朱坤 龔旭平 于鳳楠
1.中電科(寧波)海洋電子研究院有限公司;2.嘉興市港航管理服務(wù)中心
在現(xiàn)代化背景下,傳統(tǒng)浮標(biāo)逐漸無(wú)法滿足現(xiàn)代內(nèi)河航道建設(shè)及數(shù)據(jù)采集需求,現(xiàn)代電子設(shè)備應(yīng)用愈發(fā)廣泛,電子航道圖設(shè)備代替助航導(dǎo)航、標(biāo)識(shí)航道已成為最主要趨勢(shì),傳統(tǒng)浮標(biāo)面臨更新關(guān)鍵期?,F(xiàn)代化背景下的衛(wèi)星定位技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)均成為浮標(biāo)改進(jìn)依托的關(guān)鍵技術(shù),推動(dòng)其向自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展。內(nèi)河應(yīng)急警示智能浮標(biāo)系統(tǒng)包括衛(wèi)星技術(shù)、岸站管理設(shè)施以及浮標(biāo)電子設(shè)備等,能夠集遙控遙測(cè)、定位導(dǎo)航以及數(shù)據(jù)信息采集于一身,且能夠進(jìn)行多點(diǎn)智能浮標(biāo)的設(shè)置,構(gòu)建智能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),最大程度發(fā)揮浮標(biāo)應(yīng)急警示的功能。本文從內(nèi)河應(yīng)急警示浮標(biāo)及警示浮標(biāo)系統(tǒng)相關(guān)概念入手,分析浮標(biāo)基本構(gòu)成,并對(duì)內(nèi)河應(yīng)急警示浮標(biāo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行探究,以期為提升內(nèi)河水運(yùn)綜合體發(fā)展質(zhì)量提供參考。
浮標(biāo)系統(tǒng)是內(nèi)河研究工作的關(guān)鍵組成要素,是進(jìn)行環(huán)境觀測(cè)、數(shù)據(jù)調(diào)查、科學(xué)研究的主要工具之一。浮標(biāo)是航標(biāo)中應(yīng)用最為廣泛的工具,數(shù)量眾多,最初的主要作用就是為航行船只標(biāo)志航道中的淺灘以及其他不利于航行安全的危險(xiǎn)物[1]。而塑料航標(biāo)難以設(shè)置固定航標(biāo),而燈浮標(biāo)即在原有浮標(biāo)上裝設(shè)燈具,即使在夜晚也能夠發(fā)揮浮標(biāo)助航作用[2]。在現(xiàn)代技術(shù)繼續(xù)發(fā)展影響下,裝有預(yù)警信號(hào)、裝雷達(dá)應(yīng)答器、海洋調(diào)查儀以及無(wú)線電指向標(biāo)等的浮標(biāo)相繼出現(xiàn)。但是,現(xiàn)有的多種浮標(biāo)均具有材質(zhì)使用周期短、環(huán)保性不佳、穩(wěn)定性有待提升等問(wèn)題,且監(jiān)控中心難以通過(guò)浮標(biāo)準(zhǔn)確了解周邊環(huán)境現(xiàn)狀,監(jiān)管難度較大[3]。因此,加強(qiáng)對(duì)于浮標(biāo)系統(tǒng)的研究,不斷利用現(xiàn)代化技術(shù)予以優(yōu)化更新成為內(nèi)河水運(yùn)發(fā)展的主要工作內(nèi)容。現(xiàn)代化背景下,內(nèi)河水運(yùn)發(fā)展對(duì)于浮標(biāo)性能也有了更高要求,建立起精準(zhǔn)度高、成本少、性能穩(wěn)定、功耗低且工作時(shí)間長(zhǎng)的浮標(biāo)系統(tǒng)是研究的重要方向。
內(nèi)河應(yīng)急警示浮標(biāo)就是能夠?qū)叫性趦?nèi)河的船舶予以警示作用的浮標(biāo),提醒河內(nèi)淺灘或其他危險(xiǎn)區(qū)域,配布方法具體可分為以下幾種:
