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為核心的信息技術，以保障各級指揮機構對所屬部隊及武器平臺實施科學、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設施，在指揮信息系統(tǒng)研制、建設中，顯控計算設備的方案設計和研制集成與系統(tǒng)效能的實現(xiàn)密切相關。一是部署應用方面，車載、船載、瀕海等建設環(huán)境對顯控計算設備的通用質量特性指標提出了較高要求；二是集成優(yōu)化方面，指揮信息系統(tǒng)業(yè)務多樣化、規(guī)?；?、復雜化發(fā)展，要求顯控計算設備具備大規(guī)模、靈活部署能力。本文基于指揮信息系統(tǒng)顯控計算設備的應用需求，提出顯控計算設備的工程化設計思路，探索指揮信息系統(tǒng)顯控計算平臺構建方法。

2 顯控計算設備應用需求

指揮信息系統(tǒng)顯控計算設備工程應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，需在設備功能設計的基礎上開展通用質量特性設計；二是系統(tǒng)集成方面，顯控計算設備需具備大規(guī)模、靈活部署能力，以適應指揮信息系統(tǒng)的海量數(shù)據(jù)業(yè)務和系統(tǒng)快速開設需求。

2.1 大規(guī)模應用和快速部署能力需求

隨著指揮信息系統(tǒng)任務的日趨復雜化與多樣化，大規(guī)模實時應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、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的推動下，指揮信息系統(tǒng)由C/S、B/S架構向“云+端”的體系架構演變，配套信息基礎設施也隨之向虛擬化分布式計算、高帶寬網(wǎng)絡化承載、大幅面超高清顯示的趨勢發(fā)展［2］。指揮信息系統(tǒng)顯控計算設備作為各類業(yè)務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、服務器機柜等，應具備大規(guī)模部署、快速響應、柔性重組等信息系統(tǒng)開設應用能力。

2.2 通用質量特性需求

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

3 顯控計算設備工程化設計關鍵技術

3.1 通用質量特性設計

為滿足指揮信息系統(tǒng)在復雜環(huán)境下的開設需求，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備通用質量特性設計，主要包括散熱、抗沖擊振動、三防、電磁兼容等方面。

3.1.1 散熱設計

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

1）風冷式散熱設計

對于工作站、工控主機、服務器等較大功耗顯控計算設備，整機采用通風式設計，散熱風道根據(jù)設備安裝集成方式進行設計，通常包括前進風、后出風或上進風、下出風等形式。設備進風處結構需開設大面積進風槽，出風處結構需安裝抽風風扇。同時為了擴大散熱能力，設備機殼一般采用散熱性能良好的鋁合金機箱，并在機殼上開設散熱槽，提高設備的散熱性能。

圖1 設備風冷式散熱示意圖

2）傳導式散熱設計

對于顯控計算設備集成的操控單元等發(fā)熱量較小的模塊，采用全密閉結構傳導散熱設計，具體措施如下。

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

（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熱系數(shù)的金屬材料，各部分結構件結合緊密，保證良好的熱傳導性。

3.1.2 三防設計

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

3.1.3 抗沖擊振動設計

顯控計算設備多由離散器件組成，器件和連接器剛度應對運輸振動沖擊能力不強，需通過加固設計提高剛度、強度及結構固有頻率［8］，對顯控計算設備開展整機級、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）通過在機箱內設置走線架，并對接插件部位的線纜進行捆扎限位，降低設備內部線纜在長時間沖擊振動環(huán)境下的應力損耗，如圖2所示。

表1 顯控計算設備三防設計主要措施

圖2 機箱走線設計示意圖

2）板卡級加固

顯控計算設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 板卡加固設計示意圖

3）液晶屏加固

顯控計算設備配套集成的液晶屏利用結構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 液晶屏加固設計及邦定示意圖

