三峡航道多功能航标系统设计及应用

罗毅　江蓓　张红

摘 要：为改进和完善内河助航标志，使用多功能航标，利用信息融合技术算出整个航道的油污染分布，水流速度分布及沿线各点的气象信息，形成庞大的航道信息资源网络，对提高水上交通效率、减小水上交通拥塞具有很大的作用。

关键词：多功能航标 网络拓扑 系统设计

助航标志是内河航道中最重要的助航设施，它能够为船舶标示出航道的方向、界限与碍航物，揭示有关航道信息，为船舶航行指出安全、经济的航道。传统助航标志主要依靠灯光、信号及标志外形发挥助航作用，功能相对单一，揭示的航道信息有限，航标信息化、智能化水平低，而伴随着现代航运业的快速发展，对航标的要求越来越高，航标功能齐全、信息化程度高、节能环保已是今后航标发展的趋势，传统的助航标志已逐渐不能适应现代航运业的发展，改进和完善内河助航标志势在必行。

三峡航道作为长江黄金水道上的关键航道，其上起庙河，下至中水门，全长59公里，因三峡、葛洲坝两座大型水利枢纽的兴建，长江三峡坝区河段的航运安全和河流环境等方面也成为影响长江干线航运发展和三峡工程效益发挥的关键因素，受到国内外各界广泛关注，因此如何更好地提高三峡航道航运保障能力和水域污染管控能力显得尤为迫切。

多功能航标作为一种功能多样的航标，既有传统助航标志的标示导航功能，又通过融计算机通信、人工智能等信息化技术，更多地获取如航道水深、水流流速、气象条件及水域污染情况等航道要素，为航运管理者和船舶提供更加丰富的航道信息，提升航运管理水平与通航安全保障能力，助推现代航运业不断向前发展。

建设目标及原则

1、建设目标

运用先进的传感技术、通信技术、人工智能技术在传统助航标志上集成船舶油污染检测、水流速度、水深、大气温度、湿度、压强、风速和能见度等要素，收集更加丰富的航道信息为航道安全保证、水上污染预控提供数据支持，提升内河航运保障能力与航道通航效率，降低水上交通安全风险，防控船舶水域污染。

2、建设原则

技术先进前瞻。系统规划设计先进前瞻，充分考虑到未来内河航运信息化发展的需要，采用先进的应用集成技术，整合现有的信息资源，提供开放而标准的信息交换协议和通道，形成一套行业标准，并以数据仓库的方式集中存储相关数据，通过数据挖掘为安全管理等业务决策。

功能扩展便利。系统采用分布式、模块化设计，充分考虑后续新增信息系统的扩展以及后续调整性系统的扩展，适应未来业务管理需求变化。

系统稳定可靠。系统全天候连续采集并处理海量数据，要求系统具有高度的稳定性与可靠性，对通信网络及硬件设备质量要求尤为严格，具体如下：①采用具有容错功能的服务器及网络设备，出现故障时能够迅速恢复；②每台设备均考虑可离线应急操作，设备间可相互替代；③采用数据备份恢复、数据日志、系统异常处理等故障应对策略；④采用网络管理、严格的系统运行控制等系统监控功能；⑤考虑水上船体晃动、雷击和潮湿等特殊工作环境。

应用简单便捷。系统符合用户操作习惯，人机接口简便易用，功能应用简单易懂，系统后期维护方便。

系统总体架构

1、系统结构

多功能航标系统主要划分为多功能航标终端、通信链路和监控中心3大部分。

2、运行机制

多功能航标系统的运行机制可概述为：航标状态信息（即传感器及传感器供电电源工作状态）、气象水文信息、溢油信息采集→航标状态信息、气象水文信息、溢油信息遥测→航标状态、气象水文、溢油报警→航标遥测数据处理。

3、主要功能

要素采集。实时采集航标位置数据、航道气象要素如温度、湿度、大气压强、风速、能见度、降雨量等数据、航道水文要素如水流流速、水深等数据、航道溢油情况以及航标附近水域船舶信息，并透过通信网络传递到后台服务器端存储。

实时告警。系统将遥测数据与设定的报警阈值进行比较，一旦发生漂移、低能见度、水深过低、水流速过快、风速过快、降雨量过大、溢油等异常情况时，后台服务器进行数据收集、打包、消息编码、发送数据等操作，实现航标实时报警功能。

