大型郵輪安全管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

于立國(guó)

（中船郵輪科技發(fā)展有限公司，上海 200137）

0 引言

郵輪功能區(qū)域復(fù)雜，艙室數(shù)量眾多，人員密集，一旦發(fā)生事故且無(wú)法有效控制將會(huì)造成巨大的損失。因此，大型郵輪尤其注重保障人員安全、環(huán)境安全及船舶安全。而安全管理系統(tǒng)（Safty Management Control System，SMCS）可有效實(shí)現(xiàn)人員管理、火災(zāi)、浸水和設(shè)備安全狀態(tài)監(jiān)控，以及輔助設(shè)備監(jiān)測(cè)等功能。船上的工作人員僅利用安全管理系統(tǒng)就能夠監(jiān)控和處理所有緊急情況，可有效收集數(shù)據(jù)、報(bào)警、設(shè)置操作命令及安全策略。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)在滿足安全返港（Safe Return to Port，SRtP）情況下的安全管理系統(tǒng)方面的研究剛剛起步，而大型郵輪的安全系統(tǒng)分布環(huán)境復(fù)雜、業(yè)務(wù)覆蓋范圍廣，僅有少量規(guī)范給出部分功能要求。本文結(jié)合安全返港的設(shè)計(jì)要求，對(duì)安全管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究，建立符合安全返港的設(shè)計(jì)理念，確保系統(tǒng)能夠更高效地保障人身安全及郵輪生產(chǎn)活動(dòng)。

1 相關(guān)設(shè)計(jì)要求

為提高船舶安全管理水平，國(guó)際海事組織（International Maritime Organization，IMO）、政府部門(mén)以及船級(jí)社對(duì)于接連發(fā)生的客船事故不斷進(jìn)行分析和研究，使得安全系統(tǒng)的各種規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)不斷迭代發(fā)展。特別是大型郵輪安全管理系統(tǒng)的要求不斷提高，相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)的提高能夠直觀反應(yīng)在SMCS上。

安全返港源自IMO在2006年8月所達(dá)成的MSC.216(82)號(hào)決議，并同有序撤離共同寫(xiě)入國(guó)際海上人命安全公約（，SOLAS），以貫徹“船舶自身是其最好的救生艇”的理念。IMO隨后批準(zhǔn)MSC.1/Circ.1369通函《客船發(fā)生火災(zāi)和進(jìn)水事故后系統(tǒng)能力評(píng)估的暫行解釋性說(shuō)明》，這要求執(zhí)行安全返港要求的船舶在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要具備返港條件，并通過(guò)系統(tǒng)評(píng)估。SOLAS第II-2章規(guī)定了在火災(zāi)和進(jìn)水造成人員傷亡情況下安全返港需維持運(yùn)轉(zhuǎn)的系統(tǒng)列表及系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。雖然 SMCS不屬于SRtP規(guī)則必須要求的系統(tǒng)，但SMCS需能夠執(zhí)行替代相應(yīng)的功能。因此，SMCS體系架構(gòu)應(yīng)該符合SRtP規(guī)則。

各個(gè)船級(jí)社也不斷針對(duì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)出版了各自的指導(dǎo)文件，如英國(guó)勞氏船級(jí)社（Lloyd's Register of Shipping，LR）和挪威船級(jí)社（Det Norske Veritas，DNV）等船舶入級(jí)規(guī)范均對(duì)客船安全系統(tǒng)給出了一般的要求，同時(shí)也對(duì)水密門(mén)、照明和廣播等安全管理子系統(tǒng)的報(bào)警、控制和電源配置給出了詳細(xì)的規(guī)定。

2 安全管理系統(tǒng)接入業(yè)務(wù)分析

安全管理系統(tǒng)通過(guò)相關(guān)接口獲取全船所有與安全相關(guān)的細(xì)節(jié)信息，系統(tǒng)功能由其連接的不同業(yè)務(wù)系統(tǒng)共同構(gòu)成。當(dāng)前，安全管理系統(tǒng)均采用分布式硬件與模塊化體系相結(jié)合的類(lèi)型，這有利于各個(gè)子系統(tǒng)信息的分布式共享，從而提供較高的靈活性與安全性。設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)安全管理系統(tǒng)時(shí)，首先需要對(duì)整個(gè)SMCS接入業(yè)務(wù)功能進(jìn)行分析，進(jìn)而才能對(duì)分布式系統(tǒng)的硬件布局、配電和通信進(jìn)行整體設(shè)計(jì)。由于SMCS所接入的功能模塊有部分需要滿足SRtP及有序撤離的要求，有些業(yè)務(wù)雖然也承擔(dān)監(jiān)測(cè)船舶的安全的任務(wù)，但并不屬于 SRtP中所提及必須滿足的情況。根據(jù)當(dāng)前主流系統(tǒng)的資料，結(jié)合安全返港和有序撤離的要求，對(duì)安全管理系統(tǒng)需要接入的業(yè)務(wù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，見(jiàn)表1。

