内河船舶远程驾驶控制系统安全分析*

doi:10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2022.08.1069

中国安全科学学报 ›› 2022, Vol. 32 ›› Issue (8): 126-132.doi: 10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2022.08.1069

内河船舶远程驾驶控制系统安全分析*

张浦哲¹^,²^,³(), 吴兵¹^,³, 严新平¹^,²^,³, 叶子良⁴

¹ 武汉理工大学智能交通系统研究中心,湖北武汉 430063
² 武汉理工大学交通与物流工程学院,湖北武汉 430063
³ 武汉理工大学国家水运安全工程技术研究中心,湖北武汉 430063
⁴ 香港理工大学董浩云国际海事研究中心,香港 999077

收稿日期:2022-02-16 修回日期:2022-05-11 出版日期:2022-09-05 发布日期:2023-02-28
作者简介:
张浦哲 (1997—),男,江西乐平人,硕士研究生,主要研究方向为水路交通。E-mail: puzhezhang@whut.edu.cn。
吴兵,副研究员。
严新平,教授。
叶子良,副教授。
基金资助:
国家自然科学基金重点国际(地区)合作项目资助(51920105014); 国家自然科学基金面上项目资助(52071248); 湖北省自然科学基金面上项目资助(2021CFB312)

Safety analysis for remote control system of inland ships

ZHANG Puzhe¹^,²^,³(), WU Bing¹^,³, YAN Xinping¹^,²^,³, YIP Tszleung⁴

¹ Intelligent Transportation System Research Center, Wuhan University of Technology, Wuhan Hubei 430063, China
² School of Transportation and Logistics Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan Hubei 430063, China
³ National Engineering Research Center for Water Transport Safety, Wuhan University of Technology, Wuhan Hubei 430063, China
⁴ TUNG C Y International Centre for Maritime Studies, Hong Kong Polytechnic University, Hong Kong 999077, China

Received:2022-02-16 Revised:2022-05-11 Online:2022-09-05 Published:2023-02-28

摘要/Abstract

摘要：

为提高内河远程驾驶船舶航行安全,提出了面向不同自主水平(远程遥控和远程监督)、有无船员值守的内河船舶远程驾驶控制结构;采用系统理论过程分析(STPA)方法进行安全性分析,确定13种系统级危险,识别系统危险的47个不安全控制行为(UCA),设计缓解UCA的49个安全策略;并应用于汤逊湖7 m模型试验船远程驾驶控制系统的原型开发。结果表明:当远程驾驶船舶自主水平提高时,最高有效性安全策略数量将会提高,系统安全性将会提升;当有船员值守时,最高有效性安全策略会显著增加,系统安全性会增加但人员失误导致的风险也会增加。

关键词: 远程驾驶船舶, 系统理论过程分析(STPA), 安全控制结构, 安全策略, 不安全控制行为(UCA)

Abstract:

In order to improve navigation safety of inland remotely-controlled ships, a remote control structure was proposed for inland ships at different levels of autonomy (remote control and remote supervise) and manning on board, and safety analysis was carried out by using STPA approach. From such analysis, 13 types of system-level hazards were identified, 47 UCA were recognized, and 49 safety strategies were designed to mitigate UCA. Then, they were applied to prototype development for remote control system of 7 m model ship in Tangxun lake. The results indicate that when autonomy level of remotely-controlled ships is improved, number of effective safety strategies will increase, and system safety will be enhanced. And when there are crews on board, number of most effective safety strategies will increase significantly, and safety of system will increase, but risks caused by human errors will also grow.

Key words: remotely-controlled ship, system-theoretic process analysis (STPA), safety control structure, safety strategy, unsafe control actions(UCA)

张浦哲, 吴兵, 严新平, 叶子良. 内河船舶远程驾驶控制系统安全分析*[J]. 中国安全科学学报, 2022, 32(8): 126-132.

ZHANG Puzhe, WU Bing, YAN Xinping, YIP Tszleung. Safety analysis for remote control system of inland ships[J]. China Safety Science Journal, 2022, 32(8): 126-132.

