俞葉萍， 潘萬欣， 李 祺， 張 葉

（上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 民品分所，上海200135）

0 引 言

隨著電子技術(shù)和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，各種通訊導(dǎo)航、無線電設(shè)備的功能和自動控制能力越來越強(qiáng)，船舶自動化程度也越來越高。為了健全船舶安全及救助的手段，避免由于駕駛員疏于管理、缺乏必要的應(yīng)急機(jī)制引發(fā)海難事故，國際海事組織（International Mariti me Or ganization，I MO）海上安全委員會第86次會議，通過了第282號關(guān)于國際海上人命安全公約（Inter national Convention f or the Safety of Life at Sea，SOLAS）公約修正案的決議。該決議強(qiáng)制要求2011－07－01起建造的各等級船舶上安裝滿足IEC（Inter national Electr otechnical Co mmission）62616標(biāo)準(zhǔn)的船舶橋樓值班報警系統(tǒng)（Bridge Navigational Watch Alar m System，BNWAS）。

作為一種新型的船舶航行安全設(shè)備，BN WAS的主要作用是防止駕駛員在船舶航行時不履行值班職責(zé)使船舶處于無人操縱的危險局面，系統(tǒng)通過產(chǎn)生一系列逐步延伸的報警引起相關(guān)人員的注意，確保值班駕駛員履行值班職責(zé)。

根據(jù)中國船舶工業(yè)行業(yè)協(xié)會預(yù)測數(shù)據(jù)，2012年世界新船訂造量為7 000～8 000萬DWT，造船完工量約1.5億DWT。隨著SOLAS有關(guān)條款的強(qiáng)制執(zhí)行，各類新舊船舶要求配套BNWAS的需求與日俱增，BN WAS產(chǎn)品市場前景良好。

2010年至今，國內(nèi)外有關(guān)主流船舶配套廠商為了抓住市場機(jī)遇，已先后推出了10多種型號的BNWAS產(chǎn)品，其中早期產(chǎn)品在功能設(shè)計上并不能滿足IEC 62616標(biāo)準(zhǔn)。上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所為滿足IEC 62616標(biāo)準(zhǔn)和MSC.128（75）決議的規(guī)范要求，研制了SRI－VC2110BW船舶橋樓值班報警系統(tǒng)，該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于實(shí)船，并受到用戶的親睞。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

BN WAS系統(tǒng)主要由主控單元、選擇單元、復(fù)位單元和報警單元等組成。各單元主要分布在駕駛室、船長室、值班艙室和公共位置。主控單元作為系統(tǒng)的核心單元，通過面板按鍵和數(shù)碼顯示實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，并控制著整個系統(tǒng)的運(yùn)行，把聲光報警信號傳輸?shù)綇?fù)位單元和報警單元進(jìn)行系統(tǒng)延伸報警，同時監(jiān)控系統(tǒng)和外部設(shè)備傳送的復(fù)位信號；選擇單元用來指定第2級遠(yuǎn)程報警的對象；復(fù)位單元實(shí)現(xiàn)第1級聲光報警功能，并可以對系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位；報警單元實(shí)現(xiàn)第2級遠(yuǎn)程報警和第3級遠(yuǎn)程報警功能（見圖1）。

1.2 關(guān)鍵問題及技術(shù)解決方案

BN WAS的主要功能是3級延伸報警。駕駛?cè)藛T值班時需要在休眠時間3～12 min（可調(diào)）內(nèi)對系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位。第1級報警是指，當(dāng)駕駛員未按規(guī)定時間對系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位操作時，駕駛室報警裝置發(fā)出燈光報警信號，15 s內(nèi)仍未復(fù)位，駕駛室報警裝置再發(fā)出聲音報警；第2級報警是指，1級報警未得到響應(yīng)15 s后將聲音報警延伸至指定的后備值班人員房間；第3級報警是指，系統(tǒng)在90～180 s（可調(diào)）內(nèi)未復(fù)位時，將報警延伸至所有艙室和公共位置（見圖2）。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

圖2 BNWAS報警機(jī)制

系統(tǒng)進(jìn)行延伸報警后，在值班房間或公共艙室內(nèi)無法取消報警，必須在駕駛室才能對系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位操作，借此確保和督促值班駕駛員履行其值班職責(zé)。

1.2.1 休眠時間設(shè)置

根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)，休眠時間為3～12 min。根據(jù)實(shí)船情況，具有操作權(quán)限的人員可以調(diào)整休眠時間的預(yù)設(shè)值。

為了確保系統(tǒng)安全可靠地運(yùn)行，方便實(shí)船管理人員的操作，在對設(shè)置休眠時間的設(shè)計中，從軟件和硬件兩方面進(jìn)行了綜合考慮。

硬件方面，選用帶鑰匙的OFF／MANU／AUTO三檔選擇開關(guān)，任選1種模式后鎖定，在系統(tǒng)運(yùn)行期間，不能任意切換模式（具有操作權(quán)限的人員可以切換）。

軟件方面，當(dāng)OFF模式切換到MANU模式初始30s內(nèi)，可以通過面板“時間”按鍵設(shè)置休眠時間值，允許設(shè)置范圍為3～12 min。設(shè)置“確認(rèn)”后，完成休眠時間預(yù)設(shè)值的存儲，系統(tǒng)隨即退出時間設(shè)置模式，按該次設(shè)置的休眠時間值啟動倒計時（見圖3）。

1.2.3 報警傳輸

主控單元作為系統(tǒng)核心單元，控制著整個系統(tǒng)的運(yùn)行，當(dāng)單片機(jī)發(fā)出報警信號時，主控單元必須準(zhǔn)確及時地把報警信號傳輸給指定的復(fù)位單元和報警單元。由于BNWAS各部分分布在不同的位置，且復(fù)位單元和報警單元離主控單元的距離較遠(yuǎn)且不固定，要求報警信號的遠(yuǎn)程傳輸能力較強(qiáng)。

