海上核應(yīng)急通信系統(tǒng)設(shè)計

李翌陽，張 浩

(武漢第二船舶設(shè)計研究所，湖北 武漢 430064)

0 引 言

自19世紀(jì)發(fā)現(xiàn)放射性以來，核能與核技術(shù)利用得到快速發(fā)展。核電作為最安全、事故發(fā)生概率最低、事故傷亡人數(shù)最低的工業(yè)領(lǐng)域之一，已逐漸成為現(xiàn)代社會能源的重要組成部分。在國家建設(shè)海洋強國、調(diào)整海洋能源結(jié)構(gòu)、維護(hù)海洋主權(quán)的戰(zhàn)略背景下，核電由陸上核電站向海上發(fā)展。目前已開展的技術(shù)研發(fā)有海洋核動力平臺、小型核反應(yīng)堆等。

在發(fā)展海上核能的同時，也應(yīng)逐步建立并完善海上核應(yīng)急體系。海上核應(yīng)急通信系統(tǒng)作為海上核應(yīng)急的基礎(chǔ)保障，目前沒有適用的通信系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范。國際海上浮動核電站標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范基本處于空白[1]?！逗穗姀S核事故應(yīng)急管理條例》《國家核應(yīng)急預(yù)案》偏重于陸上核應(yīng)急工作，對如何做好海上核應(yīng)急工作沒有詳細(xì)規(guī)定[2]。在對海核動力平臺安全監(jiān)督的探討中，提出需要加快國內(nèi)相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的補充建設(shè)[3]。構(gòu)建海上核應(yīng)急通信系統(tǒng)，對保障應(yīng)急處置部門、海上浮動核電站及其附近船舶等海上設(shè)施應(yīng)對海上核事故及國內(nèi)相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的完善具有重要意義。

1 海上核應(yīng)急通信需求

海上核應(yīng)急通信作為海上核應(yīng)急的重要組成部分，為保障應(yīng)急處置部門、海上浮動核電站及其附近船舶等海上設(shè)施應(yīng)對海上核事故的而提供的快速響應(yīng)的通信機制。海上核應(yīng)急通信需求如表1所示。

表1 海上核應(yīng)急通信需求Tab.1 Demand for nuclear emergency communication at sea

2 設(shè)計參考標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范分析

目前沒有適用的海上核應(yīng)急通信系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范，需結(jié)合船舶和陸上核電站相關(guān)規(guī)定及設(shè)計規(guī)范，研究滿足海上核應(yīng)急通信需求的通信系統(tǒng)。

2.1 核動力廠設(shè)計安全規(guī)定（HAF102-2016）

根據(jù)對核動力廠通信系統(tǒng)設(shè)計的規(guī)定，要求在整個核動力廠范圍內(nèi)設(shè)置有效的通信手段，以有助于所有正常運行模式下的安全運行，并在所有假設(shè)始發(fā)事件后和在事故工況下可用。設(shè)置適當(dāng)?shù)木瘓笙到y(tǒng)和通信手段，以便在各種運行狀態(tài)和事故工況下，所有在核動力廠現(xiàn)場和廠區(qū)的人員都能得到警報和指令。通信手段需多樣化，以滿足核動力廠范圍內(nèi)、毗鄰區(qū)域和相關(guān)場外機構(gòu)通信需求[4]。

HAF102-2016對核動力廠通信系統(tǒng)通信手段有效性、具備通信和警報功能及通信手段多樣化的要求，海上核應(yīng)急通信系統(tǒng)也應(yīng)滿足。

2.2 核電廠通信設(shè)計規(guī)范（NB/T 20263-2014）

規(guī)定要求核電廠通信設(shè)計應(yīng)滿足核電廠相關(guān)要求，具有冗余性、多樣性，應(yīng)經(jīng)過必要的安全分析，保證在任何工況下有可用的通信手段。核電廠通信包括但不限于行政電話系統(tǒng)、安全電話系統(tǒng)、對講電話系統(tǒng)、調(diào)度電話系統(tǒng)、無線電話系統(tǒng)、聲力電話系統(tǒng)、綜合布線系統(tǒng)、警報系統(tǒng)、有線廣播系統(tǒng)、時鐘系統(tǒng)[5]。

