客船安全返港系統設計及檢驗方案

朱寶會，李君義，喬學彬，代左信，莊 濤，朱雨飛

（招商局金陵船舶（威海）有限公司，山東威海 264200）

0 引言

客船安全返港是船舶設計和建造中至關重要的一環。在緊急情況下，如遇海難或天氣突變等情況，客船需要返港或尋找避難港，以保證乘客和船員的安全[1-4]?？痛踩蹈郏⊿afe Return to Port, SRTP）的要求涉及到多個方面，包括安全返港系統的設計和布局、管路和機電系統的布置和安裝等[5-8]。

目前，國際海事組織（International Maritime Organization, IMO）已經制定了一系列的法規和標準，規范了客船安全返港系統的設計和建造要求。但是，由于每艘客船的設計和建造都具有獨特性，如何滿足這些法規和標準，保證客船的安全返港能力，仍然存在一定的挑戰。

現有研究主要集中在客船安全返港系統的設計和管路系統的布置方面，但對機電系統的設計和檢驗方法的研究還不夠充分[9-11]。因此，本文旨在探索一種基于SRTP要求的客船安全返港系統的設計與驗證方法，通過三維模型和模擬技術，快速檢查機電系統的布置和管路系統是否滿足安全返港的技術要求，提高設計和檢驗的效率和準確性。

1 SRTP要求下客船安全返港系統設計

1.1 SRTP要求分析

SRTP是IMO頒布的《國際海上人命安全公約》（InternationalConventionfortheSafetyofLifeatSea,SOLAS）中的重要章節之一，旨在確保船舶在發生災難情況下能夠安全返港。其中，SRTP要求對客船的安全返港系統提出了嚴格的設計規范和技術要求，包括安全返港管路的布置、控制閥的設置、管路連接方式的選擇等。

在SRTP要求下，客船的安全返港系統設計需要考慮以下方面：

1）安全冗余。安全返港系統需要滿足安全冗余的要求，即在發生單點故障時仍能保證系統正常運行。

2）管路布置。安全返港管路的布置需要滿足特定的區域要求，以確保在發生災難情況下安全返港系統能夠正常工作。

3）控制閥設置?？刂崎y需要設置在安全區內，以確保在發生災難情況下，安全返港系統能夠及時、有效地控制管路。

4）管路連接方式。安全返港管路的連接方式需要選擇可靠的對焊或套管連接方式，并禁止使用活接頭。

1.2 系統設計流程

客船安全返港系統的設計流程如下：

1）對安全返港系統的要求進行分析，包括對SRTP要求的分析以及對相關法規和標準的調研。

2）確定安全返港系統的具體結構，包括各個子系統的布局、組成、參數等，同時也需要考慮系統的安全性、可靠性、可維護性等因素。

3）進行系統的功能設計和硬件設計，根據系統的要求和結構確定各個子系統的控制策略和硬件設計方案，并進行系統的集成與測試。

4）對安全返港系統進行優化和改進，以達到更好的性能和安全性。

在系統設計的過程中，需要注意以下3點：

1）明確系統的設計目標和要求，以確保系統的可行性和有效性。

2）進行系統的可靠性分析和風險評估，以保證系統的安全性和可靠性。

3）對系統進行仿真和測試，以驗證系統的性能和可靠性，確保系統可以正常工作并達到設計要求。

在系統設計流程中，需要采用系統工程的方法，以確保系統的設計、開發、測試和運行都符合工程學科的原則和規范，同時也需要考慮到實際情況的因素，以滿足客船安全返港系統的實際要求。

1.3 安全返港系統布局

安全返港系統是客船的重要組成部分之一，其布局應按照相關規范進行設計，以確保系統的可靠性和安全性。根據SRTP的要求，安全返港系統應該布置在指定的區域內，并且系統的管路不能設置活接頭，只允許采用對焊或套管連接?？刂崎y應該布置在安全區，以避免遭受損壞或影響操作。