為了簡化硬件電路，選用功率較大的繼電器來傳送報警信號。但由于CPU輸出的是TTL電平，不能直接驅(qū)動繼電器，因此在設(shè)計中，采用了集成達(dá)林頓管ULN2003驅(qū)動繼電器電路，從而實(shí)現(xiàn)報警信號的遠(yuǎn)程傳輸，傳輸最大距離約為400 m。

ULN2003是高耐壓、大電流達(dá)林頓陣列，由7個硅NPN達(dá)林頓管組成，內(nèi)部集成了1個消線圈反電動勢的二極管，采用集電極開路輸出，輸出電流大，可直接驅(qū)動繼電器。在5 V工作電壓下，每對達(dá)林頓管都需串1個2.7 kΩ的電阻與單片機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)最大驅(qū)動電壓50 V，電流500 mA的帶載能力。報警信號傳輸電路見圖4。

圖3 休眠時間設(shè)置程序流程圖

圖4 報警信號傳輸電路

圖5 電源熱備份原理框圖

圖6 復(fù)位按鈕自檢程序流程框圖

1.3 提高可靠性的措施

IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定船舶在海上航行途中的任何時候，BN WAS均應(yīng)保持運(yùn)行，且必需對人為導(dǎo)致的不安全因素進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。為此進(jìn)行了深入研究，在系統(tǒng)可靠性設(shè)計中，主要采取電源熱備份和復(fù)位按鈕自檢兩方面的措施。

1.3.1 電源熱備份

為保證當(dāng)主電源故障或失電的情況下BNWAS仍可正常運(yùn)行，電源部分采用了熱備份設(shè)計。正常情況下，采用船用交流電源供電，應(yīng)急電源處于熱備用狀態(tài)；當(dāng)交流電源故障或失電后，應(yīng)急電源自動接入系統(tǒng)，為系統(tǒng)提供工作電源，確保系統(tǒng)電源始終正常（見圖5）。

1.3.2 復(fù)位按鈕自檢

系統(tǒng)各單元上的復(fù)位按鈕，主要功能是對系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位，消除各階段聲光報警。在實(shí)船使用中，為了避免復(fù)位按鈕故障或人為蓄意破壞導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常工作，軟件設(shè)計中增加了系統(tǒng)對復(fù)位按鈕的自檢功能。

檢測系統(tǒng)各單元復(fù)位按鈕是否持續(xù)被激活，若檢測到被持續(xù)激活30 s以上，則系統(tǒng)進(jìn)行故障報警，通知相關(guān)人員進(jìn)行處理，并自動隔離相關(guān)單元，確保系統(tǒng)3級延伸報警和緊急呼叫功能正常實(shí)現(xiàn)（見圖6）。

2 關(guān)鍵性能測試

系統(tǒng)設(shè)計完成后，主要性能參數(shù)嚴(yán)格按照IEC 62616標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行調(diào)試。在時間方面，由于精度要求較高，通過軟件多次修正補(bǔ)償后，各項(xiàng)延時時間精度滿足IEC標(biāo)準(zhǔn)允許的誤差范圍：＜5%或5 s，取較小者（見表1）。

蜂鳴器作為聲音報警的對外部件，在系統(tǒng)中起著十分重要的作用，IEC標(biāo)準(zhǔn)除了要求駕駛室內(nèi)安裝的報警裝置需要有報警音調(diào)可調(diào)功能外，還嚴(yán)格規(guī)定了駕駛室、艙室報警蜂鳴器響度技術(shù)指標(biāo)。系統(tǒng)對各單元蜂鳴器響度的測試情況見表2。

表1 時間精度測試表

表2 蜂鳴器響度測試表

3 實(shí)船應(yīng)用結(jié)果

SRI－VC2110BW船舶橋樓值班報警系統(tǒng)根據(jù)IEC 62616標(biāo)準(zhǔn)和MSC.128（75）決議的規(guī)范要求進(jìn)行開發(fā)研制，采用先進(jìn)的微機(jī)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)及時準(zhǔn)確的報警和響應(yīng)。經(jīng)過權(quán)威檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)——上海儀器儀表自控系統(tǒng)檢驗(yàn)測試所的測試和驗(yàn)證，各項(xiàng)功能及性能指標(biāo)均達(dá)到IEC 62616標(biāo)準(zhǔn)，順利通過中國船級社（CCS）規(guī)定的各項(xiàng)型式試驗(yàn)，并獲得了CCS型式認(rèn)可證書。

設(shè)備實(shí)船應(yīng)用具有廣泛的適配性，滿足各類新、舊船舶配套的需求。通過市場推廣，目前已出口新加坡10余套，并在國內(nèi)各船廠、航運(yùn)公司等10余條船上安裝使用。設(shè)備安裝方便、功能齊全、運(yùn)行可靠、操作簡單，有力保障了船舶航行安全，受到廣大用戶的好評。隨著SOLAS有關(guān)條款的強(qiáng)制執(zhí)行，BN WAS作為必裝產(chǎn)品將在各等級船舶上廣泛應(yīng)用，市場應(yīng)用前景良好，并將逐步成為船舶航行安全設(shè)備中不可或缺的組成部分。

［1］ 柳邦聲.駕駛臺航行值班報警系統(tǒng)（BNWAS）的組成和安裝［J］.航海技術(shù)，2010（3）：41－43.

［2］ 孫向暉.船舶橋樓值班報警系統(tǒng)（BNWAS）中檢測系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)［J］.企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2011（7）：26－27.