規(guī)范要求的行政電話、安全電話、對講電話、無線電話、聲力電話主要完成核電廠內(nèi)部通信聯(lián)絡(luò)的功能，各系統(tǒng)相互獨立。警報系統(tǒng)和有線廣播系統(tǒng)完成報警和信息發(fā)布功能，綜合布線系統(tǒng)支持核電廠語音、數(shù)據(jù)、圖像、多媒體業(yè)務(wù)等信息的傳遞，時鐘系統(tǒng)對核電廠統(tǒng)一授時，海上核應(yīng)急通信內(nèi)部通信系統(tǒng)設(shè)計時可配置以上系統(tǒng)。電力調(diào)度電話系統(tǒng)用于核電廠內(nèi)電力調(diào)度通信并與網(wǎng)調(diào)、省調(diào)、廠外變電所建立中繼通信，由于海上浮動核電站遠(yuǎn)離陸地，其電話系統(tǒng)難以接入公眾電話網(wǎng)，無法通過電話進(jìn)行對外電力調(diào)度通信，廠內(nèi)電力調(diào)度通信可通過已配置的電話系統(tǒng)進(jìn)行，故設(shè)計時無需配置調(diào)度電話系統(tǒng)。

在對外通信方面，規(guī)范要求在發(fā)生設(shè)計基準(zhǔn)事故、外部事件及其他事故時，保證至少有一種通信手段能實現(xiàn)對外通信；行政電話可授權(quán)一些電話分機與公網(wǎng)直接通信，同時應(yīng)急指揮中心設(shè)置衛(wèi)星電話保證對外應(yīng)急通信的可靠性。海上核應(yīng)急通信對外通信難以通過公眾電話網(wǎng)實現(xiàn)，在進(jìn)行設(shè)計時需配置其他手段進(jìn)行對外通信。

2.3 國際海上人命安全公約（SOLAS）

為保障海上人命和財產(chǎn)的安全，國際海事組織（IMO）一直致力于海上無線電通信系統(tǒng)的改善和發(fā)展。經(jīng)過相關(guān)國際組織的協(xié)調(diào)，1986年12月定名的全球海上遇險與安全系統(tǒng)（Global Maritime Distress and Safety System, GMDSS）在 1988年 11月通過的《1974年SOLAS公約1988年修正案》第Ⅳ章以法律形式通過。GMDSS使用的通信系統(tǒng)有衛(wèi)星通信系統(tǒng)和地面通信系統(tǒng)，衛(wèi)星通信系統(tǒng)包括INMARSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)和COSPAS/SARSAT系統(tǒng)，地面無線電通信系統(tǒng)包括中頻（MF）、高頻（HF）和甚高頻（VHF）系統(tǒng)[6]。船舶GMDSS設(shè)備的根據(jù)船舶航行的海區(qū)進(jìn)行配備[7]。

GMDSS將航行船舶、衛(wèi)星和岸上搜救機構(gòu)連成一體，保障船舶對岸、船舶對船舶、岸對船舶的全海域遇險報警。一旦船舶遇險，能夠立即向岸上搜救機構(gòu)和附近航行船舶發(fā)送遇險信息，以及時獲得救助。海上核應(yīng)急通信系統(tǒng)對外通信設(shè)計時，可參照SOLAS公約，根據(jù)海上浮動核電站工作的海區(qū)，配置不同GMDSS設(shè)備，實現(xiàn)核應(yīng)急時對岸上應(yīng)急機構(gòu)和附近船舶的對外通信。

