VDR的演变

VDR的演变

第一章

在早期的海上事故及救助过程中,摩尔斯信号曾起到过无可替代的作用。随着科学技术的进步,特别是海事卫星通讯系统的日益发展,自浮式的可编程装406MHz EP IRB 现已成为船舶必配的设备。它COSPAS/SARSAT搜救卫星系统中供海上船舶使用的一种卫星应急示位标,可以人工或自动启动,发出包括本船识别码在内的遇险报警信息,同时本系统可利用极轨道卫星与卫星示位标之间产生的多普勒频移效应,来测定出船位。SOLAS公约1988年修正案要求自1993年8月1日起所有船舶都必须配备406MHz EP IRB 设备,其重要性不言而喻。VDR所含概的信息要远远超过EP IRB。因为它不但能为救助人员提供事故船的识别码、船位等简单信息,而且具有回放功能,可以帮助人们分析事故发生的原因。1973年7月2日“C. V. SeaWitch”与“Esso Brussel”两轮相撞并导致纽约港失火。美国国家交通安全部(简称NTSB)在对事故的调查推理时发现了VDR在事故重现方面的潜在用途。自70年代以来NTSB一直促进VDR在船舶上的应用,他们与美国海岸警卫队(USCG) 、其他机构和海事行业各有关公司合作,共同致力于设立规章和制定VDR的技术标准。

1997年11月27 日, IMO 第20 届大会通过了VDR的一般性能标准( IMO决议A. 861. ) 。IMO导航安全分委会于1998年7月召开的44届会议讨论并制定了VDR安装要求的议案,即SO2LAS第V章第22条,规定国际航行的客滚船需安装VDR。美国等发达国家均规定一定船龄的船只需安装VDR, 并且全部现有船舶需在今后逐步安装VDR。美国还提议让独立的检验机关对VDR性能实行年度检验并颁发相应证书。

1998年,各国技术专家、设备制造商代表和政府调查员于伦敦聚会,在1997年IMO决议A. 861.的基础上制定了VDR性能标准,即1EC 61996“船载航行数据记录仪(VDR)性能要求、检验方式及合格的检验结果”。中国海事局于2001年4月20日颁布了《船载航行数据记录仪技术条件和检验程序(国内船舶试行) 》(海法规字2001 第180 号,国内简称180 号文) 。中国船级社(CCS)在2001年根据中国海事局180号文和IEC61996制定了国内和国际航行船舶检验标准和程序,并分别于2001年7月和12月讨论并通过。

第二章 船载航行数据记录仪的组成及功能

船载航行数据记录仪（shipborne voyage data recorders, 简称VDR）,是指一个记录与传播航行及操作有关数据的完整系统。 2.1 VDR的组成原理

图2-1 为记录仪系统结构原理。系统主要由电源、主控制器、接口电路、信号处理电路、数据存储设备和再现回放装置等5 部分组成。信号调理和数据采集模块可以安装在信号源附近,用通信或联网的方式与主控制器连接。船舶操作信息和状态信息经信号处理电路进行预处理,通过接口电路,输入到主控制器。主控制器对相关数据信号进行分析,并控制数据的储存和备份。 图2-1 系统结构框图 2.1. 1 电源

主电源可将交流220 V 船电转换为24 V 直流电。应急电源为24 V 直流电。内电源接受外部电源供电,并将其转换为系统要求的电压,为整个系统供电。备用电源为具有自动充电装置的可充电电池系统。当外部的主电源和应急电源都失电时,备用电源自动为系统供电,并保证系统正常工作时间大于2 h ,2 h 后记录将自动停止。主电源、应急电源和备用电源切换过程中,可保证系统连续工作。 2.1. 2 主控制器

主控制器是系统的主体,控制系统采集数据、分析处理数据、保存和备份数据以及显示、打印、自检、故障示警等。主处理器具有RS2232 接口可以与船舶系统的微机(PC) 实时传递数据。同时,主处理器系统还可以配置RS2485接口或CAN总线接口,以便与远距离信号处理器以及具有通信接口的设备进行通信或连成网络。

主处理器采用PC/ 104 总线模块。PC/ 104 模块体积小(90 mm ×96 mm) 、功耗低、可叠层,适合嵌入设计。PC/ 104 属于基于模块设计的工业微机系统,核心模块(CPU module) 为标准化系列化产品,而且所有CPU 模块均支持固态磁盘SSD ,适合在工业和船舶环境使用。特别是其与广泛流行的PC/ AT 体系相兼容,开发人员可以受益于熟悉的操作系统、编程语言和开发工具,因而能够大大缩短开发周期、减少技术风险。同时还可以充分利用PC微机的技术和资源,增强系统的功能。 2.1. 3 接口电路

