客船安全返港系统设计及检验方案

朱宝会，李君义，乔学彬，代左信，庄 涛，朱雨飞

（招商局金陵船舶（威海）有限公司，山东威海 264200）

0 引言

客船安全返港是船舶设计和建造中至关重要的一环。在紧急情况下，如遇海难或天气突变等情况，客船需要返港或寻找避难港，以保证乘客和船员的安全[1-4]。客船安全返港（Safe Return to Port, SRTP）的要求涉及到多个方面，包括安全返港系统的设计和布局、管路和机电系统的布置和安装等[5-8]。

目前，国际海事组织（International Maritime Organization, IMO）已经制定了一系列的法规和标准，规范了客船安全返港系统的设计和建造要求。但是，由于每艘客船的设计和建造都具有独特性，如何满足这些法规和标准，保证客船的安全返港能力，仍然存在一定的挑战。

现有研究主要集中在客船安全返港系统的设计和管路系统的布置方面，但对机电系统的设计和检验方法的研究还不够充分[9-11]。因此，本文旨在探索一种基于SRTP要求的客船安全返港系统的设计与验证方法，通过三维模型和模拟技术，快速检查机电系统的布置和管路系统是否满足安全返港的技术要求，提高设计和检验的效率和准确性。

1 SRTP要求下客船安全返港系统设计

1.1 SRTP要求分析

SRTP是IMO颁布的《国际海上人命安全公约》（InternationalConventionfortheSafetyofLifeatSea,SOLAS）中的重要章节之一，旨在确保船舶在发生灾难情况下能够安全返港。其中，SRTP要求对客船的安全返港系统提出了严格的设计规范和技术要求，包括安全返港管路的布置、控制阀的设置、管路连接方式的选择等。

在SRTP要求下，客船的安全返港系统设计需要考虑以下方面：

1）安全冗余。安全返港系统需要满足安全冗余的要求，即在发生单点故障时仍能保证系统正常运行。

2）管路布置。安全返港管路的布置需要满足特定的区域要求，以确保在发生灾难情况下安全返港系统能够正常工作。

3）控制阀设置。控制阀需要设置在安全区内，以确保在发生灾难情况下，安全返港系统能够及时、有效地控制管路。

4）管路连接方式。安全返港管路的连接方式需要选择可靠的对焊或套管连接方式，并禁止使用活接头。

1.2 系统设计流程

客船安全返港系统的设计流程如下：

1）对安全返港系统的要求进行分析，包括对SRTP要求的分析以及对相关法规和标准的调研。

2）确定安全返港系统的具体结构，包括各个子系统的布局、组成、参数等，同时也需要考虑系统的安全性、可靠性、可维护性等因素。

3）进行系统的功能设计和硬件设计，根据系统的要求和结构确定各个子系统的控制策略和硬件设计方案，并进行系统的集成与测试。

4）对安全返港系统进行优化和改进，以达到更好的性能和安全性。

在系统设计的过程中，需要注意以下3点：

1）明确系统的设计目标和要求，以确保系统的可行性和有效性。

2）进行系统的可靠性分析和风险评估，以保证系统的安全性和可靠性。

3）对系统进行仿真和测试，以验证系统的性能和可靠性，确保系统可以正常工作并达到设计要求。

在系统设计流程中，需要采用系统工程的方法，以确保系统的设计、开发、测试和运行都符合工程学科的原则和规范，同时也需要考虑到实际情况的因素，以满足客船安全返港系统的实际要求。

1.3 安全返港系统布局

安全返港系统是客船的重要组成部分之一，其布局应按照相关规范进行设计，以确保系统的可靠性和安全性。根据SRTP的要求，安全返港系统应该布置在指定的区域内，并且系统的管路不能设置活接头，只允许采用对焊或套管连接。控制阀应该布置在安全区，以避免遭受损坏或影响操作。