2.4 鋼質(zhì)海船入級規(guī)范，2015

根據(jù)對船內(nèi)通信系統(tǒng)的要求，船內(nèi)通信系統(tǒng)包括主機傳令鐘系統(tǒng)、重要電話系統(tǒng)、輪機員報警系統(tǒng)。規(guī)范對船內(nèi)通信系統(tǒng)的要求主要保證駕駛部和輪機部以及兩者之間的通信聯(lián)絡(luò)，滿足船舶航行時的通信需求。海上浮動核電站的主要功能非海上航行，無駕駛室、機器控制室等艙室，不具備自主航行能力，主機傳令鐘系統(tǒng)及輪機員報警系統(tǒng)無設(shè)置意義。重要電話系統(tǒng)的聯(lián)絡(luò)功能可由《核電廠通信設(shè)計規(guī)范》要求的電話系統(tǒng)實現(xiàn)。

3 應(yīng)急組織機構(gòu)及通信技術(shù)

3.1 應(yīng)急組織機構(gòu)

我國海上安全和陸上核電站均有獨立的監(jiān)管機構(gòu)及應(yīng)急組織機構(gòu)。在監(jiān)管機構(gòu)上，中華人民共和國海事局負(fù)責(zé)行使國家水上安全監(jiān)督等管理職能，下設(shè)直屬海事局及省級地方海事機構(gòu)。國務(wù)院核安全監(jiān)督管理部門負(fù)責(zé)核安全監(jiān)督管理，國務(wù)院核工業(yè)主管部門、能源主管部門和其他有關(guān)部門在各自職責(zé)范圍內(nèi)負(fù)責(zé)有關(guān)的核安全管理工作[8]。

在應(yīng)急組織機構(gòu)上，我國海上搜救應(yīng)急反應(yīng)組織機構(gòu)分為中國海上搜救中心、在省（市）政府領(lǐng)導(dǎo)下的省級海上搜救機構(gòu)、省級搜救機構(gòu)領(lǐng)導(dǎo)下的地市級海上搜救分中心三級。國務(wù)院、軍隊各部門負(fù)責(zé)按部際聯(lián)席會議的要求，組織本部門所屬力量參與海上搜救工作；相關(guān)咨詢機構(gòu)為海上搜救提供技術(shù)、信息支持[9]。核事故應(yīng)急實行國家級、地方（省、自治區(qū)、直轄市）政府級及核設(shè)施營運單位三級管理，國家設(shè)立核事故應(yīng)急協(xié)調(diào)委員會，省、自治區(qū)、直轄市人民政府根據(jù)需要設(shè)立核事故應(yīng)急協(xié)調(diào)委員會，核設(shè)施營運單位負(fù)責(zé)制定本單位場內(nèi)核事故應(yīng)急預(yù)案。中國人民解放軍和中國人民武裝警察部隊按照國務(wù)院、中央軍事委員會的規(guī)定，支援地方的核事故應(yīng)急工作[8]。

3.2 核電站應(yīng)急通信

核電廠具備多種類型的通信子系統(tǒng)，系統(tǒng)間相互獨立，其中直通電話、安全電話系統(tǒng)、警報系統(tǒng)、尋呼系統(tǒng)和衛(wèi)星電話為專設(shè)應(yīng)急通信系統(tǒng)，也用于常規(guī)通信；行政電話系統(tǒng)、電力調(diào)度電話系統(tǒng)、有線廣播系統(tǒng)、對講電話系統(tǒng)、聲力電話系統(tǒng)、無線電話系統(tǒng)和綜合布線系統(tǒng)為常規(guī)通信系統(tǒng)，兼具應(yīng)急通信功能[10]?？紤]到通信子系統(tǒng)設(shè)備型號、復(fù)雜、不統(tǒng)一，存在各類通信手段不能實現(xiàn)互聯(lián)互通的問題，已有研究提出核電站采用高效統(tǒng)一的智能應(yīng)急通信指揮系統(tǒng)平臺，該平臺除了能夠接入既有的核電站通信子系統(tǒng)外，還具有獨立的通信設(shè)備，能夠在不依賴核電站內(nèi)既有的基礎(chǔ)設(shè)施的條件下獨立工作，具備既有系統(tǒng)的接入、衛(wèi)星鏈路、錄音、操作界面統(tǒng)一、無線數(shù)據(jù)通信、遠(yuǎn)端接入和異地部署等功能[11]。