接口电路按功能可以分为信号调理接口电路和通信接口电路。信号调理电路完成主控制器附近的一般开关量信号和模拟量信号的调理、变换和隔离,并传送给主控制器系统的CPU 。通信接口控制主控制器与远距离信号处理电路、专用信号采集电路以及具有数据通信功能设备之间的数据传递。通信接口主要有RS2232 接口、RS2485 接口和CAN 总线接口。

接口电路按配置结构可以分为基本接口、扩充接口和备用接口。用户可根据具体情况将系统设置为基本配置(满足本单位的一般要求) 、最低配置(满足海事局最低要求) 和完全配置。 图2-1-4-1 信号处理电路 2.1. 4 信号处理电路

信号处理电路为以80C196 单片机为主体组成的智能模块,安装在传感器的附近,完成信号的调理和转换。电路原理如图2-1-4-1所示,单片机监测各传感器的状态,并定时将数据传送给主控制器。如果操作动作或设备运行状态发生变化(例如车钟指令、油门、转速、舵角的变化) ,单片机将及时向主控制器传送信息并跟踪监测和记录相应的数据信息。图2-1-4-1中,开关量接口对开关量信号进行光电隔离和电平匹配;模拟量接口主要对各种模拟量信号进行调理和高阻处理,A/ D 转换由80C196 单片机片内A/ D转换器完成 。

对于要求A/ D 转换频率较高的信号(例如音频信号的采集) ,系统采用了独立的信号采集电路。电路原理如图2-1-4-2 所示,该电路为一个可编程序控制采样频率的A/ D 转换电路。时钟信号通过分频控制电路,产生控制采样频率的同步脉冲;控制电路通过接口电路接受单片机的采样频率设置指令和采样控制指令,并按要求的频率控制A/ D 转换和数据的缓存;数据缓冲器暂存A/ D 转换的结果,完成数据的快进慢出功能,实现系统数据传递的速度匹配。A/D 转换的频率由硬件电路控制,从而克服了单片机速度的限制。

图2-1-4-2 A/ D 转换电路 2.1. 5 存储器

存储器为系统的最终记录介质,可以记录和保存24 h 内的全部数据信息。系统采用主存储器和备用存储器双备份的形式,并将存储器安装在受保护的专用容器中。备用存储器可自动脱离漂浮,其容器具有水密功能,外壳有反光材料以便寻找。 2.1. 6 回放再现系统

再现系统的功能是回放和再现存储器保存的数据信息。系统包括信息读出设备和相应的软件包以及信息再现设备。存储器的内容只有在再现系统的硬件和软件的条件下才能被正确读出和再现。再现系统具有数据再现、声音再现和图形再现的功能。同时,系统提供的再现回放装置也只能读出存储介质保存的信息而不能改写信息。因此使数据信息更具有可靠性。 2.2 系统主要功能

航行数据记录仪的主要功能是船舶固定数据的固化、船舶动态信息和操作信息的采集记录。同时,记录仪还可以与上位微机通信,具有显示、打印以及自检和故障报警功能。 2.2. 1 固定数据的固化

固定数据指船舶名称、船舶国际编码、船舶呼号等固定数据资料 。航行数据记录仪将固定数据固化在记录仪中长期保存,并备份在最终记录介质中。可用再现回放装置读出,但不能随意变更。 2.2. 2 操作信息和状态信息记录

记录仪根据不同的情况以定时采样和实时采样两种方式采集信号和记录数据。没有操作动作和设备状态的变化时,记录仪根据设计的周期定时采集数据信息。一旦有操作动作或设备运行状态发生变化(例如车钟指令、油门、转速、舵角的变化) ,记录仪将及时采集并跟踪监测记录相应信息数据。 2.2. 2. 1 船舶状态信息包括:

船舶所处的经度和纬度; 船舶的航行速度; 船舶航向; 自动操舵信息; 主机转速; 螺旋桨轴转速; 实际舵角;

风速风向测试仪的信息;

综合性的天气、海况、船舶载况(包括压载) ; 船舶俯仰、倾斜角度状态; 水密和防火门状况;

船体应力和响应监测设备得到的有关信息; 船体开口状况;

驾驶室内显示的所有相关的强制状态信息。 2.2. 2. 2 船舶操作信息包括: 船舶车钟指令及响应; 机舱车钟指令及响应; 主机油门操作; 转舵操作;

变距浆的螺距操作; 驾驶室内的语音信息; 驾驶室内VHF 通信内容; 驾驶室内报警信号; 声纳探测仪的状态信息; 雷达信号;