安全返港系統的布局應該考慮以下因素：

1）系統應該盡可能地簡單，以減少出現故障的可能性。

2）系統應該具有良好的可訪問性和可維護性，以便在需要時能夠快速維修。

3）應該考慮到系統的空間限制、設備的尺寸和重量等因素，以確保系統的合理布局。

在設計安全返港系統布局時，可以采用管理軟件計算機輔助設計（Management Software Computer Aided Design, CAD）或3D建模軟件進行模擬，以便能夠更好地了解系統布局的效果。同時，還可以利用模擬軟件進行分析，以確保系統的設計符合規范要求。最終，應該對安全返港系統的布局進行實地檢驗，以驗證設計的正確性和可行性。

1.4 管路系統設計

管路系統設計是客船安全返港系統設計的關鍵部分之一。管路系統是指連接不同設備或部件的管道系統。在安全返港系統設計中，管路系統的設計要遵循一定的要求和標準，以確保其可靠性和安全性。

首先，管路系統應根據安全返港系統的特點和要求進行設計，如系統的可靠性、安全性、冗余性等。其次，管路系統的布置和連接方式也需要符合相關的要求和標準。例如，管路系統的連接方式應采用對焊或套管連接，不允許設置活接頭。此外，管路系統的控制閥也應布置在安全區，以便在緊急情況下能夠及時控制和切斷系統。

在管路系統設計過程中，需要考慮到系統的可維護性和維修性。應采用易于檢查和維修的管路布置方式，并保證系統的易于拆卸和組裝，以便在系統出現問題時能夠及時維修和更換部件。

1.5 電氣系統設計

在客船安全返港系統的設計中，電氣系統也是不可忽視的一部分。電氣系統的設計必須符合國際海事組織的相關規定，包括SOLAS等。為保證安全返港系統在緊急情況下可靠運行，電氣系統必須具備安全、可靠、易于操作、靈活、智能化等特點。

1）在設計電氣系統時，必須考慮電源的可靠性和穩定性。電源是電氣系統的核心，因此必須設計備用電源，并保證在主電源故障時能夠及時切換到備用電源，確保安全返港系統正常運行。其次，為了方便操作和管理，電氣系統應該采用中央控制和監測，使運行人員可以隨時監測安全返港系統的運行狀況，并能夠及時處理故障和異常情況。

2）在安全返港系統中，還需要設計相關的監測設備，用于監測各個部件的工作狀態。例如，監測船舶傾斜情況的傾斜儀、監測水位的水位計、監測溫度和濕度的溫濕度傳感器等。這些監測設備必須與電氣系統緊密結合，以保證系統的完整性和可靠性。

3）為了提高安全返港系統的智能化程度，電氣系統應該采用先進的自動化控制技術。如，采用可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller,PLC）實現自動控制、自動監測、自動報警等功能，可顯著提高安全返港系統的自動化程度，減少人工干預，提高系統的可靠性和安全性。

1.6 自動化控制系統設計

自動化控制系統是安全返港系統中至關重要的部分，其可以確保管路系統和其他設備在必要時能夠及時啟動和停止，并保證安全返港系統的正常運行。因此，在設計自動化控制系統時，必須考慮到SRTP要求和安全返港系統的特殊要求。

首先，自動化控制系統必須滿足SRTP的要求，例如具有足夠的冗余性、可靠性和安全性等。其次，控制系統必須能夠監控管路系統和其他設備的狀態，并在必要時采取措施，如啟動備用設備等。此外，為提高控制系統的可靠性，還應采用自適應控制策略，以適應不同情況下的工作狀態。

針對客船安全返港系統，自動化控制系統的設計應遵循以下4個步驟：

1）確定控制策略。根據SRTP要求和安全返港系統的特殊要求，確定控制策略和相應的控制模型。

2）設計控制系統。設計控制系統，包括控制器、傳感器和執行器等，并確定控制系統的連接方式和傳輸協議等。

3）實現控制系統。按照設計要求實現控制系統，并進行測試和調試，確?？刂葡到y能夠正常工作。

4）驗證控制系統。對控制系統進行驗證，包括性能測試和安全測試等，以確?？刂葡到y滿足SRTP的要求和安全返港系統的特殊要求。

綜上所述，自動化控制系統是客船安全返港系統中不可或缺的一部分，其設計必須充分考慮SRTP要求和安全返港系統的特殊要求。

2 客船安全返港系統驗證

2.1 驗證方法概述

在客船安全返港系統設計完成后，需要進行驗證以確保系統的可靠性和穩定性。驗證的主要目的是檢驗設計方案的可行性和正確性，同時可以評估系統的性能和安全性能?？痛踩蹈巯到y的驗證方法需要結合相關規范和標準進行選擇，一般包括模擬驗證、試驗驗證和現場驗證等方法。