安全返港系统的布局应该考虑以下因素：

1）系统应该尽可能地简单，以减少出现故障的可能性。

2）系统应该具有良好的可访问性和可维护性，以便在需要时能够快速维修。

3）应该考虑到系统的空间限制、设备的尺寸和重量等因素，以确保系统的合理布局。

在设计安全返港系统布局时，可以采用管理软件计算机辅助设计（Management Software Computer Aided Design, CAD）或3D建模软件进行模拟，以便能够更好地了解系统布局的效果。同时，还可以利用模拟软件进行分析，以确保系统的设计符合规范要求。最终，应该对安全返港系统的布局进行实地检验，以验证设计的正确性和可行性。

1.4 管路系统设计

管路系统设计是客船安全返港系统设计的关键部分之一。管路系统是指连接不同设备或部件的管道系统。在安全返港系统设计中，管路系统的设计要遵循一定的要求和标准，以确保其可靠性和安全性。

首先，管路系统应根据安全返港系统的特点和要求进行设计，如系统的可靠性、安全性、冗余性等。其次，管路系统的布置和连接方式也需要符合相关的要求和标准。例如，管路系统的连接方式应采用对焊或套管连接，不允许设置活接头。此外，管路系统的控制阀也应布置在安全区，以便在紧急情况下能够及时控制和切断系统。

在管路系统设计过程中，需要考虑到系统的可维护性和维修性。应采用易于检查和维修的管路布置方式，并保证系统的易于拆卸和组装，以便在系统出现问题时能够及时维修和更换部件。

1.5 电气系统设计

在客船安全返港系统的设计中，电气系统也是不可忽视的一部分。电气系统的设计必须符合国际海事组织的相关规定，包括SOLAS等。为保证安全返港系统在紧急情况下可靠运行，电气系统必须具备安全、可靠、易于操作、灵活、智能化等特点。

1）在设计电气系统时，必须考虑电源的可靠性和稳定性。电源是电气系统的核心，因此必须设计备用电源，并保证在主电源故障时能够及时切换到备用电源，确保安全返港系统正常运行。其次，为了方便操作和管理，电气系统应该采用中央控制和监测，使运行人员可以随时监测安全返港系统的运行状况，并能够及时处理故障和异常情况。

2）在安全返港系统中，还需要设计相关的监测设备，用于监测各个部件的工作状态。例如，监测船舶倾斜情况的倾斜仪、监测水位的水位计、监测温度和湿度的温湿度传感器等。这些监测设备必须与电气系统紧密结合，以保证系统的完整性和可靠性。

3）为了提高安全返港系统的智能化程度，电气系统应该采用先进的自动化控制技术。如，采用可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller,PLC）实现自动控制、自动监测、自动报警等功能，可显著提高安全返港系统的自动化程度，减少人工干预，提高系统的可靠性和安全性。

1.6 自动化控制系统设计

自动化控制系统是安全返港系统中至关重要的部分，其可以确保管路系统和其他设备在必要时能够及时启动和停止，并保证安全返港系统的正常运行。因此，在设计自动化控制系统时，必须考虑到SRTP要求和安全返港系统的特殊要求。

首先，自动化控制系统必须满足SRTP的要求，例如具有足够的冗余性、可靠性和安全性等。其次，控制系统必须能够监控管路系统和其他设备的状态，并在必要时采取措施，如启动备用设备等。此外，为提高控制系统的可靠性，还应采用自适应控制策略，以适应不同情况下的工作状态。

针对客船安全返港系统，自动化控制系统的设计应遵循以下4个步骤：

1）确定控制策略。根据SRTP要求和安全返港系统的特殊要求，确定控制策略和相应的控制模型。

2）设计控制系统。设计控制系统，包括控制器、传感器和执行器等，并确定控制系统的连接方式和传输协议等。

3）实现控制系统。按照设计要求实现控制系统，并进行测试和调试，确保控制系统能够正常工作。

4）验证控制系统。对控制系统进行验证，包括性能测试和安全测试等，以确保控制系统满足SRTP的要求和安全返港系统的特殊要求。

综上所述，自动化控制系统是客船安全返港系统中不可或缺的一部分，其设计必须充分考虑SRTP要求和安全返港系统的特殊要求。

2 客船安全返港系统验证

2.1 验证方法概述

在客船安全返港系统设计完成后，需要进行验证以确保系统的可靠性和稳定性。验证的主要目的是检验设计方案的可行性和正确性，同时可以评估系统的性能和安全性能。客船安全返港系统的验证方法需要结合相关规范和标准进行选择，一般包括模拟验证、试验验证和现场验证等方法。

