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提高客船安全性的综合决策支持系统
P Pennanen, P Ruponen and H Ramm-Schmidt，芬兰纳帕有限公司
摘要
本文基于需要以及实际需求提出了一种客船进水应急决策支持系统的方案。为了满足这些要求，并给船员提供更有用的信息，我们提出了一种新的概念。该解决方案将进水水位传感器数据, 门的状态和实际装载情况，和受损船舶持续进水及稳定性的最新时域预测方法相结合。本文主要描述应用的研究方法和用户结果展示这两个系统的关键要素通。
- 引言
自从1912 年的RMS 泰坦尼克号灾难性事件发生以来，海上生命安全一直是客船行业的高度优先事项。这些年工业部门为了保持高且仍不断提高的安全水平采取了各种监管和技术措施，
然而不幸的是，最近歌诗达协和号和世越号的事故表明，尽管做出了这些努力, 在提高对完整船舶脆弱性和安全水平的认识以及评估受损船舶的生存能力方面仍有工作要做。除了这些, 在用户访谈中也发现，这些高度精密和复杂的船只上的人员需要易于使用和易于理解的集成决策支持系统，以便在出现进水紧急情况时做出准确和及时的反应。这一结论是基于 2014 年与大约 20 名邮轮运营专家的广泛讨论，这些专家包括船长、安全总监、岸上指定人员 (DPA), 领先的邮轮公司的经理和运营总监。
国际海事组织已逐步解决客船安全问题。在一定尺寸的客船上安装进水探测器的方案(MSC.1/Circ.1291，[1] 中的指南) 于 2010 年生效。此外，关于安全返港的规则 (SRtP)要求船舶提供关于在损坏情况下需要采取的行动信息 (在 MSC.1/Circ.1369, [2] 中描述) 。最后，MSC 90 修订了 SOLAS II-1/8-1 规则，包括安装能够向船长提供操作信息的船载稳定计算机，以便在进水事故后安全返回港口, [3].
这些规定都是为了提高安全性而进行的渐进和独立的改进。船舶安全的大局、承受损害的可能性以及最终损害情况的可能发展，仍然需要从各种人工和自动来源收集所有可用的信息。
为了能够得出结论并最终采取必要的行动，需要快速处理这些信息。
很明显，仅仅满足现有的监管要求并不能为船长在遇险情况下做出决策提供坚实的基础。因为一些关键因素如实时水位传感器和门状态数据的利用等，目前并没有要求。
这一领域的最新监管发展包括国际海事组织以及 IACS正在进行的关于客船破舱稳性模块的工作[4]，以定义新的 4 型装载工具, SDC 2/4 [4]。这项工作的目的是编写如何满足 MSC90 在 SOLAS 中需求说明的指南，并通过修订或重新编写 MSC.1/Circ.1400 [3] 来实施。非常重要的一点是避免因为对规则的解释太严密而阻止了进一步技术创新。其中一项待应用的技术创新是在评估损坏情况的严重程度时使用数值进水预测。
例如，最新的技术进步包括FLOODSTAND项目 [5] 在时域进水预测方法和进水区域水位测量数据的利用方面的工作和成果。关于用户界面 (UI) 和用户体验 (UX) 的设计，近年来在软件行业取得了巨大的发展，现在完全有可能生产出高度先进但又非常易用的软件系统。
过去，在受损船舶的进水损坏中，有各种不同的决策支持方法，这些通常是基于人工输入。Ouml;lcer 和
Majumder [6] 提出了一种基于预先计算损坏情况的方法。然而，这种方法无法引入实际载况和水密门的条件。Ruponen et al [7] 提出了一种基于时域进水分析和水位传感器数据的更先进的方法。
- 概念
基于对邮轮行业专家的访谈，综合决策支持系统的主要要求如下:
- 易于使用
- 以清晰易懂的形式呈现结果
- 与船舶舱室、进水水位和吃水测量以及门状态和航行系统的在线连接
- 对船舶安全级别的持续监控，即脆弱性
- 为了检测损坏情况，船舶的进水水位传感器持续监测