侧推器的相关数据; 号灯的动态。 2.2. 3 自动报警

系统设置有设备报警和工作报警功能。设备报警指记录仪自身发生故障时自动发出的警示信号。工作报警指为操作人员设计的辅助警示信号。例如,当ARPA 系统发出碰撞危险警告时,系统经过一定的延时,如果危险警告未解除,但没有采集到操舵信息,系统则发出示警信号提醒操作人员注意。 2.3 能连续获得和记录预先选择的数据。

包括:航行参数(船位、航向、速度) 、机舱参数(主机、舵机、应答) 、安全参数(主报警器、船体开口、水密和防火的状态、船体应力) 、驾驶台通话和VHF 通信、雷达数据及事后显示的选择等。

2.4 VDR 能在12 小时内连续记录所有数据,并能“吐故纳新”,当船电出现故障时,能用备用电源继续供电2 小时。记录的数据可检验其完整性,并能防止被篡改。 2.5 记录数据的储存。

记录数据应能保留2 年以上,位于保护容器(盒) 内的数据必须能承受按规定的恶劣环境试验条件,并且在试验后数据不会丢失。

2.6 数据的读出,使用和分析。

在事故后的一切调查期间,只能由权力机关打开、使用和分析数据,以判明事故的真正原因。

第三章 VDR的技术指标

3.1 记录数据的存储和记录要求

3.1.1VDR记录的方式应保证在专用的设备上再现数据时，各种数据项目应于日期和时间（可以爱用格林尼治时间）相联系。

3.1.2数据的备份功能：信息数据的记录可以采用双备份形式。最终记录介质（黑匣子）应安全可靠，可以安装在受保护的数据备份在存储器的容器中。

3.1.3VDR记录的数据必须满足以下各类信息的获取存储要求，并能在专用设备上再现： 1）、船舶固定数据应被固化于VDR中长期保存。

2)船舶动态信息数据记录的最低要求包括：时间显示、船位、船速、航向、主机转速（螺旋桨转速）、实际舵角；信息数据必须实时记录。

3)船舶操作信息实时的最低要求必须是按照船舶的实际操作情况实时记录。记录内容必须包括：操作时间、船舶车钟回令、主机油门操作、转舵操作、可变螺距螺旋桨的螺距操作。 3.2 VDR信息数据的最终介质存储容量（时间）

3.2.1 在遮蔽海区内固定航线航程5 n mile内，并全过程航行时间不超过30min的船舶，至少应能保存距最后一次记录之前4h内的所有信息数据。

3.2.2 固定航行并全程航行时间在4h 以内的船舶，至少应能保存距最后一次记录之前12h内的所有信息数据。

3.2.3 固定航线并全程航行时间在12h以内的船舶，至少应能保存距最后一次记录之前24h内的所有信息数据。

3.2.4 航线部固定或全程航行时间12h以上的船舶，至少应能保存最后一次记录之前24h内的所有信息数据；同时必须配置专用打印机进行数据的实时打印，所打印的数据必须保留船上3个月备查。 3.3 VDR环境条件和工作条件

VDR在下列环境条件下能正常工作，在70 °C 温度时不失效、数据部丢失。 3.3.1 环境（空气）温度； 1）封闭处所内0-45 °C； 2）温度超过45°C和低于0°C的处所内接触所温度上限为55°C； 3）开敞甲板- 25 °C～55 °C; 3.3.2 倾斜摇摆 1) 横倾:30°横摇:30°; 2) 纵倾:10°纵摇:10°;

3) 摇摆周期9 s 以及垂直方向线性加速度为±9. 8 m/ s时正常工作; 3.3.3 湿度

1）当温度高达+40 °C时，相对湿度为95%+-3%; 2）当温度高于+40°C时，相对湿度为70+-3%. 3.3.4 大气压：70—105 kPa.

3.3.5 船舶正常航行中产生的振动和冲击。 3.3.6 潮湿空气、盐度、油雾和霉菌及灰尘等。

3.3.7 具有必要的电磁兼容性，且电磁兼容性不仅是对主机本身，而且应考虑与之相连传感器、电源等整个系统。

3.3.8 如用于有耐酸腐蚀的能力和抵抗常见射线（X射线、紫外线）的能力要求的特殊使用产品，能在此特殊环境下正常工作。 3.4 VDR的适应性

3．4.1 VDR的适应性

在船舶可能遇到的各种海况，如船舶运动、振动、限度、温度和电磁环境的情况下，船舶VDR能连续工作。

1）恒定湿热：在温度40°C么相对湿度90%-95%的环境中储存48h后莫能正常工作；

2）盐雾试验：应经过24h的盐雾试验后，金属零部件先明显锈蚀，仍能正常工作；3）经过倾斜、摇摆和振动、碰撞试验后，零部件无松动、脱落现象，并能够正常工作； 4）电磁兼容性不得不低于GB9254的要求。

