趙四清，夏建橋，孫中杰，歐陽康，靳曉軍，周康力，謝 巍，李海洋，蔣大鵬，高艷艷，孫 蓓

（1.軍事科學(xué)院軍事醫(yī)學(xué)研究院，北京 100850；2.鎮(zhèn)江康飛汽車制造股份有限公司，江蘇鎮(zhèn)江 212132）

0 引言

進(jìn)入21 世紀(jì)以來，各類新發(fā)、突發(fā)傳染病疫情層出不窮，對我國乃至全球經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和人民健康水平產(chǎn)生嚴(yán)重影響，未來生物威脅形勢加劇。因此，要加強(qiáng)生物安全風(fēng)險(xiǎn)防控和治理體系建設(shè)，提高生物安全治理能力，筑牢生物安全屏障。

移動生物安全3 級（biological safety protection third-level，BSL-3）實(shí)驗(yàn)室作為我軍重要的生物安全防護(hù)裝備，已在地區(qū)自然災(zāi)害、突發(fā)生物安全事件以及境外援助等重大保障任務(wù)中發(fā)揮了巨大作用[1-2]。但其屬于一體化集成裝備，需整套定制，造價高昂，無法批量儲備。另外，實(shí)驗(yàn)室采用方艙形式，需要通過大型運(yùn)輸機(jī)（如運(yùn)20、伊爾76）運(yùn)送，運(yùn)輸周期和成本均不可控，嚴(yán)重制約了移動BSL-3 實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用范圍。

為解決移動BSL-3 實(shí)驗(yàn)室造價高和運(yùn)輸難的問題，本研究采用“ X+Y”的模式，實(shí)現(xiàn)“三化”設(shè)計(jì)，整體組成可批量運(yùn)輸、規(guī)模部署的折疊組合式模塊化BSL-3 實(shí)驗(yàn)室，即實(shí)驗(yàn)平臺折疊組合化，只需根據(jù)空間、功能需要配備相應(yīng)折疊模塊和附件，就地組合展開作為實(shí)驗(yàn)室平臺；保障設(shè)施裝備化，按照軍用保障裝備的設(shè)計(jì)理念，提高整裝設(shè)備的互換性；實(shí)驗(yàn)儀器箱組化，各儀器設(shè)備采用統(tǒng)型箱組打包，并設(shè)置實(shí)驗(yàn)功能儀器菜單，按任務(wù)配置選用相應(yīng)的儀器。

1 實(shí)驗(yàn)室的模塊化集成

借鑒帳篷醫(yī)院[3]和武警方艙醫(yī)院[4]的設(shè)計(jì)理念，整個實(shí)驗(yàn)室按照功能分為折疊組合式方艙模塊、通風(fēng)凈化模塊、供配電模塊、監(jiān)控通信模塊、控制系統(tǒng)模塊和儀器設(shè)備模塊。各模塊的功能見表1。

表1 折疊組合式模塊化BSL-3 實(shí)驗(yàn)室模塊功能

2 折疊組合式方艙模塊

2.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

折疊組合式方艙模塊以可調(diào)平底架作為支撐，以折疊單元作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)。兩兩折疊單元之間通過中框或中隔板進(jìn)行連接，所有折疊單元、中框、中隔板、端隔板規(guī)格統(tǒng)一，確保互換性，如圖1 所示。折疊單元兩側(cè)板采用合頁設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)內(nèi)折疊，便于堆碼收攏。

圖1 折疊組合式方艙模塊展開示意圖

2.2 實(shí)驗(yàn)室布局

依據(jù)GB 27421—2015《移動式實(shí)驗(yàn)室生物安全要求》[5]標(biāo)準(zhǔn)，方艙內(nèi)部分為輔助工作區(qū)和防護(hù)區(qū)。輔助工作區(qū)包括監(jiān)控室和更衣室，防護(hù)區(qū)包括緩沖間和實(shí)驗(yàn)間。實(shí)驗(yàn)人員由監(jiān)控室依次通過更衣室和緩沖間進(jìn)入實(shí)驗(yàn)間，實(shí)驗(yàn)樣本、耗材隨實(shí)驗(yàn)人員帶入，實(shí)驗(yàn)廢棄物經(jīng)高壓滅菌后帶出實(shí)驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)間配置生物安全柜、高壓滅菌器、培養(yǎng)箱、冰箱，另配置折疊工作臺用于放置實(shí)驗(yàn)儀器，如圖2 所示。

