提升航道綜合監控系統智能化水平研究

施勁松 韓然

摘要：文章以廣西內河水系數字航道綜合監控系統為研究對象，闡述其主要功能及工作原理，并從航標監控終端（RTU）、航標遙控遙測系統以及其他系統部件等方面提出智能化功能升級措施，以此提升當地航道事業智能化的發展水平。

關鍵詞：航道;航標遙測遙控系統;航標監控終端;RTU;智能化

0 引言

廣西內河水系航道綜合監控系統應用至今已有十余載，暴露出了不少問題和短板，這些同時也是航道信息化向智能化提升過程中必須解決的問題。交通運輸部發布的《交通運輸信息化標體系（2019）》“編制原則”中關于“先進性原則”，提出“體系的制定”是為了“促進云計算、大數據、物聯網、移動互聯網、人工智能等信息技術在交通運輸行業的創新應用和發展”。由此看來，從行業發展角度和深化廣西航道信息化建設角度，深化智能交通建設，勢在必行。就廣西航道高質量發展而言，能否解決內河水系航道綜合監控系統暴露出來的問題，補上短板，直接影響廣西航道智能化水平的提升。

1 數字航道綜合監控系統主要功能

廣西內河水系數字航道綜合監控系統，是基于航道GIS系統（數字航道）、數據庫技術、GPS技術、通信技術等的應用系統，最終實現對航標狀態進行全天候遠程監控。該系統主要功能是航標遙測遙控和水位監測，其中航標遙測遙控是最重要的功能。

航標遙測遙控系統主要包含監控平臺端、航標監控終端（RTU）、航標定位差分站、航標設施（太陽能充電板、堿性浮式充電電池、鋰電池、智能LED航標燈等）等部分[1]。監控平臺端，即航標遙測遙控系統用戶端，是使用計算機通過網絡訪問航標遙測遙控系統服務器，對航標信息進行查詢和編輯的部分。航標監控終端（RTU），是航標數據采集與接收的重要設備，包括以CPU處理器為中心的控制電路RTU（RemoteTerminalUnited即遠程終端單元）單元、與航標燈器之間通信接口、GSM/GPRS無線通信模塊、GPS定位模塊和電源控制模塊，可收集航標運行狀態數據（電源電壓、電流，太陽能板充電電流、電壓，航標燈器運行電流、電壓、燈質、日光閥值，GPS衛星數據等），并將數據通過移動網絡發送至數據庫[2]。最后計算機對接收到的航標數據進行處理，實現使用者對航標實時數據的查詢、編輯。圖1為航標數據傳輸流程。

水位監測是由水位自動測量設備（有壓力式和雷達式兩種）和水位監控終端組成。

2 工作原理

航標遙測遙控系統主要由航標數據采集系統、無線通信網絡系統和客戶端實時監控系統等三個子系統組成。安裝在航標上的航標監控終端，自動采集航標實時運行數據，并通過無線信號（主要以GPRS方式）定時向系統服務器發送航標狀態信息，服務器對航標數據進行處理，通過網絡為客戶提供實時顯示和查詢，客戶通過顯示和查詢結果，對航標進行實時監控，及時排除航標異常報警，根據需要對航標終端參數進行遠程調整設置。

3 數字航道綜合監控系統功能提升分析與研究

隨著科技發展，航標監控終端（RTU）向類似智能化發展成為必然趨勢，智能顯示與數據智能分析在航標監控系統中是需要補強的“短板”之一。

3.1 航標監控終端（RTU）功能提升分析與研究

3.1.1 RTU新增AIS功能

把航標數據接入海事部門AIS系統，可以減少航標被船舶碰撞的概率，有效加強對航標的保護。據統計，近年來航標因船舶碰撞造成的失常次數呈現逐年遞增的趨勢，且夜間被碰的概率更大。航標被碰失常，既影響水上交通安全，可能會發生偏航、擱淺的海損事故，造成巨大經濟損失，又會加大航標器材損耗，大大增加了航標維護的成本。因此，將航標的定位信息顯示在AIS系統里，船舶航行中（特別是霧天、雨天）就可以通過AIS系統及時了解航標動態，當船舶靠近航標時系統將發出警報，有效避免航標被碰撞。另外，通過AIS系統，對非特定環境下（霧天、雨天、大風等）碰撞航標的行為船舶進行責任追究，提高船舶駕駛員保護航標設施的意識。

