

2.1.1 仪器寿命期环境影响分析

海洋仪器在其寿命期内会经历存储、运输和使用等不同阶段，各个阶段都有其显著的环境特征，为此技术人员在研发之处就要紧密结合海洋领域的“温、盐、压、流、浪、潮”这几项基础要素进行环境影响分析[4]。通过分析各要素对仪器的影响程度，选取合理激励开展验证，剔除影响不大的激励。

此处的环境是指在任意时刻和任意地点仪器产生或遇到的自然条件和人工诱发条件的综合体[5]。按实验室统计数据，引起海洋仪器故障的主要环境因素有：水下压力、盐雾腐蚀、生物附着、温度、湿度、振动等，而非海洋要素的沙尘、降雪等很少涉及。这就需要根据实际情况进行数据筛选和辨别，进而建立合理的试验验证项目。

2.1.2 仪器使用环境测量与分析

环境数据是进行试验设计的前提和支撑，就海洋仪器而言其使用环境可分为自然环境和平台环境。各种环境涉及的场所如表1所示。

表1 海洋仪器环境数据分类

各种数据的获取方式主要分为搜集现有数据和直接采集测量两种。前者可调取所在地历史数据直接获得；后者可依据《海洋调查规范》的要求测量获取海洋水文、气象、生物、化学等数据，再结合船舶和运输行业机械类标准获取振动、冲击、摇摆等数据。

纵观我国海洋仪器发展历史， 2010年前，国产仪器多在中国沿海省市、黄渤海和南海区域使用；2010年之后，随着技术提升开始面向全球海域、极地区域和深海深渊领域全面发展。

2.1.3 确认试验条件与类型

近五年，在完成海洋仪器数据采集之后，环境工程技术人员逐步建立了一些典型船舶数据库、近岸试验平台数据库和海上试验场数据库。在试验设计时，技术人员可根据不同海洋仪器的使用需求，筛选对应的参数，并进行有效性确认。然后利用风险回避法提取大概率数据，配合研发单位进行环境适应性和可靠性设计，并将其贯穿于新型仪器研制的全过程，最终保障我国自研海洋仪器质量。

2.2 环境适应性设计

2.2.1 环境影响机理研究与应用

仪器发生故障的本质是由于不适应周围环境产生理化、结构变化，进而导致其不能满足原有设计功能[6]。因此，技术人员需要区分不同环境因素的作用机理，并明确各自特征和区别，避免混淆相近机理。同时，由于海洋环境的特殊属性，不同环境之间还会出现相互促进或相互抑制的情况，故在进行分析时还应考虑试验顺序问题。这样在出现故障时可以准确定位原因，有针对性的提出验证试验方案。

2.2.2 海洋环境适应性设计

环境适应性是指仪器在其寿命期可能遇到的各种环境作用下，正常实现其所有预定功能、性能和不被破坏的能力[7]。当元器件被选定后，仪器的适应性就被固化，后期的工艺改进无法大幅改变其对环境的适应能力。因此，研发方和验证方在设计初期就需引入环境适应性检测理念，并结合海洋领域特色，制定适合的检测方法，不能直接照搬其他通用标准。

依据我国海洋仪器环境试验相关标准[8]，目前主要包含图2中涉及的项目。

图2 海洋仪器环境适应性项目

在试验选取时，我们需要依据仪器的使用环境进行合理的剪裁，利用最佳试验组合来激发仪器缺陷，复现仪器故障环境。

2.2.3 环境故障数据库建立与应用

长久以来，我国海洋仪器种类繁多，但批量较小，单一故障很难反映批量缺陷。为此，技术人员开始摸索建立故障仪器资料库，将使用环境与故障复现结合起来，逐步实现“设计与试验—故障分析—技术改进”的闭环工作模式，逐级解决仪器缺陷。从而加快研发进度，提高仪器质量和可靠性。

2.3 环境试验与评价

2.3.1 环境试验技术

在海洋仪器环境工程体系中环境试验占有重要比例，它分为自然环境试验、实验室环境试验和使用环境试验[9]。各项试验的适用范围如表2所示。

表2 海洋仪器环境试验适用范围

自然环境试验是材料和整机仪器长期暴露于某种自然环境中，以确定该种自然环境对其影响，主要用于考核材料的抗腐蚀/附着特性和仪器的长期运转特性等。试验条件取决于自然因素，具有不可控和无法固化的特点，目前在北海、东海和南海三个海区依托典型环境的沿海台站建有相关测试环境，是三类试验之中使用最少的。

实验室环境试验是在实验室内按规定的条件和负载进行的标准化试验，试验条件是标准设备提供的，可实现真实模拟，也可实现加速试验。该类试验是海洋仪器使用最多的，它可对仪器在运输、存储和使用中的各个重要环节进行性能摸底，并可复现故障环境进行反复测试，是研发和验收阶段的必备试验。并且随着国产仪器的适用范围越加广泛，试验项目也在不断的更新和扩充。

使用环境试验是在规定的实际使用条件下评估仪器的环境适应性水平，试验条件取决于当时的地理、气候、海洋等多方面综合因素。海洋领域推广度较高的湖试、海试实际上就是此类试验的具体表现。它以诸多科考船和各沿海省市建立的海上平台为载体，利用现场的真实条件来检测仪器的综合运行状态。由于每次试验的组织形式不同、搭载仪器不同，故需要针对每个仪器的需求制定独立详细的湖/海试大纲，然后依据大纲实施。同时此类大纲尚未达到标准化，还需进一步统一和提升。

