內河應急警示浮標系統(tǒng)設計與分析

朱坤 龔旭平 于鳳楠

1.中電科（寧波）海洋電子研究院有限公司；2.嘉興市港航管理服務中心

在現(xiàn)代化背景下，傳統(tǒng)浮標逐漸無法滿足現(xiàn)代內河航道建設及數(shù)據(jù)采集需求，現(xiàn)代電子設備應用愈發(fā)廣泛，電子航道圖設備代替助航導航、標識航道已成為最主要趨勢，傳統(tǒng)浮標面臨更新關鍵期。現(xiàn)代化背景下的衛(wèi)星定位技術、無線通信技術均成為浮標改進依托的關鍵技術，推動其向自動化、智能化方向發(fā)展。內河應急警示智能浮標系統(tǒng)包括衛(wèi)星技術、岸站管理設施以及浮標電子設備等，能夠集遙控遙測、定位導航以及數(shù)據(jù)信息采集于一身，且能夠進行多點智能浮標的設置，構建智能網(wǎng)絡系統(tǒng)，最大程度發(fā)揮浮標應急警示的功能。本文從內河應急警示浮標及警示浮標系統(tǒng)相關概念入手，分析浮標基本構成，并對內河應急警示浮標系統(tǒng)設計進行探究，以期為提升內河水運綜合體發(fā)展質量提供參考。

浮標系統(tǒng)是內河研究工作的關鍵組成要素，是進行環(huán)境觀測、數(shù)據(jù)調查、科學研究的主要工具之一。浮標是航標中應用最為廣泛的工具，數(shù)量眾多，最初的主要作用就是為航行船只標志航道中的淺灘以及其他不利于航行安全的危險物[1]。而塑料航標難以設置固定航標，而燈浮標即在原有浮標上裝設燈具，即使在夜晚也能夠發(fā)揮浮標助航作用[2]。在現(xiàn)代技術繼續(xù)發(fā)展影響下，裝有預警信號、裝雷達應答器、海洋調查儀以及無線電指向標等的浮標相繼出現(xiàn)。但是，現(xiàn)有的多種浮標均具有材質使用周期短、環(huán)保性不佳、穩(wěn)定性有待提升等問題，且監(jiān)控中心難以通過浮標準確了解周邊環(huán)境現(xiàn)狀，監(jiān)管難度較大[3]。因此，加強對于浮標系統(tǒng)的研究，不斷利用現(xiàn)代化技術予以優(yōu)化更新成為內河水運發(fā)展的主要工作內容。現(xiàn)代化背景下，內河水運發(fā)展對于浮標性能也有了更高要求，建立起精準度高、成本少、性能穩(wěn)定、功耗低且工作時間長的浮標系統(tǒng)是研究的重要方向。

1 內河應急警示浮標及警示浮標系統(tǒng)概念

1.1 內河應急警示浮標

內河應急警示浮標就是能夠對航行在內河的船舶予以警示作用的浮標，提醒河內淺灘或其他危險區(qū)域，配布方法具體可分為以下幾種：

1.1.1 一類航標配布

配布航標裝設燈具，全天候工作，航行船舶白天可從一座標志看到次一座標志，夜晚可從一盞標燈看到次一盞標燈。

1.1.2 二類航標配布

分段配布裝設燈具、未裝設燈具的航標，若河段晝夜通行則配布發(fā)光航標，配布方法及間距參考一類航標配布；若河段僅白日通行則配布不發(fā)光的航標，配布方法及間距參考三類航標配布。

1.1.3 三類航標配布

相對一類航標配布，三類配布密度更小，河段僅供船舶白日航行。三類航標配布下，船舶無法從當前標志看到次一座標志，若河段航行環(huán)境優(yōu)良則不再配布沿岸標，船只可沿岸形航行[4]。但是，標志與次一座標志表示的功能應相關且連貫，為船舶提供白天航行指引。

1.1.4 重點航標配布

對于地理環(huán)境復雜、航行條件不佳的河段予以重點配布，按照河段條件針對性選擇發(fā)光或不發(fā)光航標，同時選擇具有豐富經(jīng)驗的駕駛人員，按照航標以及自身經(jīng)驗航行。

1.2 警示浮標系統(tǒng)

警示浮標系統(tǒng)指的主要是通航環(huán)境感知系統(tǒng)，構成要素包括浮標群、通訊網(wǎng)絡以及岸上設施等。

1.2.1 浮標群

浮標群就是于內河航道上投放的所有用于輔助航行和科研的聯(lián)網(wǎng)浮標，其中氣象水文傳感器用于感知周圍環(huán)境；定位系統(tǒng)用于監(jiān)控航標位移；航標燈用于輔助航行；自檢系統(tǒng)用于監(jiān)控航標工作狀態(tài)，若出現(xiàn)故障也可自動報警[5]。另外，浮標也裝有通訊設備，用于實時與岸上通信。

1.2.2 通訊網(wǎng)絡

通訊網(wǎng)絡用于實現(xiàn)各方通訊，其中主要有指揮監(jiān)控端、航標端的通訊設備以及中間用于連接的網(wǎng)絡設備，此外還包括通訊協(xié)議、通訊方式以及其他遙測軟件。

