指揮信息系統(tǒng)顯控計算設(shè)備工程化設(shè)計研究?

劉海峰 韓興宇 王夢瀟 侯文君

（1.91977部隊 北京 100036）（2.南京電子工程研究所 南京 210007）

1 引言

指揮信息系統(tǒng)是綜合運用以計算機技術(shù)為核心的信息技術(shù)，以保障各級指揮機構(gòu)對所屬部隊及武器平臺實施科學(xué)、高效的指揮控制為目的，實現(xiàn)作戰(zhàn)信息從獲取、傳輸、處理至利用的自動化，具有指揮、控制、通信、信息處理、情報、偵察與監(jiān)視功能的軍事信息系統(tǒng)［1］。顯控計算設(shè)備是指揮信息系統(tǒng)實現(xiàn)計算處理、存儲和人機交互功能的重要基礎(chǔ)設(shè)施，在指揮信息系統(tǒng)研制、建設(shè)中，顯控計算設(shè)備的方案設(shè)計和研制集成與系統(tǒng)效能的實現(xiàn)密切相關(guān)。一是部署應(yīng)用方面，車載、船載、瀕海等建設(shè)環(huán)境對顯控計算設(shè)備的通用質(zhì)量特性指標(biāo)提出了較高要求；二是集成優(yōu)化方面，指揮信息系統(tǒng)業(yè)務(wù)多樣化、規(guī)?；?fù)雜化發(fā)展，要求顯控計算設(shè)備具備大規(guī)模、靈活部署能力。本文基于指揮信息系統(tǒng)顯控計算設(shè)備的應(yīng)用需求，提出顯控計算設(shè)備的工程化設(shè)計思路，探索指揮信息系統(tǒng)顯控計算平臺構(gòu)建方法。

2 顯控計算設(shè)備應(yīng)用需求

指揮信息系統(tǒng)顯控計算設(shè)備工程應(yīng)用需求主要包括惡劣環(huán)境部署和系統(tǒng)優(yōu)化集成等方面，一是惡劣環(huán)境部署需求，指揮信息系統(tǒng)建設(shè)主要涉及濕熱、鹽霧、霉菌、沖擊振動、電磁等惡劣環(huán)境因素，需在設(shè)備功能設(shè)計的基礎(chǔ)上開展通用質(zhì)量特性設(shè)計；二是系統(tǒng)集成方面，顯控計算設(shè)備需具備大規(guī)模、靈活部署能力，以適應(yīng)指揮信息系統(tǒng)的海量數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和系統(tǒng)快速開設(shè)需求。

2.1 大規(guī)模應(yīng)用和快速部署能力需求

隨著指揮信息系統(tǒng)任務(wù)的日趨復(fù)雜化與多樣化，大規(guī)模實時應(yīng)用和快速靈活部署成為指揮信息系統(tǒng)必備的組織運用能力，要求配套電子信息裝備具備功能可重構(gòu)、高速互聯(lián)和實時處理等能力。在大數(shù)據(jù)、云計算等新一代信息技術(shù)的推動下，指揮信息系統(tǒng)由C/S、B/S架構(gòu)向“云+端”的體系架構(gòu)演變，配套信息基礎(chǔ)設(shè)施也隨之向虛擬化分布式計算、高帶寬網(wǎng)絡(luò)化承載、大幅面超高清顯示的趨勢發(fā)展［2］。指揮信息系統(tǒng)顯控計算設(shè)備作為各類業(yè)務(wù)的人機交互平臺和數(shù)據(jù)處理平臺，主要包括大廳、值班室、機房等要素部位部署的工作臺、電子沙盤、服務(wù)器機柜等，應(yīng)具備大規(guī)模部署、快速響應(yīng)、柔性重組等信息系統(tǒng)開設(shè)應(yīng)用能力。

2.2 通用質(zhì)量特性需求

指揮信息系統(tǒng)涉及島礁、地下、車載、船載等多樣化應(yīng)用環(huán)境，需具備適應(yīng)高溫、高濕熱、高鹽霧、電磁輻射、強振動等復(fù)雜環(huán)境的能力［2］：船載、沿海島礁、地下等環(huán)境設(shè)備的殼體、板卡、模塊等易發(fā)生侵蝕、腐蝕，導(dǎo)致設(shè)備功能失效［2］；顯控計算設(shè)備應(yīng)具備適應(yīng)其部署環(huán)境的通用質(zhì)量特性能力指標(biāo)。

3 顯控計算設(shè)備工程化設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

3.1 通用質(zhì)量特性設(shè)計

為滿足指揮信息系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下的開設(shè)需求，圍繞耐高低溫、抗腐蝕、抗沖擊振動、防電磁輻射等方面開展設(shè)備通用質(zhì)量特性設(shè)計，主要包括散熱、抗沖擊振動、三防、電磁兼容等方面。

