內河航標新材料、新技術的應用

蘭欣雨 田雨欣 趙樹正

摘? 要：近年來，隨著海運事業發展的需要，航標領域引入了越來越多的新材料、新技術，對于航標技術來說，材料相關研究的大量涌現也足以證明該領域的受重視程度，基于現狀，該文簡單地研究了內河航標在材料、技術上的發展，分析內河航標新技術、新材料的應用情況，并對航標未來進行了展望，希望論述內容能夠給相關業內人士帶來啟發。

關鍵詞：內河航標;視覺航標新材料;智能化

中圖分類號：U612? ? 文獻標志碼：A

0 引言

航標是一種能保證船舶安全、經濟、便利航行的助航標志。隨著新材料、新技術的運用，內河航標在逐步向智能化發展的同時，功能也越來越多樣化，管理維護越來越簡便，使用的能源越來越清潔。按照航標的功能劃分，截至目前，內河航標主要分為視覺航標、無線電航標、虛擬航標、音響航標4種。由于其中的音響航標的使用越來越少，因此不做概述。該文分別探究了視覺航標、無線電航標、虛擬航標3種航標在技術與材料上的發展[1]。

1 視覺航標

視覺航標是一種通過人眼，目視觀測的固定或浮動的助航標志，又可以稱為目視航標。燈塔、燈樁、燈船、浮標、立標、系碇設備和導標等均屬于視覺航標。 它常常使用醒目的顏色或閃爍的燈光來標識自身。白天，航海人員可以觀察標體的形狀、顏色和頂標。夜晚，則可以通過燈光的顏色，燈光閃爍的頻率來識別航標。 視覺航標是最基本的、最原始的助航標志之一，它能夠很好地保障船舶航行的安全。 其廣泛布設于海區和內河。近年來，我國不斷探索新材料、新技術在航標上的運用，極大地提高了航標的使用性能。信息技術手段與航標的結合，推動航標向智能化，多功能化方向發展[2]。

1.1 視覺航標新材料的應用

隨著海運行業的日漸繁榮，對航標性能的要求也日漸提升，因此出現了大量新材料。 這些材料的應用讓航標能夠更好地應用于各種工作環境中，從而為船舶航行安全提供保障。 新材料的應用數不勝數，該文將介紹一些新材料應用的典型案例。

抗擊碎太陽能板的出現解決了橋區太陽能板因墜石撞擊易碎的這一問題， 其結構為“ PET + EAV +電池+ EVA + TPT + EVA + ER”， 總厚度約為3 mm。背面使用的ER材料具有高收縮率、高耐熱性和耐腐蝕性的特點。當前大部分航標上的太陽能電池板指單晶板為“硅+玻璃”結構。 由于該結構耐沖擊能力差，可能因輕微的沖擊而損壞。 基于這一原因，它并不適用于作為橋梁和涵洞上的標志以及橋梁柱子上的警告標志。而由新材料制成的耐沖擊太陽能電池組件，擁有良好的機械性能，可以承受碎石下落對太陽能電池組件的影響。 該產品是將鋼化玻璃組件和可彎曲太陽能電池組件結合在一起的創新成果，它結合了這2個組件良好的耐沖擊性、高硬度和低重量等優良品質，因此更適合用作航標電源[3]。

此外，傳統的鋼質航標被玻璃纖維和新型聚合材料所替代也是航標領域中新材料的典型應用。 這些材料具有色彩鮮艷、輕便耐用、搬運方便等優點。超高分子量聚乙烯是航海標志領域常見的新型材料。其相對密度較小，僅為鋼密度的1/8， 耐磨性卻可達到鋼材的7倍。內部飽和分子團的結構使其具有耐溶劑、耐酸堿、耐老化的特點。由于沖擊強度≥40 MPa，極限抗拉強度≥400 MPa，斷裂伸長率≥450%，熱變形溫度為95 ℃，脆化溫度<-137 ℃洛氏硬度為R38， 由此得出，UHMWPE材料比傳統的鋼和HDPE材料更有優勢。

新能源、新材料的運用提高了航標的各項性能，加大了對清潔能源的使用，提高航標耐久性，使得航標的應用更加綠色經濟，促進了航標的發展。

1.2 視覺航標新技術的應用

技術方面，視覺航標逐漸向智能化發展，借助智能化技術，實現航標的無人化自動工作、遠距離管控。大大減少了航標的管理維護費用，并能迅速對故障采取措施，提高了船舶航行的安全系數。航標燈同步閃控制以及狀態的遙測遙控等方面是內河視覺航標的智能化技術的主要體現[4]。