1.2.3 岸上設施

岸上設施主要由監(jiān)控中心，指揮中心、岸站以及數(shù)據(jù)庫等組成。其中監(jiān)控中心的最主要構成要素有遙測系統(tǒng)，用于采集傳感器數(shù)據(jù)及航標工作狀態(tài)數(shù)據(jù)；遙控系統(tǒng)，用于遠程修改和調試相關參數(shù)；數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，為總指揮提供數(shù)據(jù)參考。

2 浮標基本構成

浮標研究的重點方向為低成本、長續(xù)航、輕便可靠，提升助航導航質量，更加精準迅捷地收集環(huán)境資料[6]。在體積上，浮標也應向小體積發(fā)展以降低成本。內河應急警示浮標系統(tǒng)主要由浮體，設備艙，配重底座，AIS 發(fā)射器，警示燈，電池組，錨系配件組成。

2.1 電源

電源是電子設備運行的根本，相關人員必須首先詳細了解浮標各具體模塊的用電情況和實際所需，并據(jù)此制定和優(yōu)化電源供給方案。通常情況下，若浮標錨定位置距離河岸較近可將市電作為優(yōu)先選擇項，否則就需要考慮使用蓄電池或者太陽能作為電源。

2.2 航標燈

航標燈的最主要作用是為船舶明確航道位置，在夜間航行中起到重要作用。對于內河而言，航標體積受流域限制較小，因此配備的電源相對而言也較少，燈器是否省電就成了考量的重要標準之一。內河航行的船舶對于航標燈透射范圍、光亮強度并無過高要求，但是需要滿足能見度低情況下可調節(jié)燈質的要求。另外，航標燈的顏色需明顯異于背景燈光，在背景燈光較強的情況下則需要科學增加航標燈亮度。

2.3 標體

標體內部嵌有多種電子設備，因此對于水密性有更高的要求，需要使用耐腐蝕外殼以保護內部設備。另外，內河浮標不可避免地常會受到撞擊，而鋼浮標在撞擊情況下會發(fā)生彈性變形，故而錨定系統(tǒng)和浮標外殼需要首先選擇非金屬材質，減少因撞擊給標體造成的損壞。

2.4 浮體

浮體即漂浮于水面之上的部分，在進行浮體設計時需要注意對水流作用下的浮體姿態(tài)予以維持和控制。

2.5 錨定

錨定式浮標管理難度小，且成本較低，因此使用較為廣泛，可針對性選擇錨定裝置相結合的設置。其中的錨定系統(tǒng)對于穩(wěn)固性有較高要求，且需要具備彈性系留系統(tǒng)以提供長度延展，適應潮差的影響。

3 內河應急警示浮標系統(tǒng)設計

3.1 無線通訊

3.1.1 遙控遙測系統(tǒng)

遙控遙測系統(tǒng)在浮標網(wǎng)絡建設中處于核心位置，是實現(xiàn)環(huán)境感知的關鍵環(huán)節(jié)，也是物聯(lián)網(wǎng)于航運系統(tǒng)中應用的體現(xiàn)，其中包括工作模式和軟硬件兩大方面。遙測工作的最主要目的就是使用傳感器獲取環(huán)境信息并使用無線電將經(jīng)變換后的資料信息傳輸至岸站，可實現(xiàn)河面復雜環(huán)境的自動觀測，工作時間長，無需人工參與。與人工調查相比，遙測對于環(huán)境要求較低，且能夠實現(xiàn)復雜環(huán)境下的長時間數(shù)據(jù)觀測和傳輸，成本更低，安全性更高。遙控系統(tǒng)則能夠通過控制終端對燈器、電源、自檢系統(tǒng)、報警系統(tǒng)以及氣象水文傳感器等相關數(shù)據(jù)予以遠程遙控，航標維護工作更加輕松，工作效率更高。

3.1.2 通訊系統(tǒng)

通訊系統(tǒng)是遙控遙測能夠實現(xiàn)的主要依托，系統(tǒng)主要包括6 層數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡：衛(wèi)星與航標間、航標與岸站間、航標與監(jiān)控中心間、岸站與監(jiān)控中心間、監(jiān)控中心與數(shù)據(jù)處理中心間、數(shù)據(jù)處理中心與船聯(lián)網(wǎng)總中心間的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)。通訊網(wǎng)絡系統(tǒng)硬件有：（1）網(wǎng)絡連接設備，即用于承載數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠布唬?）浮標通訊接口，該部分用于傳輸航標定位數(shù)據(jù)、氣象水文傳感數(shù)據(jù)以及自檢數(shù)據(jù)等，同時接受控制信號；（3）監(jiān)控中心通訊接口，該部分用于接收傳輸航標定位數(shù)據(jù)、氣象水文傳感數(shù)據(jù)以及自檢數(shù)據(jù)等，同時發(fā)布指令信號；（4）監(jiān)控中心，主要作用是發(fā)布控制命令、接受航標數(shù)據(jù)、儲存歷史數(shù)據(jù)；（5）數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，儲存和管理遙測和指令系統(tǒng)的各項歷史數(shù)據(jù)，對包括時間信息、航標漂移情況、氣象水文數(shù)據(jù)、設備故障信息、故障處理時間及情況等各項信息予以記錄和管理。