3.1.1 散熱設(shè)計

顯控計算設(shè)備根據(jù)設(shè)備發(fā)熱量和部署需求不同，主要采用風(fēng)冷式、傳導(dǎo)式等散熱方式。

1）風(fēng)冷式散熱設(shè)計

對于工作站、工控主機、服務(wù)器等較大功耗顯控計算設(shè)備，整機采用通風(fēng)式設(shè)計，散熱風(fēng)道根據(jù)設(shè)備安裝集成方式進行設(shè)計，通常包括前進風(fēng)、后出風(fēng)或上進風(fēng)、下出風(fēng)等形式。設(shè)備進風(fēng)處結(jié)構(gòu)需開設(shè)大面積進風(fēng)槽，出風(fēng)處結(jié)構(gòu)需安裝抽風(fēng)風(fēng)扇。同時為了擴大散熱能力，設(shè)備機殼一般采用散熱性能良好的鋁合金機箱，并在機殼上開設(shè)散熱槽，提高設(shè)備的散熱性能。

圖1 設(shè)備風(fēng)冷式散熱示意圖

2）傳導(dǎo)式散熱設(shè)計

對于顯控計算設(shè)備集成的操控單元等發(fā)熱量較小的模塊，采用全密閉結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)散熱設(shè)計，具體措施如下。

（1）對低發(fā)熱量設(shè)備的單元、模塊、板卡進行合理化布局，優(yōu)化設(shè)備整體的散熱能力；

（2）在靠近核心電路板等發(fā)熱量較高的部位銑制散熱肋片，通過增大散熱面積的方式提升殼體熱傳導(dǎo)效率；

（3）在滿足強度、剛度和良好的機加工性能的條件下，選擇鋁合金等具有較高導(dǎo)熱系數(shù)的金屬材料，各部分結(jié)構(gòu)件結(jié)合緊密，保證良好的熱傳導(dǎo)性。

3.1.2 三防設(shè)計

三防（防潮、防鹽霧、防霉菌）技術(shù)涉及材料、元器件、電路、結(jié)構(gòu)、工藝等多方面內(nèi)容，主要防護技術(shù)包括材料防護、結(jié)構(gòu)防護、工藝防護［7］等方面。針對指揮信息系統(tǒng)部署環(huán)境特點，顯控計算設(shè)備三防設(shè)計主要措施如表1所述。

3.1.3 抗沖擊振動設(shè)計

顯控計算設(shè)備多由離散器件組成，器件和連接器剛度應(yīng)對運輸振動沖擊能力不強，需通過加固設(shè)計提高剛度、強度及結(jié)構(gòu)固有頻率［8］，對顯控計算設(shè)備開展整機級、板卡級和液晶屏加固，如下所述。

1）整機級加固

顯控計算設(shè)備整機加固措施如下所述：

（1）采用強度比較高的鋁合金進行焊接成型，在減輕重量的同時提高整體機箱的強度剛度，提高整機的抗振性能；

（2）對設(shè)備的各個層次進行加固，主板直接與機殼底板或安裝板剛性連接，四周、底部局部墊實，提高其固有頻率；

（3）通過在機箱內(nèi)設(shè)置走線架，并對接插件部位的線纜進行捆扎限位，降低設(shè)備內(nèi)部線纜在長時間沖擊振動環(huán)境下的應(yīng)力損耗，如圖2所示。

表1 顯控計算設(shè)備三防設(shè)計主要措施

圖2 機箱走線設(shè)計示意圖

2）板卡級加固

顯控計算設(shè)備板卡級加固措施如下所述。

（1）通過增加背板提高擴展板抗變形能力，背板采用鋁板銑削加工工藝，局部挖空和銑薄，同時增加擴展卡和背板之間的支撐點數(shù)量，減小擴展卡和背板之間各連接點的支撐跨度；

（2）通過采用楔塊鎖緊套件來改善顯卡等金手指板卡的固定方式；

（3）通過絕緣墊柱將CPU散熱器載荷卸載到機殼上，提高CPU的抗沖擊振動能力，同時改善散熱效果。

圖3 板卡加固設(shè)計示意圖

3）液晶屏加固

顯控計算設(shè)備配套集成的液晶屏利用結(jié)構(gòu)件可靠固定在面板上，采用屏幕邦定工藝將特種玻璃用光學(xué)膠與液晶屏粘貼，對液晶顯示屏實現(xiàn)主動加固，使液晶顯示模塊固有頻率得到提高。