1.2.1 航標同步閃控制

航標同步閃控制是指將GPS模塊安裝在普通航標燈的控制電路中，借此利用GPS系統的授時功能，當航標燈收到衛星信號時，燈內的控制信號按照衛星的規定時間閃爍。其他所有配備GPS模塊的航標燈器都會按照衛星的標準時間閃爍。通過對航標燈光節奏的調整和改變控制航標同步閃爍，形成同步閃爍鏈，構成更清晰的航道界線，使航標燈光更加醒目，為夜間船舶保駕護航。 該項技術具有不限制信號傳播距離、抗干擾能力強、同步誤差較小的優點。能夠改善傳統航標燈與背景燈難以區別，影響航行者視覺辨識的問題，提高船舶航行效率，降低事故發生概率。 從 20 世紀 90 年代起，國際上開始興起使用同步閃爍技術，2006 年國際航標協會（ IALA） 大會的統計數據顯示，有 47 個國家和地區在航標燈上安裝了同布閃光裝置。近年來，我國也在逐步推廣該技術，長江航道的橋區和港區已有了相關應用，效果良好[5]。

1.2.2 航標遙測遙控

航標遙測遙控系統是一種智能化航標遠程管理平臺，可以集 GPS系統、無線通信技術、電子海圖于一體。

該平臺的主要功能是快速、精準定位航標設備故障并及時恢復，以達到減少航標運行維護管理費用的目的。航標遙測遙控系統由數據采集終端、 航標遙測遙控監控分中心、航標遙測遙控監控中心3個部分組成。

其中，數據采集平臺是基于航標采集終端，負責收集航標的運行數據，并對航標數據進行管理和發送。同時需要執行監控中心下達的遙控指令。

航標監控、遙測、遙控分中心是一個承上啟下的設備。它主要負責從數據采集平臺中采集航標運行的信息，并對其進行一系列加工，主要包括信息的存儲、顯示、處理、警報等操作。同時需要對各類所需報表進行編輯、生成、存檔、打印和報送等工作。按時、按需向上級的監控中心匯報航標運行的信息。經過監控中心授權后，航標監控、遙測、遙控分中心的另一任務是通過圖形化人機界面，對航標運行的信息進行監視和查證，并向各個數據采集平臺發送遙控指令，以此來實現實時監測并調整航標運行的狀態。

航標遙測遙控監控中心則負責從各個分中心采集航標設備運行的相關信息，同分中心的任務類似，監控中心也需要對采集的信息進行存儲、顯示、處理和警報等工作。并編輯、生成、存檔、打印和報送各類報表。

我國內河主干航道的部分航標現已更新使用遙測遙控技術，良好的社會效益和經濟效益就是最好的反饋。與此同時，這一技術存在的缺陷不能忽視，例如遙測遙控終端的工作狀態不穩定、航標燈數據傳輸不穩定、遙測遙控系統的兼容性不足、報警功能和方式不夠完善、覆蓋范圍有所限制等問題，均需要深入研究改進[6]。

2 無線電航標

無線電航標又稱為無線電助航設施，主要是由無線電導航輔助設備、無線電信標、差分全球定位系統（DGPS）、船舶自動識別系統（AIS）、雷達信標、和雷達應答器等構成的，它是經過無線電輸送信息，以此來實現船舶定位和導航的助航設施。無線電導無線電航標是基于電子技術和無線電導航、定位技術高度發展而興起的，其設備都是電子設備，技術構成復雜，技術集成度高，助導航能力比視覺航標也顯著提高[7]。

2.1 無線電航標的新技術應用

2.1.1 差分全球衛星定位系統（RBN/DGPS）

全球定位系統（GPS）其系統內主要提供標準定位服務（SPS）以及精確定位服務（PPS）2種服務模式。SPS的精確度水平值10 m，垂直為20 m，時間為40 ns，一般用于商業，如汽車導航系統等，PPS系統則采用鎖碼信號，定位精確度水平值為5 m，垂直為10 m，時間為40 ns，精度高，但一般只供軍事、航天、測繪等特定單位使用。因此，需要高精度定位服務的普通用戶只能被迫采用差分技術提高定位精度，從而形成差分全球定位系統（DGPS）。它是一種利用廣播或者數據鏈路傳遞差分信號，修正定位，從而提高精度的全天候定位系統。它的工作方式是將已知位置點作為標準點，在差分基準站安裝GPS并測量已知點的位置坐標，將測量值和真實值進行比較，從而得到差分修正值，通過廣播或數據鏈路將修正值傳給附近用戶，最終修正定位，使用戶得到高精度定位。