表1 安全管理接入業(yè)務(wù)表

表1列舉的系統(tǒng)基本滿足SMCS的監(jiān)控要求，安全管理接入系統(tǒng)并不僅限于表1中列舉的15個(gè)。雖然表1沒(méi)有詳細(xì)列出系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需的功能，但實(shí)現(xiàn)應(yīng)用仍需依據(jù)各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的接入數(shù)據(jù)。如，SMCS對(duì)應(yīng)急切斷系統(tǒng)的監(jiān)控不只針對(duì)子業(yè)務(wù)本身，還可通過(guò)接入信息執(zhí)行通風(fēng)系統(tǒng)、防火門(mén)、CO和廚房排風(fēng)等動(dòng)作命令。盡管決策支持系統(tǒng)、衛(wèi)星系統(tǒng)和航行記錄儀等系統(tǒng)不需要滿足 SRtP及有序撤離的要求，但是其為安全管理系統(tǒng)間接提供支持決策。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)于需要滿足 SRtP及有序撤離的業(yè)務(wù)而言，需要著重考慮SMCS與各業(yè)務(wù)模塊的配電及通信網(wǎng)絡(luò)的冗余性。

3 滿足安全返港的安全管理系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

安全管理系統(tǒng)是一個(gè)龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集和處理、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、輔助決策和功能擴(kuò)展等功能，可實(shí)現(xiàn)對(duì)火災(zāi)、進(jìn)水、設(shè)備和人員安全管理等相關(guān)信息的綜合處理。綜合安全功能要求通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)采集安全管理系統(tǒng)所包含的設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)信息，并實(shí)時(shí)存入系統(tǒng)服務(wù)器，經(jīng)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)傳入計(jì)算機(jī)以進(jìn)一步分析處理?；诟髋撘何粩?shù)據(jù)、縱傾/橫傾數(shù)據(jù)和航行數(shù)據(jù)等信息，執(zhí)行船舶穩(wěn)定性程序評(píng)估及輔助決策，并傳送至用戶終端，從而實(shí)現(xiàn)所有與安全相關(guān)的系統(tǒng)和設(shè)備的控制和檢測(cè)。安全管理系統(tǒng)處理流程及對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)功能模塊圖見(jiàn)圖1，安全管理系統(tǒng)處理流程主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)提取、狀態(tài)計(jì)算評(píng)估和用戶終端等5個(gè)部分，每一部分都與相應(yīng)的安全管理系統(tǒng)的功能模塊一一對(duì)應(yīng)。I/O接口模塊用于實(shí)現(xiàn)安全管理系統(tǒng)之間的信息和數(shù)據(jù)的交換，使通信網(wǎng)絡(luò)保障系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)能夠快速可靠地與其他接口進(jìn)行聯(lián)系?？刂破骷拜o助決策模塊將I/O接口模塊導(dǎo)入的信息通過(guò)智能算法進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算分析，為系統(tǒng)需求提供決策支持。操作站作為用戶終端的執(zhí)行元素，用于匯聚操作處理，能夠控制和監(jiān)視整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。

圖1 安全管理系統(tǒng)處理流程及對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)功能模塊圖

本文設(shè)計(jì)的安全管理系統(tǒng)架構(gòu)布局見(jiàn)圖2。其中，交換機(jī)之間構(gòu)成光纖環(huán)網(wǎng)，不同交換機(jī)與服務(wù)器通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線或以太網(wǎng)接入不同安全業(yè)務(wù)的 I/O接口。接口可通過(guò)串口與交換器連接，也可直接與服務(wù)器連接。SMCS的操作站通常設(shè)計(jì)在集控室、駕駛臺(tái)和安全中心，分布在各防火主豎區(qū)的通信網(wǎng)絡(luò)可提供冗余、安全和高效的數(shù)據(jù)傳輸。

