三峽航道多功能航標系統設計及應用

羅毅　江蓓　張紅

摘 要：為改進和完善內河助航標志，使用多功能航標，利用信息融合技術算出整個航道的油污染分布，水流速度分布及沿線各點的氣象信息，形成龐大的航道信息資源網絡，對提高水上交通效率、減小水上交通擁塞具有很大的作用。

關鍵詞：多功能航標 網絡拓撲 系統設計

助航標志是內河航道中最重要的助航設施，它能夠為船舶標示出航道的方向、界限與礙航物，揭示有關航道信息，為船舶航行指出安全、經濟的航道。傳統助航標志主要依靠燈光、信號及標志外形發揮助航作用，功能相對單一，揭示的航道信息有限，航標信息化、智能化水平低，而伴隨著現代航運業的快速發展，對航標的要求越來越高，航標功能齊全、信息化程度高、節能環保已是今后航標發展的趨勢，傳統的助航標志已逐漸不能適應現代航運業的發展，改進和完善內河助航標志勢在必行。

三峽航道作為長江黃金水道上的關鍵航道，其上起廟河，下至中水門，全長59公里，因三峽、葛洲壩兩座大型水利樞紐的興建，長江三峽壩區河段的航運安全和河流環境等方面也成為影響長江干線航運發展和三峽工程效益發揮的關鍵因素，受到國內外各界廣泛關注，因此如何更好地提高三峽航道航運保障能力和水域污染管控能力顯得尤為迫切。

多功能航標作為一種功能多樣的航標，既有傳統助航標志的標示導航功能，又通過融計算機通信、人工智能等信息化技術，更多地獲取如航道水深、水流流速、氣象條件及水域污染情況等航道要素，為航運管理者和船舶提供更加豐富的航道信息，提升航運管理水平與通航安全保障能力，助推現代航運業不斷向前發展。

建設目標及原則

1、建設目標

運用先進的傳感技術、通信技術、人工智能技術在傳統助航標志上集成船舶油污染檢測、水流速度、水深、大氣溫度、濕度、壓強、風速和能見度等要素，收集更加豐富的航道信息為航道安全保證、水上污染預控提供數據支持，提升內河航運保障能力與航道通航效率，降低水上交通安全風險，防控船舶水域污染。

2、建設原則

技術先進前瞻。系統規劃設計先進前瞻，充分考慮到未來內河航運信息化發展的需要，采用先進的應用集成技術，整合現有的信息資源，提供開放而標準的信息交換協議和通道，形成一套行業標準，并以數據倉庫的方式集中存儲相關數據，通過數據挖掘為安全管理等業務決策。

功能擴展便利。系統采用分布式、模塊化設計，充分考慮后續新增信息系統的擴展以及后續調整性系統的擴展，適應未來業務管理需求變化。

系統穩定可靠。系統全天候連續采集并處理海量數據，要求系統具有高度的穩定性與可靠性，對通信網絡及硬件設備質量要求尤為嚴格，具體如下：①采用具有容錯功能的服務器及網絡設備，出現故障時能夠迅速恢復；②每臺設備均考慮可離線應急操作，設備間可相互替代；③采用數據備份恢復、數據日志、系統異常處理等故障應對策略；④采用網絡管理、嚴格的系統運行控制等系統監控功能；⑤考慮水上船體晃動、雷擊和潮濕等特殊工作環境。

應用簡單便捷。系統符合用戶操作習慣，人機接口簡便易用，功能應用簡單易懂，系統后期維護方便。

系統總體架構

1、系統結構

多功能航標系統主要劃分為多功能航標終端、通信鏈路和監控中心3大部分。

2、運行機制

多功能航標系統的運行機制可概述為：航標狀態信息（即傳感器及傳感器供電電源工作狀態）、氣象水文信息、溢油信息采集→航標狀態信息、氣象水文信息、溢油信息遙測→航標狀態、氣象水文、溢油報警→航標遙測數據處理。

3、主要功能

要素采集。實時采集航標位置數據、航道氣象要素如溫度、濕度、大氣壓強、風速、能見度、降雨量等數據、航道水文要素如水流流速、水深等數據、航道溢油情況以及航標附近水域船舶信息，并透過通信網絡傳遞到后臺服務器端存儲。

實時告警。系統將遙測數據與設定的報警閾值進行比較，一旦發生漂移、低能見度、水深過低、水流速過快、風速過快、降雨量過大、溢油等異常情況時，后臺服務器進行數據收集、打包、消息編碼、發送數據等操作，實現航標實時報警功能。

