提升航道综合监控系统智能化水平研究

施劲松 韩然

摘要：文章以广西内河水系数字航道综合监控系统为研究对象，阐述其主要功能及工作原理，并从航标监控终端（RTU）、航标遥控遥测系统以及其他系统部件等方面提出智能化功能升级措施，以此提升当地航道事业智能化的发展水平。

关键词：航道;航标遥测遥控系统;航标监控终端;RTU;智能化

0 引言

广西内河水系航道综合监控系统应用至今已有十余载，暴露出了不少问题和短板，这些同时也是航道信息化向智能化提升过程中必须解决的问题。交通运输部发布的《交通运输信息化标体系（2019）》“编制原则”中关于“先进性原则”，提出“体系的制定”是为了“促进云计算、大数据、物联网、移动互联网、人工智能等信息技术在交通运输行业的创新应用和发展”。由此看来，从行业发展角度和深化广西航道信息化建设角度，深化智能交通建设，势在必行。就广西航道高质量发展而言，能否解决内河水系航道综合监控系统暴露出来的问题，补上短板，直接影响广西航道智能化水平的提升。

1 数字航道综合监控系统主要功能

广西内河水系数字航道综合监控系统，是基于航道GIS系统（数字航道）、数据库技术、GPS技术、通信技术等的应用系统，最终实现对航标状态进行全天候远程监控。该系统主要功能是航标遥测遥控和水位监测，其中航标遥测遥控是最重要的功能。

航标遥测遥控系统主要包含监控平台端、航标监控终端（RTU）、航标定位差分站、航标设施（太阳能充电板、碱性浮式充电电池、锂电池、智能LED航标灯等）等部分[1]。监控平台端，即航标遥测遥控系统用户端，是使用计算机通过网络访问航标遥测遥控系统服务器，对航标信息进行查询和编辑的部分。航标监控终端（RTU），是航标数据采集与接收的重要设备，包括以CPU处理器为中心的控制电路RTU（RemoteTerminalUnited即远程终端单元）单元、与航标灯器之间通信接口、GSM/GPRS无线通信模块、GPS定位模块和电源控制模块，可收集航标运行状态数据（电源电压、电流，太阳能板充电电流、电压，航标灯器运行电流、电压、灯质、日光阀值，GPS卫星数据等），并将数据通过移动网络发送至数据库[2]。最后计算机对接收到的航标数据进行处理，实现使用者对航标实时数据的查询、编辑。图1为航标数据传输流程。

水位监测是由水位自动测量设备（有压力式和雷达式两种）和水位监控终端组成。

2 工作原理

航标遥测遥控系统主要由航标数据采集系统、无线通信网络系统和客户端实时监控系统等三个子系统组成。安装在航标上的航标监控终端，自动采集航标实时运行数据，并通过无线信号（主要以GPRS方式）定时向系统服务器发送航标状态信息，服务器对航标数据进行处理，通过网络为客户提供实时显示和查询，客户通过显示和查询结果，对航标进行实时监控，及时排除航标异常报警，根据需要对航标终端参数进行远程调整设置。

3 数字航道综合监控系统功能提升分析与研究

随着科技发展，航标监控终端（RTU）向类似智能化发展成为必然趋势，智能显示与数据智能分析在航标监控系统中是需要补强的“短板”之一。

3.1 航标监控终端（RTU）功能提升分析与研究

3.1.1 RTU新增AIS功能

把航标数据接入海事部门AIS系统，可以减少航标被船舶碰撞的概率，有效加强对航标的保护。据统计，近年来航标因船舶碰撞造成的失常次数呈现逐年递增的趋势，且夜间被碰的概率更大。航标被碰失常，既影响水上交通安全，可能会发生偏航、搁浅的海损事故，造成巨大经济损失，又会加大航标器材损耗，大大增加了航标维护的成本。因此，将航标的定位信息显示在AIS系统里，船舶航行中（特别是雾天、雨天）就可以通过AIS系统及时了解航标动态，当船舶靠近航标时系统将发出警报，有效避免航标被碰撞。另外，通过AIS系统，对非特定环境下（雾天、雨天、大风等）碰撞航标的行为船舶进行责任追究，提高船舶驾驶员保护航标设施的意识。