3.1.2 航標遙控遙測的數據傳輸模式升級

航標監控終端的數據傳輸模式當前為GPRS，使用傳統手機卡。GPRS是比較落后的數據傳輸方式，傳輸信號差，且手機卡開卡受限。隨著4G信號的普及，GPRS信號已經不再適用。航標監控數據傳輸信號在延用手機卡的情況下，應該升級至4G信號傳輸監控數據，保證了數據傳輸及時性，才能做到監控數據實時更新，縮小數據采集端和監控端之間信息時差。此外還可以采用最新的物聯網技術，用物聯卡代替手機卡，物聯卡的使用不受數量的限制。

3.1.3 RTU新增陀螺儀

陀螺儀（角速傳感器）可以檢測航標在水中發生傾斜的角度。水上航標由于水流的影響，時刻都在運動，特別是在洪水期、大風天氣時、被船舶碰撞時運動更劇烈，致使航標的安全受到影響。陀螺儀可以測算出航標在水中的實時傾角，由這個傾角可以判斷航標在水中的姿態，再根據當時的天氣、水流等情況，判斷航標是否正常作用、是否受到外力影響。

3.1.4 RTU加裝微型攝像頭

加裝微型攝像頭，根據需要遙控進行拍照或短視頻錄制，再將圖片或短視頻發回，可以實時查看航標周邊環境情況。比如航標錨固系統是否正常，洪水期江面漂浮物沖擊航標程度，過往船舶對航標造成的外部影響程度等。

3.1.5 航標硬件加裝傳感器

在航標遙控遙測的各硬件（電池組、航標燈、太陽能充電板、RTU和各連接電源線）上，包括航標標體上布設不同用途的傳感器，對整個航標進行全位掌控。目前的航標遙控遙測系統的故障報警，都是以文字描述的方式顯示，不夠直觀、比較抽象，且未能給航標維護人員提供準確的信息。傳感器發回的航標各硬件數據，將整個航標各部位的實時狀態形象地顯示出來。當傳感器檢測到故障時會發出報警，可以精確地在監控平臺上看到故障設備，航標維護人員可據此做出充分、精確的準備。

3.2 航標遙控遙測系統功能提升分析與研究

3.2.1 智能顯示

航標供電電池的電壓，是比較重要的數據之一，是航標監控終端能否長期續航的重要保證。從目前航標遙控遙測系統對電池的監控信息來看，只顯示電池實時的電壓值，未能直接反映電池當前電量剩余。因此，航標遙控遙測系統應在后臺根據電池電壓及其他部件耗電信息計算電池電量消耗情況，如智能手機能顯示手機剩余電量一樣，根據剩余電量顯示，及時進行電池更換。

3.2.2 智能數據分析

目前遙測遙控系統只有簡單的數據查詢、常規報警提示的功能，數據分析不夠深入、細化。在航標遙測遙控系統中增加不同功能的分析模塊，程序可自行對收集到的數據進行分析，根據分析結果用戶可以直觀地了解航標運行的規律，便于航標維護管理。

（1）航標燈電流分析：航標燈的實時電流是因晝夜交替而不同的（夜間發光，有電流;晝間不發光，無電流），根據某個時段實時上報的電流數據，可分析不同情況下航標燈器運行狀態。

（2）太陽能電池板充電電壓分析：受光照和天氣影響（晝間將太陽能轉換成電能，產生充電電壓和電流;夜間停止轉換，無充電電壓及電流），根據一晝夜實時充電電流數據，可分析太陽能電池板工作狀態、效率及存在故障。

（3）監控報警統計分析：對某個時段的航標遙測遙控系統的報警情況分類進行統計，根據統計結果，可分析次數最多的報警類型、發生地點、發生時間等，從而摸清其中的規律，更好地輔助航標維護工作。