圖2 安全管理系統(tǒng)架構(gòu)圖

雖然SMCS架構(gòu)中各功能模塊均由廠商提供，但是為保障系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠符合安全返港的要求，需要船舶設(shè)計(jì)人員認(rèn)真執(zhí)行各個(gè)功能模塊的布局、系統(tǒng)配電和通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案。

3.1 系統(tǒng)冗余配電設(shè)計(jì)

在安全管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于SMCS系統(tǒng)不屬于船舶有序撤離場(chǎng)景的必要系統(tǒng)，故僅需考慮系統(tǒng)的所有組成模塊在 SRtP場(chǎng)景中的影響。根據(jù)MSC. 216(82)決議，SMCS設(shè)備的布置應(yīng)確保損失不超過(guò)閾值，在受火災(zāi)和進(jìn)水的影響后，系統(tǒng)的其余部分應(yīng)保持運(yùn)行。

為滿足 SRtP的要求，安全管理系統(tǒng)的配電設(shè)計(jì)應(yīng)為冗余形式。根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的不同，發(fā)電系統(tǒng)通常分為A和B 2個(gè)子系統(tǒng)，2個(gè)發(fā)電子系統(tǒng)各自能夠獨(dú)立運(yùn)行。E系統(tǒng)為應(yīng)急發(fā)電系統(tǒng)，當(dāng)A和B 2個(gè)子系統(tǒng)中任何一個(gè)失效時(shí)啟用E系統(tǒng)。系統(tǒng)配電設(shè)計(jì)見(jiàn)圖3，防火主豎區(qū)內(nèi)的系統(tǒng)能夠從3個(gè)發(fā)電（子）系統(tǒng)中的2個(gè)獲取冗余的電源，服務(wù)器1與服務(wù)器2通常布置于2個(gè)不相鄰的專用空間。服務(wù)器1通過(guò)A區(qū)電源、應(yīng)急電源和UPS供電，服務(wù)器2通過(guò)B區(qū)電源、應(yīng)急電源和UPS供電，通信網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)交換機(jī)均通過(guò)每個(gè)防火主豎區(qū)的正常電源和UPS冗余供電。通常情況下，服務(wù)器布置于駕駛室和集控室2個(gè)不同的I/O機(jī)柜中，I/O單元配電由 A和 B2個(gè)子系統(tǒng)供應(yīng)。根據(jù)MSC.1/Circ.1369第13條規(guī)定，各系統(tǒng)有單獨(dú)的路徑保護(hù)，環(huán)形網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場(chǎng)總線連接的控制和監(jiān)控設(shè)備在與I/O單元連接時(shí)需使用防火電纜。

圖3 系統(tǒng)配電設(shè)計(jì)

后續(xù)設(shè)計(jì)需對(duì) SRtP場(chǎng)景系統(tǒng)配電可能出現(xiàn)的損失進(jìn)行分析。假設(shè)主配電系統(tǒng)評(píng)估正常，保證在SRtP場(chǎng)景中發(fā)生火災(zāi)或單個(gè)水密艙室進(jìn)水后3個(gè)發(fā)電（子）系統(tǒng)中的2個(gè)可用，且SMCS服務(wù)器1和服務(wù)器2在不受火災(zāi)或洪水直接影響時(shí)同樣可用。如圖3所示，每個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的邊界都通過(guò)虛線框出，配電系統(tǒng)的輔助設(shè)備（如變壓器、配電板和啟動(dòng)面板等）均考慮在發(fā)電系統(tǒng)邊界內(nèi)，可認(rèn)為每個(gè)發(fā)電系統(tǒng)都是獨(dú)立完整的。SMCS系統(tǒng)配電設(shè)計(jì)要求見(jiàn)表2。由表2可得，當(dāng)火災(zāi)傷亡不超過(guò)閾值時(shí)，由于配電供應(yīng)的冗余性，保障系統(tǒng)的正常運(yùn)行不會(huì)受到影響。

圖3 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)拓?fù)鋱D

表2 SMCS系統(tǒng)配電設(shè)計(jì)要求

3.2 通信網(wǎng)絡(luò)冗余設(shè)計(jì)

通信網(wǎng)絡(luò)作為連接整個(gè)安全管理系統(tǒng)的橋梁，由光纖主干網(wǎng)絡(luò)與總線網(wǎng)絡(luò)組成，負(fù)責(zé)I/O單元、控制器、服務(wù)器和操作站的數(shù)據(jù)傳輸。主干通信網(wǎng)絡(luò)通過(guò)分布在各主豎區(qū)的交換機(jī)形成光纖環(huán)網(wǎng)，光纖環(huán)網(wǎng)是最簡(jiǎn)單高效的環(huán)網(wǎng)冗余拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