3.3 海上應(yīng)急通信技術(shù)

受環(huán)境條件的限制，海上信息傳輸?shù)闹饕侄问切l(wèi)星通信，國外的海上通信主要有國際海事衛(wèi)星（Inmarsat）通信系統(tǒng)和以銥星及其二代系統(tǒng)、全球星系統(tǒng)為代表的地軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)。我國沒有專門用于保障海洋應(yīng)急通信的網(wǎng)絡(luò)，主要依靠近岸移動通信網(wǎng)絡(luò)、短波/超短波電臺、國家現(xiàn)有衛(wèi)星通信系統(tǒng)以及租用國外還是衛(wèi)星等技術(shù)進(jìn)行。目前，近海海域可通過Inmarsat、銥星、甚高頻（VHF）、船舶交通管理系統(tǒng)（VTS）、船舶自動識別系統(tǒng)（AIS）等通信手段，離岸30 km以外海域只能依靠Inmarsat、銥星等通信手段[12]。國內(nèi)海上應(yīng)急通信技術(shù)研究還有基于船載移動基站的海上搜救應(yīng)用示范系統(tǒng)研究，通過甚小天線地球站（VSAT）衛(wèi)星通信系統(tǒng)實現(xiàn)與陸地移動網(wǎng)絡(luò)的對接，達(dá)到海上定位和搜救的目的。此外，VSAT具有靈活性強、可靠性高、使用方便及小站可直接安裝在用戶端等優(yōu)點，在船岸信息交流、互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)、遠(yuǎn)程技術(shù)指導(dǎo)、視頻傳輸?shù)确矫婢哂芯薮蟮膽?yīng)用潛力[13]。

4 海上核應(yīng)急通信系統(tǒng)設(shè)計

海上基礎(chǔ)通信設(shè)施缺乏、工況環(huán)境惡劣，無法搭建可靠的專線通訊鏈路，也難以利用現(xiàn)有的發(fā)達(dá)公眾通訊網(wǎng)絡(luò)，在應(yīng)急工況下主要依靠自身配備的通信手段來完成事故上報和救援指揮。根據(jù)對設(shè)計可參考標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的分析，海上核應(yīng)急通信系統(tǒng)內(nèi)部通信可依據(jù)《核電廠通信設(shè)計規(guī)范》進(jìn)行設(shè)計，外部通信依據(jù)GMDSS進(jìn)行設(shè)計，并根據(jù)海上浮動核電站實際情況對設(shè)備進(jìn)行剪裁。

從設(shè)施平面、能力平面和保障平面設(shè)計海上核應(yīng)急通信系統(tǒng)。設(shè)施平面指海上核應(yīng)急通信設(shè)備，能力平面包括多種設(shè)備應(yīng)具備的應(yīng)急通信能力，保障平面體現(xiàn)海上核應(yīng)急通信的管理相關(guān)性。海上核應(yīng)急通信參考模型如圖1所示。

4.1 設(shè)施平面

海上核應(yīng)急通信手段主要有以下幾類：

1）海上浮動核電站內(nèi)部通信設(shè)備

內(nèi)部通信設(shè)備有電話系統(tǒng)、警報系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)，綜合布線系統(tǒng)、時鐘系統(tǒng)。電話系統(tǒng)包括行政電話、安全電話、聲力電話、無線電話、對講電話，其功能與《核電廠通信設(shè)計規(guī)范》要求的功能一致。

2）無線電通信設(shè)備

無線電通信設(shè)備包括甚高頻無線電話（VHF）、中頻無線電裝置（MF）、中/高頻無線電裝置（MF/HF）、自動識別系統(tǒng)（AIS）、奈伏泰斯接收設(shè)備（NAVTEX）。