1.1.1 一類航標(biāo)配布
配布航標(biāo)裝設(shè)燈具,全天候工作,航行船舶白天可從一座標(biāo)志看到次一座標(biāo)志,夜晚可從一盞標(biāo)燈看到次一盞標(biāo)燈。
1.1.2 二類航標(biāo)配布
分段配布裝設(shè)燈具、未裝設(shè)燈具的航標(biāo),若河段晝夜通行則配布發(fā)光航標(biāo),配布方法及間距參考一類航標(biāo)配布;若河段僅白日通行則配布不發(fā)光的航標(biāo),配布方法及間距參考三類航標(biāo)配布。
1.1.3 三類航標(biāo)配布
相對(duì)一類航標(biāo)配布,三類配布密度更小,河段僅供船舶白日航行。三類航標(biāo)配布下,船舶無(wú)法從當(dāng)前標(biāo)志看到次一座標(biāo)志,若河段航行環(huán)境優(yōu)良則不再配布沿岸標(biāo),船只可沿岸形航行[4]。但是,標(biāo)志與次一座標(biāo)志表示的功能應(yīng)相關(guān)且連貫,為船舶提供白天航行指引。
1.1.4 重點(diǎn)航標(biāo)配布
對(duì)于地理環(huán)境復(fù)雜、航行條件不佳的河段予以重點(diǎn)配布,按照河段條件針對(duì)性選擇發(fā)光或不發(fā)光航標(biāo),同時(shí)選擇具有豐富經(jīng)驗(yàn)的駕駛?cè)藛T,按照航標(biāo)以及自身經(jīng)驗(yàn)航行。
警示浮標(biāo)系統(tǒng)指的主要是通航環(huán)境感知系統(tǒng),構(gòu)成要素包括浮標(biāo)群、通訊網(wǎng)絡(luò)以及岸上設(shè)施等。
1.2.1 浮標(biāo)群
浮標(biāo)群就是于內(nèi)河航道上投放的所有用于輔助航行和科研的聯(lián)網(wǎng)浮標(biāo),其中氣象水文傳感器用于感知周圍環(huán)境;定位系統(tǒng)用于監(jiān)控航標(biāo)位移;航標(biāo)燈用于輔助航行;自檢系統(tǒng)用于監(jiān)控航標(biāo)工作狀態(tài),若出現(xiàn)故障也可自動(dòng)報(bào)警[5]。另外,浮標(biāo)也裝有通訊設(shè)備,用于實(shí)時(shí)與岸上通信。
1.2.2 通訊網(wǎng)絡(luò)
通訊網(wǎng)絡(luò)用于實(shí)現(xiàn)各方通訊,其中主要有指揮監(jiān)控端、航標(biāo)端的通訊設(shè)備以及中間用于連接的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,此外還包括通訊協(xié)議、通訊方式以及其他遙測(cè)軟件。
1.2.3 岸上設(shè)施
岸上設(shè)施主要由監(jiān)控中心,指揮中心、岸站以及數(shù)據(jù)庫(kù)等組成。其中監(jiān)控中心的最主要構(gòu)成要素有遙測(cè)系統(tǒng),用于采集傳感器數(shù)據(jù)及航標(biāo)工作狀態(tài)數(shù)據(jù);遙控系統(tǒng),用于遠(yuǎn)程修改和調(diào)試相關(guān)參數(shù);數(shù)據(jù)管理系統(tǒng),為總指揮提供數(shù)據(jù)參考。
浮標(biāo)研究的重點(diǎn)方向?yàn)榈统杀尽㈤L(zhǎng)續(xù)航、輕便可靠,提升助航導(dǎo)航質(zhì)量,更加精準(zhǔn)迅捷地收集環(huán)境資料[6]。在體積上,浮標(biāo)也應(yīng)向小體積發(fā)展以降低成本。內(nèi)河應(yīng)急警示浮標(biāo)系統(tǒng)主要由浮體,設(shè)備艙,配重底座,AIS 發(fā)射器,警示燈,電池組,錨系配件組成。