3.1.4 電磁兼容設計

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

3.2 協(xié)同設計與集成優(yōu)化

協(xié)同設計是解決多種耦合要素約束條件下系統(tǒng)或產(chǎn)品設計的一種重要設計方法，通過規(guī)劃建模、任務分解、并行設計、沖突消解等設計過程［2］。在指揮信息系統(tǒng)惡劣部署環(huán)境中，顯控計算設備通過開展散熱設計、三防設計、抗沖擊振動設計和電磁兼容設計等工程化設計，能夠基本滿足高可靠運行和環(huán)境適應性要求，但由于熱設計和電磁兼容設計、環(huán)境適應性設計和設備性能等設計要素存在相互耦合、相互矛盾的關系，應采用協(xié)同設計思路，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計過程中存在的耦合要素，提出顯控計算設備協(xié)同設計方法，提升系統(tǒng)整體效能。

表2 顯控計算設備電磁兼容設計主要措施

3.2.1 散熱與電磁兼容協(xié)同設計

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

表3 顯控計算設備散熱與電磁兼容協(xié)同設計主要措施

3.2.2 系統(tǒng)集成優(yōu)化協(xié)同設計

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

1）設備級集成優(yōu)化設計，針對車載、船載等惡劣環(huán)境下顯控計算設備的高密度部署需求，可采用LRM架構和CPEX總線架構，通過定制化設計滿足系統(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)境調節(jié)系統(tǒng)的微模塊機柜集成服務器、磁盤陣列等顯控計算設備，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)化設計，采用分布式設備管控體系架構，將工作臺、電子沙盤等前臺設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)化前臺設備人因工程設計，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 顯控計算設備集成設計典型應用

為適應大數(shù)據(jù)、云計算技術體制，支撐大規(guī)模、分布式、虛擬化計算存儲應用能力，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器。在高溫、高濕熱、高鹽霧等復雜環(huán)境下，綜合考慮系統(tǒng)功能性能、成本工期以及建設費效比等因素，本文設計一種分布式集成部署的應用模式，在系統(tǒng)前端部署工作臺、電子沙盤等環(huán)境適應能力較強的顯控終端設備；在系統(tǒng)后臺設計應用一種密閉機柜，為服務器、交換機等高性能信息處理、傳輸設備提供相對優(yōu)良的微環(huán)境；兩者基于光纖網(wǎng)絡構建云平臺計算環(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)境集成設計

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

1）冷通道設計

機柜采用冷通道密閉設計，冷通道封閉由機柜、通道門和頂蓋組成，可將環(huán)境內熱空氣和冷空氣完全分隔，結合精密空調使用，顯著提高制冷效率。整體冷通道設計采用模塊化結構，與工業(yè)機柜完全兼容，安裝擴展改裝便捷，有利于提高安裝設備的性能，延長設備使用壽命。冷通道內可持續(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)同設計

密閉機柜的協(xié)同設計以熱對流、熱傳導為設計的協(xié)同點，實現(xiàn)通風散熱與電磁兼容的協(xié)同優(yōu)化。熱對流與電磁兼容協(xié)同設計方面，采用在通風孔洞上增加截止波導的設計技術，保證密閉機柜在通風散熱的同時，有效抑制電磁能力泄露；熱傳導與電磁兼容協(xié)同設計方面，由于密閉機柜內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 分布式部署應用架構

1）部署應用模式

按分布式應用模式，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，內部集成高密度服務器、工作站、交換機及各類信息傳輸服務設備，系統(tǒng)部署模式如圖5所示。

圖5 分布式部署應用模式

2）應用效果

（1）高可靠應用與復雜環(huán)境適應能力

根據(jù)復雜環(huán)境設備應用需求，對工作臺、工作站、電子沙盤、服務器等各類顯控計算設備開展高低溫、三防、加固及電磁兼容設計，在保證設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)境適應能力，支撐指揮信息系統(tǒng)在復雜環(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

通過設計、應用冷通道密閉機柜，為服務器、交換機等設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)絡架構實現(xiàn)前端顯控設備與后臺處理設備的互聯(lián)通信，有效解決服務器、交換機等高性能信息傳輸處理設備在復雜環(huán)境中的應用問題，實現(xiàn)指揮信息系統(tǒng)在復雜環(huán)境中的高效靈活部署，為虛擬化、云計算技術體制構建提供基礎支撐平臺。

5 結語

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