信息發布。多功能航標采集的水文、氣象及溢油等信息，經人工確認后可通過AIS短信發送的方式向過往船只發布。

遠程維護。系統監控中心后臺可實現遠程操作控制與系統管理，設定航標位置基點以及各項報警閥值，選擇終端設備工作模式以及實時查詢工作狀態等內容。

4、網絡拓撲

三峽壩區航道多功能航標建立了一個標-岸站-管理中心3級通信系統，航標間采用低功率UHF為通訊手段，而航標體系與遠程管理中心間，采用2W/5.2W的VHF頻段通訊鏈路。標-岸站-管理中心3級通信網絡拓撲結構下圖所示。

航標體系與遠程管理中心間，采用2W/5.2W的VHF頻段通訊鏈路，設計通訊距離40Km，八個并行發射頻點為162.075～164.075MHZ，頻道間隔50KHz，單頻點帶寬9600Bps，總帶寬9.6Kbps～76.8Kbps。同時，該發射接收系統，亦可作為AIS收發機，為過往船只提供AIS導航信息，工作頻點為87B（161.975MHZ）和88B（162.025MHZ）。

系統應用

多功能航標測試選取了三峽壩區河段典型代表航段，根據各種代表航段的顯著特點以及無線電傳輸條件差異采集相應航道環境要素。

1、葛洲壩壩下航段

葛洲壩壩下水域水文條件復雜，水流流速及水位變化頻繁，易發水上交通事故，故該航段多功能航標安裝水深和流速傳感器，采集水位、流速數據，監測航道水文環境。多功能航標實時測量航標位置處水深及水流流速，當水深和流速實時值達到設定報警閥值時，多功能航標自動發出報警，經過人工對報警內容核實后可通過AIS向周圍船舶播發報警信息。endprint

2、三峽壩上典型航段

三峽壩上航道易發大風大霧等惡劣氣況，故該航段多功能航標安裝了能見度、風速等監測傳感器，采集風速、能見度、氣溫等氣象數據，監測航道氣象環境。多功能航標實時測量航標位置處風速、能見度及氣溫等數據，當風速、能見度或氣溫實時值達到設定報警閥值時，多功能航標自動發出報警，經過人工對報警內容核實后可通過AIS向周圍船舶播發報警信息。

3、油碼頭、錨地等易于發生污染事故的航段

油碼頭、錨地水域船舶密度大，極易發生碰撞等事故，發生水上污染事故幾率較大，故選擇蘭陵溪錨地和茅坪服務區作為測試航段，多功能航標上安裝溢油和船舶氣象傳感器（包括溫度、濕度、風速），監測油碼頭、錨地水域溢油等情況。

技術創新點

1、多態數據采集

系統可采集風速、能見度、水深、水流速度等大量的航標多態數據。由于各傳感器接口各不相同，給數據采集帶來了很大的難度。針對不同數據采集設備，制定統一的輸出數據格式，通過數據分析處理程序進行轉換

2、航標-岸站組網通訊機制

建立一套強壯而可靠的，囊括VHF甚高頻、UHF的綜合傳輸體系，以成本集約化為前提，VHF和UHF為主。具體指，航標間以UHF和VHF作為主要通訊手段，建立不易被遮擋的最低3KM的傳輸鏈路。航標體系與主控中心間，建立40KM以上的VHF甚高頻傳輸鏈路。

3、低功耗技術

在以集成化技術降低功耗的同時，通訊的功耗控制為主要關鍵點。無線電傳輸體系，應為主控制器提供實時可靠的通訊服務，同時降低功耗，具體措施包括：①充分利用海事頻道的擴展性，實現各頻點的跳傳，提高帶寬；②建立智能的傳輸功率調節機制，可根據環境動態調節信號發射方案；③采用最新的無線電技術，減少中間環節，降低整體功耗。

4、數據融合、分析

通過長期的積累，航標的監控數據構成了海量數據庫，每天都有大宗的數據被處理和備份，其中蘊含著豐富的有價值的信息。這些信息對提高航道運輸效率和保證船舶運輸安全具有十分重要的意義。

功能拓展

該項目主要是利用江上的航標鏈來采集各種航道信息，其原理與航標遙測遙控系統有共通之處，如果兩者聯合，將會達到更好的效果。

在現有太陽能航標燈的基礎上，添加GPS定位、VHF遠距離通訊、各種傳感器和智能控制終端，可建立遠距離傳輸鏈路，以被查詢方式提供傳感器信息，并可實時提供各傳感器和航標的運行狀況，在捕獲到異常情況時自動報警，并為過往船只提供AIS和GPS導航信息。

若某個河段的航標上都使用這樣的多功能航標，利用信息融合技術算出整個航道的油污染分布，水流速度分布及沿線各點的氣象信息，形成龐大的航道信息資源網絡，對提高水上交通效率、減小水上交通擁塞具有很大的作用。

（作者單位：長江三峽通航管理局）endprint