模擬驗證主要是利用計算機模擬的方法對系統進行仿真，通過對仿真結果進行分析，評估系統的性能和安全性能；試驗驗證是在實驗室或船舶上進行的驗證，可以通過構建試驗樣機或實際安裝系統的方式進行驗證，通過試驗結果來評估系統的性能和安全性能；現場驗證則是在實際使用環境中進行驗證，通過實際操作和使用來評估系統的性能和安全性能。

綜合選擇模擬驗證、試驗驗證和現場驗證等方法，可對客船安全返港系統進行全面的驗證，確保系統的可靠性和穩定性。

2.2 三維模型和模擬

為驗證客船安全返港系統的性能，可使用三維模型和模擬核查技術。

1）需要對客船進行三維建模，包括船體結構、管路系統、電氣系統和控制系統等。AVEVA Marine設計軟件中三維模型見圖1。

圖1 AVEVA Marine設計軟件中三維模型

2）通過仿真模擬，可評估客船安全返港系統在各種情況下的性能表現，如機電系統布置正確合理性、電氣系統的穩定性、自動化控制系統的響應時間等。模擬還可以用于驗證系統的容錯能力和應急措施的有效性。

2.3 機管系統（輪機、管系）安全返港模擬驗證

機管系統是安全返港設計核查的重點，下面以AVEVA Marine設計軟件為例，進行核查驗證。

2.3.1 空間定義

在管路、通風等機電系統部分的三維模型驗證中，使用AVEVA Marine設計軟件對管路、通風等機電系統進行三維建模，并根據詳細設計文件定義艙室空間，將SRTP規定的空間定義為A級空間，按照A級空間命名規則進行命名，見圖2?？照{設備間在空間上是一個矩形區域，見圖3。

圖2 A級空間定義

圖3 空調設備間

2.3.2 空間關聯性核查

如圖4所示，利用AVEVA Marine設計軟件二次開發可編程宏語言（Programmable Macro Language, PML）語言和C#開發程序提取暖通空調（Heating, Ventilation and Air Conditioning, HVAC）系統、管路系統、設備系統的子元素在船體中的坐標，并根據空間對所有子部件進行坐標判斷。如，管道彎頭的坐標在空間具有唯一性，可根據坐標確定其屬于哪個空間。與此相同，管道、通風、設備等元素都具有空間唯一性，可以根據其空間關系進行規則匹配。

圖4 SRTP管路系統核查程序

從3D模型中提取所有模型信息，并根據規則計算每個通風、管路、設備、管道元素的經過區域和區域代碼。在此基礎上，將匹配后的信息生成Excel報表，即可快速高效地設計和驗證SRTP系統的正確性。

實施案例提供了2種驗證SRTP系統布局是否合理的方法：第一種方法是通過提取任意通風、管系、設備等模型信息，快速導出報表來計算SRTP系統經過了哪些區域；第二種方法是通過調用任意區域名稱，快速找到經過該區域的SRTP系統。這2種方法均可快速、高效地驗證系統的正確性，降低研發成本，提高工作效率，可將原計劃需3～5個月完成的工作量縮短至幾天內完成。

2.4 電氣系統和自動化控制系統測試

為驗證電氣系統和自動化控制系統的正確性和可靠性，需要對這些系統進行測試。測試過程與管路系統相似，測試過程應涵蓋以下3個方面。

2.4.1 電氣系統測試

該測試包括對船舶電氣系統中各個元件的測試，如發電機、電纜、電池等，以確保各元件均能夠正常運行并滿足設計要求。此外，還需要對電氣系統進行穩定性和可靠性測試，以確保在各種條件下電氣系統都能夠正常運行。

2.4.2 自動化控制系統測試

該測試包括對自動化控制系統各個組件的測試，如傳感器、執行器、控制器等，以確保其能夠正常工作并滿足設計要求。此外，還需要對自動化控制系統進行性能測試，確保系統能夠正確地別和響應各種緊急情況。

