長江下游航道風霧情監測系統的設計與實現

穆 強

一、引言

長江航道是我國水路運輸的主干道，內河水運量居世界之首。長江航道流經九省二市。長江流域是中國多霧的地區之一，且多為團霧（指局部范圍內出現的更“濃”、能見度更低的霧）。長江下游地區江面寬闊，一般都超過2千米。航道內氣象要素與陸地上氣象站的監測數據相比有較大區別，具有監測站點少、預測難度大的特點。霧會導致能見度下降，影響船舶航行安全，加之長江下游船舶通行量大，航行船舶多有“扎霧”的習慣，大霧消散后，船舶都會立即發航，所以在局部時間的局部區域內，往往會形成船舶流量極其密集的局面。在眾多的海損事故調查分析中獲知，兩船間發生的碰撞有90%以上是在能見度不良的情況下發生的[1]。

風浪對船舶航行安全也有較大影響，船舶進入大風浪區域航行時，船舶將出現較劇烈的搖蕩運動、降速、航向不穩定，以及由此引發的其他操縱方面的困難，甚至出現難以預料的危險。長江下游地區夏季乃至春末秋初，強對流天氣容易引起大風。2015年“東方之星”號客輪翻沉事故正是因為局部強對流天氣形成的龍卷風造成的[2]。

為了保障長江下游航道的安全暢通，本文研究了特征站的能見度、風速、風向等氣象要素的監測技術和手段，開發了航道風霧情監測系統，并在數字航道系統中應用，為長江航道部門應急調度指揮提供了重要的決策依據。

二、功能需求

目前，長江下游數字航道系統已經實現了航標基礎信息的維護管理、800余座航標遙測遙控、船舶動態監測、部分輔助決策功能等，通過數字航道系統建設能實現航道作業管理的標準化、程序化、規范化。

然而，對于航道的實時風速、風向、能見度等對航道應急調度指揮具有非常重要意義的氣象要素的檢測，在數字航道系統中尚未實現。本文旨在研究一種風霧情監測系統，以彌補該方面的不足。

結合長江下游航道特點以及目前數字航道系統的欠缺，風霧情監測系統具有如下的功能需求：

（1）在長江航道重點地段實施風霧情監測，測量數據應達到中國氣象局規定的航道作業標準。

（2）長江江面水氣大，檢測硬件應能適合臨水環境，必須達到相關防護等級。

（3）系統需24小時無間斷作業，當監測終端出現機器故障或斷電時，能提供存儲備案保證數據正常存儲，以備決策部門查閱。

（4）系統需要留有接口，能供數字航道系統調用，作為數字航道系統的擴展功能模塊。

三、系統結構

如圖1所示，航道風霧情監測系統包括了前端設備、后臺服務器以及客戶端三大部分。其中前端設備主要包含能見度傳感器、風速風向傳感器、數據采集器、GPRS無線通信模塊和光伏供電系統。[3，4]在其工作模式中，前端的檢測傳感器先將數據交給數據采集器進行打包，接著數據包經由GPRS模塊發送到服務器端；服務器端的GPRS接收服務器接收數據并傳入應用服務器，應用服務器進一步對數據包進行解碼、重構和發布，用戶再通過客戶終端（如數字航道系統）獲得數據產品。

圖1 系統拓撲結構圖

四、前端檢測硬件設備

（一）能見度儀

根據長江下游沿岸濕度大、腐蝕性強、局部團霧多等特點，選用TP-VISI1能見度傳感器。該傳感器量程達到10千米，測量誤差在±10%以內，具備全天候工作、高智能化、高穩定性、防腐等優點。主要參數為：測量范圍1~10 000米，準確度±2%（≤1 000米）、±10%（＞1 000米），分辨率1米（≤1 000米）、100米（＞1 000米）。