模拟验证主要是利用计算机模拟的方法对系统进行仿真，通过对仿真结果进行分析，评估系统的性能和安全性能；试验验证是在实验室或船舶上进行的验证，可以通过构建试验样机或实际安装系统的方式进行验证，通过试验结果来评估系统的性能和安全性能；现场验证则是在实际使用环境中进行验证，通过实际操作和使用来评估系统的性能和安全性能。

综合选择模拟验证、试验验证和现场验证等方法，可对客船安全返港系统进行全面的验证，确保系统的可靠性和稳定性。

2.2 三维模型和模拟

为验证客船安全返港系统的性能，可使用三维模型和模拟核查技术。

1）需要对客船进行三维建模，包括船体结构、管路系统、电气系统和控制系统等。AVEVA Marine设计软件中三维模型见图1。

图1 AVEVA Marine设计软件中三维模型

2）通过仿真模拟，可评估客船安全返港系统在各种情况下的性能表现，如机电系统布置正确合理性、电气系统的稳定性、自动化控制系统的响应时间等。模拟还可以用于验证系统的容错能力和应急措施的有效性。

2.3 机管系统（轮机、管系）安全返港模拟验证

机管系统是安全返港设计核查的重点，下面以AVEVA Marine设计软件为例，进行核查验证。

2.3.1 空间定义

在管路、通风等机电系统部分的三维模型验证中，使用AVEVA Marine设计软件对管路、通风等机电系统进行三维建模，并根据详细设计文件定义舱室空间，将SRTP规定的空间定义为A级空间，按照A级空间命名规则进行命名，见图2。空调设备间在空间上是一个矩形区域，见图3。

图2 A级空间定义

图3 空调设备间

2.3.2 空间关联性核查

如图4所示，利用AVEVA Marine设计软件二次开发可编程宏语言（Programmable Macro Language, PML）语言和C#开发程序提取暖通空调（Heating, Ventilation and Air Conditioning, HVAC）系统、管路系统、设备系统的子元素在船体中的坐标，并根据空间对所有子部件进行坐标判断。如，管道弯头的坐标在空间具有唯一性，可根据坐标确定其属于哪个空间。与此相同，管道、通风、设备等元素都具有空间唯一性，可以根据其空间关系进行规则匹配。

图4 SRTP管路系统核查程序

从3D模型中提取所有模型信息，并根据规则计算每个通风、管路、设备、管道元素的经过区域和区域代码。在此基础上，将匹配后的信息生成Excel报表，即可快速高效地设计和验证SRTP系统的正确性。

实施案例提供了2种验证SRTP系统布局是否合理的方法：第一种方法是通过提取任意通风、管系、设备等模型信息，快速导出报表来计算SRTP系统经过了哪些区域；第二种方法是通过调用任意区域名称，快速找到经过该区域的SRTP系统。这2种方法均可快速、高效地验证系统的正确性，降低研发成本，提高工作效率，可将原计划需3～5个月完成的工作量缩短至几天内完成。

2.4 电气系统和自动化控制系统测试

为验证电气系统和自动化控制系统的正确性和可靠性，需要对这些系统进行测试。测试过程与管路系统相似，测试过程应涵盖以下3个方面。

2.4.1 电气系统测试

该测试包括对船舶电气系统中各个元件的测试，如发电机、电缆、电池等，以确保各元件均能够正常运行并满足设计要求。此外，还需要对电气系统进行稳定性和可靠性测试，以确保在各种条件下电气系统都能够正常运行。

2.4.2 自动化控制系统测试

该测试包括对自动化控制系统各个组件的测试，如传感器、执行器、控制器等，以确保其能够正常工作并满足设计要求。此外，还需要对自动化控制系统进行性能测试，确保系统能够正确地别和响应各种紧急情况。

