多功能小型移動試驗平臺

劉圣亮，張志雄，連 亮，程艷武

（1.山西中電科技特種裝備有限公司，山西 太原 030032；2.中國電子科技集團公司第三十三研究所，山西 太原 030000）

近些年，中國科研發(fā)展日新月異，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境保護、文物保護、地質(zhì)科考、國防軍事等科研任務(wù)迅速增多，對實驗室要求越來越多樣化。目前，現(xiàn)有實驗平臺存在反應(yīng)速度較慢、信息提取量低以及遠程控制等多種問題，致使多種試驗難以進行。針對上述問題，山西中電科技特種裝備有限公司聯(lián)合中國電子科技集團第三十三研究所在現(xiàn)有實驗室平臺上集成了4G/5G通信技術(shù)，結(jié)合模塊化設(shè)計理念、集中控制、人機工程等技術(shù)，研制出一種功能多樣、快速展開、無人值守的多功能小型移動試驗平臺，以滿足多種試驗現(xiàn)場需求。

1 系統(tǒng)功能

多功能小型移動試驗平臺分為載車、保障設(shè)施和任務(wù)功能等模塊。①載車分系統(tǒng)作為整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)，本身的機動性可以實現(xiàn)實驗平臺快速抵達任務(wù)現(xiàn)場，為現(xiàn)場實驗提供操作空間；②保障設(shè)施分系統(tǒng)包括供水、供電、儲物、通信以及內(nèi)部環(huán)境調(diào)節(jié)等，為現(xiàn)場實驗任務(wù)的實施提供保障，也為操作人員提供良好的工作環(huán)境；③任務(wù)功能分系統(tǒng)方面可依照不同的現(xiàn)場試驗需求搭載相應(yīng)的功能模塊，例如環(huán)境監(jiān)測、理化實驗臺、實驗音視頻記錄、遠程視頻會議等。

2 載車分系統(tǒng)

多功能小型移動試驗平臺載車采用廂式客車底盤，在標準允許的范圍內(nèi)，對底盤進行改造，為滿足設(shè)備安裝需求，在車輛頂部、左右內(nèi)壁、底板等處加裝預(yù)埋件，材質(zhì)采用厚度10mm的45#。

為了提高車輛的行車安全性，載車分系統(tǒng)集成了倒車360°可視系統(tǒng)、倒車雷達、行車記錄儀以及北斗衛(wèi)星定位等行車安全設(shè)備。其內(nèi)飾采用具有環(huán)保、防火性能的人造革，地板采用具有防滑、耐磨、防靜電的塑膠地板革。為了保障衛(wèi)星天線信號接收品質(zhì)，在載車底部集成了4根電動調(diào)平支腿，左右對稱布置于車輛四周，如圖1所示。

圖1 調(diào)平支腿位置

調(diào)平支腿靜力學(xué)分析：結(jié)合底盤整備質(zhì)量及軸載分布、調(diào)平支腿承載能力與實際測量數(shù)據(jù)，得出以下參數(shù)。

車輛前后軸距L=3310mm，L=1320mm，L=2800mm。

底盤整備質(zhì)量m=3380kg，試驗平臺實測總質(zhì)量m=4990kg；調(diào)平支腿單腿承重m=3500kg；改裝后實測前軸載荷m=1990kg，后軸載荷m=2980kg。前后軸載荷均不超過底盤允許的負荷。計算過程如下。

上裝設(shè)備質(zhì)量m=m-m=1610kg。

2.1 左側(cè)調(diào)平支腿計算

假設(shè)上裝設(shè)備都在左側(cè)，底盤質(zhì)量一半由左側(cè)調(diào)平支腿承受，在此條件下進行左側(cè)調(diào)平支腿計算。

1）質(zhì)心距離左前調(diào)平支腿的尺寸：L=L-L=1990mm-1320mm=670mm。

2）質(zhì)心距離左后調(diào)平支腿的尺寸：L=L-L=2800mm-670mm=2130mm。

5）左后調(diào)平支腿承受質(zhì)量m=m-m=3310kg-2510kg=800kg。

2.2 右側(cè)調(diào)平支腿計算

假設(shè)上裝設(shè)備都在右側(cè)，底盤質(zhì)量一半由右側(cè)調(diào)平支腿承受，在此條件下進行右側(cè)調(diào)平支腿計算。

1）質(zhì)心距離右前調(diào)平支腿的尺寸：L=L-L=1990mm-1320mm=670mm。

2）質(zhì)心距離右后調(diào)平支腿的尺寸：L=L-L=2800mm-670mm=2130mm。

5）右后調(diào)平支腿承受質(zhì)量m=m-m=3310kg-2510kg=800kg。

得出：m

3 保障設(shè)施分系統(tǒng)

在現(xiàn)有實驗現(xiàn)場任務(wù)中，缺乏相應(yīng)的實驗條件，難以現(xiàn)場完成試驗任務(wù)，問題主要表現(xiàn)在以下方面。

1）在偏遠地帶進行實驗，實驗現(xiàn)場沒有可用的水、電等資源。

2）需要將實驗現(xiàn)場采集的樣本帶回時，無法將其在運輸過程中妥善保存。

3）在偏遠地區(qū)進行實驗，現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)條件無法滿足通信需求。