在內河環(huán)境下，與其他無線通訊方式相比，兼具通訊功能和定位功能的北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)應用效果更高，能夠構建出符合內河航運發(fā)展的航標遙控遙測系統(tǒng)，可實現(xiàn)流域內的全天候工作，且成本較低，擁有理想通信質量。

3.2 環(huán)境感知系統(tǒng)

3.2.1 氣象感知子系統(tǒng)

氣象感知系統(tǒng)主要是對于船舶航行過程中可能對航行產(chǎn)生不利影響的因素相關數(shù)據(jù)予以收集，其中包括風速、風向、降雨量、光照、濕度、能見度以及氣壓等。氣象傳感器是采集航行環(huán)境氣象信息的核心部分，用于采集、整理和分析氣象環(huán)境各項信息，對于不能夠直接采集的露點溫度等信息則通過結果計算獲得，內嵌的氣象傳感器可以感知和記錄相對濕度、大氣溫度、風速、降水量、風向、露點溫度等環(huán)境信息。風向標顧名思義，意在測量風向，而針對不同風速范圍可以分為超音波式、皮拖管式、熱式以及葉輪式等不同風速測量方法。降雨量測量設備也是系統(tǒng)關鍵構成要素，降雨量對于內河航道水位有極為關鍵的影響，進而影響船舶航行，若區(qū)域集中降雨可能會導致該段水位迅速上漲，威脅船舶航行安全，而通常最常使用的儀器為翻斗式雨量采集儀。

3.2.2 水文感知子系統(tǒng)

水文感知模塊在水位、水深測量中起關鍵作用，也可對包括流速、潮位、含沙量、流向、水質污染、水溫等在內的水文因素實現(xiàn)精準測量。在技術及需求的推動下，溢油感知、水下定位、水下目標探測和水聲警戒等也成為水文感知系統(tǒng)需要統(tǒng)計和分析的重要數(shù)據(jù)信息。但是在整個浮標環(huán)境感知系統(tǒng)中處于核心位置和重點環(huán)節(jié)的仍是水位、水深測量，這是因為水位水深將直接關乎內河船舶航行安全，是影響航道通航的核心要素。若河段處于枯水期無法達到船舶通行標準將會致使船舶擱淺，而若河段處于洪汛期間則可能因水位過高造成船舶在航行過程中碰撞橋梁，加強水位、水深測量是系統(tǒng)構建的關鍵。當前現(xiàn)有浮標系統(tǒng)中水位測量技術仍有待更新和完善，傳統(tǒng)的水位測量裝置計一般分為超聲波式、浮子式、壓力式水位計三種，但是均各有弊端。超聲波水位計可分為接觸式和非接觸式兩種，前者需要于水面安裝，與漂浮物以及來往船只相撞的可能性較大，易受到損壞，浮子式水位計也有同樣弊端；后者需要于被測水體上方懸掛探頭，維護難度大。壓力水位計則需要于河底錨定點安裝，建設成本及維護難度均較大。因此，若選擇超聲波水位計或者浮子水位計就必須對安裝位置予以詳細調查和選擇，必要時還需要加設防碰撞外殼保護水位及設備，避免因撞擊造成的損壞，延長設備使用時間。

3.3 定位系統(tǒng)

定位系統(tǒng)用于測量航標位置，一般選擇選擇GPS 定位接收機，監(jiān)測航道中的浮標位置，避免出現(xiàn)航標位移影響船舶正常航行。當前GPS 已經(jīng)得到了極為廣泛的應用，GPS 差分定位也愈發(fā)成熟，但是內河航道地理環(huán)境更加復雜，正向差分GPS 技術應用難度極大，相對應的通信體制也難以建立。因此在后續(xù)設計過程中可以考慮使用北斗衛(wèi)星通信體制進行定位操作，精準度高，內河航道定位誤差不超過1.5m。

3.4 自檢系統(tǒng)

自檢系統(tǒng)的最主要作用就是對于整個浮標系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)工作狀態(tài)予以動態(tài)監(jiān)測，若檢測到異常狀態(tài)不僅能夠通過報警功能自動上傳報警信號，還能夠通過簡單的恢復重啟功能在一定程度上恢復系統(tǒng)功能。報警情況包括電源欠壓、電源過壓、傳感器故障、航標燈失竊、航標位移、航標撞擊、燈質失常等，功能較為完善。

4 結語

內河應急警示浮標系統(tǒng)建設是優(yōu)化內河航道發(fā)展的關鍵內容，不僅能夠指引船舶安全航行，促進運輸業(yè)發(fā)展，還能夠通過環(huán)境數(shù)據(jù)的收集為漁業(yè)、氣象業(yè)、環(huán)保、科研以及軍事提供數(shù)據(jù)支撐，滿足內河系統(tǒng)綜合發(fā)展的需要。