bull; 进水事故中的生存能力评估
- 进水预测和监测，以便在紧急情况下采取有效对策
根据这些要求，一般的系统概念可以被描述为包括两种不同的操作模式:
- 为提高未受损船舶的安全性认识而进行的脆弱性监控
- 紧急情况下的生存能力评估和决策支持
实际上，这两种模式代表了信息收集和解释的关键路径，可以如图 1 所示。
图 1 收集关键信息的时间路径
除了这两种操作模式之外，该系统还不断地将稳定性和脆弱性数据收集和存储在数据库中，以便在岸上和/或船上进行进一步分析。
该系统本身由两套相同的计算机系统组成 ( 根据 MSC.1/Circ.1400 [4]的要求) ，这两个系统都连接到吃水、舱室和空舱水位传感器，水密 / 半水密 (WT/SWT) 和防火门 (FD) 状态系统以及航行系统。
计算机使用一种精确舱室模型，这个模型包括直到舱壁甲板在内的船舶水密体，所有传感器数据处理时都参考该模型进行处理。
所有需要的输入信息，包括:
- 液舱水位数据
- 进水水位传感器数据
- 门状态信息
- 航行数据
这些数据已存在于船上，不同的系统中。将所有这些数据与装载计算机提供的当前装载条件数据一起收集，为集成的决策支持系统创建了坚实的基础，只需要很少或完全不需要用户的人工输入。由于集成的决策支持系统具有连续可用的所有最新输入数据，因此它可以提供持续的监控，并且在传感器检测到进水后，它还会自动切换到生存能力评估模式
- 脆弱性意识
3.1 原则
损伤稳定性计算模块的一个重要组成部分是不断监测船舶的脆弱性水平。打开水密门会在损坏的情况下显著增加损失的风险。Jasionowski [8] 为这一目的提出了一种专用方法。然而这种针对这一目的的计算太详细了，因此，采用了简化的方法。
影响脆弱性水平的关键参数是打开的水密 (WT) 门的数量，或者更确切地说，影响水密隔间的数量。
综合脆弱性检测模式的主要好处是，船员将熟悉该系统，并立即识别来自水位传感器的信号和门的状态可能出现的问题。
此外，Jasionowski [8] 发现对船上脆弱性的监控显著提高了船员的意识，几周后，由于水密门的更好操作，脆弱性水平显著降低。随着时间的推移，船员们意识到脆弱性的记录，脆弱性水平的提高也受到了影响。
3.2 水密门:
为了便于船员前往不同地点，水密舱可以配备水密门。门可以分为四类 (A 、
B 、 C 和 D)，如IMO MSC.1/Circ.1380 [9]中所述。
对于客船，只有以下几点是相关的:
- A 类: 航行期间允许保持敞开
- B 类: 可在航行时因在门附近工作的需要而打开
- C 型: 在航行期间可以通过许可证打开，当运输完成时，门必须立即关闭
在脆弱性分析中考虑了水密门的分类。每种类型都有开门的最长允许时间。如果超过此时间限制，则认为脆弱性分析的大门是敞开的。对于 A 型，限制时间是无限的，对于 C 型，应该应用短时间，例如 5 分钟。对于 B 类，限制时间并不清楚，甚至可以为每扇门专门定义。
打开的水密门会影响两个水密舱室。因此，如果有多扇打开的门连接着相同的两个隔间，对脆弱性的影响是相同的。如图 2 所示，两个打开的水密门也可以影响三个或四个隔间。
图 2: 由于两个打开的水密门，受影响的水密舱室示意图
3.3 脆弱性级别
由于打开水密门而增加的脆弱性的应用简化方法是基于受影响的水密舱室数量:
其中N是影响水密舱室的数量，正常航行模式系数,
当风险增加时，例如由于低能见度或交通繁忙。
图 3 中显示了这些功能，以及建议的颜色代码。在所有情况下，只有当所有水密门关闭时，系统才应该显示绿色。黄色和红色代码之间的限制取决于航行模式。当这显示风险增加时，敞开的门只能影响两个隔间，而在正常的海洋模式下，最多可以影响三个隔间。
建议的计算公式 (1) 非常简化。如果认为有必要，可以很容易地实施更复杂的方法。
图 3: 正常运行和增加风险模式下受影响水密舱室的功能脆弱性级别颜色编码
