Planificación y desarrollo de funciones de seguridad para la prevención de colisiones en la mar

Abstract

Los principales riesgos del transporte marítimo, responsable de más del 90% del total del transporte mundial, están vinculados a los accidentes. Las colisiones son uno de los tipos de siniestros más frecuentes, y que generan mayores daños a las personas, a los bienes y al medio ambiente. Entre los factores que más contribuyen a las colisiones entre buques se encuentran las acciones humanas erróneas: fallos en la supervisión (en la vigilancia o en la adopción de medidas evasivas tempranas), incorrecta interpretación del Reglamento Internacional para la Prevención de Abordajes (COLREGs) y falta de comunicación entre los buques afectados. Ello indica la conveniencia de desarrollar un sistema de prevención de colisiones orientado a los operadores encargados de la maniobra a bordo, los oficiales de guardia de navegación (OONWs, Officers Of a Navigational Watch). Un buque moderno está equipado con dispositivos y sistemas avanzados que proporcionan información al operador respecto al buque propio y a los buques próximos. Por ejemplo, valores medidos mediante GPS (Global Positioning System) o INS (Inertial Navigation System), datos de obstáculos captados por el ARPA (Automatic RADAR (RAdio Detection And Ranging) Plotting Aid) y valores estáticos y dinámicos recibidos vía AIS (Automatic Identification System). Esta información puede ser tratada y presentada de forma que facilite a los OONWs la toma de decisiones. Se puede calcular y mostrar, con un adecuado HMI (Human Machine Interface), la distancia, demora, CPA (Closest Point of Approach) y TCPA (Time to CPA) de cada buque próximo (target o blanco), e indicar las posibles maniobras a realizar, ayudando así a reducir la probabilidad de accidentes por colisiones debidos al error humano. El sistema que se desarrolla en esta tesis se plantea, precisamente, para reducir el riesgo de colisión entre dos buques, el buque propio y cada uno de N blancos (casos 1-1, 1-N). Además de ayudar a los operadores en la toma de decisiones, la información mencionada puede utilizarse en sistemas autónomos (buques no tripulados): en lugar de informar al OONW, el sistema PE (Programable Electrónico) calcularía y enviaría las señales de consigna (rumbo y velocidad) correspondientes a las maniobras a realizar al nuevo sistema de control encargado de que dichas maniobras sean automáticas, sin intervención del operador. Esta tesis se centra en el primer caso: sistemas con operador humano. Posteriormente se podrá estudiar su ampliación y adaptación para el caso de buques no tripulados. Se desarrolla un sistema E/E/PE (Eléctrico, Electrónico, Programable Electrónico) relacionado con la seguridad que proporciona a dos buques en riesgo de colisión las instrucciones correctas y coordinadas de las maniobras a realizar. El desarrollo del sistema se apoya en normativas sobre seguridad funcional. Éstas proporcionan requisitos y planteamientos aplicables en la implementación de los sistemas (hardware + software) empleados para la reducción de la probabilidad de accidentes o fallos. Se han definido funciones de seguridad destinadas a reducir los riesgos del EUC (Equipment Under Control) con respecto a un evento peligroso específico. En este caso el EUC es el buque o conjunto de buques, y el evento peligroso principal se dará cuando se detecte que el CPA entre el buque propio y otro buque es menor que una distancia de seguridad dada. Las funciones de seguridad que se desarrollan están orientadas a disminuir la probabilidad de errores de los OONWs en la detección de estas situaciones peligrosas y en las decisiones sobre las maniobras. El sistema E/E/PE no debe alterar el funcionamiento normal del EUC, ni otras medidas de seguridad implantadas. El hardware propuesto y requerido en cada buque es: - 1 PLC (Programmable Logic Controller) como sistema PE encargado de los cálculos y diálogos entre buques. - 1 AIS, para adquisición de datos y como canal de comunicaciones. - 1 ordenador, para la interfaz con el operador y el almacenamiento de la información en una base de datos. En función de los datos estáticos y dinámicos recibidos desde el AIS, el PLC de cada buque calcula distancias, demoras, CPA y TCPA con relación al resto de buques próximos y las maniobras a realizar basándose en las reglas COLREGs. Los PLCs se comunican enviando y recibiendo los datos de las maniobras y las señales de los OONWs, comparan los resultados de los cálculos de cada uno y llegan a decisiones comunes o bien comunican los desacuerdos. Las comunicaciones conllevan diálogo entre los buques (entre los