（二）風速、風向傳感器

風速、風向傳感器主要有機械式（風向標與風杯）和超聲波式兩種。其中超聲波式風速、風向傳感器相比于傳統的機械式風速、風向傳感器，測量精度更高，受環境影響更小，對于風速、風向的突變更為敏感，比較適合在長江沿線安裝實施，綜合比較，選用WS200-UMB型設備。其主要技術參數為：啟動風速±0.3米/秒，風速精準度±0.3米/秒（0.6米/小時），風向精準度±3°。

（三）數據采集器

數據采集器是可用于遠程監控和控制的小型系統，我們選用了CR300型數據采集器。該款采集器是入門級采集器，設計小巧緊湊，包含豐富的指令集，擴展性強，可兼容大部分水文、氣象傳感器。

（四）G PR S無線通信模塊

GPRS無線數模塊是采用GSM/GPRS網絡為傳輸媒介的一款基于移動GSM短消息平臺和GPRS數據業務的工業級通信終端。它利用GSM 移動通信網絡的短信息和GPRS業務為用戶搭建了一個超遠距離的數據傳輸平臺，標準工業規格設計，提供RS232標準接口，直接與用戶設備連接，實現中英文短信功能、彩信功能、GPRS數據傳輸功能。

五、后臺軟件實現

（一）軟件結構

風霧情檢測系統軟件主要由航道自動站程序、風霧情監測系統網站等部分構成，如圖2所示。其中，數據采集器采集的數據通過GPRS方式接入后，傳輸到一個航道自動站程序，自動站程序將數據解碼、重構后錄入SQL Server數據庫中。API程序則從數據庫獲取數據發布到接口，風霧情監測系統網站從接口獲取數據后進行展示，為用戶提供服務。

圖2 系統軟件結構圖

（二）航道自動站程序

航道自動站程序是航道風霧情監測系統的核心程序。該程序有三個主要功能：

（1）讀取串口通5.3轉碼的數據；

（2）把數據重構后，存入主數據庫；

（3）監測當前站點數據和歷史紀錄查詢。

圖3顯示了其設備管理界面，用于配置管理串口，添加、刪除及管理數據采集器。圖4顯示了其歷史紀錄查詢界面。

圖3 設備管理界面

圖4 歷史數據查詢界面

（三）風霧情A PI程序

為了強化系統的靈活性，將風霧情監測數據產品封裝成風霧情數據接口供用戶系統調用。數據接口的結構如表1所示。

數據接口將以JSON的形式返回，圖5是接口調用一個示例，在該示例中包含了三個監測站在2018年4月26日10點30分左右的工作狀態、風速、風向、能見度等監測數據。

表1 數據接口結構

圖5 接口調用一個示例

六、系統的示范應用

風霧情監測系統能夠實時監測航道上的風速、風向、能見度，對航道維護工作船舶作業安全、過往行輪航行安全有重要意義。風霧情監測系統將前端采集的數據封裝成接口，并在長江數字航道系統中做了示范應用，為航道部門應急指揮調度提供參考依據。

（一）應用部署

長江下游地區地勢平坦，江寬水深，選擇應用示范點時，選取了轄區內上、中、下三個特征區域，并分別選擇了轄區下游的龍潭水道、中游的南京水道和上游的凡家磯水道，作為航道風霧情監控點[5]。

1.龍潭氣象站

龍潭氣象站部署在龍潭示位標三層平臺。龍潭示位標是一座大型多功能岸標，高40.5米，位于長江右岸、龍潭港區起點處。該氣象站的風霧情監測范圍可覆蓋長江南京段下游龍潭水道、儀征水道及南京四橋橋區航道水域的風霧情狀況。岸標內接有市電及光纖，為站點部署提供了便利條件。受場地限制，將傳感器安裝于三層平臺上。數據經RS232串口轉RJ45網口進行傳輸。