圖2 折疊組合式模塊化BSL-3 實(shí)驗(yàn)室布局

2.3 氣密性設(shè)計(jì)

依據(jù)GB 27421—2015 標(biāo)準(zhǔn)要求，BSL-3 實(shí)驗(yàn)室的圍護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)無可見泄漏點(diǎn)。折疊組合式方艙模塊的氣密性設(shè)計(jì)重點(diǎn)包括折疊單元合頁縫和拼接縫。

合頁縫密封結(jié)構(gòu)如圖3 所示。折疊單元展開后，轉(zhuǎn)軸縫隙通過“ D”型膠條進(jìn)行密封，另一側(cè)縫隙通過密封蓋板和“ O”型膠條進(jìn)行第2 層密封，以提高合頁縫密閉性。

圖3 合頁縫密封結(jié)構(gòu)

拼接縫密封結(jié)構(gòu)如圖4 所示。2 個折疊單元之間的拼接縫主要通過“凹”“凸”型材與“ D”型膠條密封。外側(cè)縫隙通過密封蓋板和“ O”型膠條進(jìn)行第2層密封，內(nèi)側(cè)縫隙通過“ O”型膠條擠壓進(jìn)行第3 層密封，以提高拼接縫密閉性。

圖4 拼接縫密封結(jié)構(gòu)

穿線孔、密閉門、設(shè)備固定點(diǎn)、墻壁開孔等均采用成熟的密封工藝。經(jīng)檢測，圍護(hù)結(jié)構(gòu)在-300 Pa 壓力條件下，最大空氣泄漏量為0.58 m3/min，達(dá)到GJB 6109—2007《軍用方艙通用規(guī)范》[6]所規(guī)定的1 級氣密性方艙要求，同時能滿足移動式BSL-3 實(shí)驗(yàn)室的圍護(hù)結(jié)構(gòu)氣密性要求。

2.4 輕量化設(shè)計(jì)

為保證整個實(shí)驗(yàn)室8 人操作展開時間≤1 d，折疊組合式方艙模塊所有壁板均采用碳纖維蒙皮和鋁蜂窩復(fù)合的大板外裝鋁合金型材框梁的結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)復(fù)合板相比較（見表2），折疊組合式方艙模塊質(zhì)量減輕約0.3 t，折疊單元、中隔板以及端隔板分別減輕38～45 kg，可確保2 名成年人完成方艙模塊各單元的搬運(yùn)工作，提高實(shí)驗(yàn)室展開和收攏的便捷性及運(yùn)輸性能，可滿足人工搬運(yùn)要求。

表2 復(fù)合大板參數(shù)指標(biāo)對比

2.5 折疊單元的組合應(yīng)用

為了便于各折疊單元之間“無差別”式對接，所有單元的對接口與被對接口采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)連接形式。折疊單元、中框、中隔板、端隔板的對接、密封和固定形式全部采用相同的結(jié)構(gòu)。根據(jù)執(zhí)行任務(wù)需求，可通過調(diào)整中框和中隔板位置，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部各分區(qū)大小調(diào)整，以滿足功能需要；也可通過增加折疊單元的數(shù)量、調(diào)整中框和中隔板分區(qū)，按任務(wù)需求調(diào)整實(shí)驗(yàn)空間及增加實(shí)驗(yàn)室其他功能區(qū)。