2.1.2 船舶自動識別系統（AIS）

AIS是一種利用海上VHF，實現船舶與岸臺信息傳遞的系統。具有高時效性、高精度的特點，能夠實時傳遞信息，實現變更航向的瞬時顯示。該系統可以持續地向船舶或岸基傳遞信息，例如船舶的定位、航行方向、船舶基本運行參數、識別碼、貨物信息等。在不使用雷達的情況下，它能迅速實現船舶或岸臺與附近所有船舶的信號交換，從而及時采取避碰措施，大大減少交通事故。另外，AIS還能夠提高VTS的應用范圍和精度，增強了VTS的保駕護航功能。AIS技術開啟了電子航海時代，提高了航運企業的管理效率、運輸效率，在未來將會得到更廣泛的應用。

3 虛擬航標

虛擬航標主要由AIS、電子海圖顯示與信息系統（ECDIS）構成，它是指在物理上沒有實體，以虛擬圖標的形式在顯示媒介上標識的助航標志。狹義上講，虛擬航標常指AIS航標。

由虛擬航標構成的系統即為虛擬航標系統，主要包括岸上 AIS 基站、船載 AIS、PC 機及ECDIS 。其工作原理為AIS基站通過VHF鏈路廣播將虛擬航標的名稱、位置等信息以航標報告電文的格式發送給船載AIS。其中，電文采取國際標準確定的21報文。船載AIS設備接收到信息后將其傳輸到PC機，經由處理后轉化到電子海圖上顯示（如圖1所示）。

作為AIS技術與航標一體化發展的成果，虛擬航標目前已在大連、天津、青島等海域及長江口得到了推廣。其應用主要體現在以下 2個方面。1）作為永久性標志使用。在不便設置實體航標的狹窄水域，可以設置虛擬航標，不僅不礙航，還能助航。另外，在警戒區、錨泊區、安全水域等區域也可使用虛擬航標以減少人力、物力。2）作為臨時性標志使用，如在臨時發生交通事故的區域、臨時危險區域或者沒來得及安裝實體航標的區域，虛擬航標可以快速設標。

虛擬航標與傳統航標相比更便利。主要體現在4個方面。1）設標迅速，方便船舶駕駛人員及時了解航道水域環境，更好地應對突發事故。2）設標簡便，軟件操作即可，不需要人工到現場設標，節省了施工、維護費用，大大減少了航標維護人員的工作量。3）不存在移標問題，不受天氣影響，導航的精度提高。4）不會占據實體空間，無礙航行，方便航海人員操縱船舶。

但是虛擬航標也有一些缺陷。主要體現在以下4個方面。1）船舶必須配備 AIS 設備以及 ECDIS，否則虛擬航標將無法顯示。大多數的小型船舶限于經濟條件，無法安裝相關設備，這在一定程度上制約了虛擬航標的發展。2）虛擬航標需要 AIS 網絡系統的穩定性好。3）船舶駕駛人員缺少相關培訓。長期以來，駕駛人員已經習慣于借助傳統航標航行，使用虛擬航標，無法直觀地在實地觀察航標的位置、燈光，對航行人員有一定的心理影響。4）虛擬航標的相關使用規定不夠完善，使得虛擬航標的規范應用還需要一段時間。

4 結語

在較長時間內，虛擬航標都無法完全替代傳統航標，虛擬航標還需制定完善的法律條文，同時加快培養相關技術人才。將來，隨著信息網絡技術與船舶助航設施的不斷發展與結合使用，虛擬航標將由少到多，最終取代實體航標，促進智慧航道體系的構建，成為智慧航道系統的核心技術。

參考文獻

[1]劉懷漢，曾暉，周俊安，等.內河航道助航系統智能化技術研究現狀與展望[J].水利水運工程學報，2015（6）：82-87.

[2]徐峰.虛擬航標在長江航道中的應用[J].水運工程，2012（3）：119-123.

[3]嚴忠貞，嚴新平，馬楓，等.綠色長江航運智能化信息服務系統及其關鍵技術研究[J].交通信息與安全，2010，28（6）：76-81.

[4]楊毅.e-航海戰略框架下視覺航標發展的探討[J].中國海事，2016（5）：46-48.

[5]陳家齊，陳韶寬.航標新技術新材料的應用情況探究[J].珠江水運，2019（1）：59-60.

[6]李磊.視覺航標發展現狀的分析探討[J].科技創新與應用，2013（6）：160.

[7]羅釘.機載有源相控陣火控雷達技術[M].北京：航空工業出版社，2018.