電源是電子設(shè)備運(yùn)行的根本,相關(guān)人員必須首先詳細(xì)了解浮標(biāo)各具體模塊的用電情況和實(shí)際所需,并據(jù)此制定和優(yōu)化電源供給方案。通常情況下,若浮標(biāo)錨定位置距離河岸較近可將市電作為優(yōu)先選擇項(xiàng),否則就需要考慮使用蓄電池或者太陽(yáng)能作為電源。
航標(biāo)燈的最主要作用是為船舶明確航道位置,在夜間航行中起到重要作用。對(duì)于內(nèi)河而言,航標(biāo)體積受流域限制較小,因此配備的電源相對(duì)而言也較少,燈器是否省電就成了考量的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。內(nèi)河航行的船舶對(duì)于航標(biāo)燈透射范圍、光亮強(qiáng)度并無(wú)過(guò)高要求,但是需要滿足能見(jiàn)度低情況下可調(diào)節(jié)燈質(zhì)的要求。另外,航標(biāo)燈的顏色需明顯異于背景燈光,在背景燈光較強(qiáng)的情況下則需要科學(xué)增加航標(biāo)燈亮度。
標(biāo)體內(nèi)部嵌有多種電子設(shè)備,因此對(duì)于水密性有更高的要求,需要使用耐腐蝕外殼以保護(hù)內(nèi)部設(shè)備。另外,內(nèi)河浮標(biāo)不可避免地常會(huì)受到撞擊,而鋼浮標(biāo)在撞擊情況下會(huì)發(fā)生彈性變形,故而錨定系統(tǒng)和浮標(biāo)外殼需要首先選擇非金屬材質(zhì),減少因撞擊給標(biāo)體造成的損壞。
浮體即漂浮于水面之上的部分,在進(jìn)行浮體設(shè)計(jì)時(shí)需要注意對(duì)水流作用下的浮體姿態(tài)予以維持和控制。
錨定式浮標(biāo)管理難度小,且成本較低,因此使用較為廣泛,可針對(duì)性選擇錨定裝置相結(jié)合的設(shè)置。其中的錨定系統(tǒng)對(duì)于穩(wěn)固性有較高要求,且需要具備彈性系留系統(tǒng)以提供長(zhǎng)度延展,適應(yīng)潮差的影響。
3.1.1 遙控遙測(cè)系統(tǒng)
遙控遙測(cè)系統(tǒng)在浮標(biāo)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中處于核心位置,是實(shí)現(xiàn)環(huán)境感知的關(guān)鍵環(huán)節(jié),也是物聯(lián)網(wǎng)于航運(yùn)系統(tǒng)中應(yīng)用的體現(xiàn),其中包括工作模式和軟硬件兩大方面。遙測(cè)工作的最主要目的就是使用傳感器獲取環(huán)境信息并使用無(wú)線電將經(jīng)變換后的資料信息傳輸至岸站,可實(shí)現(xiàn)河面復(fù)雜環(huán)境的自動(dòng)觀測(cè),工作時(shí)間長(zhǎng),無(wú)需人工參與。與人工調(diào)查相比,遙測(cè)對(duì)于環(huán)境要求較低,且能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下的長(zhǎng)時(shí)間數(shù)據(jù)觀測(cè)和傳輸,成本更低,安全性更高。遙控系統(tǒng)則能夠通過(guò)控制終端對(duì)燈器、電源、自檢系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)以及氣象水文傳感器等相關(guān)數(shù)據(jù)予以遠(yuǎn)程遙控,航標(biāo)維護(hù)工作更加輕松,工作效率更高。
3.1.2 通訊系統(tǒng)