對于A1海區(qū)的海上浮動核電站，使用VHF可實現(xiàn)核設(shè)施、岸間的無線電通信；同時VHF通信是核電站與船舶現(xiàn)場通信的主要方式。MF可實現(xiàn)A2海區(qū)海上浮動核電站與岸間的無線電話通信，2 182 kHz是無線電話遇險與安全通信頻率，也用作非遇險情況下日常無線電話呼叫與應(yīng)答。MF/HF用于海上浮動核電站/岸，海上浮動核電站/船的中距離和遠(yuǎn)距離遇險報警和遇險通信，緊急呼叫和緊急通信，安全呼叫和安全通信，日常呼叫和日常通信。AIS自發(fā)、連續(xù)向周邊傳至和岸基廣播式發(fā)送浮動核電站的身份信息、船位等安全信息，同時自發(fā)、不斷接收周邊船舶發(fā)送的相關(guān)信息。NAVTEX向近海域（A1和A2海區(qū)）的核設(shè)施廣播海上安全信息（MSI）。

3）衛(wèi)星通信設(shè)備

衛(wèi)星通信設(shè)備包括海事衛(wèi)星系統(tǒng)的Inmarsat船舶地面站（SES）、用于海上安全信息（MSI）接收的增強群呼接收設(shè)備（EGC）、VSAT。

Inmarsat的SES（向衛(wèi)星）發(fā)射和接收（來自衛(wèi)星）的信號，通過配置的終端設(shè)備（電話機、傳真機、電傳機及計算機等）實現(xiàn)所需的（電話、傳真、電傳及數(shù)據(jù)等）通信。INMARSAT-C EGC系統(tǒng)向遠(yuǎn)海域（A3海區(qū)）的核設(shè)施提供MSI的播發(fā)。VSAT在海上核應(yīng)急通信中，可提供語音電話、高帶寬的數(shù)據(jù)傳輸、岸方遙控指揮及傳輸決策語音視頻信息等功能。

4）遇險救生通信設(shè)備

遇險救生通信設(shè)備包括緊急無線電示位標(biāo)（EPIRB）、搜救雷達(dá)應(yīng)答器（SART）、救生艇筏雙向甚高頻無線電話（TWO-WAY VHF）。

海上浮動核電站遇險時，可以手動或自動啟用EPIRB，通過低極軌道衛(wèi)星向陸上搜救協(xié)調(diào)中心發(fā)送遇險報警。SART工作在9 GHz頻段，與救助船或救助飛機上的X波段導(dǎo)航雷達(dá)構(gòu)成示位系統(tǒng)，發(fā)射示位信號。TWO-WAY VHF主要用于救生艇筏之間、救生艇筏與海上浮動核電站之間，以及救生艇筏與救助單位之間的現(xiàn)場通信。

5）陸上通信網(wǎng)

在海上核應(yīng)急中，國務(wù)院指定的部門、省級人民政府指定的部門和海上浮動核電站的核事故應(yīng)急機構(gòu)應(yīng)具有相互之間快速可靠的通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)。陸上核應(yīng)急相關(guān)部門間通過陸上通信網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)絡(luò)，應(yīng)準(zhǔn)備好應(yīng)急期間使用的附加電話、無線電、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備或其他通信網(wǎng)。

4.2 能力平面

能力平面體現(xiàn)設(shè)施平面不同設(shè)備所應(yīng)具備的共同應(yīng)急通信屬性。海上核應(yīng)急通信系統(tǒng)應(yīng)具備足夠的通信容量、通信手段多樣性，確保應(yīng)急狀態(tài)的可運行性。

1）多重性

多重性是為完成一項特定功能而采用多余最少套數(shù)的設(shè)備。在滿足多重性原則的條件下，至少一套設(shè)備出現(xiàn)故障或失效，不會導(dǎo)致功能的喪失。海上核應(yīng)急系統(tǒng)應(yīng)對設(shè)備進(jìn)行冗余備份，在出現(xiàn)單套設(shè)備故障的情況下，系統(tǒng)的通信能力不受影響。