3.4.2 记录在黑匣子内的数据的适应性

记录数据应能保留2年以上。记录在黑匣子内的数据必须能承受下述试验规定的恶劣环境条件： 1） 火灾（260°C，10h）；

2） 深水压力沉浸（6000m，24h）； 3） 渗透（5kg，3m）。

在存储在黑匣子内的数据按顺序承受上述环境试验后不会丢失

第四章 VDR的性能标准及应记录保存的数据项目

按照IEC 61996性能标准要求, VDR应连续保持关于设备状态、输出量以及船舶指令和操作的预先选定指标信息的完整记录。VDR 需以色泽鲜明的保护性材料包装,并安装相关设施以便于搜寻。

VDR需能够自动运行,至少保持12h的数据记录。一套完整的VDR系统应具有与数据输入接口相连接的全部配件、进行数据处理和数据编码所需的全部设备、容器中的最终记录介质、电源供给和专用备用电源。VDR所记录的项目应至少包括:日期、时间、船位、航速、航向、驾驶台声音、通信声音、雷达图象数据、测深仪、主报警、操舵命令和响应、船体开口状况、水密门和防火门状态、加速度、船体应力、风向及风速。

4. 1. 日期和时间:可参考世界协调时(UTC) ,日期和时间应从船舶外部的时间源或内部时钟至少每小时获得一次。记录应指明使用哪种时间源。记录方式应该是所有其它数据项目的记录时间可以通过详细再现事故过程而获得,分辨率不能大于1 s。

4. 2. 船位:纬度、经度以及使用的基准应来自一个指定的EPFS或INS (如可用) 。记录应保证EPFS的特性和状况总是可以通过再现来确定。船位应按船上可获得的数据进行记录,其分辨率应高于0.0001min弧度。 4. 3. 速度:应按船上可获得数据记录相对于水或地的速度(如果船舶上能获得,应记录纵向和横向的速度) ,包括指明速度是来自哪种设备,速度的分辨率应高于0. 1knots。

4. 4. 首向:首向由船舶上指定的罗经指示。船舶首向应按船上可获得的数据进行记录,分辨率应高于0. 1°。 4. 5. 驾驶室声音:位于驾驶台内的一个或多个话筒应布置成能充分地记录在指挥位置、雷达显示器、海图桌等位置或附近的谈话。话筒的布置应尽实际可能捕捉到驾驶台内的内部通信、公共广播系统和声响报警(驾驶台安装的设备) 。应连续记录所有在工作站位置的声音信号,作为选择,可以提供措施,通过分析回放记录信息中的声音信号识别出发出声音的工作站。

4. 6. 通信声音:应记录有关船舶操纵的VHF通信,并与驾驶室声音分别独立。记录中包括发送和接收的音频信号,音频信号应连续地来自指定的VHF装置。

4. 7. 雷达数据:应包括从船舶的一台雷达装置上获得的电子信号信息,它记录了当时在雷达主显示器上实际出现的全部信息

4. 8. 回声测深仪:应记录船舶上可以得到的龙骨以下的深度(分辨率高于0. 1m) 。当可以得到时,还应记录当时显示的深度刻度和其它状态信息。

4. 9. 主报警:这些报警包括在驾驶室内所有国际海事组织( IMO)强制要求报警的状态。所有IMO 强制要求报警的状态,如可行,应通过驾驶台声音并作为数据参数进行记录。

4. 10. 操舵命令和响应:操舵命令和响应角度应按船舶可得到和允许的数据进行记录,分辨率1°首向或航迹控制仪(如设有)的状态和设定值也应记录。

4. 11. 轮机命令和响应:包括任何车钟或直接的机器/螺旋桨控制器的位置,包括轴转速(或效速度) 、反馈指示,前进/后退指示器(如设有时) ;还应包括首侧推和尾侧推(如设有)的状态。转速记录的分辨率应高于lr. p. m,螺距记录的分辨率应高于1°。

4. 12. 船体开口状态:包括IMO要求在驾驶台内强制显示的所有状态信息。

4. 13. 水密门和防火门状态:包括IMO要求在驾驶台内强制显示的所有状态信息。

4. 14. 加速度和船体应力:如果船舶安装了IMO强制的船体应力和响应监测设备,则所有在设备内预选和可得到的数据项目应予以记录。

4. 15. 风速和风向:适用于安装了适当的传感器的船舶。相对风速、风向或绝对风速、风向都可以记录,但在记录中应指明是哪一种