一種具有碰撞報警功能的航標燈器應用探討

◎李忠 交通運輸部南海航海保障中心廣州航標處

1.引言

航標是幫助船舶安全、經濟和便利航行的重要助航設施。隨著海運事業的發展和交通強國戰略的提出，水上經濟和旅游活動的范圍和方式日益增多，對航標的需求也越來越多，航標對我國地區經濟發展和重大國家戰略實施的作用日趨明顯。在船舶行駛過程中，由于受氣候、水域通航環境（流向、流態、流速）等客觀因素及駕駛人員自身業務技術主觀因素的影響，經常發生船舶碰撞航標的情形，給相關設備、設施帶來一定程度的經濟損失。更為嚴重的是，一旦航標被損壞導致功能失常，很容易造成航道或航行水域局部交通受限，甚至發生二次水上交通事故，給事故水域附近港口碼頭的正常運營帶來嚴重影響。因此，研究水上船舶碰撞航標事故遠程監測報警技術，推廣使用具有碰撞報警功能的航標燈器，在安全監督管理船舶、確保水上交通的可持續發展、減少事故發生、保障船舶交通安全等方面具有深遠而重要的意義。

2.工作原理

2.1 碰撞報警模塊組成

（1）加速度傳感器：在航標燈器上內置一個六軸加速度傳感器，加速度傳感器偵測浮標各個方向所受外力。當燈浮受到碰撞時，燈器的加速度會瞬間增大，加速度傳感器將實時加速度數值大小發送給主控芯片。

加速度傳感器是對自身器件的加速度進行檢測。傳感器芯片內部有一個真空區域，感應器件即處于該區域，其原理是通過慣性力作用引起電壓變化，并通過內部的ADC（模數轉換電路）給出量化數值。當監測加速度值大于設置的閾值時，傳感器就會生成一個喚醒中斷信號，芯片通過檢測中斷信號來判斷加速度值的變化。加速度傳感器為三軸，能檢測 X、Y、Z 的加速度數據，見圖1。

當圖1所示的靜止狀態，z 軸正方向會檢測出 1g（即自重），X、Y 軸為0。如果調轉位置。那總會有一個軸會檢測出 1g，其他軸為 0，在實際的測值中，可能并不是 0，而是有細微數值。物體受力后，受力方向上會產生相應的加速度，相同的物體受力越大，加速度越大，x，y，z 軸的值都會發生變化。傳感器加速度范圍檢測范圍為±2/±4/±8/±16g，且角速率范圍為±125/ ±245/ ±500/±1000/±2000dps。

圖1 三軸加速度傳感器感應受力示意圖

（2）主控芯片：主控芯片能夠實時讀取燈器的加速度信息，并對加速度數值進行判斷，當加速度數值超過設置閥值后，產生碰撞報警信號，并把報警數據通過燈器通信模塊發送到后臺監控系統。

2.2 工作流程

當船舶碰撞航標后，燈器內的加速度傳感器會接收到觸發激勵，并檢測出加速度數值，提供給主控芯片進行判斷。以下是工作流程：

（1）當碰撞沒有發生時，加速度值在一定范圍內（可設置），視為浮標運行正常，燈器按照常規設置上傳數據；

（2）當航標感受到船舶的撞擊時，加速度瞬間增大，加速度傳感器檢測出加速度數值大小，并把數據發送給主控芯片。當燈器的加速度超出設定閾值時，主控芯片立即產生碰撞報警信息，報警信息包括碰撞發生時間，碰撞時航標位置等，并通過燈器通信模塊向后臺監控系統（航標遙測遙控系統）上報報警數據，引起管理人員關注。

（3）主控芯片恢復接收加速度信號模式，這時一個完整的碰撞監測報警流程完成。

3.應用效果

南海航海保障中心廣州航標處于2020年起，在珠江口廣州港主航道及其附近水域的90座浮標上安裝了具有碰撞報警功能的燈器，并對該水域90座航標發生故障和后續現場處理情況進行了詳細統計記錄。上述燈器在航標碰撞報警案例中發揮了顯著的作用。