sistemas PE) y acuerdos en 2 niveles: Nivel 1: Acuerdos entre los sistemas PE con respecto a la información recibida y procesada. El sistema PE de un buque comunica, al sistema PE de cada uno de los buques que estén próximos, la información que tiene disponible relacionada con el mismo. Cada buque compara la información recibida con la propia. Si hay diferencias entre los datos que manejan, avisan a los OONWs. Este intercambio de información permite detectar posibles errores en la captación de datos, y verificar que todos disponen de la misma información. Nivel 2: Acuerdos entre operadores. Si se cumplen los acuerdos del nivel 1, el sistema PE de cada buque se encarga de informar a su operador de las posibles maniobras a realizar (calculadas a partir de la información disponible), de solicitar al operador la decisión respecto a la maniobra a realizar, de comunicar esta decisión al sistema PE del otro buque implicado, de comunicar al operador propio la decisión del operador de dicho buque, y de que la decisión final sea correcta y esté consensuada. Para determinar la propuesta de maniobra, se ha realizado un análisis de todos los posibles escenarios y situaciones según COLREGs, que es el marco legal actual que define las reglas de rumbo y gobierno que deben aplicarse para evitar situaciones críticas que puedan derivar en colisión. Se han definido los mensajes para la información y acuerdos entre los OONWs que incluyen todos los escenarios y situaciones. Con mensajes estandarizados sin ambigüedades se pueden evitar algunos problemas, como los derivados de una comunicación errónea debida a la falta de un lenguaje común o a un limitado dominio del inglés. Se han desarrollado dos versiones del modelo: un Modelo Básico para el chequeo del cálculo de situaciones y reglas a aplicar, y un Modelo Completo, en el que se añaden los diálogos, acuerdos y secuencias de estados en la comunicación entre buques. En el primero se utiliza un solo PLC (real o simulado), para el buque propio, y se definen una serie de buques próximos. En el segundo, fase previa del prototipo final, se utilizan varios PLCs, uno por buque. En cada PLC se lanza una copia del programa, con los datos de su buque. Como plataforma de desarrollo software de los modelos se ha utilizado en primer lugar CoDeSys, herramienta de programación de PLCs según la norma IEC 61131-3, que es independiente del hardware. También se ha realizado una implementación con la herramienta software PCWorX, que ha permitido chequear los programas en PLCs reales, en concreto de la serie ILC de Phoenix Contact. Las comunicaciones de los mensajes AIS entre los buques se han simulado mediante comunicaciones OPC (Open Platform Communications). Se trata de una simulación simple, pero suficiente para hacer las pruebas sin disponer de equipos AIS reales. El desarrollo de los modelos de la simulación del movimiento y velocidad de una embarcación se ha hecho siguiendo la norma UNE-EN ISO 11674:2002, Embarcaciones y tecnología marina. Sistemas de control de rumbo. Anexo A: Simulador de movimiento de la embarcación . Se han realizado múltiples pruebas de verificación de la lógica del programa hasta su exhaustiva depuración. La principal novedad aportada por esta tesis radica en que el sistema planteado permite que los OONWs conozcan de antemano si están de acuerdo o no en las maniobras a realizar y actúen en consecuencia. La posibilidad de compartir y contrastar esta información ayuda a tomar decisiones de forma coherente. Si hay discrepancia, se pueden aumentar los márgenes de seguridad y, en caso de litigio, se puede identificar la decisión errónea. El sistema puede actuar como un medio disponible para que un buque mantenga una vigilancia adecuada, y proporciona una evaluación de la situación y del riesgo de colisión, en apoyo de la regla 5 del COLREG: Todos los buques mantendrán en todo momento una eficaz vigilancia visual y auditiva, utilizando asimismo todos los medios disponibles que sean apropiados a las circunstancias y condiciones del momento, para evaluar plenamente la situación y el riesgo de abordaje . Se han propuesto ampliaciones al trabajo desarrollado, a corto, medio y largo plazo: - A corto plazo, incorporación de AIS clase A, mejoras en el HMI y pruebas en entornos reales para completar y validar el prototipo desarrollado. - A medio plazo, realización de estudios sobre características dinámicas de los buques (curvas de evolución, parámetros de seguridad, etc), e incorporación de las correspondientes mejoras en el software. - A largo plazo, análisis de la aplicabilidad y posibles soluciones para escenarios con riesgos de colisiones múltiples (casos N-N).