（4）水位智能分析：廣西河流屬山區性河流，水位變化頻繁，直接影響航標維護工作。目前廣西內河水位數據已經接入航標遙控遙測系統，但只有單一查詢功能，水位信息未被充分利用。在系統中增加水位智能分析功能，將廣西全區的河流水位數據進行實時統計。在洪水期和連續降雨期，河流上下游水位是存在差異的，排除比降因素，當上下游水位差超過一定數值時，系統提前發出水位異常變動報警，保證航標維護機構有足夠的準備時間，應對水位變化造成的影響。

3.3 其他功能提升分析與研究

3.3.1 建立多個數據同步服務器

目前，全區航標遙控遙測系統只有一個服務器，一旦服務器出現故障，全區的航標監控將全面癱瘓。因此，建立多個同步服務器，應對供電失常、通信失常、不可抗拒因素等情況，才能保證全區航標監控工作正常開展。

3.3.2 制定長期的發展計劃

航標遙測遙控終端（RTU）研發沒有資金投入，目前RTU存在體積大、耗電大、智能化程度低，航標供電電源（電池組）容量小、充電慢、體積大，難以保證長期穩定供電，以及太陽能板能量轉換效率低等問題，都將制約航標信息化、智能化的發展步伐。所以，有計劃地投入，才能得到良性發展的效果。

3.3.3 差分系統升級

貴港至梧州航段，差分站還處于單頻模式，屬于比較落后的技術，存在差分定位精度差，差分效果差，不能保證航段內所有水上航標定位精確的問題，同時還存在定位信號唯一，只能通過GPS信號來差分的問題。我國新應用的北斗信號沒有列入其中，一是存在信息安全風險，二是一旦GPS信號使用受限將嚴重影響航標的正常使用。

對此，差分系統升級成為必然，可過兩個途徑來升級：（1）重建差分系統，采用多頻模式，并且可同時接收GPS和北斗信號，同時加密差分站點，全航段覆蓋;（2）不建立差分系統，而采用購買差分信號的方式，這樣可以減少經濟成本和人工成本，得到更專業更有保證的服務。

3.3.4 RTU供電電池升級

貴梧航段使用的電池有兩種，一種是傳統的酸性電池（鉻鎳電池），一種是小型鋰電池。鉻鎳電池耐用，通過太陽能電池板充電效果好，但質量大，更換難度大;鋰電池質量小，便于更換，但電容量小，通過太陽能電池板充電效果差，不耐用。兩種電池各有優點，但缺點過于突出，不適用于當前的航標維護管理工作。

鋰電池的應用技術已經比較成熟，向電池廠家定制適合航標使用的鋰電池是可行之道。要求有足夠的電量存儲，質量體積小型化，與太陽能電池板充電效能好，更換便捷。

3.3.5 航標遙測遙控終端（RTU）便捷更換與登記功能

由于RTU通過GPRS網絡上傳服務器的監控數據，是用動態IP，無法鎖定對應發送數據的航標終端，這樣導致每次更換或新增登記RTU時都要進行一次后臺設置，程序繁瑣，效率低，需要現場維護人員、監控人員及后臺維護人員同時在線協調[3]。因此，在航標遙測遙控系統中增加RTU便捷更換與登記功能是十分必要的。

4 結語

綜上所述，廣西內河水系數字航道綜合監控系統，是廣西水運事業信息化建設的重要成果，隨著更多更高精尖的技術應用在航標上，航標遙測遙控系統功能隨之不斷提升，航標監控終端收集信息的能力也越來越強，航道事業應實現從信息化邁向智能化的轉型。當前廣西航道事業的智能化程度還比較低，希望通過上述分析，促進當地航道管理智能化的發展，在科技與當地經濟水平不斷提升的情況下，使航標成為一個水中的“智能機器人”，為廣西內河水運事業保駕護航。

參考文獻：

[1]謝柳仙.淺談航標遙測遙控系統在航道管理中的應用[J].珠江水運，2018（9）：72-73.

[2]何 平.數字航道技術在內河航道管理中的應用分析[J].工程技術研究，2019（5）：17-19.

[3]梁 昱.廣西航道監控與安全管理系統研究[J].企業科技與發展，2018（8）：94-96.