图/表 12

表1

表2

表3

图1

表4

表5

续表5

图2

表6

图3

图4

表7

参考文献 16

[1]	刘智心, 初秀民, 郑茂, 等. 智能船舶船岸协同实验关键技术研究[J]. 交通信息与安全, 2020, 38(2): 63-70.
	LIU Zhixin, CHU Xiumin, ZHENG Mao, et al. A ship-to-shore cooperative simulation system for intelligent ship[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2020, 38(2): 63-70.
[2]	徐逸, 严新平, 高嵩. 船舶新能源系统监管平台关键技术[J]. 交通信息与安全, 2020, 38(5): 96-103.
	XU Yi, YAN Xinping, GAO Song. Key technologies of supervision platform of new-energy-systems for ships[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2020, 38(5): 96-103.
[3]	吴青, 王乐, 刘佳仑. 自主水面货船研究现状与展望[J]. 智能系统学报, 2019, 14(1): 57-70.
	WU Qing, WANG Le, LIU Jialun. Research status and prospects of autonomous surface cargo ships[J]. CAAI Transactions on Intelligent Systems, 2019, 14(1): 57-70.
[4]	严新平, 刘佳仑, 范爱龙, 等. 智能船舶技术发展与趋势简述[J]. 船舶工程, 2020, 42(3): 15-20.
[5]	严新平, 吴超, 马枫. 面向智能航行的货船"航行脑"概念设计[J]. 中国航海, 2017, 40(4): 95-98,136.
	YAN Xinping, WU Chao, MA Feng. Conceptual design of navigation brain system for intelligent cargo ship[J]. Navigation of China, 2017, 40(4): 95-98,136.
[6]	YOU Xu, MA Feng, LU Suli, et al. An integrated platform for the development of autonomous and remote-control ships[C]. 19^th Conference on Computer and IT Applications in the Maritime Industries (COMPIT 2020), 2020:316-327.
[7]	WROBEL K, MONTEWKA J, KUJALA P. System-theoretic approach to safety of remotely-controlled merchant vessel[J]. Ocean Engineering, 2018, 152(15): 334-345. doi: 10.1016/j.oceaneng.2018.01.020
[8]	VALDEZ B O A, KANNOS S, GOERLANDT F, et al. A systemic hazard analysis and management process for the concept design phase of an autonomous vessel[J]. Reliability Engineering & System Safety, 2019, 191:DOI: 10.1016/j.ress.2019.106584. doi: 10.1016/j.ress.2019.106584
[9]	CHAAL M, VALDEZ B O A, GLOMSRUD J A, et al. A framework to model the STPA hierarchical control structure of an autonomous ship[J]. Safety Science, 2020, 132: DOI: 10.1016/j.ssci.2020.104939. doi: 10.1016/j.ssci.2020.104939
[10]	VENTIKOS N P, CHMURSKI A, LOUZIS K. A systems-based application for autonomous vessels safety: Hazard identification as a function of increasing autonomy levels[J]. Safety Science, 2020, 131: DOI: 10.1016/j.ssci.2020.104919. doi: 10.1016/j.ssci.2020.104919
[11]	周翔宇, 吴兆麟, 王凤武, 等. 自主船舶的定义及其自主水平的界定[J]. 交通运输工程学报, 2019, 19(6): 149-162.
	ZHOU Xiangyu, WU Zhaolin, WANG Fengwu, et al. Definition of autonomous ship and its autonomy level[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2019, 19(6): 149-162.
[12]	FLEMING C H, LEVESON N G. Early concept development and safety analysis of future transportation systems[J]. IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, 2016, 17(12): 3512-3523. doi: 10.1109/TITS.2016.2561409
[13]	吴海涛, 黎双喜. 高铁应急调度STAMP/STPA安全性分析[J]. 中国安全科学学报, 2021, 31(6): 113-120. doi: 10.16265/j.cnki.issn 1003-3033.2021.06.015
	WU Haitao, LI Shuangxi. High-speed railway emergency dispatching safety analysis based on STAMP/STPA[J]. China Safety Science Journal, 2021, 31(6): 113-120. doi: 10.16265/j.cnki.issn 1003-3033.2021.06.015
[14]	ZHOU Xiangyu, LIU Zhengjiang, WANG Fengwu, et al. A system-theoretic approach to safety and security co-analysis of autonomous ships[J]. Ocean Engineering, 2021, 222: DOI: 10.1016/j.oceaneng.2021.108569. doi: 10.1016/j.oceaneng.2021.108569
[15]	王洁宁, 李保燊, 冀姗姗. 基于STPA和模糊BN的AIDC移交人误研究[J]. 中国安全科学学报, 2019, 29(9): 27-35. doi: 10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2019.09.005
	WANG Jiening, LI Baoshen, JI Shanshan. Study on human error in AIDC transfer based on STPA and fuzzy BN[J]. China Safety Science Journal, 2019, 29(9): 27-35. doi: 10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2019.09.005
[16]	孟祥坤, 陈国明, 张肖锦, 等. 深水井控STAMP/STPA安全性分析[J]. 中国石油大学学报:自然科学版, 2019, 43(2): 131-139.
	MENG Xiangkun, CHEN Guoming, ZHANG Xiaojin, et al. Safety analysis of deepwater well control based on STAMP /STPA[J]. Journal of China University of Petroleum, 2019, 43(2): 131-139.