3.1.2 航标遥控遥测的数据传输模式升级

航标监控终端的数据传输模式当前为GPRS，使用传统手机卡。GPRS是比较落后的数据传输方式，传输信号差，且手机卡开卡受限。随着4G信号的普及，GPRS信号已经不再适用。航标监控数据传输信号在延用手机卡的情况下，应该升级至4G信号传输监控数据，保证了数据传输及時性，才能做到监控数据实时更新，缩小数据采集端和监控端之间信息时差。此外还可以采用最新的物联网技术，用物联卡代替手机卡，物联卡的使用不受数量的限制。

3.1.3 RTU新增陀螺仪

陀螺仪（角速传感器）可以检测航标在水中发生倾斜的角度。水上航标由于水流的影响，时刻都在运动，特别是在洪水期、大风天气时、被船舶碰撞时运动更剧烈，致使航标的安全受到影响。陀螺仪可以测算出航标在水中的实时倾角，由这个倾角可以判断航标在水中的姿态，再根据当时的天气、水流等情况，判断航标是否正常作用、是否受到外力影响。

3.1.4 RTU加装微型摄像头

加装微型摄像头，根据需要遥控进行拍照或短视频录制，再将图片或短视频发回，可以实时查看航标周边环境情况。比如航标锚固系统是否正常，洪水期江面漂浮物冲击航标程度，过往船舶对航标造成的外部影响程度等。

3.1.5 航标硬件加装传感器

在航标遥控遥测的各硬件（电池组、航标灯、太阳能充电板、RTU和各连接电源线）上，包括航标标体上布设不同用途的传感器，对整个航标进行全位掌控。目前的航标遥控遥测系统的故障报警，都是以文字描述的方式显示，不够直观、比较抽象，且未能给航标维护人员提供准确的信息。传感器发回的航标各硬件数据，将整个航标各部位的实时状态形象地显示出来。当传感器检测到故障时会发出报警，可以精确地在监控平台上看到故障设备，航标维护人员可据此做出充分、精确的准备。

3.2 航标遥控遥测系统功能提升分析与研究

3.2.1 智能显示

航标供电电池的电压，是比较重要的数据之一，是航标监控终端能否长期续航的重要保证。从目前航标遥控遥测系统对电池的监控信息来看，只显示电池实时的电压值，未能直接反映电池当前电量剩余。因此，航标遥控遥测系统应在后台根据电池电压及其他部件耗电信息计算电池电量消耗情况，如智能手机能显示手机剩余电量一样，根据剩余电量显示，及时进行电池更换。

3.2.2 智能数据分析

目前遥测遥控系统只有简单的数据查询、常规报警提示的功能，数据分析不够深入、细化。在航标遥测遥控系统中增加不同功能的分析模块，程序可自行对收集到的数据进行分析，根据分析结果用户可以直观地了解航标运行的规律，便于航标维护管理。

（1）航标灯电流分析：航标灯的实时电流是因昼夜交替而不同的（夜间发光，有电流;昼间不发光，无电流），根据某个时段实时上报的电流数据，可分析不同情况下航标灯器运行状态。

（2）太阳能电池板充电电压分析：受光照和天气影响（昼间将太阳能转换成电能，产生充电电压和电流;夜间停止转换，无充电电压及电流），根据一昼夜实时充电电流数据，可分析太阳能电池板工作状态、效率及存在故障。

（3）监控报警统计分析：对某个时段的航标遥测遥控系统的报警情况分类进行统计，根据统计结果，可分析次数最多的报警类型、发生地点、发生时间等，从而摸清其中的规律，更好地辅助航标维护工作。