除水密门的状态之外，当前的装载条件也会影响脆弱性级别。如果船舶稳定性的标准没有通过，或者 GM 值小于所需的最小GM，则脆弱性级别设置为 1.0 (红色代码) 。最小 GM 极限曲线是根据 SOLAS 2009 损坏稳定性计算编制的，因此这一额外要求确保了损坏情况下的脆弱性水平得到适当考虑。
记录脆弱性级别以及各个门的状态对船舶运营商来说非常有用。基于这些数据，当水密门经常打开的区域已知时，也可以改进新船的设计。因此，可以计划一个更好的工作常规安排。
图 4 显示了脆弱性级别和打开水密门的视觉表示示例。
图 4 脆弱性的图形表示，包括打开水密门的标识。
- 决策支持系统
4.1 原则
当传感器检测到进水时，系统会自动从正常的监控模式切换到生存能力评估模式，以提供决策支持。此外，还会触发明确的警报。
4.2 输入数据
足够数量的进水水位传感器是可靠评估生存能力水平的先决条件。IMO SDC2/INF.6, [10] 中给出了进水传感器要求和位置的指导。在实践中，这意味着所水密舱室在每一甲板上都应该有水位传感器。此外，还应在舱壁甲板上安装传感器。
除了水位传感器数据之外，还需要水密门的状态，可能还需要一些非水密门。
生存能力评估必须基于真实的实际装载条件，而不是预先计算的状况。每个装载的舱室必须使用真实的填充率和密度。这些数据可以从舱室水位传感器和船舶装载计算机中获得。
4.3 违规检测
通过进水水位传感器检测船舶船体中的破口。根据测量的进水速度，房间里的裂口面积可以近似。这是一项具有挑战性的任务，因为重要的是要区分船只内部和通过船体的裂口从海上流入的进水动向， penttilla 和 Ruponen [11]。
由于吃水和纵倾的增加，一些裂缝可能会在被淹没后开始进水。或者，通过未知的开口或破裂的管道，可能会有渐进的进水。在这种情况下，需要模拟额外的人为造成的缺口，以准确计算进水。
4.4 计算模块
根据当前的装载条件和船体中检测到的缺口，可以对渐进进水进行时域预测。门的状态 ( 打开/关闭) 也是必要的，特别是对于水密门。为了达到一定程度的保守估算，所有状态未知的防火门都被认为是打开的。
进水预测会定期更新，以便将测量到的进水包括在初始条件中。
进水预测的应用计算方法据Ruponen[12]描述是一种压力校正算法。该方法已经得到了充分的验证,测量数据来自于Ruponen 等人[13] 2010年发表的全面进水测试，。
应用的时间步长为 30s，计算结果时间是可行的。通常，可以在不到 3 分钟的时间内计算出 3 小时的预测。随着时间的推移，结果并不完全 “时间准确”，而是为进水的中间阶段和进水时间的合理估计提供了一个现实的模型。因此，使用 “预测” 一词而不是 “模拟”。
- 生存能力的输出
1.1 生存能力水平
基于用户访谈，以非常清晰的方式展示船舶当前的生存能力水平是至关重要的。
仅仅用两个水平 ( 通过/ 失败) 来表示生存标准是不够的，Lee 等人 [14]。目前正在开发，被称之为vessel TRIAGE categorization 1，为生存能力水平的共同分类提供了坚实的背景，表1给出了关于这一点的一些初步想法。
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表 1: 生存能力等级的颜色编码 |
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颜 色 |
描述 |
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bull; |
进水是有限的 |
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| lt; | |||
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