自主水平		无船员在船	有船员在船
自主水平		B₀	B₁
A₀	人员控制	—	A₀-B₁
A₁	远程遥控	A₁-B₀	A₁-B₁
A₂	远程监督	A₂-B₀	A₂-B₁
A3	完全自主	A₃-B₀	A₃-B₁

序号	危险	关键控制行为
H₁	目标检测传感器故障	34,36
H₂	船舶导航设备故障	34,36,35
H₃	物理环境传感器故障	34,36
H₄	船舶机械设备故障	23,18,20,24,26
H₅	恶劣的气象和急流	1,34,36
H₆	船舶超载	14,13,15,37
H₇	货物移动	14,13
H₈	船舶进水	37,15
H₉	电气设备起火	26,27,29
H₁₀	船员意外引起火灾	37,15,13,30
H₁₁	船岸通信系统故障	4,5,9,10
H₁₂	虚拟船长故障	7,8,11,12,16,23,25,28,32,33
H₁₃	远程控制站故障	2,3,6,32,33

系统级事故	系统级危险
系统级事故	A₁	A₂
碰撞事故L₁	H₁,H₄
碰撞事故L₁	H₁₁,H₁₃	H₁₂
触碰事故L₂	H₁,H₂,H₃,H₄,H₅
触碰事故L₂	H₁₁,H₁₃	H₁₁,H₁₂
搁浅事故L₃	H₂,H₃,H₄,H₅
搁浅事故L₃	H₁₁,H₁₃	H₁₁,H₁₃
触礁事故L₄	H₂,H₃,H₄,H₅
触礁事故L₄	H₁₁,H₁₃	H₁₁,H₁₂
火灾和爆炸事故L₅	H₉,H₁₀
自沉事故L₆	H₆,H₇,H₈
风灾事故L₇	H₃,H₅
风灾事故L₇	—	H₁₁
浪损事故L₈	H₁,H₄
浪损事故L₈	H₁₁,H₁₃	H₁₂

危害	H₁₂虚拟船长故障
UCA	未提供控制行为		提供错误的控制行为
	U₁	虚拟船长故障,无法给出控制命令	U₃	虚拟船长接受到错误的数据信息
	U₂	虚拟船长没有接收到数据信息	U₄	虚拟船长给出错误控制命令
	控制行为时序错误		控制行为作用时间错误
	U₅	虚拟船长决策不及时	—
潜在原因	①虚拟船长系统架构错误;②系统算法/程序代码出错;③数据来源有误;④虚拟船长控制船舶指令不合理;⑤失电;⑥计算机设备过热或故障;⑦设备维护计划不合理;⑧系统更新不及时或出错;⑨黑客网络攻击;⑩人工智能自身发展的局限

有效性4	传感器系统冗余和多样性S₁	关键设备的冗余S₂	船员收到警报,及时处理故障或采取应急操作S₃	正确设置并遵守船舶操纵限制S₄	鲁棒性系统的设计S₅	船舶配备抗横倾系统S₆
	船体安全系统保持对船舶稳性的监测,超过船舶的限定时不允许离开码头S₇	在船上增加永久重量的情况下,要重新进行稳定性计算和测试S₈	设置双层船身与舱室S₉	全面的计划、测试和调试系统S₁₀	断路器及故障电流保护S₁₁	合理规划和建造管道系统S₁₂
	货物管理系统监测转载在船舶上的货物重量S₁₃		远程控制站接管,自主模式转换为遥控模式S₁₄		船上船员接管,自主模式转换为手动模式S₁₅