圖4 液晶屏加固設(shè)計及邦定示意圖

3.1.4 電磁兼容設(shè)計

電磁兼容設(shè)計從基礎(chǔ)的布局到采取屏蔽、濾波、接地等措施［9～12］，確保設(shè)備不受干擾和本身無自干擾。針對復(fù)雜電磁環(huán)境下工作臺、服務(wù)機柜等顯控計算設(shè)備部署應(yīng)用需求，綜合應(yīng)用布局設(shè)計，電磁屏蔽和濾波等技術(shù)，解決傳導(dǎo)干擾，縫隙泄漏和電纜間串?dāng)_等問題，具體措施如表2所述。

3.2 協(xié)同設(shè)計與集成優(yōu)化

協(xié)同設(shè)計是解決多種耦合要素約束條件下系統(tǒng)或產(chǎn)品設(shè)計的一種重要設(shè)計方法，通過規(guī)劃建模、任務(wù)分解、并行設(shè)計、沖突消解等設(shè)計過程［2］。在指揮信息系統(tǒng)惡劣部署環(huán)境中，顯控計算設(shè)備通過開展散熱設(shè)計、三防設(shè)計、抗沖擊振動設(shè)計和電磁兼容設(shè)計等工程化設(shè)計，能夠基本滿足高可靠運行和環(huán)境適應(yīng)性要求，但由于熱設(shè)計和電磁兼容設(shè)計、環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計和設(shè)備性能等設(shè)計要素存在相互耦合、相互矛盾的關(guān)系，應(yīng)采用協(xié)同設(shè)計思路，優(yōu)化整機集成方案。本文根據(jù)指揮信息系統(tǒng)高可靠運行和快速部署需求，針對惡劣環(huán)境下信息處理工程化設(shè)計過程中存在的耦合要素，提出顯控計算設(shè)備協(xié)同設(shè)計方法，提升系統(tǒng)整體效能。

表2 顯控計算設(shè)備電磁兼容設(shè)計主要措施

3.2.1 散熱與電磁兼容協(xié)同設(shè)計

散熱性能與電磁兼容是電子設(shè)備性能完全不同的兩個方面，但卻由同一個物理結(jié)構(gòu)確定，電子設(shè)備物理結(jié)構(gòu)的改動可能既影響到散熱性能，又影響到電磁兼容性能［2］。顯控計算設(shè)備工程化設(shè)計應(yīng)統(tǒng)籌考慮散熱和電磁輻射影響，具體措施如表3所述。

表3 顯控計算設(shè)備散熱與電磁兼容協(xié)同設(shè)計主要措施

3.2.2 系統(tǒng)集成優(yōu)化協(xié)同設(shè)計

隨著指揮信息系統(tǒng)向云邊化、智能化體系架構(gòu)發(fā)展，顯控計算設(shè)備的高密度集成應(yīng)用能力成為提升系統(tǒng)效能的關(guān)鍵，在工程化設(shè)計中，應(yīng)統(tǒng)籌考慮設(shè)備通用質(zhì)量特性和系統(tǒng)效能指標(biāo)需求，從設(shè)備級和系統(tǒng)級兩個層面開展優(yōu)化集成設(shè)計，具體方式如下。

1）設(shè)備級集成優(yōu)化設(shè)計，針對車載、船載等惡劣環(huán)境下顯控計算設(shè)備的高密度部署需求，可采用LRM架構(gòu)和CPEX總線架構(gòu)，通過定制化設(shè)計滿足系統(tǒng)效能和惡劣環(huán)境使用需要；針對瀕海、地下等陸上固定環(huán)境，可采用集成環(huán)境調(diào)節(jié)系統(tǒng)的微模塊機柜集成服務(wù)器、磁盤陣列等顯控計算設(shè)備，提升惡劣環(huán)境下信息系統(tǒng)運行效能。

2）系統(tǒng)級集成優(yōu)化設(shè)計，采用分布式設(shè)備管控體系架構(gòu)，將工作臺、電子沙盤等前臺設(shè)備集成的信息處理單元集中部署于后臺微模塊機柜中，同時優(yōu)化前臺設(shè)備人因工程設(shè)計，實現(xiàn)人機交互和信息處理功能的優(yōu)化重組，提升系統(tǒng)效能。

4 顯控計算設(shè)備集成設(shè)計典型應(yīng)用

為適應(yīng)大數(shù)據(jù)、云計算技術(shù)體制，支撐大規(guī)模、分布式、虛擬化計算存儲應(yīng)用能力，指揮信息系統(tǒng)顯控計算平臺需集成部署大批量高性能服務(wù)器。在高溫、高濕熱、高鹽霧等復(fù)雜環(huán)境下，綜合考慮系統(tǒng)功能性能、成本工期以及建設(shè)費效比等因素，本文設(shè)計一種分布式集成部署的應(yīng)用模式，在系統(tǒng)前端部署工作臺、電子沙盤等環(huán)境適應(yīng)能力較強的顯控終端設(shè)備；在系統(tǒng)后臺設(shè)計應(yīng)用一種密閉機柜，為服務(wù)器、交換機等高性能信息處理、傳輸設(shè)備提供相對優(yōu)良的微環(huán)境；兩者基于光纖網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建云平臺計算環(huán)境，實現(xiàn)顯控計算平臺的系統(tǒng)集成優(yōu)化。