通訊系統(tǒng)是遙控遙測(cè)能夠?qū)崿F(xiàn)的主要依托,系統(tǒng)主要包括6 層數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò):衛(wèi)星與航標(biāo)間、航標(biāo)與岸站間、航標(biāo)與監(jiān)控中心間、岸站與監(jiān)控中心間、監(jiān)控中心與數(shù)據(jù)處理中心間、數(shù)據(jù)處理中心與船聯(lián)網(wǎng)總中心間的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)。通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)硬件有:(1)網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備,即用于承載數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠布唬?)浮標(biāo)通訊接口,該部分用于傳輸航標(biāo)定位數(shù)據(jù)、氣象水文傳感數(shù)據(jù)以及自檢數(shù)據(jù)等,同時(shí)接受控制信號(hào);(3)監(jiān)控中心通訊接口,該部分用于接收傳輸航標(biāo)定位數(shù)據(jù)、氣象水文傳感數(shù)據(jù)以及自檢數(shù)據(jù)等,同時(shí)發(fā)布指令信號(hào);(4)監(jiān)控中心,主要作用是發(fā)布控制命令、接受航標(biāo)數(shù)據(jù)、儲(chǔ)存歷史數(shù)據(jù);(5)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng),儲(chǔ)存和管理遙測(cè)和指令系統(tǒng)的各項(xiàng)歷史數(shù)據(jù),對(duì)包括時(shí)間信息、航標(biāo)漂移情況、氣象水文數(shù)據(jù)、設(shè)備故障信息、故障處理時(shí)間及情況等各項(xiàng)信息予以記錄和管理。
在內(nèi)河環(huán)境下,與其他無(wú)線通訊方式相比,兼具通訊功能和定位功能的北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)應(yīng)用效果更高,能夠構(gòu)建出符合內(nèi)河航運(yùn)發(fā)展的航標(biāo)遙控遙測(cè)系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)流域內(nèi)的全天候工作,且成本較低,擁有理想通信質(zhì)量。
3.2.1 氣象感知子系統(tǒng)
氣象感知系統(tǒng)主要是對(duì)于船舶航行過(guò)程中可能對(duì)航行產(chǎn)生不利影響的因素相關(guān)數(shù)據(jù)予以收集,其中包括風(fēng)速、風(fēng)向、降雨量、光照、濕度、能見(jiàn)度以及氣壓等。氣象傳感器是采集航行環(huán)境氣象信息的核心部分,用于采集、整理和分析氣象環(huán)境各項(xiàng)信息,對(duì)于不能夠直接采集的露點(diǎn)溫度等信息則通過(guò)結(jié)果計(jì)算獲得,內(nèi)嵌的氣象傳感器可以感知和記錄相對(duì)濕度、大氣溫度、風(fēng)速、降水量、風(fēng)向、露點(diǎn)溫度等環(huán)境信息。風(fēng)向標(biāo)顧名思義,意在測(cè)量風(fēng)向,而針對(duì)不同風(fēng)速范圍可以分為超音波式、皮拖管式、熱式以及葉輪式等不同風(fēng)速測(cè)量方法。降雨量測(cè)量設(shè)備也是系統(tǒng)關(guān)鍵構(gòu)成要素,降雨量對(duì)于內(nèi)河航道水位有極為關(guān)鍵的影響,進(jìn)而影響船舶航行,若區(qū)域集中降雨可能會(huì)導(dǎo)致該段水位迅速上漲,威脅船舶航行安全,而通常最常使用的儀器為翻斗式雨量采集儀。
3.2.2 水文感知子系統(tǒng)
