施勁松 韓然

摘要：文章以廣西內(nèi)河水系數(shù)字航道綜合監(jiān)控系統(tǒng)為研究對(duì)象，闡述其主要功能及工作原理，并從航標(biāo)監(jiān)控終端（RTU）、航標(biāo)遙控遙測(cè)系統(tǒng)以及其他系統(tǒng)部件等方面提出智能化功能升級(jí)措施，以此提升當(dāng)?shù)睾降朗聵I(yè)智能化的發(fā)展水平。

關(guān)鍵詞：航道;航標(biāo)遙測(cè)遙控系統(tǒng);航標(biāo)監(jiān)控終端;RTU;智能化

0 引言

廣西內(nèi)河水系航道綜合監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用至今已有十余載，暴露出了不少問(wèn)題和短板，這些同時(shí)也是航道信息化向智能化提升過(guò)程中必須解決的問(wèn)題。交通運(yùn)輸部發(fā)布的《交通運(yùn)輸信息化標(biāo)體系（2019）》“編制原則”中關(guān)于“先進(jìn)性原則”，提出“體系的制定”是為了“促進(jìn)云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等信息技術(shù)在交通運(yùn)輸行業(yè)的創(chuàng)新應(yīng)用和發(fā)展”。由此看來(lái)，從行業(yè)發(fā)展角度和深化廣西航道信息化建設(shè)角度，深化智能交通建設(shè)，勢(shì)在必行。就廣西航道高質(zhì)量發(fā)展而言，能否解決內(nèi)河水系航道綜合監(jiān)控系統(tǒng)暴露出來(lái)的問(wèn)題，補(bǔ)上短板，直接影響廣西航道智能化水平的提升。

1 數(shù)字航道綜合監(jiān)控系統(tǒng)主要功能

廣西內(nèi)河水系數(shù)字航道綜合監(jiān)控系統(tǒng)，是基于航道GIS系統(tǒng)（數(shù)字航道）、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、GPS技術(shù)、通信技術(shù)等的應(yīng)用系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)航標(biāo)狀態(tài)進(jìn)行全天候遠(yuǎn)程監(jiān)控。該系統(tǒng)主要功能是航標(biāo)遙測(cè)遙控和水位監(jiān)測(cè)，其中航標(biāo)遙測(cè)遙控是最重要的功能。

航標(biāo)遙測(cè)遙控系統(tǒng)主要包含監(jiān)控平臺(tái)端、航標(biāo)監(jiān)控終端（RTU）、航標(biāo)定位差分站、航標(biāo)設(shè)施（太陽(yáng)能充電板、堿性浮式充電電池、鋰電池、智能LED航標(biāo)燈等）等部分[1]。監(jiān)控平臺(tái)端，即航標(biāo)遙測(cè)遙控系統(tǒng)用戶端，是使用計(jì)算機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)航標(biāo)遙測(cè)遙控系統(tǒng)服務(wù)器，對(duì)航標(biāo)信息進(jìn)行查詢和編輯的部分。航標(biāo)監(jiān)控終端（RTU），是航標(biāo)數(shù)據(jù)采集與接收的重要設(shè)備，包括以CPU處理器為中心的控制電路RTU（RemoteTerminalUnited即遠(yuǎn)程終端單元）單元、與航標(biāo)燈器之間通信接口、GSM/GPRS無(wú)線通信模塊、GPS定位模塊和電源控制模塊，可收集航標(biāo)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)（電源電壓、電流，太陽(yáng)能板充電電流、電壓，航標(biāo)燈器運(yùn)行電流、電壓、燈質(zhì)、日光閥值，GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)等），并將數(shù)據(jù)通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至數(shù)據(jù)庫(kù)[2]。最后計(jì)算機(jī)對(duì)接收到的航標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)使用者對(duì)航標(biāo)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的查詢、編輯。圖1為航標(biāo)數(shù)據(jù)傳輸流程。

水位監(jiān)測(cè)是由水位自動(dòng)測(cè)量設(shè)備（有壓力式和雷達(dá)式兩種）和水位監(jiān)控終端組成。

2 工作原理

航標(biāo)遙測(cè)遙控系統(tǒng)主要由航標(biāo)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和客戶端實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)等三個(gè)子系統(tǒng)組成。安裝在航標(biāo)上的航標(biāo)監(jiān)控終端，自動(dòng)采集航標(biāo)實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，并通過(guò)無(wú)線信號(hào)（主要以GPRS方式）定時(shí)向系統(tǒng)服務(wù)器發(fā)送航標(biāo)狀態(tài)信息，服務(wù)器對(duì)航標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)為客戶提供實(shí)時(shí)顯示和查詢，客戶通過(guò)顯示和查詢結(jié)果，對(duì)航標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)排除航標(biāo)異常報(bào)警，根據(jù)需要對(duì)航標(biāo)終端參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)整設(shè)置。