2.3.2 环境试验设备的自主研发

不同的需求，孕育出不同的检测装置。由于海洋环境较陆地和航空更为复杂，故市场上通用的环境试验设备未必完全满足海洋领域的检测需求。这就要求环境工程人员依据环境适应性设计技术和海洋环境参数，改造现有的通用检测设备或自主研发涉及“温、盐、压、流、浪、潮”这几项基础海洋要素的专业检测仪器。同时，随着国际海洋发展重心的偏移，近几年急需开展极地和深海方面的环境模拟装置研建，并增加被测仪器实时状态分析功能。由于此类仪器在国际上应用较晚，故加快我国相关装置的研发还可实现引领国际前言技术[10]。

2.3.3 海洋环境试验结果评价

试验结束后，需按照试验大纲对仪器进行功能检验和评价。这里的功能是指仪器实现或产生规定动作行为的能力，单纯有功能并不能说达到规定的指标，还需检验其计量指标是否满足预期要求。1992版的行业标准仅对仪器试验后的功能是否健全进行要求，对其在一定环境条件下性能指标是否满足计量要求未做明确规定。2015版的国家标准在制定试验大纲时推荐只有功能合格，计量指标无重大偏差才能说明其具备在预定环境中正常工作的能力。在试验结果评价中逐步引入计量性能可使仪器评价更加合理。

2.4 环境工程管理

2.4.1 仪器全寿命环境工程管理

仪器的寿命期是指从其开始设计到使用结束的全时间剖面，而海洋仪器由于使用环境复杂，故对其寿命期内的各项要求也需更加严格。由于选定元器件会锁死仪器的基础适应性和使用寿命，故需要在设计前就引入环境工程管理概念，并在仪器寿命的不同阶段开展工程研制试验、有效性试验、合格鉴定试验、环境验收试验和环境例行试验，以验证各阶段目标的达成程度[11]。同时，还需由环境工程专家，发挥其桥梁作用辅助供需双方制定试验大纲、验收细则和功能评价方案等工作。这一点可参考瑞典沙伯-斯堪尼亚飞机设计公司的做法，在体系内专门设立环境工程部，负责协调各项试验并对每个项目制定专门的环境试验方案[12]。

2.4.2 试验要素管理

由于实验室试验和海上现场试验均属于典型的海洋仪器环境试验手段，为保证环境工程的有效实施，我们需要严格控制如图3所示的五个管理要素[13]。

图3 环境试验场所管理要素

人，需对环境工程人员的资质、技术水平进行跟踪，保障其具备开展相应工作的能力。机，要按量值溯源要求保证用于实验室和海上试验的所有仪器/装置均具备可靠的性能，避免出现偏差。料，被检测的样品需根据各试验的不同需求进行前期准备，保障试验的有效性。法，用于检测的各项标准和临时性大纲，需环境工程专家对其适用性和有效性进行逐一确认。环，不同试验项目都有不同的外部设施要求，需要进行全程跟踪，确保试验在有效范围内开展。

2.4.3 环境标准的制修订

标准是一个领域内有所工作妥协的产物。为保证海洋仪器环境工程的规范实施，必须以成熟有效的检测技术为基础，平衡设计方和使用方的需求，最终形成具有科学性和可操作性的检测技术标准。同时，还应通过行政手段增加技术管理层面的标准，促进研发人员在项目立项之初就考虑引入环境工程管理标准，并将环境工程检测技术贯穿于仪器研发的全过程[14]。

3 海洋仪器环境工程的重要作用

3.1 支撑和保障海洋仪器研制

海洋环境复杂多变，研制国产仪器需要各种环境工程基础技术和标准的支持。这些技术和标准应该在立项之前就进行论证，如此才能确保研发的顺利开展。推行环境工程需要合理利用环境分析、环境适应新设计、环境试验与评价和环境工程管理等措施。将这些工作贯穿于仪器研发的全过程，从指标设计、元器件选材、结构设计、加工工艺、组装联调由始而终，在各个重要环节及早激发故障，改进问题。若问题集中到最终验收阶段，则工艺已经固化，前期有所工作均需推翻重做，极大地浪费精力。

3.2 确保仪器抗环境能力合理设计

仪器研发的第一步就是确定合理的环境要求，它可由仪器环境适应性设计、环境试验与评价来完成。仪器环境要求是否合理，直接关系研发成本、技术投入和加工周期。若环境过于严酷，会加大研发投入和周期，造成不必要的浪费；若环境过于宽松，则不能保障仪器在使用期间的质量。同时，环境参数的选取还直接影响环境试验中严酷度等级的剪裁，测试中的过试验和欠试验都会影响对仪器真实性能的评价[15]。

3.3 确保海洋仪器适应性

2000年前，海洋领域的传统环境试验主要依托于实验室试验。而后随着时代和科技的发展，环境工程中的自然环境试验、实验室环境试验和使用环境试验并驾齐驱，组成了保障仪器质量的三驾马车。当前他们发挥着各自的特点，相互补充，从材料选材到加工工艺，从单一性能到现场综合功能验证，全面保障了海洋仪器在研发各个阶段的质量评价需求，为我国海洋仪器的快速研发和国产化进程提供重要技术支撑。