水文感知模塊在水位、水深測(cè)量中起關(guān)鍵作用,也可對(duì)包括流速、潮位、含沙量、流向、水質(zhì)污染、水溫等在內(nèi)的水文因素實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)測(cè)量。在技術(shù)及需求的推動(dòng)下,溢油感知、水下定位、水下目標(biāo)探測(cè)和水聲警戒等也成為水文感知系統(tǒng)需要統(tǒng)計(jì)和分析的重要數(shù)據(jù)信息。但是在整個(gè)浮標(biāo)環(huán)境感知系統(tǒng)中處于核心位置和重點(diǎn)環(huán)節(jié)的仍是水位、水深測(cè)量,這是因?yàn)樗凰顚⒅苯雨P(guān)乎內(nèi)河船舶航行安全,是影響航道通航的核心要素。若河段處于枯水期無(wú)法達(dá)到船舶通行標(biāo)準(zhǔn)將會(huì)致使船舶擱淺,而若河段處于洪汛期間則可能因水位過(guò)高造成船舶在航行過(guò)程中碰撞橋梁,加強(qiáng)水位、水深測(cè)量是系統(tǒng)構(gòu)建的關(guān)鍵。當(dāng)前現(xiàn)有浮標(biāo)系統(tǒng)中水位測(cè)量技術(shù)仍有待更新和完善,傳統(tǒng)的水位測(cè)量裝置計(jì)一般分為超聲波式、浮子式、壓力式水位計(jì)三種,但是均各有弊端。超聲波水位計(jì)可分為接觸式和非接觸式兩種,前者需要于水面安裝,與漂浮物以及來(lái)往船只相撞的可能性較大,易受到損壞,浮子式水位計(jì)也有同樣弊端;后者需要于被測(cè)水體上方懸掛探頭,維護(hù)難度大。壓力水位計(jì)則需要于河底錨定點(diǎn)安裝,建設(shè)成本及維護(hù)難度均較大。因此,若選擇超聲波水位計(jì)或者浮子水位計(jì)就必須對(duì)安裝位置予以詳細(xì)調(diào)查和選擇,必要時(shí)還需要加設(shè)防碰撞外殼保護(hù)水位及設(shè)備,避免因撞擊造成的損壞,延長(zhǎng)設(shè)備使用時(shí)間。
定位系統(tǒng)用于測(cè)量航標(biāo)位置,一般選擇選擇GPS 定位接收機(jī),監(jiān)測(cè)航道中的浮標(biāo)位置,避免出現(xiàn)航標(biāo)位移影響船舶正常航行。當(dāng)前GPS 已經(jīng)得到了極為廣泛的應(yīng)用,GPS 差分定位也愈發(fā)成熟,但是內(nèi)河航道地理環(huán)境更加復(fù)雜,正向差分GPS 技術(shù)應(yīng)用難度極大,相對(duì)應(yīng)的通信體制也難以建立。因此在后續(xù)設(shè)計(jì)過(guò)程中可以考慮使用北斗衛(wèi)星通信體制進(jìn)行定位操作,精準(zhǔn)度高,內(nèi)河航道定位誤差不超過(guò)1.5m。
自檢系統(tǒng)的最主要作用就是對(duì)于整個(gè)浮標(biāo)系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)工作狀態(tài)予以動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),若檢測(cè)到異常狀態(tài)不僅能夠通過(guò)報(bào)警功能自動(dòng)上傳報(bào)警信號(hào),還能夠通過(guò)簡(jiǎn)單的恢復(fù)重啟功能在一定程度上恢復(fù)系統(tǒng)功能。報(bào)警情況包括電源欠壓、電源過(guò)壓、傳感器故障、航標(biāo)燈失竊、航標(biāo)位移、航標(biāo)撞擊、燈質(zhì)失常等,功能較為完善。
內(nèi)河應(yīng)急警示浮標(biāo)系統(tǒng)建設(shè)是優(yōu)化內(nèi)河航道發(fā)展的關(guān)鍵內(nèi)容,不僅能夠指引船舶安全航行,促進(jìn)運(yùn)輸業(yè)發(fā)展,還能夠通過(guò)環(huán)境數(shù)據(jù)的收集為漁業(yè)、氣象業(yè)、環(huán)保、科研以及軍事提供數(shù)據(jù)支撐,滿足內(nèi)河系統(tǒng)綜合發(fā)展的需要。
數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用2022年11期