基于分层分域理论的应急通信车环境适应性设计方法

唐勇，张国华，邓伟华，姜永广

（中国电子科技集团公司第三十研究所，成都 610041）

引言

近年来，自然灾害、事故灾难、公共卫生事件和社会安全事件出现突发和频发态势，给政府和军队处置应急事件提出了较高挑战[1]。建立高效的应急通信指挥系统是国家进入现代化管理的必然选择，是显示国家应急处置能力和进入现代化的重要标志[2]。应急通信车作为应急指挥通信系统重要组成部分，广泛应用于非战争军事行动、抢险救援、公共安全等任务领域，具有高机动性、高越野性、多用途等特点，其任务现场环境的环境适应性成为任务成败的关键要素。

美英等发达国家或组织是当前较早开展装备环境适应研究的国家，20 世纪50年代，我国正式开始了装备环境技术的相关研究工作[3]。业界对车载电子设备、机载电子设备等单体设备的环境适应性设计研究较为普遍，针对车辆平台系统的装备环境适应性设计研究较少，即便有也大多局限于单一环境应力的针对性设计研究，比如：施雷[4]等人研究了一种电源车方舱内部的防雨、防砂尘、通风散热进行了结构设计，赵世宜[5]等人研究了高温高湿环境条件对车辆装备影响及对策，何俊南[6]等人研究了高温地区整车环境适应性试验，刘策[7]等人对整车高寒地区环境适应性试验进行了分析研究。国家军用标准环境适应性的研究也主要是针对试验方法等方面，比如GJB 150A-2009《军用设备实验室环境试验方法》[8]、GJB 219B-2005《军用通信车通用规范》[9]，关于车辆装备的环境适应性设计方法几乎空白。

采用系统工程设计思想，从顶层视角和全局视角进行创新设计，提出了基于分层分域理论方法的环境适应性分析设计方法和应急通信车工程应用实例，打破了业界一般针对单一环境、单设备级环境适应性研究的常态研究方法。

1 环境适应性分层分域设计理论和方法

1.1 环境适应性设计定义和内涵

环境适应性是装备承受环境作用能力的指标，是装备的重要质量特性之一，环境适应性设计是为保证装备实际使用环境经受综合环境应力条件发挥性能的重要技术管理活动[10]。GJB 4239-2001《装备环境工程通用要求》对环境适应性设计的定义为：为满足装备（产品）环境适应性要求而采取的一系列措施，包括改善环境或减缓环境影响的措施和提高装备（产品）对环境耐受能力的措施[11]。

1.2 分层分域设计理论提出

原则上，系统装备所涉及的系统、分系统、设备、模件等均需要进行环境适应性设计。需逐级进行环境适应性分析，通过环境要求、环境因素影响和机理分析、控制措施形成系统级产品的环境适应性设计方案。同时，按环境对装备的影响又分为气候环境条件、机械环境条件、生物环境条件、电场环境条件、辐射环境条件、人工环境条件[14]等，所涉及的环境条件也均需进行环境适应性设计。基于此，提出系统分层和条件分域的设计理论。

系统分层是从顶层自顶向下映射方式逐层细分到底层的架构，结构模型如图1 所示。

图1 系统分层结构模型

条件分域是从各个环境条件进行划分，模型如图2所示。

图2 条件分域结构模型

1.3 分层分域设计方法流程

按照环境适应性设计的定义和内容，系统装备分层分域设计方法流程包括装备分层解析、装备各层级环境适应性要求确立、装备环境因素分域及影响机理分析、提出针对分层分域的装备环境适应性设计方案。方法流程如图3 所示。

图3 基于分层分域的环境适应性设计方法流程

1）装备分层解析。装备分层采用自顶向下层层递进的解析方法，将系统级装备按系统、分系统、设备、模件进行逐级分解，确定系统级装备所包含的各层级单元和要素。

2）装备各层级环境适应性要求确立。装备各层级的环境适应性要求包括系统、分系统、设备、模件的环境适应性要求，根据使用的位置和环境同一级系统、设备的环境适应性又可能分为不同要求。