2.下關站

下關站部署在#142紅浮。#142紅浮位于大勝關水道、南京水道和南京大橋水道的交匯點，緊鄰下關中山碼頭至浦口輪渡航線，可反映出長江南京段中游草鞋峽水道、大橋橋區航道、南京水道、寶塔水道、大勝關水道的風霧情狀況。#142紅浮是一座直徑6米的大型浮標。與普通浮標相比，6米浮鼓的浮面可利用空間大、穩性好、安全性好，比較適合風霧情監控系統硬件部署。傳感器和數據采集器模塊安裝在浮標頂層，不影響航標功能，也不妨礙航標維護作業。浮標下層安裝了光伏供電系統，為整個采集模塊提供不間斷的供電。數據通過GPRS傳輸。

3.烏江站

烏江站部署在烏江左右通航浮。烏江左右通航浮位于凡家磯水道、烏江水道的交匯處，可反映出長江南京段下游水域的風霧情狀況。系統部署方案同下關站。

（二）在數字航道系統中的應用效果

長江下游“上瀏段”數字航道系統于2016年12月31日上線試運行，該系統根據長江南京航道局轄區河段特點，對傳統航道業務流程做到了程序化、模塊化管理，以一條業務主線貫穿始終，將各項任務都串聯起來，實現了航道監測到維護調度的聯動，使系統從監控層面上升到監管層面。為了更好地聚焦公益服務，提升服務品質，系統除了對傳統航道業務監管外，還添加了視頻監控、橋區通航要素監控等作為輔助管理手段[6]。

我們在“上瀏段”數字航道系統中調用風霧情API，根據輔助決策的功能需要，實現了以下3個主要功能：

（1）風霧情實時顯示。在數字航道系統中加入風霧情模塊，并在電子航道圖的實際位置添加龍潭站、下關站、烏江站3個監測站。點擊監測站圖標，可顯示出監測點的實時信息，如圖6所示。

（2）技術參數分析。如圖7所示，其下方的功能區內能展示出十分鐘平均風速、風向、能見度信息及電池電壓，并能根據歷史數據自動繪制出24小時內的變化趨勢，其中風速、能見度采用折線圖，而風向采用風玫圖。

如圖7所示，根據風速、風向、能見度的等級對照表，用紅、黃、綠3種顏色對數據設置預警級別，綠色底紋顯示的數據代表正常，黃色底紋顯示的數據代表一般預警，紅色底紋顯示代表嚴重預警，不宜開航。以此，可為用戶提供簡單易懂的決策依據。

圖6 數字航道系統風霧情模塊主界面

圖7 數字航道風霧情數據分析界面

七、總結與展望

本文主要研究了長江航道風霧情監測系統建設的相關技術，研究了航道維護管理部門對風速、風向、能見度等氣象要素監測信息的需求，完成了系統功能的設計，進行了傳感器設備的選型。在軟件設計時，從用戶需求出發，開發前端設備管理和接受的航道自動站程序以及數據解碼、重構和發布的監測數據API程序，可方便地在已有的數字航道系統中進行集成應用。最后，根據長江下游的特征選擇了3個站點對系統進行示范應用，實現了在“上瀏段”數字航道系統對風霧情的實時監控和預警分析，從而為航道應急調度指揮提供決策依據，使得系統的輔助決策功能得以補充。

雖然目前已經完成了風霧情監測系統的設計開發和示范應用，但受限于技術和安裝環境等因素，系統仍有一些問題未得到很好的解決，在今后的發展過程中，系統主要有以下幾個方面需要改進和完善：

（1）無線通信信號不穩定。前端采集器通過GPRS/GSM網絡與服務器通信，在使用過程中發現通信信號不太穩定，時常離線。經研究發現與通信基站的布置有關，下一步可以和通信商進一步溝通或采用其他更穩定的無線通信方式傳輸數據。

（2）示范的監測站點分布過少，目前監測站的監測數據只能真實反映局部氣象。長江水面上氣象條件與陸地不同，常有團霧發生，本文中在長江南京段上、中、下游分別設置的示范監測站點并不能覆蓋到長江南京段全線。下一步將在港區、橋區、錨區等重點水域增加監測站點，或采用更大量程的數據采集器應對。