3 數(shù)字航道綜合監(jiān)控系統(tǒng)功能提升分析與研究

隨著科技發(fā)展，航標(biāo)監(jiān)控終端（RTU）向類似智能化發(fā)展成為必然趨勢(shì)，智能顯示與數(shù)據(jù)智能分析在航標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)中是需要補(bǔ)強(qiáng)的“短板”之一。

3.1 航標(biāo)監(jiān)控終端（RTU）功能提升分析與研究

3.1.1 RTU新增AIS功能

把航標(biāo)數(shù)據(jù)接入海事部門(mén)AIS系統(tǒng)，可以減少航標(biāo)被船舶碰撞的概率，有效加強(qiáng)對(duì)航標(biāo)的保護(hù)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近年來(lái)航標(biāo)因船舶碰撞造成的失常次數(shù)呈現(xiàn)逐年遞增的趨勢(shì)，且夜間被碰的概率更大。航標(biāo)被碰失常，既影響水上交通安全，可能會(huì)發(fā)生偏航、擱淺的海損事故，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，又會(huì)加大航標(biāo)器材損耗，大大增加了航標(biāo)維護(hù)的成本。因此，將航標(biāo)的定位信息顯示在AIS系統(tǒng)里，船舶航行中（特別是霧天、雨天）就可以通過(guò)AIS系統(tǒng)及時(shí)了解航標(biāo)動(dòng)態(tài)，當(dāng)船舶靠近航標(biāo)時(shí)系統(tǒng)將發(fā)出警報(bào)，有效避免航標(biāo)被碰撞。另外，通過(guò)AIS系統(tǒng)，對(duì)非特定環(huán)境下（霧天、雨天、大風(fēng)等）碰撞航標(biāo)的行為船舶進(jìn)行責(zé)任追究，提高船舶駕駛員保護(hù)航標(biāo)設(shè)施的意識(shí)。

3.1.2 航標(biāo)遙控遙測(cè)的數(shù)據(jù)傳輸模式升級(jí)

航標(biāo)監(jiān)控終端的數(shù)據(jù)傳輸模式當(dāng)前為GPRS，使用傳統(tǒng)手機(jī)卡。GPRS是比較落后的數(shù)據(jù)傳輸方式，傳輸信號(hào)差，且手機(jī)卡開(kāi)卡受限。隨著4G信號(hào)的普及，GPRS信號(hào)已經(jīng)不再適用。航標(biāo)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸信號(hào)在延用手機(jī)卡的情況下，應(yīng)該升級(jí)至4G信號(hào)傳輸監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，保證了數(shù)據(jù)傳輸及時(shí)性，才能做到監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新，縮小數(shù)據(jù)采集端和監(jiān)控端之間信息時(shí)差。此外還可以采用最新的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，用物聯(lián)卡代替手機(jī)卡，物聯(lián)卡的使用不受數(shù)量的限制。

3.1.3 RTU新增陀螺儀

陀螺儀（角速傳感器）可以檢測(cè)航標(biāo)在水中發(fā)生傾斜的角度。水上航標(biāo)由于水流的影響，時(shí)刻都在運(yùn)動(dòng)，特別是在洪水期、大風(fēng)天氣時(shí)、被船舶碰撞時(shí)運(yùn)動(dòng)更劇烈，致使航標(biāo)的安全受到影響。陀螺儀可以測(cè)算出航標(biāo)在水中的實(shí)時(shí)傾角，由這個(gè)傾角可以判斷航標(biāo)在水中的姿態(tài)，再根據(jù)當(dāng)時(shí)的天氣、水流等情況，判斷航標(biāo)是否正常作用、是否受到外力影響。

3.1.4 RTU加裝微型攝像頭

加裝微型攝像頭，根據(jù)需要遙控進(jìn)行拍照或短視頻錄制，再將圖片或短視頻發(fā)回，可以實(shí)時(shí)查看航標(biāo)周邊環(huán)境情況。比如航標(biāo)錨固系統(tǒng)是否正常，洪水期江面漂浮物沖擊航標(biāo)程度，過(guò)往船舶對(duì)航標(biāo)造成的外部影響程度等。

