粵港澳大灣區多功能航標研究與應用

程洪 袁靖周 廣州航標處

1.前言

近年來，隨著科學技術發展日新月異，航標新技術、新材料、新能源不斷開發和利用，航標維護質量、效能和效率持續不斷提升，特別是E航海的建設發展和智能航運等概念的提出，標志著航標發展已經進入了一個全新的數字化、信息化和智能化時代。在航海保障需求的不斷提升和航標新技術迅猛發展的背景下，航標在多功能化、數字化和智能化方面的發展將成為必然趨勢。

為此，通過航標標體設計并加設多種設備并開發相應軟硬件，從而研發出一種全新的多功能航標（以下簡稱多功能航標）。多功能航標不僅可以滿足傳統航標的導助航功能，而且可以實現實時監測航標所在位置水文、氣象數據及回傳周邊視頻數據。多功能航標采用模塊化設計，涉及傳統導助航功能的燈器及能源系統與收集水文、氣象及視頻數據的模塊分離，保障基本功能。多功能航標的提出，為航標轉型升級提出了一種新思路，有利于粵港澳大灣區航標效能升級化、智能化、多功能化，從而更好服務于粵港澳大灣區水上交通安全建設。本文對廣州航標處在多功能航標方面的前期研究成果及實際試用情況進行說明和闡述。

2.多功能航標系統與功能設計

多功能航標在功能設計上首先要符合航標助航的要求（保留原燈浮標的航標四要素：位置準確、燈質正常、顏色鮮明、結構完整），在此基礎上，考慮能耗和通訊，進行多功能航標的功能設計，具體包括能見度、風速風向、流速、水溫、波高波向、北斗定位、視頻監控、碰撞預警等。多功能航標系統的功能設計，見圖1。

多功能航標上的各設備實現以下功能：

（1）能見度儀采集監測平臺附近能見度信息。

（2）氣象儀采集風速、風向、溫度、濕度、氣壓、雨量信息。

（3）多普勒流速儀采集剖面水溫、流速、流向等信息。

（4）波浪儀采集波高、波向等數據。

（5）北斗定位采集浮標經緯度信息，結合拋投位置計算出浮標偏移方向和偏移距離，超出偏移距離產生報警。

（6）電子羅盤采集傾斜角、俯仰角、橫滾角等浮標姿態信息。

（7）加速度儀采集XYZ三個軸的加速度，并根據數學模型計算出碰撞報警。

圖1 多功能航標系統的功能設計示意圖

圖2 多功能航標設計圖

（8）控制箱系統采集控制箱內溫度、濕度，并通過艙門控制器采集開閉艙門狀態，對非法開艙門產生報警。

（9）視頻監控及時響應碰撞報警和艙門報警，在碰撞時錄像、拍照，留下證據。

（10）供電系統包括太陽能電池板、電池、BMS模塊三大部分，負責為整個系統提供設備運行的電力保障。

（11）配備AIS、燈器、錨系設備等，滿足浮標基本要求。

（12）數據采集控制系統主要完成傳感器通訊、信息采集、數據處理、數據存儲并控制數據傳輸，保證數據可以通過不同的通信方式穩定可靠的將數據傳輸到指定服務器。

（13）通信模塊將數據采集控制系統的信息報文傳輸回岸基系統的數據接收端進行接收處理，保證數據有效接收。

3.標體材質選定及設計

多功能航標標體是采用超高分子聚乙烯材料，超高分子聚乙烯優點在于其可在-70℃至80℃環境下使用。具有超強的耐磨性、良好的耐低溫沖擊性、自潤滑性，強度比較高、化學性質穩定、抗老化性能強、耐水性好，吸濕率低，制品幾何形狀和結構尺寸易于控制等特點。經綜合考慮，標體采用防撞性能較好的高分子聚乙烯浮標，直徑為3m。

4.數據采集

數據采集控制系統主要完成傳感器通訊、信息采集、數據處理、數據存儲并控制數據傳輸，保證數據可以通過不同的通信方式穩定可靠的將數據傳輸到指定服務器。正常情況下，按預定的頻率，對水文氣象要素進行自動采集和處理；惡劣海況下，根據內部設定的門限值可加密觀測，惡劣海況結束后可自控恢復正常觀測。對采集數據進行初步質量控制，內容包括：剔除粗大誤差；檢查測量值上下限等。自動編制報文，利用通信傳輸系統把數據發送給岸基系統。采用大容量的固態數據存儲器，用于采集原始數據的保存。

5.通信傳輸

常見的無線數據通信方式包括：電臺通信、移動網絡通信、Wifi通信、微波通信、衛星通信等等。布放的多功能航標所在水域都有移動網絡信號覆蓋，考慮到經濟性和技術可行性，采用4G通信的方式進行數據傳輸。

圖3 投放在虎門大橋南的多功能浮標

6.供電設計

多功能航標供電系統原則： 1、為不影響航標燈的正常使用，數據采集系統、傳感系統以及水文氣象設備與航標燈器的供電系統相互獨立；2、數據采集系統、傳感系統以及水文氣象設備的供電系統必須滿足在連續20天陰雨天情況下，設備能正常工作。航標燈器的供電系統必須滿足在連續30天陰雨天情況下，設備能正常工作。

圖4 數據采集軟件界面

7.應用實例

以投放在虎門大橋南燈浮位置處的多功能航標情況簡要介紹如下：

虎門大橋南燈浮位于珠江口內外港交界處，地處川鼻水道，上接大虎水道，下連伶仃航道，另有珠電航道交叉匯合，通航環境異常復雜，且該水域風浪流各要素變化較大，過往船舶對各類航行信息的需求日益提高，對該位置監測極具現實意義。該標為孤立危險物標，在主航道旁邊，船舶通過橋梁時，會主動避讓本標，浮標遭船舶撞擊可能性低，能夠確保長期持續穩定的數據采集和傳輸，浮標及各類設備安全性高，投放現場如圖3所示。通過收集處理各設備數據，并經4G網絡傳輸數據到開發的軟件平臺，如圖4所示。

8.結束語

下一步，我們將繼續優化多功能航標研究，根據目前實際使用情況總結經驗，并做好以下工作：一是觀測校對水文氣象設備精準度；二是檢驗系統穩定性及信息數據回傳高可靠度；三聯系走訪相關氣象部門及水文部門，通過數據共享提高數據利用率。