2.4.3 整体系统测试

该测试涉及到整个安全返港系统的测试，包括各个子系统的集成测试和全系统测试。通过对整个系统的测试，可验证系统的完整性和可靠性，并评估系统是否满足SRTP要求。

在测试过程中，需要根据SRTP要求和相关标准制定测试计划，并对测试结果进行记录和分析。如果测试结果不符合要求，需要对系统进行修改和优化，直到满足要求为止。

3 结果与分析

3.1 系统设计和验证结果

本实施案例提供的SRTP系统设计验证方法能够高效、快速地检查SRTP系统的布局是否合理。通过利用AVEVA Marine设计软件进行三维建模，定义舱室空间，并根据详细设计文件规定的命名规则对其进行命名；然后，通过自主开发的程序提取模型中通风、管路、设备等子元素在船体中的坐标，并进行空间匹配；最后，系统根据规则自动计算模型中所有通风、管路、设备、管部件元素、系统分别经过了哪些区域，并将匹配后的信息生成Excel报表。

此方法具有以下优点：1）快速高效地设计并验证SRTP系统的正确性，能够大大缩短设计和验证的时间，降低研发成本；2）直观、准确、灵活，设计和检查人员能够快速地得到所需结果，提高工作效率。

本文提出的方法可将原计划需3～5个月完成的工作量缩短至几天内完成。结果显示：本实施案例中的SRTP系统布局合理、稳定、可靠，能够满足客船安全返港的要求，进而保障船舶乘客和船员的安全。SRTP实船检验流程图见图5。

图5 SRTP实船检验流程图

3.2 对SRTP要求的满足度评估

对于SRTP系统的要求满足度评估，主要从以下3个方面进行考虑：

1）功能性要求。SRTP系统在船舶进入危险区域后，需要能够自动检测并识别危险源，并且实现自动控制和导航，以确保船舶的安全返回港口。通过实际测试和验证，SRTP系统成功满足这些功能要求。

2）可靠性要求。SRTP系统是关乎船舶安全的重要系统，需要具备高可靠性和稳定性。通过多次测试和验证，SRTP系统在不同的海况和环境下都能够稳定运行，且在系统故障或异常情况下，能够实现自动切换和备份，确保船舶的安全。

3）适用性要求。SRTP系统需要适用于不同类型的船舶，且在不同的环境和任务下都能够适用。通过实际测试和验证，SRTP系统成功适用于不同类型的船舶，并且能够应对不同的环境和任务，例如大风、大浪、雾霾等情况下的应急处理和自动控制。

综上，SRTP系统成功实现了SRTP要求的满足度评估，能够有效保障船舶在危险情况下的安全返回港口。

4 结论

本文提出了一种基于三维模型验证的客船安全返港系统设计方法，并且通过试验验证了其在实际应用中的可行性和有效性。该方法能够提高船舶设计的准确性和效率，为船舶安全性能提升提供了有力的支持。

1）通过对设计要求和验证方法的全面分析，开发了一种强大可靠的客船安全返港系统。该系统采用了先进的自动化控制技术，实时监测、故障诊断和紧急响应功能，确保了紧急情况下船员和乘客的安全。

2）验证过程包括三维建模和仿真、安全评估以及电气和自动化控制系统测试的结果，证明了所提出的SRTP系统的有效性和实用性，可满足IMO的要求，为客船安全提供了高效可靠的解决方案。

3）在设计和验证SRTP系统时，遵循SOLAS公约和SRTP的要求非常重要。研究结果与先前的研究工作一致，支持所提出系统的普适性，并验证了其对海洋工程领域的贡献。

从理论和实际意义上讲，本文提出的SRTP系统通过提供紧急情况下的高效返港手段，显著提高了客船的安全性和可靠性。有效缩短了响应时间，降低了潜在风险，保护了生命和财产安全。下一步研究可进一步改进和完善SRTP系统以增强故障检测和响应能力。