4.1 密閉機柜微環(huán)境集成設(shè)計

為加強服務(wù)器等核心顯控計算設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)能力，通過密閉機柜設(shè)計，為服務(wù)器、工作站等各類設(shè)備提供安裝集成微環(huán)境。

1）冷通道設(shè)計

機柜采用冷通道密閉設(shè)計，冷通道封閉由機柜、通道門和頂蓋組成，可將環(huán)境內(nèi)熱空氣和冷空氣完全分隔，結(jié)合精密空調(diào)使用，顯著提高制冷效率。整體冷通道設(shè)計采用模塊化結(jié)構(gòu)，與工業(yè)機柜完全兼容，安裝擴展改裝便捷，有利于提高安裝設(shè)備的性能，延長設(shè)備使用壽命。冷通道內(nèi)可持續(xù)的提供無亂流、均衡的空氣，適用于安裝更高的服務(wù)器功率密度。通道各部件均安裝在機柜承重框架上固定點，側(cè)面安裝簡單，整體美觀，便于維護。

2）散熱與電磁兼容協(xié)同設(shè)計

密閉機柜的協(xié)同設(shè)計以熱對流、熱傳導(dǎo)為設(shè)計的協(xié)同點，實現(xiàn)通風(fēng)散熱與電磁兼容的協(xié)同優(yōu)化。熱對流與電磁兼容協(xié)同設(shè)計方面，采用在通風(fēng)孔洞上增加截止波導(dǎo)的設(shè)計技術(shù)，保證密閉機柜在通風(fēng)散熱的同時，有效抑制電磁能力泄露；熱傳導(dǎo)與電磁兼容協(xié)同設(shè)計方面，由于密閉機柜內(nèi)部集成了較多有源器件，裸露的散熱器很容易產(chǎn)生電場或磁場耦合，應(yīng)將散熱器與機殼地或信號地連接，避免發(fā)生二次電弧等放電現(xiàn)象。

4.2 分布式部署應(yīng)用架構(gòu)

1）部署應(yīng)用模式

按分布式應(yīng)用模式，指揮信息系統(tǒng)大廳及各要素部位部署工作臺、電子沙盤、顯示大屏等加固類顯控終端，后臺機房集中部署密閉機柜，內(nèi)部集成高密度服務(wù)器、工作站、交換機及各類信息傳輸服務(wù)設(shè)備，系統(tǒng)部署模式如圖5所示。

圖5 分布式部署應(yīng)用模式

2）應(yīng)用效果

（1）高可靠應(yīng)用與復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)能力

根據(jù)復(fù)雜環(huán)境設(shè)備應(yīng)用需求，對工作臺、工作站、電子沙盤、服務(wù)器等各類顯控計算設(shè)備開展高低溫、三防、加固及電磁兼容設(shè)計，在保證設(shè)備滿足功能性能需求的前提下具備耐高低溫、防磁抗振等環(huán)境適應(yīng)能力，支撐指揮信息系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下的高可靠連續(xù)運行。

（2）分布式系統(tǒng)集成優(yōu)化部署

通過設(shè)計、應(yīng)用冷通道密閉機柜，為服務(wù)器、交換機等設(shè)備的高密度部署提供優(yōu)于外部環(huán)境的微環(huán)境，同時基于光纖網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)實現(xiàn)前端顯控設(shè)備與后臺處理設(shè)備的互聯(lián)通信，有效解決服務(wù)器、交換機等高性能信息傳輸處理設(shè)備在復(fù)雜環(huán)境中的應(yīng)用問題，實現(xiàn)指揮信息系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境中的高效靈活部署，為虛擬化、云計算技術(shù)體制構(gòu)建提供基礎(chǔ)支撐平臺。

5 結(jié)語

本文從指揮信息系統(tǒng)在多樣化應(yīng)用環(huán)境下的設(shè)備部署需求出發(fā)，通過對散熱、抗沖擊振動、電磁兼容等設(shè)備工程化設(shè)計方法的研究總結(jié)，提出了指揮信息系統(tǒng)顯控計算設(shè)備的協(xié)同設(shè)計和集成優(yōu)化設(shè)計思路，對指揮信息系統(tǒng)顯控計算平臺構(gòu)建具有一定的指導(dǎo)意義。