羅毅　江蓓　張紅

摘 要：為改進(jìn)和完善內(nèi)河助航標(biāo)志，使用多功能航標(biāo)，利用信息融合技術(shù)算出整個(gè)航道的油污染分布，水流速度分布及沿線各點(diǎn)的氣象信息，形成龐大的航道信息資源網(wǎng)絡(luò)，對(duì)提高水上交通效率、減小水上交通擁塞具有很大的作用。

關(guān)鍵詞：多功能航標(biāo) 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?系統(tǒng)設(shè)計(jì)

助航標(biāo)志是內(nèi)河航道中最重要的助航設(shè)施，它能夠?yàn)榇皹?biāo)示出航道的方向、界限與礙航物，揭示有關(guān)航道信息，為船舶航行指出安全、經(jīng)濟(jì)的航道。傳統(tǒng)助航標(biāo)志主要依靠燈光、信號(hào)及標(biāo)志外形發(fā)揮助航作用，功能相對(duì)單一，揭示的航道信息有限，航標(biāo)信息化、智能化水平低，而伴隨著現(xiàn)代航運(yùn)業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)航標(biāo)的要求越來(lái)越高，航標(biāo)功能齊全、信息化程度高、節(jié)能環(huán)保已是今后航標(biāo)發(fā)展的趨勢(shì)，傳統(tǒng)的助航標(biāo)志已逐漸不能適應(yīng)現(xiàn)代航運(yùn)業(yè)的發(fā)展，改進(jìn)和完善內(nèi)河助航標(biāo)志勢(shì)在必行。

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

多功能航標(biāo)作為一種功能多樣的航標(biāo)，既有傳統(tǒng)助航標(biāo)志的標(biāo)示導(dǎo)航功能，又通過融計(jì)算機(jī)通信、人工智能等信息化技術(shù)，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(yùn)管理者和船舶提供更加豐富的航道信息，提升航運(yùn)管理水平與通航安全保障能力，助推現(xiàn)代航運(yùn)業(yè)不斷向前發(fā)展。

建設(shè)目標(biāo)及原則

1、建設(shè)目標(biāo)

運(yùn)用先進(jìn)的傳感技術(shù)、通信技術(shù)、人工智能技術(shù)在傳統(tǒng)助航標(biāo)志上集成船舶油污染檢測(cè)、水流速度、水深、大氣溫度、濕度、壓強(qiáng)、風(fēng)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(yù)控提供數(shù)據(jù)支持，提升內(nèi)河航運(yùn)保障能力與航道通航效率，降低水上交通安全風(fēng)險(xiǎn)，防控船舶水域污染。

2、建設(shè)原則

技術(shù)先進(jìn)前瞻。系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)先進(jìn)前瞻，充分考慮到未來(lái)內(nèi)河航運(yùn)信息化發(fā)展的需要，采用先進(jìn)的應(yīng)用集成技術(shù)，整合現(xiàn)有的信息資源，提供開放而標(biāo)準(zhǔn)的信息交換協(xié)議和通道，形成一套行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并以數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)的方式集中存儲(chǔ)相關(guān)數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)挖掘?yàn)榘踩芾淼葮I(yè)務(wù)決策。

功能擴(kuò)展便利。系統(tǒng)采用分布式、模塊化設(shè)計(jì)，充分考慮后續(xù)新增信息系統(tǒng)的擴(kuò)展以及后續(xù)調(diào)整性系統(tǒng)的擴(kuò)展，適應(yīng)未來(lái)業(yè)務(wù)管理需求變化。

系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。系統(tǒng)全天候連續(xù)采集并處理海量數(shù)據(jù)，要求系統(tǒng)具有高度的穩(wěn)定性與可靠性，對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)及硬件設(shè)備質(zhì)量要求尤為嚴(yán)格，具體如下：①采用具有容錯(cuò)功能的服務(wù)器及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，出現(xiàn)故障時(shí)能夠迅速恢復(fù)；②每臺(tái)設(shè)備均考慮可離線應(yīng)急操作，設(shè)備間可相互替代；③采用數(shù)據(jù)備份恢復(fù)、數(shù)據(jù)日志、系統(tǒng)異常處理等故障應(yīng)對(duì)策略；④采用網(wǎng)絡(luò)管理、嚴(yán)格的系統(tǒng)運(yùn)行控制等系統(tǒng)監(jiān)控功能；⑤考慮水上船體晃動(dòng)、雷擊和潮濕等特殊工作環(huán)境。