4）惡劣的環(huán)境中進行長期實驗，實驗人員無法進行值守。

5）戶外環(huán)境多變，需要實驗室提供適宜的實驗環(huán)境條件。

對于以上問題，車輛的保障設(shè)施分系統(tǒng)結(jié)合多種供電設(shè)施、完善的給排水、低溫存儲、4G/5G通信、衛(wèi)星通信以及內(nèi)部環(huán)境調(diào)節(jié)等設(shè)施，為保障實驗完成提供完善的條件。

供電設(shè)施包括：底盤蓄電池、附加蓄電池、市電、發(fā)電機以及UPS。以多種形式的電源輸入、多種類型的電源轉(zhuǎn)換，滿足用戶的供電需求，供電系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 供電系統(tǒng)框圖

給排水設(shè)施包含：污水箱、凈水箱、供水泵、水量計、水龍頭、洗眼機、不銹鋼水池、地漏以及上、下水管路。水量計與供水泵由底盤蓄電池以及附加蓄電池供電。低溫存儲設(shè)施有液氮保存柜與車載冰箱。

車內(nèi)環(huán)境調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括：行車空調(diào)、駐車空調(diào)、燃油加熱器以及換氣扇，可靈活選配搭載的車內(nèi)環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備。多功能小型特種實驗室車內(nèi)的照明系統(tǒng)包含照明燈、應(yīng)急燈以及燈帶。其中，照明燈共4盞（單個功率為25W），應(yīng)急燈共2盞（單個功率為25W），燈帶總長4m（功率為80W）。經(jīng)測試操作位照度可達500Lux，車內(nèi)其余部分照度大于150Lux。

在有公網(wǎng)基站覆蓋的實驗項目現(xiàn)場采用4G/5G等寬帶通信技術(shù)，5G通信具有速度快、延時小、費用低等優(yōu)點，可以實現(xiàn)現(xiàn)場的車內(nèi)、車外無線網(wǎng)絡(luò)。衛(wèi)星通信系統(tǒng)采用“靜中通”，可以提供不依靠基站的寬帶通信手段，具有組網(wǎng)靈活、安裝方便、功能齊全、通信距離遠、不受地理環(huán)境影響、通信容量大等優(yōu)點。

4 任務(wù)功能

多功能小型移動試驗平臺可搭載多種功能模塊。例如，環(huán)境測試模塊包含北斗定位天線、風(fēng)速計、風(fēng)向標、溫濕度傳感器、PM2.5檢測儀、煙霧報警器、氣壓傳感器、車載主機以及顯示屏，可以實時上傳環(huán)境監(jiān)測信息。理化實驗?zāi)K采用化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的理化板制作理化臺面，搭配給排水系統(tǒng)、供氣管道以及多種電源組成功能全面的理化實驗臺。實驗過程記錄模塊由多路音視頻組成實驗過程記錄系統(tǒng)，整體包括以下設(shè)備：多個車內(nèi)外高清攝像頭、全向麥克風(fēng)、高清會議攝像機、功放、喇叭、8×8 HDMI音視頻矩陣（含網(wǎng)絡(luò)模塊）、32寸高清液晶顯示器、HDMI壁插等。支持各路輸入輸出視頻的任意切換，可以多路輸出同時上傳，實現(xiàn)遠程與現(xiàn)場的實時觀測與交流。多功能小型特種實驗室車內(nèi)外的多路高清攝像頭、車載網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)與環(huán)境監(jiān)測模塊搭配使用，可以組建實現(xiàn)實驗現(xiàn)場無人值守模塊，大大減少了人員的投入和工作量。實驗過程記錄模塊信號連線結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 實驗過程記錄模塊信號連線結(jié)構(gòu)框圖

因HDMI傳輸信號會在矩陣和硬盤錄像機之間形成電流回路，導(dǎo)致矩陣到硬盤錄像機之間信號傳輸失敗，故硬盤錄像機到矩陣之間增加一個5V電源的HDMI分線器，上電啟動時按照矩陣、分線器、硬盤錄像機順序啟動，經(jīng)反復(fù)測試該方法可以有效避免HDMI線路產(chǎn)生電流回路，保障高清實驗過程記錄模塊運行。問題解決前（左）、后（右）HDMI信號傳輸畫面對比，如圖4所示。

圖4 解決前（左）、后（右）HDMI信號傳輸畫面對比圖

5 功能驗證

多功能小型移動試驗平臺建設(shè)完成后，抵達中電科技集團重慶聲光電有限公司、南京考古研究所、西安考古研究所等單位的多個實驗項目現(xiàn)場進行應(yīng)用。圖5為多功能小型特種實驗室樣車在應(yīng)用場所的外觀照片。

圖5 多功能小型特種實驗室樣車在應(yīng)用場所的外觀照片

6 結(jié)束語

綜上所述，多功能小型移動試驗平臺具有快速展開、功能多樣、無人值守等特點，能滿足多種實驗項目的需求，其強大的通信能力以及音視頻采集能力，可以滿足數(shù)據(jù)上傳下載、遠程通信等需求。后續(xù)將推廣應(yīng)用，為科研的發(fā)展做出更大的貢獻。