3.1.5 航標(biāo)硬件加裝傳感器

在航標(biāo)遙控遙測(cè)的各硬件（電池組、航標(biāo)燈、太陽(yáng)能充電板、RTU和各連接電源線）上，包括航標(biāo)標(biāo)體上布設(shè)不同用途的傳感器，對(duì)整個(gè)航標(biāo)進(jìn)行全位掌控。目前的航標(biāo)遙控遙測(cè)系統(tǒng)的故障報(bào)警，都是以文字描述的方式顯示，不夠直觀、比較抽象，且未能給航標(biāo)維護(hù)人員提供準(zhǔn)確的信息。傳感器發(fā)回的航標(biāo)各硬件數(shù)據(jù)，將整個(gè)航標(biāo)各部位的實(shí)時(shí)狀態(tài)形象地顯示出來(lái)。當(dāng)傳感器檢測(cè)到故障時(shí)會(huì)發(fā)出報(bào)警，可以精確地在監(jiān)控平臺(tái)上看到故障設(shè)備，航標(biāo)維護(hù)人員可據(jù)此做出充分、精確的準(zhǔn)備。

3.2 航標(biāo)遙控遙測(cè)系統(tǒng)功能提升分析與研究

3.2.1 智能顯示

航標(biāo)供電電池的電壓，是比較重要的數(shù)據(jù)之一，是航標(biāo)監(jiān)控終端能否長(zhǎng)期續(xù)航的重要保證。從目前航標(biāo)遙控遙測(cè)系統(tǒng)對(duì)電池的監(jiān)控信息來(lái)看，只顯示電池實(shí)時(shí)的電壓值，未能直接反映電池當(dāng)前電量剩余。因此，航標(biāo)遙控遙測(cè)系統(tǒng)應(yīng)在后臺(tái)根據(jù)電池電壓及其他部件耗電信息計(jì)算電池電量消耗情況，如智能手機(jī)能顯示手機(jī)剩余電量一樣，根據(jù)剩余電量顯示，及時(shí)進(jìn)行電池更換。

3.2.2 智能數(shù)據(jù)分析

目前遙測(cè)遙控系統(tǒng)只有簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)查詢、常規(guī)報(bào)警提示的功能，數(shù)據(jù)分析不夠深入、細(xì)化。在航標(biāo)遙測(cè)遙控系統(tǒng)中增加不同功能的分析模塊，程序可自行對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果用戶可以直觀地了解航標(biāo)運(yùn)行的規(guī)律，便于航標(biāo)維護(hù)管理。

（1）航標(biāo)燈電流分析：航標(biāo)燈的實(shí)時(shí)電流是因晝夜交替而不同的（夜間發(fā)光，有電流;晝間不發(fā)光，無(wú)電流），根據(jù)某個(gè)時(shí)段實(shí)時(shí)上報(bào)的電流數(shù)據(jù)，可分析不同情況下航標(biāo)燈器運(yùn)行狀態(tài)。

（2）太陽(yáng)能電池板充電電壓分析：受光照和天氣影響（晝間將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能，產(chǎn)生充電電壓和電流;夜間停止轉(zhuǎn)換，無(wú)充電電壓及電流），根據(jù)一晝夜實(shí)時(shí)充電電流數(shù)據(jù)，可分析太陽(yáng)能電池板工作狀態(tài)、效率及存在故障。

（3）監(jiān)控報(bào)警統(tǒng)計(jì)分析：對(duì)某個(gè)時(shí)段的航標(biāo)遙測(cè)遙控系統(tǒng)的報(bào)警情況分類進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可分析次數(shù)最多的報(bào)警類型、發(fā)生地點(diǎn)、發(fā)生時(shí)間等，從而摸清其中的規(guī)律，更好地輔助航標(biāo)維護(hù)工作。

（4）水位智能分析：廣西河流屬山區(qū)性河流，水位變化頻繁，直接影響航標(biāo)維護(hù)工作。目前廣西內(nèi)河水位數(shù)據(jù)已經(jīng)接入航標(biāo)遙控遙測(cè)系統(tǒng)，但只有單一查詢功能，水位信息未被充分利用。在系統(tǒng)中增加水位智能分析功能，將廣西全區(qū)的河流水位數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)。在洪水期和連續(xù)降雨期，河流上下游水位是存在差異的，排除比降因素，當(dāng)上下游水位差超過(guò)一定數(shù)值時(shí)，系統(tǒng)提前發(fā)出水位異常變動(dòng)報(bào)警，保證航標(biāo)維護(hù)機(jī)構(gòu)有足夠的準(zhǔn)備時(shí)間，應(yīng)對(duì)水位變化造成的影響。

3.3 其他功能提升分析與研究

3.3.1 建立多個(gè)數(shù)據(jù)同步服務(wù)器

目前，全區(qū)航標(biāo)遙控遙測(cè)系統(tǒng)只有一個(gè)服務(wù)器，一旦服務(wù)器出現(xiàn)故障，全區(qū)的航標(biāo)監(jiān)控將全面癱瘓。因此，建立多個(gè)同步服務(wù)器，應(yīng)對(duì)供電失常、通信失常、不可抗拒因素等情況，才能保證全區(qū)航標(biāo)監(jiān)控工作正常開(kāi)展。