應(yīng)用簡(jiǎn)單便捷。系統(tǒng)符合用戶操作習(xí)慣，人機(jī)接口簡(jiǎn)便易用，功能應(yīng)用簡(jiǎn)單易懂，系統(tǒng)后期維護(hù)方便。

系統(tǒng)總體架構(gòu)

1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

多功能航標(biāo)系統(tǒng)主要?jiǎng)澐譃槎喙δ芎綐?biāo)終端、通信鏈路和監(jiān)控中心3大部分。

2、運(yùn)行機(jī)制

多功能航標(biāo)系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制可概述為：航標(biāo)狀態(tài)信息（即傳感器及傳感器供電電源工作狀態(tài)）、氣象水文信息、溢油信息采集→航標(biāo)狀態(tài)信息、氣象水文信息、溢油信息遙測(cè)→航標(biāo)狀態(tài)、氣象水文、溢油報(bào)警→航標(biāo)遙測(cè)數(shù)據(jù)處理。

3、主要功能

要素采集。實(shí)時(shí)采集航標(biāo)位置數(shù)據(jù)、航道氣象要素如溫度、濕度、大氣壓強(qiáng)、風(fēng)速、能見度、降雨量等數(shù)據(jù)、航道水文要素如水流流速、水深等數(shù)據(jù)、航道溢油情況以及航標(biāo)附近水域船舶信息，并透過通信網(wǎng)絡(luò)傳遞到后臺(tái)服務(wù)器端存儲(chǔ)。

實(shí)時(shí)告警。系統(tǒng)將遙測(cè)數(shù)據(jù)與設(shè)定的報(bào)警閾值進(jìn)行比較，一旦發(fā)生漂移、低能見度、水深過低、水流速過快、風(fēng)速過快、降雨量過大、溢油等異常情況時(shí)，后臺(tái)服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)收集、打包、消息編碼、發(fā)送數(shù)據(jù)等操作，實(shí)現(xiàn)航標(biāo)實(shí)時(shí)報(bào)警功能。

信息發(fā)布。多功能航標(biāo)采集的水文、氣象及溢油等信息，經(jīng)人工確認(rèn)后可通過AIS短信發(fā)送的方式向過往船只發(fā)布。

遠(yuǎn)程維護(hù)。系統(tǒng)監(jiān)控中心后臺(tái)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作控制與系統(tǒng)管理，設(shè)定航標(biāo)位置基點(diǎn)以及各項(xiàng)報(bào)警閥值，選擇終端設(shè)備工作模式以及實(shí)時(shí)查詢工作狀態(tài)等內(nèi)容。

4、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

三峽壩區(qū)航道多功能航標(biāo)建立了一個(gè)標(biāo)-岸站-管理中心3級(jí)通信系統(tǒng)，航標(biāo)間采用低功率UHF為通訊手段，而航標(biāo)體系與遠(yuǎn)程管理中心間，采用2W/5.2W的VHF頻段通訊鏈路。標(biāo)-岸站-管理中心3級(jí)通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下圖所示。

航標(biāo)體系與遠(yuǎn)程管理中心間，采用2W/5.2W的VHF頻段通訊鏈路，設(shè)計(jì)通訊距離40Km，八個(gè)并行發(fā)射頻點(diǎn)為162.075～164.075MHZ，頻道間隔50KHz，單頻點(diǎn)帶寬9600Bps，總帶寬9.6Kbps～76.8Kbps。同時(shí)，該發(fā)射接收系統(tǒng)，亦可作為AIS收發(fā)機(jī)，為過往船只提供AIS導(dǎo)航信息，工作頻點(diǎn)為87B（161.975MHZ）和88B（162.025MHZ）。

系統(tǒng)應(yīng)用

多功能航標(biāo)測(cè)試選取了三峽壩區(qū)河段典型代表航段，根據(jù)各種代表航段的顯著特點(diǎn)以及無(wú)線電傳輸條件差異采集相應(yīng)航道環(huán)境要素。

1、葛洲壩壩下航段

葛洲壩壩下水域水文條件復(fù)雜，水流流速及水位變化頻繁，易發(fā)水上交通事故，故該航段多功能航標(biāo)安裝水深和流速傳感器，采集水位、流速數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)航道水文環(huán)境。多功能航標(biāo)實(shí)時(shí)測(cè)量航標(biāo)位置處水深及水流流速，當(dāng)水深和流速實(shí)時(shí)值達(dá)到設(shè)定報(bào)警閥值時(shí)，多功能航標(biāo)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警，經(jīng)過人工對(duì)報(bào)警內(nèi)容核實(shí)后可通過AIS向周圍船舶播發(fā)報(bào)警信息。endprint