2）多樣性

多樣性指為了執(zhí)行同一功能，采用多套不同類型的設(shè)備，減少單套設(shè)備故障導(dǎo)致系統(tǒng)功能喪失的可能性，從而提高系統(tǒng)的可靠性。受海上自然環(huán)境制約，對外通信基本以無線通信為主。海上核應(yīng)急通信必須包括多種無線通信手段，如衛(wèi)星通信、短波/超短波通信等。

3）獨立性

為提高系統(tǒng)的可靠性，系統(tǒng)各設(shè)備間應(yīng)保持獨立性。在系統(tǒng)設(shè)計中，應(yīng)采用功能隔離或?qū)嶓w分隔來實現(xiàn)。如無線電臺、衛(wèi)星船站等設(shè)備，在布置時應(yīng)充分考慮不同設(shè)備天線的安裝布置要求，避免相互之間的干擾。

4.3 保障平面

海上核應(yīng)急通信系統(tǒng)具有通信手段多樣、所涉及的通信對象廣等特點，保障平面包括影響海上核應(yīng)急通信系統(tǒng)能力充分發(fā)揮作用的關(guān)鍵因素，主要包括法律體系、組織體系、應(yīng)急預(yù)案等。

1）法律體系

將現(xiàn)有法律體系按法律效力分為3個層級，如圖2所示。

2）組織體系

根據(jù)目前海上安全管理和核電站監(jiān)管現(xiàn)狀，海上核應(yīng)急可能涉及的機構(gòu)有：海事部門、國務(wù)院核安全監(jiān)督管理部門、核工業(yè)主管部門、能源主管部門、中國海上搜救中心、省級海上搜救機構(gòu)、地市級海上搜救分中心、國家級和地方政府級核事故應(yīng)急協(xié)調(diào)委員會、核設(shè)施營運單位及軍隊等。海上核應(yīng)急通信涉及多個部門，包括海洋、海事、航道、救撈、核安全監(jiān)管、運輸、醫(yī)療等，應(yīng)急處置需要多方協(xié)同進(jìn)行，各部門需深度互聯(lián)互通。

3）應(yīng)急預(yù)案

應(yīng)急預(yù)案體系包括《國家核應(yīng)急預(yù)案》、省級政府編制的場外應(yīng)急計劃（預(yù)案）、營運單位編制的場內(nèi)應(yīng)急計劃（預(yù)案）。

5 結(jié) 語

目前無海上核應(yīng)急通信系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范，本文以海上核應(yīng)急通信需求的基礎(chǔ)上，分析《核動力廠設(shè)計安全規(guī)定》《核電廠通信設(shè)計規(guī)范》對核電廠通信能力及通信設(shè)備的設(shè)計要求和《國際海上人命安全公約》《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》對船舶GMDSS設(shè)備及船內(nèi)通信系統(tǒng)要求，結(jié)合海上安全和陸上核電站應(yīng)急組織機構(gòu)、應(yīng)急通信技術(shù)，從設(shè)施平面、能力平面、保障平面設(shè)計海上核應(yīng)急通信系統(tǒng)。內(nèi)部通信設(shè)施依據(jù)《核電廠通信設(shè)計規(guī)范》進(jìn)行設(shè)計，外部通信參照GMDSS進(jìn)行設(shè)計，并根據(jù)海上浮動核電站實際情況對設(shè)備進(jìn)行剪裁。通信能力應(yīng)滿足核電設(shè)計的多重性、多樣性、獨立性要求。法律法規(guī)、組織體系、應(yīng)急預(yù)案為核應(yīng)急通信能力的發(fā)揮提供保障。隨著相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的補充建設(shè)，海上核應(yīng)急通信系統(tǒng)的設(shè)計將逐步規(guī)范化。