面向光污染的智能航标增强系统设计与实现

王晓骞 李正君

【摘 要】航标是帮助和引导船舶航行、标示航道方向和界限与碍航物的重要标志。航标形状颜色可辨识性的好坏以及航行灯标在夜晚能否正常工作关系着船舶的航行安全乃至船员的生命安全。随着社会的发展，光污染逐渐侵入船舶通航水域，严重影响夜航驾驶者的视觉效果，并降低航标灯质的可识别性。航标灯质在夜晚识别度不高的情况下，易导致通航水域发生船舶航行安全事故。随着航运业的快速发展，通航水域的船舶交通流量逐年增大，对于航道航行条件的保障要求也在不断提高，但目前存在部分航标位于光污染严重区域的情况，导致夜间航行船舶对航标灯质辨识不清，在一定程度上增加了夜间航行事故的发生概率。

【关键词】光污染;智能航标;增强系统

引言

通航是否安全以及能否及时解决突发问题很大程度上取决于航标的准确度，其发展程度对水路交通和各方面发展来说都是很重要的。为了适应当前通航的高要求，解放人力并且达到有针对性有目的性的自动检修，使管理航标部门能够在第一时间得到关于航标的工作状态，进行智能化设计显得格外重要。

1航标智能化研究现状

早期，为促进内河航运事业的高效发展，我国最早使用的是ARPA避碰雷达和VTS系统，存在抗气候干扰能力弱、分辨精度低等不足，无法满足现今航运管理的高精度、高分辨、高稳定以及智能化的应用需求。随着通信技术的广泛应用和计算机技术的高速发展，出现了能够直接进行目标识别、且抗干扰能力强的船舶自动识别系统——AIS系统。AIS系统最显著的优点是实时性，同时，具有良好的对天气等外部环境因素的较强抗干扰能力。国内外学者结合AIS系统对智能航标管理方面的研究已愈发深入和全面，并形成了一些较为全面的体系和系统。谷延辉等通过深入研究AIS数字航标系统的硬件结构的更方面特性，设计了一款AIS数字航标收发信机软件，该软件可以通过基站实时、准确地传输航标的具体位置、状态信息给监控中心，并及时接收监控中心的遥控遥测命令，做出正确响应。郭涛等结合ZigBee以及AIS等技术，研制开发了航标遥测遥控终端，并基于长江电子航道图平台开发的航标监控系统，实现了航标的远程监管技术。总的来说，对于航标智能化方面的研究，大多研究形成了航标动态管理系统，不可否认，这些研究在推动智能化航道的发展上起着重大的作用，但部分研究还比较浅显，功能相对单一，普适性也较低，具有较大的发展空间。

2智能航标增强系统总体结构

基于现代智能技术的航标系统包括系统后台、网络节点、船载节点、组网节点4个模块。其中系统后台主要是针对内河航道行驶船只，搭载以GPS模块、ZigBee（紫蜂，低速短距离传输的无线网上协议）模块，实时获取船只位置信息。随后，经紫蜂组网将获取的内河航道运行船只位置信息发送至组网节点;网络节点负责以嵌入式ARM主机（AdvancedRISCMachine，RISC微处理器）为核心，面向各个船载节点发出数据、航标节点以及气象传感器、潮汐传感器、水文传感器模块并进行解读、剖析，经4G网络将全部解析后的数据发送至网页服务器。航标管理者可以在后台PC端监控模块进行相关数据的实时处理;船载节点搭载了一个MCU（MicrocontrollerUnit，微控制单元）、紫蜂，可以与组网节点实现紫蜂点对点通信;组网节点搭载在航标灯上，包括紫蜂和全球卫星定位两个模块。

3面向光污染的智能航标增强系统设计

在物理结构上，采用8个功耗相对较小的发光二极管（LightEmittingDiode，LED）照明灯进行包裹式设计，设置在浮标钢制骨架上方，为最大程度照亮望板，根据实际调试，采用发散角度为45°的设计。这种结构不仅可实现航标增强，同时，能利用8个不同位置灯光对航标灯架、浮筒和望板（或顶标）进行照亮，让船舶夜间驾驶人员能更好地分辨出航标，对航标效果起到进一步增强，且在这种包裹式照明灯均为斜向下进行照射的设计下，不至于发散灯光造成新的光污染。在终端控制设计上，系统终端设计以主控单元（单片机）为核心，通过对GPS模块、光敏模块和通信模块的调用，实现灯器控制、数据采集和通信等功能。在终端数据通信方式上，智能航标增强系统终端采用定时采集和发送数据的模式进行工作，每次发送的数据较少，整个通信过程需稳定和可靠。在航标遥控遥测系统中，主要采用通用无线分组业务技术（GeneralPacketRadioService，GPRS）和北斗短报文等方式来实现无线数据传输。考虑城市光污染水域基本上覆盖运营商的无线网络，终端设计拟采用GPRS模块并以TCP/IP（TransmissionControlPro-tocol/InternetProtocol）协议作为系统数据传输手段。在终端供能设计上，根据通航水域浮标的重量负荷和空间上的要求，航标灯与增强系统共用同一套蓄电池进行供电，终端设计配备100W的多晶硅太阳能电池板，其主要性能参数为：工作电压为18V;工作电流为5.55A;考虑终端各功能模块工作电压不同且小于12V，在终端电路中设计加入电压转换电路，输出不同的电压保证各功能模块正常工作。

4面向光污染的智能航标增强系统实现策略

智能航标增强系统终端功能实现主要包括整体电路布局及集成的实现和终端算法的实现。主控电路是整个系统的核心单元，能完成对各个功能模块的调用和控制，综合芯片的价格、性能、功耗和速度等因素，选取32位STM32L151RDT6处理器作为主控芯片，其引脚序号为逆时针旋转，由于系统中需接收的主要数据为GPS位置数据、GPRS数据和光敏传感器数据等，该芯片的串行通信接口已够用，其中：PA2和PA3分别用于控制航标灯和增强照明灯的亮灭;主控模块串口一（PA9和PA10）控制GPS模块和GPRS模块;串口四（PC10和PC11）为调试串口;PA1为采集光敏电阻数据;PC7为采集温湿度数据;PB8为实现PWM调流，完成照明灯亮度控制;PB12和PB13分别为采集太阳充电电流和电压，完成充电模块工作情况的检测;PB14和PB15分别为采集电池输出电流和电压，完成系统供能情况的检测。为降低系统终端整体功耗、减少物理面积和方便安装灯器，终端采用MC20模块作为集合GPRS通信功能与GPS定位功能于一体的多功能通信模块，并使用AT指令集完成该领域中调制解调器的控制;为保障航标蓄电池储电和供电能力，加入太阳能电池板为蓄电池充电，使用CN3722作为太阳能电池供电的PWM降压模块充电管理集成电路;为解决各个模块之间电压不同的问题，选择SY8113BADC同步降压稳压器模块来满足各模塊间的电压转换;采用DHT11温湿度传感器实现温度和湿度的监测。

结语

尽管我国内河航道航标智能化取得一定的技术成果，但是随着内河智能航运的发展，智能航道是继数字航道之后长江航道未来发展的必然趋势，航标作为水上交通中最为重要的航行标识，其在未来的研究建设中，会越来越向智慧化方向快速发展。

参考文献：

[1]刘怀汉，曾晖，周俊安，吕永祥，初秀民.内河航道助航系统智能化技术研究现状与展望[J].水利水运工程学报，2015，（6）：82-7.

[2]马枫，严新平，刘正林.基于AIS的内河智能航标体系设计[M].首届中国航海类院校研究生学术论坛论文集.大连.2009：493-6.