3.3.2 制定長(zhǎng)期的發(fā)展計(jì)劃

航標(biāo)遙測(cè)遙控終端（RTU）研發(fā)沒(méi)有資金投入，目前RTU存在體積大、耗電大、智能化程度低，航標(biāo)供電電源（電池組）容量小、充電慢、體積大，難以保證長(zhǎng)期穩(wěn)定供電，以及太陽(yáng)能板能量轉(zhuǎn)換效率低等問(wèn)題，都將制約航標(biāo)信息化、智能化的發(fā)展步伐。所以，有計(jì)劃地投入，才能得到良性發(fā)展的效果。

3.3.3 差分系統(tǒng)升級(jí)

貴港至梧州航段，差分站還處于單頻模式，屬于比較落后的技術(shù)，存在差分定位精度差，差分效果差，不能保證航段內(nèi)所有水上航標(biāo)定位精確的問(wèn)題，同時(shí)還存在定位信號(hào)唯一，只能通過(guò)GPS信號(hào)來(lái)差分的問(wèn)題。我國(guó)新應(yīng)用的北斗信號(hào)沒(méi)有列入其中，一是存在信息安全風(fēng)險(xiǎn)，二是一旦GPS信號(hào)使用受限將嚴(yán)重影響航標(biāo)的正常使用。

對(duì)此，差分系統(tǒng)升級(jí)成為必然，可過(guò)兩個(gè)途徑來(lái)升級(jí)：（1）重建差分系統(tǒng)，采用多頻模式，并且可同時(shí)接收GPS和北斗信號(hào)，同時(shí)加密差分站點(diǎn)，全航段覆蓋;（2）不建立差分系統(tǒng)，而采用購(gòu)買(mǎi)差分信號(hào)的方式，這樣可以減少經(jīng)濟(jì)成本和人工成本，得到更專業(yè)更有保證的服務(wù)。

3.3.4 RTU供電電池升級(jí)

貴梧航段使用的電池有兩種，一種是傳統(tǒng)的酸性電池（鉻鎳電池），一種是小型鋰電池。鉻鎳電池耐用，通過(guò)太陽(yáng)能電池板充電效果好，但質(zhì)量大，更換難度大;鋰電池質(zhì)量小，便于更換，但電容量小，通過(guò)太陽(yáng)能電池板充電效果差，不耐用。兩種電池各有優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)過(guò)于突出，不適用于當(dāng)前的航標(biāo)維護(hù)管理工作。

鋰電池的應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)比較成熟，向電池廠家定制適合航標(biāo)使用的鋰電池是可行之道。要求有足夠的電量存儲(chǔ)，質(zhì)量體積小型化，與太陽(yáng)能電池板充電效能好，更換便捷。

3.3.5 航標(biāo)遙測(cè)遙控終端（RTU）便捷更換與登記功能

由于RTU通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)上傳服務(wù)器的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，是用動(dòng)態(tài)IP，無(wú)法鎖定對(duì)應(yīng)發(fā)送數(shù)據(jù)的航標(biāo)終端，這樣導(dǎo)致每次更換或新增登記RTU時(shí)都要進(jìn)行一次后臺(tái)設(shè)置，程序繁瑣，效率低，需要現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員、監(jiān)控人員及后臺(tái)維護(hù)人員同時(shí)在線協(xié)調(diào)[3]。因此，在航標(biāo)遙測(cè)遙控系統(tǒng)中增加RTU便捷更換與登記功能是十分必要的。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，廣西內(nèi)河水系數(shù)字航道綜合監(jiān)控系統(tǒng)，是廣西水運(yùn)事業(yè)信息化建設(shè)的重要成果，隨著更多更高精尖的技術(shù)應(yīng)用在航標(biāo)上，航標(biāo)遙測(cè)遙控系統(tǒng)功能隨之不斷提升，航標(biāo)監(jiān)控終端收集信息的能力也越來(lái)越強(qiáng)，航道事業(yè)應(yīng)實(shí)現(xiàn)從信息化邁向智能化的轉(zhuǎn)型。當(dāng)前廣西航道事業(yè)的智能化程度還比較低，希望通過(guò)上述分析，促進(jìn)當(dāng)?shù)睾降拦芾碇悄芑陌l(fā)展，在科技與當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)水平不斷提升的情況下，使航標(biāo)成為一個(gè)水中的“智能機(jī)器人”，為廣西內(nèi)河水運(yùn)事業(yè)保駕護(hù)航。

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