3.1 碰撞報警準確率高

廣州航標處在2020 年10 月1日-2021年6月30日期間，在廣州港主航道及附近水域90座安裝有碰撞報警功能燈器。根據上述浮標失常情況進行數據分析，見表1。

從表1可以看出，航標在安裝遙測遙控航標燈器以后，因為從遙測遙控系統可以實時對航標工作狀態進行監控，并對存在故障隱患的航標進行提前處置，所以燈器或航標本身原因產生的失常故障率較低。有72%的航標失常是因為船舶碰撞所導致。說明了目前影響航標正常效能的第一威脅正是船舶碰撞，這是由于廣州港主航道及附近水域船舶交通密集，惡劣天氣、部分內河船舶不按規則行駛、駕駛員不熟悉水域通航環境或粗心駕駛所致。

表1 燈器失常原因、次數及占比統計表

在對該統計時間段內90 座航標實際被船舶碰撞失常次數和燈器發送的碰撞報警信息以及現場處置情況進行統計發現，2020年10月1日-2021年6月30日期間，航標遙測遙控系統共收到碰撞報警21次，其中經核實屬于船舶碰撞或擦碰（未造成航標失常）共計19次，其余2次因無法查到碰撞時間節點的船舶AIS軌跡，無法確認是否發生碰撞；又對該時間段內18次船舶碰撞引起航標失常進行統計，發現有15次航標遙測遙控系統收到碰撞報警信息，2次燈器通訊模塊完全損壞，1次燈器未損壞但沒有報警。從上述數據可以得出，有碰撞報警功能的燈器報警成功率在90%以上，性能較為可靠。

3.2 縮短故障判斷時間，提升應急反應速度

航標值班人員在收到燈器的碰撞報警信號后，會把該航標列為重點觀察對象，通過查詢航標位置、電流電壓等實時遙測信息、致電海事交管向過往船舶核實等多種手段確認航標被撞情況。一旦核實，馬上通知轄區航標主管部門應急修復。因此具有碰撞報警功能航標燈器的應用，縮短了航標故障判斷時間，提高了航標應急反應速度，確保了航標效能，有效提升航標維護管理水平。

3.3 為航標碰撞索賠提供數據支撐

當有船舶碰撞航標后,航標管理單位可以根據碰撞報警功能燈器回傳的報警信息，迅速確定碰撞發生時間、位置信息，核實肇事船舶，及時提取肇事船舶AIS軌跡等數據證據，為碰撞事故的后期索賠取證提供重要的數據支撐。

4.改進建議

具有碰撞報警功能的燈器雖然發揮了準確穩定的報警作用，但是在使用中也同樣發現了一些問題需要進行升級改進。一是升級主控芯片程序設計，在碰撞報警發生后，縮短燈器其他數據的上報時間間隔，可由默認的1小時一次調整為5分鐘一次，讓后臺人員更及時的掌握航標狀態，從而更準確地判斷碰撞事故。二是把燈器加速度傳感器和通信模塊安裝在燈器底座靠下的位置，盡量遠離燈器頂部的透鏡，在碰撞發生時可以更好的得到保護，及時回傳報警信息。三是在燈器上加裝低能耗全方位攝像頭，在碰撞報警發生的同時，攝像頭啟動攝像功能，拍攝現場照片并通過通信模塊傳至后臺系統，對碰撞事故的判斷和后續肇事船舶的鎖定具有極大的作用。

圖2 航標燈器碰撞報警功能工作流程圖

5.結論

具有碰撞報警功能的航標燈器的使用，不僅可以大大縮短航標故障判斷時間，提高應急反應速度，成為一種保障船舶航行安全的有效技術手段。然而這種燈器還處于初期試用階段，要想取得更好的使用效果，還需要在今后的使用中不斷積累數據，更精準地測算出加速度傳感器在不同軸向上的加速度閾值，逐漸將其功能完善，并推廣使用，以期提升航標維護管理水平，提高航標整體助航效能，更好地保障船舶航行安全。