信息发布。多功能航标采集的水文、气象及溢油等信息，经人工确认后可通过AIS短信发送的方式向过往船只发布。

远程维护。系统监控中心后台可实现远程操作控制与系统管理，设定航标位置基点以及各项报警阀值，选择终端设备工作模式以及实时查询工作状态等内容。

4、网络拓扑

三峡坝区航道多功能航标建立了一个标-岸站-管理中心3级通信系统，航标间采用低功率UHF为通讯手段，而航标体系与远程管理中心间，采用2W/5.2W的VHF频段通讯链路。标-岸站-管理中心3级通信网络拓扑结构下图所示。

航标体系与远程管理中心间，采用2W/5.2W的VHF频段通讯链路，设计通讯距离40Km，八个并行发射频点为162.075～164.075MHZ，频道间隔50KHz，单频点带宽9600Bps，总带宽9.6Kbps～76.8Kbps。同时，该发射接收系统，亦可作为AIS收发机，为过往船只提供AIS导航信息，工作频点为87B（161.975MHZ）和88B（162.025MHZ）。

系统应用

多功能航标测试选取了三峡坝区河段典型代表航段，根据各种代表航段的显著特点以及无线电传输条件差异采集相应航道环境要素。

1、葛洲坝坝下航段

葛洲坝坝下水域水文条件复杂，水流流速及水位变化频繁，易发水上交通事故，故该航段多功能航标安装水深和流速传感器，采集水位、流速数据，监测航道水文环境。多功能航标实时测量航标位置处水深及水流流速，当水深和流速实时值达到设定报警阀值时，多功能航标自动发出报警，经过人工对报警内容核实后可通过AIS向周围船舶播发报警信息。endprint

2、三峡坝上典型航段

三峡坝上航道易发大风大雾等恶劣气况，故该航段多功能航标安装了能见度、风速等监测传感器，采集风速、能见度、气温等气象数据，监测航道气象环境。多功能航标实时测量航标位置处风速、能见度及气温等数据，当风速、能见度或气温实时值达到设定报警阀值时，多功能航标自动发出报警，经过人工对报警内容核实后可通过AIS向周围船舶播发报警信息。

3、油码头、锚地等易于发生污染事故的航段

油码头、锚地水域船舶密度大，极易发生碰撞等事故，发生水上污染事故几率较大，故选择兰陵溪锚地和茅坪服务区作为测试航段，多功能航标上安装溢油和船舶气象传感器（包括温度、湿度、风速），监测油码头、锚地水域溢油等情况。

技术创新点

1、多态数据采集

系统可采集风速、能见度、水深、水流速度等大量的航标多态数据。由于各传感器接口各不相同，给数据采集带来了很大的难度。针对不同数据采集设备，制定统一的输出数据格式，通过数据分析处理程序进行转换

2、航标-岸站组网通讯机制

建立一套强壮而可靠的，囊括VHF甚高频、UHF的综合传输体系，以成本集约化为前提，VHF和UHF为主。具体指，航标间以UHF和VHF作为主要通讯手段，建立不易被遮挡的最低3KM的传输链路。航标体系与主控中心间，建立40KM以上的VHF甚高频传输链路。

3、低功耗技术

在以集成化技术降低功耗的同时，通讯的功耗控制为主要关键点。无线电传输体系，应为主控制器提供实时可靠的通讯服务，同时降低功耗，具体措施包括：①充分利用海事频道的扩展性，实现各频点的跳传，提高带宽；②建立智能的传输功率调节机制，可根据环境动态调节信号发射方案；③采用最新的无线电技术，减少中间环节，降低整体功耗。

4、数据融合、分析

通过长期的积累，航标的监控数据构成了海量数据库，每天都有大宗的数据被处理和备份，其中蕴含着丰富的有价值的信息。这些信息对提高航道运输效率和保证船舶运输安全具有十分重要的意义。

功能拓展

该项目主要是利用江上的航标链来采集各种航道信息，其原理与航标遥测遥控系统有共通之处，如果两者联合，将会达到更好的效果。

在现有太阳能航标灯的基础上，添加GPS定位、VHF远距离通讯、各种传感器和智能控制终端，可建立远距离传输链路，以被查询方式提供传感器信息，并可实时提供各传感器和航标的运行状况，在捕获到异常情况时自动报警，并为过往船只提供AIS和GPS导航信息。

若某个河段的航标上都使用这样的多功能航标，利用信息融合技术算出整个航道的油污染分布，水流速度分布及沿线各点的气象信息，形成庞大的航道信息资源网络，对提高水上交通效率、减小水上交通拥塞具有很大的作用。

（作者单位：长江三峡通航管理局）endprint