SMCS服務(wù)器應(yīng)分別布置于2個(gè)不同防火主豎區(qū)的安全中心和集控室中。在后續(xù)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)過(guò)程中，重點(diǎn)對(duì)服務(wù)器的接口進(jìn)行設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)各功能模塊及接入業(yè)務(wù)的通信連接時(shí)要考慮系統(tǒng)接口的特殊性，有些系統(tǒng)直接與交換機(jī)網(wǎng)口連接，有些通過(guò)服務(wù)器接口連接。若接入業(yè)務(wù)同樣需要滿足SRtP的要求，就需要滿足接口網(wǎng)絡(luò)的冗余。這一類(lèi)終端控制單元需采用獨(dú)立的以太網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)計(jì)，見(jiàn)圖3。設(shè)計(jì)方法通常選擇環(huán)形拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)或者星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以保證為I/O單元和操作站提供冗余且安全的數(shù)據(jù)傳輸。

某郵輪交換機(jī)及服務(wù)器對(duì)系統(tǒng)單元的星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥B接示意圖見(jiàn)圖4。圖4（a）為串口連接方式，交換機(jī)通過(guò)串口與控制單元連接，呼叫聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)采用單向連接。對(duì)于采用串口連接的系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中要協(xié)調(diào)不同廠家控制模塊與安全管理系統(tǒng)的連接，常規(guī)通過(guò)RS485和RS232等通信形式，采用Modbus和Profibus等通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)之間的通信傳輸。圖4（b）為以太網(wǎng)連接方式，安全管理系統(tǒng)服務(wù)器通過(guò)以太網(wǎng)與各不同業(yè)務(wù)的控制單元連接，其中，應(yīng)急關(guān)閉系統(tǒng)、火警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、自動(dòng)化系統(tǒng)和進(jìn)水監(jiān)測(cè)均需滿足 SRtP規(guī)則，采用雙向冗余通信連接，每個(gè)系統(tǒng)至少擁有2個(gè)主控單元并分別與不同的服務(wù)器連接。油霧和氣體泄漏檢測(cè)不屬于SRtP規(guī)則，故僅需要單向連接。

圖4 某郵輪交換機(jī)及服務(wù)器對(duì)系統(tǒng)單元的星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥B接示意圖

通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)需要分析 SRtP場(chǎng)景下通信網(wǎng)絡(luò)可能出現(xiàn)的損失。以主干通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，在各個(gè)防火主豎區(qū)搭建環(huán)形架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)不同安全子系統(tǒng)的類(lèi)型依次搭建各個(gè)終端網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)之間都具有自動(dòng)切斷和有效隔離的功能。此外，不同區(qū)域通信設(shè)備的接口電纜必須是防火類(lèi)型的。因此，這些組成設(shè)備在發(fā)生火災(zāi)或單個(gè)水密艙室進(jìn)水后，僅僅會(huì)對(duì)SMCS的2個(gè)接口造成影響，不會(huì)影響SMCS的通信，可保證整體通信網(wǎng)絡(luò)的有效運(yùn)行。

4 結(jié)論

針對(duì)郵輪安全管理系統(tǒng)，本文給出了滿足安全返港要求的安全管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)以相關(guān)國(guó)際法規(guī)及安全管理系統(tǒng)功能處理流程為指導(dǎo)思想，對(duì)安全管理系統(tǒng)覆蓋業(yè)務(wù)的基本接入要求進(jìn)行了分析。針對(duì)系統(tǒng)不同模塊提出配電設(shè)計(jì)方案和通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案，并對(duì)各組成模塊的配電和通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行 SRtP場(chǎng)景損失分析。結(jié)果表明，本文的系統(tǒng)設(shè)計(jì)可保證安全管理系統(tǒng)的可靠性和安全性。另外，安全管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在一定程度上需要關(guān)聯(lián)系統(tǒng)廠商的資源，隨著控制算法的優(yōu)化，郵輪在進(jìn)行綜合安全評(píng)估計(jì)算時(shí)會(huì)逐步擴(kuò)展更多的關(guān)聯(lián)系統(tǒng)，安全管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)將會(huì)更加重要。