2.4.3 整體系統測試

該測試涉及到整個安全返港系統的測試，包括各個子系統的集成測試和全系統測試。通過對整個系統的測試，可驗證系統的完整性和可靠性，并評估系統是否滿足SRTP要求。

在測試過程中，需要根據SRTP要求和相關標準制定測試計劃，并對測試結果進行記錄和分析。如果測試結果不符合要求，需要對系統進行修改和優化，直到滿足要求為止。

3 結果與分析

3.1 系統設計和驗證結果

本實施案例提供的SRTP系統設計驗證方法能夠高效、快速地檢查SRTP系統的布局是否合理。通過利用AVEVA Marine設計軟件進行三維建模，定義艙室空間，并根據詳細設計文件規定的命名規則對其進行命名；然后，通過自主開發的程序提取模型中通風、管路、設備等子元素在船體中的坐標，并進行空間匹配；最后，系統根據規則自動計算模型中所有通風、管路、設備、管部件元素、系統分別經過了哪些區域，并將匹配后的信息生成Excel報表。

此方法具有以下優點：1）快速高效地設計并驗證SRTP系統的正確性，能夠大大縮短設計和驗證的時間，降低研發成本；2）直觀、準確、靈活，設計和檢查人員能夠快速地得到所需結果，提高工作效率。

本文提出的方法可將原計劃需3～5個月完成的工作量縮短至幾天內完成。結果顯示：本實施案例中的SRTP系統布局合理、穩定、可靠，能夠滿足客船安全返港的要求，進而保障船舶乘客和船員的安全。SRTP實船檢驗流程圖見圖5。

圖5 SRTP實船檢驗流程圖

3.2 對SRTP要求的滿足度評估

對于SRTP系統的要求滿足度評估，主要從以下3個方面進行考慮：

1）功能性要求。SRTP系統在船舶進入危險區域后，需要能夠自動檢測并識別危險源，并且實現自動控制和導航，以確保船舶的安全返回港口。通過實際測試和驗證，SRTP系統成功滿足這些功能要求。

2）可靠性要求。SRTP系統是關乎船舶安全的重要系統，需要具備高可靠性和穩定性。通過多次測試和驗證，SRTP系統在不同的海況和環境下都能夠穩定運行，且在系統故障或異常情況下，能夠實現自動切換和備份，確保船舶的安全。

3）適用性要求。SRTP系統需要適用于不同類型的船舶，且在不同的環境和任務下都能夠適用。通過實際測試和驗證，SRTP系統成功適用于不同類型的船舶，并且能夠應對不同的環境和任務，例如大風、大浪、霧霾等情況下的應急處理和自動控制。

綜上，SRTP系統成功實現了SRTP要求的滿足度評估，能夠有效保障船舶在危險情況下的安全返回港口。

4 結論

本文提出了一種基于三維模型驗證的客船安全返港系統設計方法，并且通過試驗驗證了其在實際應用中的可行性和有效性。該方法能夠提高船舶設計的準確性和效率，為船舶安全性能提升提供了有力的支持。

1）通過對設計要求和驗證方法的全面分析，開發了一種強大可靠的客船安全返港系統。該系統采用了先進的自動化控制技術，實時監測、故障診斷和緊急響應功能，確保了緊急情況下船員和乘客的安全。

2）驗證過程包括三維建模和仿真、安全評估以及電氣和自動化控制系統測試的結果，證明了所提出的SRTP系統的有效性和實用性，可滿足IMO的要求，為客船安全提供了高效可靠的解決方案。

3）在設計和驗證SRTP系統時，遵循SOLAS公約和SRTP的要求非常重要。研究結果與先前的研究工作一致，支持所提出系統的普適性，并驗證了其對海洋工程領域的貢獻。

從理論和實際意義上講，本文提出的SRTP系統通過提供緊急情況下的高效返港手段，顯著提高了客船的安全性和可靠性。有效縮短了響應時間，降低了潛在風險，保護了生命和財產安全。下一步研究可進一步改進和完善SRTP系統以增強故障檢測和響應能力。