2、三峽壩上典型航段

三峽壩上航道易發(fā)大風(fēng)大霧等惡劣氣況，故該航段多功能航標(biāo)安裝了能見度、風(fēng)速等監(jiān)測(cè)傳感器，采集風(fēng)速、能見度、氣溫等氣象數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)航道氣象環(huán)境。多功能航標(biāo)實(shí)時(shí)測(cè)量航標(biāo)位置處風(fēng)速、能見度及氣溫等數(shù)據(jù)，當(dāng)風(fēng)速、能見度或氣溫實(shí)時(shí)值達(dá)到設(shè)定報(bào)警閥值時(shí)，多功能航標(biāo)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警，經(jīng)過人工對(duì)報(bào)警內(nèi)容核實(shí)后可通過AIS向周圍船舶播發(fā)報(bào)警信息。

3、油碼頭、錨地等易于發(fā)生污染事故的航段

油碼頭、錨地水域船舶密度大，極易發(fā)生碰撞等事故，發(fā)生水上污染事故幾率較大，故選擇蘭陵溪錨地和茅坪服務(wù)區(qū)作為測(cè)試航段，多功能航標(biāo)上安裝溢油和船舶氣象傳感器（包括溫度、濕度、風(fēng)速），監(jiān)測(cè)油碼頭、錨地水域溢油等情況。

技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

1、多態(tài)數(shù)據(jù)采集

系統(tǒng)可采集風(fēng)速、能見度、水深、水流速度等大量的航標(biāo)多態(tài)數(shù)據(jù)。由于各傳感器接口各不相同，給數(shù)據(jù)采集帶來(lái)了很大的難度。針對(duì)不同數(shù)據(jù)采集設(shè)備，制定統(tǒng)一的輸出數(shù)據(jù)格式，通過數(shù)據(jù)分析處理程序進(jìn)行轉(zhuǎn)換

2、航標(biāo)-岸站組網(wǎng)通訊機(jī)制

建立一套強(qiáng)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(biāo)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(biāo)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(shù)

在以集成化技術(shù)降低功耗的同時(shí)，通訊的功耗控制為主要關(guān)鍵點(diǎn)。無(wú)線電傳輸體系，應(yīng)為主控制器提供實(shí)時(shí)可靠的通訊服務(wù)，同時(shí)降低功耗，具體措施包括：①充分利用海事頻道的擴(kuò)展性，實(shí)現(xiàn)各頻點(diǎn)的跳傳，提高帶寬；②建立智能的傳輸功率調(diào)節(jié)機(jī)制，可根據(jù)環(huán)境動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)射方案；③采用最新的無(wú)線電技術(shù)，減少中間環(huán)節(jié)，降低整體功耗。

4、數(shù)據(jù)融合、分析

通過長(zhǎng)期的積累，航標(biāo)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)構(gòu)成了海量數(shù)據(jù)庫(kù)，每天都有大宗的數(shù)據(jù)被處理和備份，其中蘊(yùn)含著豐富的有價(jià)值的信息。這些信息對(duì)提高航道運(yùn)輸效率和保證船舶運(yùn)輸安全具有十分重要的意義。

功能拓展

該項(xiàng)目主要是利用江上的航標(biāo)鏈來(lái)采集各種航道信息，其原理與航標(biāo)遙測(cè)遙控系統(tǒng)有共通之處，如果兩者聯(lián)合，將會(huì)達(dá)到更好的效果。

在現(xiàn)有太陽(yáng)能航標(biāo)燈的基礎(chǔ)上，添加GPS定位、VHF遠(yuǎn)距離通訊、各種傳感器和智能控制終端，可建立遠(yuǎn)距離傳輸鏈路，以被查詢方式提供傳感器信息，并可實(shí)時(shí)提供各傳感器和航標(biāo)的運(yùn)行狀況，在捕獲到異常情況時(shí)自動(dòng)報(bào)警，并為過往船只提供AIS和GPS導(dǎo)航信息。

若某個(gè)河段的航標(biāo)上都使用這樣的多功能航標(biāo)，利用信息融合技術(shù)算出整個(gè)航道的油污染分布，水流速度分布及沿線各點(diǎn)的氣象信息，形成龐大的航道信息資源網(wǎng)絡(luò)，對(duì)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(zhǎng)江三峽通航管理局）endprint