3）装备环境因素分域及影响机理分析。将影响装备环境适应性的环境因素按环境条件分域，并对其寿命周期各阶段的影响机理进行分析，找出系统分层的环境适应性设计对应的关注点。

4）提出针对分层分域的装备环境适应性设计对策和方案。基于系统分层和条件分域，结合环境适应性要求，分析建立环境适应性设计的关注点、控制措施、选材和工艺措施以及具体方法，制定出合理的环境适应性设计方案。

2 应急通信车的工程应用

2.1 应急通信车功能

应急通信车一般采用高机动越野一类底盘或二类底盘进行改装集成设计[13]，与任务载荷一体集成构建一个功能完备的移动指挥中心，为指挥中心指挥决策人员提供准确、及时的辅助支撑。应急通信车功能包括通信保障、指挥调度、计算、图像采集、定位导航以及供配电、环境控制、照明等[14]。

2.2 应急通信车的系统分层

应急通信车从系统向下分层分为：第1 层，应急通信车；第2 层分为GPS/GIS 导航分系统、图像采集与处理分系统、通信保障分系统、计算机及应用分系统、会议及辅助办公分系统、环境控制分系统、供配电分系统、载车平台等八个功能分系统；第3 层为各个分系统对应的设备、软件；第4 层为构成设备的元器件、结构件、部件和装车集成所用的结构件、线缆等安装附件。应急通信车分层结构如图4 所示。

2.3 应急通信车环境适应性要求

按照GJB 219B-2005《军用通信车通用规范》对环境适应性的要求描述通信车的环境适应性包括整车环境适应性和装车设备的环境适应性两部分，装车设备的环境适应性要求应满足GJB 367A《军用通信设备通用规范》[15]中地面设备中车载式设备的要求。应急通信车环境适应性要求按照整车要求、装车设备要求和装车模件三个层面进行要求。整车要求包括：一般要求、道路行驶性要求以及使用、维修、运输和贮存要求；装车设备环境适应性要求包括仅在车内使用的装车设备和有露天使用要求的装车设备以及装车设备的机械适应性等要求；装车模件环境适应性要求包括仅在车内使用的装车模件和有露天使用要求的装车模件以及装车模件的机械适应性等要求。应急通信车环境适应性要求如图5 所示。

图5 应急通信车环境适应性要求

2.4 应急通信车环境因素分域及影响机理分析

应急通信车在使用过程中可能经历的环境条件按影响因素进行分域，分为气候环境、机械环境、辐射环境、生物环境、电场条件。气候环境条件包括温度、湿度、气压、砂尘、盐雾、雨、风，机械环境条件包括振动、冲击、颠摇、碰撞，辐射环境条件包括太阳辐射、紫外线辐射，生物环境条件包括霉菌，电场环境条件包括放电、雷击和漏电。在各类环境条件下，应急通信车及所用的设备、材料、零部件、元器件都可能发生环境效应，降低使用可靠性。应急通信车环境因素与影响机理如表1 所示。

表1 应急通信车环境因素与影响机理

2.5 应急通信车环境适应性设计对策

本论文考虑设计篇幅和重点，底盘、上装设备和模件均按应急通信车环境适应性要求选择已经经过环境适应性考核检验的成品，不做具体设计。应急通信车整车层面，提出气候环境、机械环境、辐射环境、生物环境、电场环境五个方面的设计。

2.5.1 气候环境适应性设计

1）环境控制设计：①通过采用底盘原装空调或加装的取暖制冷设备实现车内工作环境温度调节。②对网络控制设备等大功率设备加装散热风扇，提供良好的设备散热循环通道。③对与连续刹车导致的局部高温，加装水冷散热装置。

2）防潮、防盐雾、防霉菌设计：①金属镀层和化学覆盖层的选择考虑使用环境工作条件、材料性质、镀覆特性、镀覆后的工作条件等因素。②金属和非金属结构件在基体表面或基体表面的金属或非金属覆盖层上涂覆有机涂层，进一步防止基体材料在野外恶劣环境条件下的腐蚀。③采用固体薄膜保护剂对镀金层、银层接插件进行涂覆，延缓银层变色，减低插拔力，增加接插件可靠性。⑤天线、支架及基座采用的喷锌后多层涂料重防护，选择好底漆、面漆的配套工艺技术。⑥天线罩及支撑件的防护可选用芳伦复合材料或碳纤维复合材料制造支撑件或箱体等异形构件。