（4）水位智能分析：广西河流属山区性河流，水位变化频繁，直接影响航标维护工作。目前广西内河水位数据已经接入航标遥控遥测系统，但只有单一查询功能，水位信息未被充分利用。在系统中增加水位智能分析功能，将广西全区的河流水位数据进行实时统计。在洪水期和连续降雨期，河流上下游水位是存在差异的，排除比降因素，当上下游水位差超过一定数值时，系统提前发出水位异常变动报警，保证航标维护机构有足够的准备时间，应对水位变化造成的影响。

3.3 其他功能提升分析与研究

3.3.1 建立多个数据同步服务器

目前，全区航标遥控遥测系统只有一个服务器，一旦服务器出现故障，全区的航标监控将全面瘫痪。因此，建立多个同步服务器，应对供电失常、通信失常、不可抗拒因素等情况，才能保证全区航标监控工作正常开展。

3.3.2 制定长期的发展计划

航标遥测遥控终端（RTU）研发没有资金投入，目前RTU存在体积大、耗电大、智能化程度低，航标供电电源（电池组）容量小、充电慢、体积大，难以保证长期稳定供电，以及太阳能板能量转换效率低等问题，都将制约航标信息化、智能化的發展步伐。所以，有计划地投入，才能得到良性发展的效果。

3.3.3 差分系统升级

贵港至梧州航段，差分站还处于单频模式，属于比较落后的技术，存在差分定位精度差，差分效果差，不能保证航段内所有水上航标定位精确的问题，同时还存在定位信号唯一，只能通过GPS信号来差分的问题。我国新应用的北斗信号没有列入其中，一是存在信息安全风险，二是一旦GPS信号使用受限将严重影响航标的正常使用。

对此，差分系统升级成为必然，可过两个途径来升级：（1）重建差分系统，采用多频模式，并且可同时接收GPS和北斗信号，同时加密差分站点，全航段覆盖;（2）不建立差分系统，而采用购买差分信号的方式，这样可以减少经济成本和人工成本，得到更专业更有保证的服务。

3.3.4 RTU供电电池升级

贵梧航段使用的电池有两种，一种是传统的酸性电池（铬镍电池），一种是小型锂电池。铬镍电池耐用，通过太阳能电池板充电效果好，但质量大，更换难度大;锂电池质量小，便于更换，但电容量小，通过太阳能电池板充电效果差，不耐用。两种电池各有优点，但缺点过于突出，不适用于当前的航标维护管理工作。

锂电池的应用技术已经比较成熟，向电池厂家定制适合航标使用的锂电池是可行之道。要求有足够的电量存储，质量体积小型化，与太阳能电池板充电效能好，更换便捷。

3.3.5 航标遥测遥控终端（RTU）便捷更换与登记功能

由于RTU通过GPRS网络上传服务器的监控数据，是用动态IP，无法锁定对应发送数据的航标终端，这样导致每次更换或新增登记RTU时都要进行一次后台设置，程序繁琐，效率低，需要现场维护人员、监控人员及后台维护人员同时在线协调[3]。因此，在航标遥测遥控系统中增加RTU便捷更换与登记功能是十分必要的。

4 结语

综上所述，广西内河水系数字航道综合监控系统，是广西水运事业信息化建设的重要成果，随着更多更高精尖的技术应用在航标上，航标遥测遥控系统功能随之不断提升，航标监控终端收集信息的能力也越来越强，航道事业应实现从信息化迈向智能化的转型。当前广西航道事业的智能化程度还比较低，希望通过上述分析，促进当地航道管理智能化的发展，在科技与当地经济水平不断提升的情况下，使航标成为一个水中的“智能机器人”，为广西内河水运事业保驾护航。

参考文献：

[1]谢柳仙.浅谈航标遥测遥控系统在航道管理中的应用[J].珠江水运，2018（9）：72-73.

[2]何 平.数字航道技术在内河航道管理中的应用分析[J].工程技术研究，2019（5）：17-19.

[3]梁 昱.广西航道监控与安全管理系统研究[J].企业科技与发展，2018（8）：94-96.