3 通風(fēng)凈化模塊

3.1 送排風(fēng)原理

輔助工作區(qū)采用移動式內(nèi)循環(huán)空調(diào)，防護(hù)區(qū)采用全新風(fēng)直流式通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，送風(fēng)經(jīng)初、中、高3 級過濾器集中過濾后分別輸送至緩沖間和實(shí)驗(yàn)間?？偱棚L(fēng)設(shè)置在實(shí)驗(yàn)間生物安全柜后側(cè)，經(jīng)風(fēng)口型和袋進(jìn)袋出（bag in/bag out，BIBO）2 級高效過濾器過濾后排放。緩沖間和實(shí)驗(yàn)間之間設(shè)可調(diào)節(jié)漏風(fēng)閥，確保防護(hù)區(qū)形成有序的壓力梯度，即實(shí)驗(yàn)間壓力為-45 Pa，緩沖間壓力為-20 Pa。另外，實(shí)驗(yàn)間送風(fēng)和排風(fēng)管道均設(shè)置生物型密閉閥，便于系統(tǒng)在線氣密性檢測和空間消毒滅菌，如圖5 所示。

圖5 通風(fēng)原理圖

3.2 送風(fēng)和排風(fēng)模塊

送風(fēng)和排風(fēng)2 個模塊均采用箱組式設(shè)計(jì)，集成風(fēng)機(jī)、過濾裝置（可原位檢漏和消毒）、管道閥門、控制單元、傳感器等。外框架由標(biāo)準(zhǔn)鋁型材搭建而成；外壁增加保溫和降噪措施，對應(yīng)位置設(shè)進(jìn)出風(fēng)口、散熱口以及維修門，提升防鼠、防蟲能力；底部設(shè)置減振移動輪，實(shí)現(xiàn)就位和固定使用；所有電氣、壓力管道均采用密封式標(biāo)準(zhǔn)快插接頭。

送風(fēng)模塊與新風(fēng)空調(diào)集成設(shè)計(jì)，空調(diào)主體由冷凝風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、蒸發(fā)器及電控系統(tǒng)構(gòu)成，與箱組框架通過減振器連接，整體質(zhì)量可減少50 kg，同時便于維護(hù)和檢修，如圖6 所示。

圖6 送風(fēng)模塊示意圖

排風(fēng)模塊集成一主一備2 套風(fēng)機(jī)和BIBO 過濾裝置，配置獨(dú)立控制單元，以確保防護(hù)區(qū)壓力梯度穩(wěn)定，如圖7 所示。

圖7 排風(fēng)模塊示意圖

3.3 氣流組織模擬分析

為了更好地對實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的氣流組織進(jìn)行分析，本研究利用Airpak 軟件進(jìn)行計(jì)算流體動力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）模擬，分析防護(hù)區(qū)氣流組織及微環(huán)境的速度場和溫度場。

仿真模型選用零方程模型，較k-ε 兩方程模型更容易收斂并節(jié)約計(jì)算資源[7]。構(gòu)建的氣流組織仿真模型如圖8 所示。設(shè)定輸入邊界條件，按照通風(fēng)原理進(jìn)行送、排風(fēng)口位置、尺寸及送風(fēng)參數(shù)設(shè)定，設(shè)備散熱量為2 000 W（含人員和設(shè)備），圍護(hù)結(jié)構(gòu)等效傳熱系數(shù)為2.5 W/（m2·℃）。模擬降溫過程，室外溫度為46 ℃，室內(nèi)送風(fēng)溫度為18 ℃。

圖8 氣流組織模擬仿真模型

仿真結(jié)果如圖9～11 所示。氣流整體從低污染區(qū)向高污染區(qū)流動，未形成渦流，符合BSL-3 實(shí)驗(yàn)室要求。人員操作面風(fēng)速約為0.2 m/s，速度場穩(wěn)定，符合實(shí)驗(yàn)操作需求。室內(nèi)溫度控制均勻，18 ℃等值域≥93.7%，符合實(shí)驗(yàn)室相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖9 防護(hù)區(qū)氣流組織仿真結(jié)果