3）低气压环境适应性设计：①底盘和发电油机选择高原型。②蓄电池考虑设计余量。③卫星天线非密封设计，使低气压环境内外大气压力平衡。

4）防淋雨设计：①车辆壁盒采用绝缘材料，盖板采用上翻盖设计并在两侧设计可折收挡雨板。②天线馈线线口、空调安装架螺栓等改变车体结构的安装设计区域进行密封胶处理。

5）防砂尘设计：①门窗均设计密封胶条，在门窗关闭情况防止车外风沙进入车内。②车壁接插件安装防尘帽。③配备壁盒、天线防尘帆布套，在风沙环境中保护壁盒、天线不被风沙侵蚀。

6）抗风设计：①抗风8 级风工作、12 级风不损坏进行整车受风力计算和薄弱环节控制设计。②进行抗风设计校核和设计仿真。

7）降噪设计：①车内设备采用前后固定安装，减少车辆行驶中设备冲击震动引起的噪声。②机柜减震器增加限位装置，避免车辆行驶时机柜与车体撞击引起噪声。③车辆内饰加装材料选用吸音材料。④散热风扇选用噪声等级低的风机部件。

2.5.2 机械环境适应性设计

抗振动和冲击遵循GJB 367A-2001《军用通信设备通用规范》相关要求开展，主要措施包括：①设备安装方式主要分为上架安装和台面安装两种形式。其中上架设备采用标准机柜安装，机柜采取整体减震措施。②台式安装设备均采取单设备减振措施，并通过可靠措施固定。③抽屉活动件安装锁定装置，以免震动或冲击时打开。④卫星天线通过安装支架安装，底部螺栓与安装支架固定牢靠。⑥整车附件均有安装固定措施。⑦灌封后的插头座，最后应当套上预置的热缩套管、热缩后使导线相对位置固定。

2.5.3 辐射环境适应性设计

非金属材料选择抗日光、紫外线等辐射环境较好的材料，车外二次涂覆材料选择抗日光直晒的特种涂料。

2.5.4 生物环境适应性设计

应急通信车气生物环境适应性设计主要考虑霉菌，设计对策与气候环境适应性中“防潮、防盐雾、防霉菌设计”对策一致。

2.5.5 电场环境适应性设计

1）防雷设计：根据不同线路、接口的电气特性和信号参数选择与之相匹配的专用防雷模块加装。

2）防漏放电设计：①车内接地设计，通过接地汇接线和接地汇流铜带实现设备就近共地。②整车接地设计，在壁盒设计车体地和测量地接地端子，进行车体接地和接地性能监测。③车辆底部设计地拖接地，在车辆行驶时进行静电释放。

3）防电磁危害设计：对头、胸、腹高度截面内场强分布建立电磁模型并进行计算仿真，防止卫星、集群和电台对人体电磁危害。

3 结语

环境适应性是产品的固有特性，是产品质量特性的重要组成部分，是装备的六大重要通用质量特性之一，直接关系产品性能，是产品全寿命周期发挥使用效能的关键要素，环境适应性设计已成为装备研制过程中的重要工作，需要在产品设计方案设计中纳入“六性”设计同步开展。系统级装备大多具有“系统—分系统—设备—模件”多个层次，应急通信车作为系统级装备环境适应性设计所涉及的内容点多面广，需要解决的问题和设计关注点较多，相较于普通军用电子装备难度较大。为保证应急通信车可靠性和质量，需要从顶层环境适应性设计指标和全局状态的过程监控开展应急通信车的适应性设计。本文借助系统工程理论的分析模型，将系统层层分解，将环境条件按属性和影响分域分析，建立了全要素的环境适应性设计方法流程，并以应急通信车为工程设计用例进行了设计展示，为系统级装备开展环境适应性设计提供了一种可行的借鉴方法。