内河船舶远程驾驶控制系统安全分析*

Safety analysis for remote control system of inland ships

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有效性3	不间断电源S₁₆	合适的加热、冷却和清洁系统S₁₇		全面的计划、测试和调试设备S₁₈	适当和持续的维护计划S₁₉	辅助设备冗余S₂₀		接收外部气象数据S₂₁
	紧急驶向港口或锚地S₂₂	环境传感器保持对船舶周围物理环境的监测S₂₃		使用很少水或者不用水的消防系统S₂₄	良好的甲板排水系统S₂₅	禁止吸烟标志S₂₆		远程控制站监控船员活动区域S₂₇
	在船员活动区域内使用易燃及耐火材料S₂₈	具有干扰探测或抗干扰功能设备S₂₉		程序算法时间复杂度优化S₃₀	数据传输加密S₃₁	低延迟的通信方法S₃₂		统一系统时间传输S₃₃
	安保系统,防止黑客入侵S₃₄		集中远程驾控船员关注操作系统的注意力S₃₅		制定船舶系统手册和操作程序S₃₆		对远程驾控船员进行培训和评估S₃₇
有效性2	监测系统保持对设备完好性监控并持续故障诊断S₃₈	船舶当地定位系统和卫星定位系统的组合S₃₉		船体安全系统监测船舶稳性以及船舶六个自由度S₄₀	货物监控系统监控货物状态S₄₁	船体安全系统监测船舶水密性S₄₂		设置有效的舱底泵S₄₃
有效性2	乘客舱内的烟雾探测器和自动灭火系统S₄₄		设有自动及手动火警报警系统,直接与远程监察中心联络S₄₅		数据传输管理算法S₄₆		基于船舶数据集的船舶识别S₄₇
有效性1	船员收到警报,及时处理故障或采取应急操作S₃			S₄₈电气系统内自动灭火系统		船舶内火灾自动监测系统、报警系统以及灭火系统S₄₉

危害	H₁₂虚拟船长故障
自主水平	安全策略	有效性	安全策略	有效性	安全策略	有效性	安全策略	有效性	安全策略	有效性
A₂-B₀	S₅	4	S₁₀	4	S₁₄	4	S₁₆	3	S₁₇	3
A₂-B₀	S₁₉	3	S₂₀	3	S₃₀	3	S₃₄	3	S₃₈	2
A₂-B₁	S₁₅	4	—

驾控模式	系统级危害
驾控模式	H₁	H₂	H₃	H₄	H₅	H₆	H₇	H₈	H₉	H₁₀	H₁₁	H₁₂	H₁₃
A₂-B₁	8	9	7	5	6	3	5	8	8	7	11	10	0
A₂-B₀	7	8	6	4	5	3	3	6	6	0	11	9	0
A₁-B₁	8	9	7	5	6	3	5	8	8	7	11	0	12
A₁-B₀	7	8	6	4	5	3	3	6	6	0	11	0	11

[1]	吕旭飞, 姚尚宏, 权家乐. 基于STPA法的空中加油软管甩鞭安全性分析[J]. 中国安全科学学报, 2022, 32(2): 152-157.
[2]	肖国松, 刘嘉琛, 董磊, 孙紫荆, 赵长啸. 面向IMA通用系统管理的STPA安全性分析^*[J]. 中国安全科学学报, 2021, 31(9): 8-14.
[3]	李末, 燕飞, 牛儒, 宋晗炜, 王艳梅, 向楠楠. 基于安全指标监控的事故致因分析方法^*[J]. 中国安全科学学报, 2019, 29(S2): 35-40.
[4]	王洁宁, 李保燊, 冀姗姗. 基于STPA和模糊BN的AIDC移交人误研究[J]. 中国安全科学学报, 2019, 29(9): 27-35.
[5]	李京生, 赵林, 王阳, 孟亮. CRES的危害因素识别方法:以EETD为例[J]. 中国安全科学学报, 2019, 29(1): 106-111.
[6]	田仲富. 公钥基础设施(PKI)安全性研究[J]. 中国安全科学学报, 2009, 19(2): 116-.
[7]	徐文芹，赵艳萍，欧阳玉秀. 新形势下我国金融安全预警及安全策略[J]. 中国安全科学学报, 2004, 14(9): 34-.
[8]	李振福. 基于交通文化的交通安全策略[J]. 中国安全科学学报, 2004, 14(9): 64-.