圖10 防護(hù)區(qū)速度場（操作面）仿真結(jié)果

圖11 防護(hù)區(qū)溫度場仿真結(jié)果

4 控制系統(tǒng)模塊

控制系統(tǒng)模塊采用分散控制和集中管理的控制方式，以數(shù)據(jù)服務(wù)器為中心，采用Profinet 協(xié)議和MODB-US-TCP 進(jìn)行通信，上端與顯示器終端通信，下端與緩沖間和實(shí)驗(yàn)間數(shù)據(jù)終端及送、排風(fēng)模塊數(shù)據(jù)交互，可實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室防護(hù)區(qū)數(shù)據(jù)采集、門禁控制和故障報(bào)警功能。同時配套開發(fā)人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時監(jiān)控和數(shù)據(jù)記錄?？刂葡到y(tǒng)模塊組成框圖如圖12 所示。

圖12 控制系統(tǒng)模塊組成框圖

控制系統(tǒng)模塊機(jī)架采用滾塑箱組設(shè)計(jì)，便于運(yùn)輸和搬運(yùn)，具備抗震和防沖擊性。各數(shù)據(jù)終端采用集成式模塊化設(shè)計(jì)，由盒形鋁合金封裝，易于維修、更換?？刂葡到y(tǒng)模塊實(shí)物圖如圖13 所示。

圖13 控制系統(tǒng)模塊實(shí)物圖

5 運(yùn)輸性能分析

本實(shí)驗(yàn)室參考GJB 182B—2013《軍用物資直方體運(yùn)輸包裝尺寸系列》[8]和民航飛機(jī)運(yùn)輸尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)各功能模塊的結(jié)構(gòu)、形狀、運(yùn)輸要求等，采用托盤和箱組堆碼運(yùn)輸（如圖14 所示），可滿足公路、鐵路、水路通用運(yùn)輸要求，同時可采用航空集裝箱包裝，滿足B767-300ER 民航貨機(jī)飛機(jī)運(yùn)輸要求。整個實(shí)驗(yàn)室運(yùn)輸成本大幅度降低，可滿足第一時間將生防裝備運(yùn)輸至任務(wù)區(qū)的需求。

圖14 托盤運(yùn)輸示意圖

6 性能測試

按照GB 50591—2010[9]、GB 50346—2011[10]、GB/T 38502—2020[11]、RB/T 199—2015[12]等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)測試折疊組合式模塊化BSL-3 實(shí)驗(yàn)室的物理綜合性能和消毒效果。測試條件為外部溫度35～40 ℃，相對濕度為60%～75%，實(shí)驗(yàn)室正常運(yùn)行，各核心設(shè)備正常開啟。

經(jīng)測試，各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的BSL-3 實(shí)驗(yàn)室的要求，結(jié)果見表3。

表3 折疊組合式模塊化BSL-3 實(shí)驗(yàn)室性能測試結(jié)果

7 結(jié)語

折疊組合式模塊化BSL-3 實(shí)驗(yàn)室較傳統(tǒng)的車載式BSL-3 實(shí)驗(yàn)室可實(shí)現(xiàn)高效批量化運(yùn)輸和規(guī)模化部署，同時較板房拼接式實(shí)驗(yàn)室模塊組合的“搭積木”方式更易于現(xiàn)場施工，為我國疫情防控和跨地域支援提供了一種更加可靠、高效的實(shí)驗(yàn)場所。但本實(shí)驗(yàn)室仍存在以下不足：（1）各模塊雖已經(jīng)完成標(biāo)準(zhǔn)箱組化設(shè)計(jì)，但箱組類別較多，后期運(yùn)輸時不利于最小化堆碼。（2）實(shí)驗(yàn)室目前可實(shí)現(xiàn)縱向拓展應(yīng)用，但考慮到分區(qū)科學(xué)性，人員、物品通道安全性，仍需加快橫向拓展設(shè)計(jì)工作。（3）實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備作為高精密設(shè)備，運(yùn)輸時可通過減振鋁制箱包裝，但未考慮溫濕度影響。（4）為確保美觀性，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)外均通過裝飾罩進(jìn)行修飾，目前采用的緊固件方式工作量較大，后期需采用卡扣方式，提升折疊組合式方艙模塊的組裝效率。