粤港澳大湾区多功能航标研究与应用

程洪 袁靖周 广州航标处

1.前言

近年来，随着科学技术发展日新月异，航标新技术、新材料、新能源不断开发和利用，航标维护质量、效能和效率持续不断提升，特别是E航海的建设发展和智能航运等概念的提出，标志着航标发展已经进入了一个全新的数字化、信息化和智能化时代。在航海保障需求的不断提升和航标新技术迅猛发展的背景下，航标在多功能化、数字化和智能化方面的发展将成为必然趋势。

为此，通过航标标体设计并加设多种设备并开发相应软硬件，从而研发出一种全新的多功能航标（以下简称多功能航标）。多功能航标不仅可以满足传统航标的导助航功能，而且可以实现实时监测航标所在位置水文、气象数据及回传周边视频数据。多功能航标采用模块化设计，涉及传统导助航功能的灯器及能源系统与收集水文、气象及视频数据的模块分离，保障基本功能。多功能航标的提出，为航标转型升级提出了一种新思路，有利于粤港澳大湾区航标效能升级化、智能化、多功能化，从而更好服务于粤港澳大湾区水上交通安全建设。本文对广州航标处在多功能航标方面的前期研究成果及实际试用情况进行说明和阐述。

2.多功能航标系统与功能设计

多功能航标在功能设计上首先要符合航标助航的要求（保留原灯浮标的航标四要素：位置准确、灯质正常、颜色鲜明、结构完整），在此基础上，考虑能耗和通讯，进行多功能航标的功能设计，具体包括能见度、风速风向、流速、水温、波高波向、北斗定位、视频监控、碰撞预警等。多功能航标系统的功能设计，见图1。

多功能航标上的各设备实现以下功能：

（1）能见度仪采集监测平台附近能见度信息。

（2）气象仪采集风速、风向、温度、湿度、气压、雨量信息。

（3）多普勒流速仪采集剖面水温、流速、流向等信息。

（4）波浪仪采集波高、波向等数据。

（5）北斗定位采集浮标经纬度信息，结合抛投位置计算出浮标偏移方向和偏移距离，超出偏移距离产生报警。

（6）电子罗盘采集倾斜角、俯仰角、横滚角等浮标姿态信息。

（7）加速度仪采集XYZ三个轴的加速度，并根据数学模型计算出碰撞报警。

图1 多功能航标系统的功能设计示意图

图2 多功能航标设计图

（8）控制箱系统采集控制箱内温度、湿度，并通过舱门控制器采集开闭舱门状态，对非法开舱门产生报警。

（9）视频监控及时响应碰撞报警和舱门报警，在碰撞时录像、拍照，留下证据。

（10）供电系统包括太阳能电池板、电池、BMS模块三大部分，负责为整个系统提供设备运行的电力保障。

（11）配备AIS、灯器、锚系设备等，满足浮标基本要求。

（12）数据采集控制系统主要完成传感器通讯、信息采集、数据处理、数据存储并控制数据传输，保证数据可以通过不同的通信方式稳定可靠的将数据传输到指定服务器。

（13）通信模块将数据采集控制系统的信息报文传输回岸基系统的数据接收端进行接收处理，保证数据有效接收。

3.标体材质选定及设计

多功能航标标体是采用超高分子聚乙烯材料，超高分子聚乙烯优点在于其可在-70℃至80℃环境下使用。具有超强的耐磨性、良好的耐低温冲击性、自润滑性，强度比较高、化学性质稳定、抗老化性能强、耐水性好，吸湿率低，制品几何形状和结构尺寸易于控制等特点。经综合考虑，标体采用防撞性能较好的高分子聚乙烯浮标，直径为3m。

4.数据采集

数据采集控制系统主要完成传感器通讯、信息采集、数据处理、数据存储并控制数据传输，保证数据可以通过不同的通信方式稳定可靠的将数据传输到指定服务器。正常情况下，按预定的频率，对水文气象要素进行自动采集和处理；恶劣海况下，根据内部设定的门限值可加密观测，恶劣海况结束后可自控恢复正常观测。对采集数据进行初步质量控制，内容包括：剔除粗大误差；检查测量值上下限等。自动编制报文，利用通信传输系统把数据发送给岸基系统。采用大容量的固态数据存储器，用于采集原始数据的保存。

5.通信传输

常见的无线数据通信方式包括：电台通信、移动网络通信、Wifi通信、微波通信、卫星通信等等。布放的多功能航标所在水域都有移动网络信号覆盖，考虑到经济性和技术可行性，采用4G通信的方式进行数据传输。

图3 投放在虎门大桥南的多功能浮标

6.供电设计

多功能航标供电系统原则： 1、为不影响航标灯的正常使用，数据采集系统、传感系统以及水文气象设备与航标灯器的供电系统相互独立；2、数据采集系统、传感系统以及水文气象设备的供电系统必须满足在连续20天阴雨天情况下，设备能正常工作。航标灯器的供电系统必须满足在连续30天阴雨天情况下，设备能正常工作。

图4 数据采集软件界面

7.应用实例

以投放在虎门大桥南灯浮位置处的多功能航标情况简要介绍如下：

虎门大桥南灯浮位于珠江口内外港交界处，地处川鼻水道，上接大虎水道，下连伶仃航道，另有珠电航道交叉汇合，通航环境异常复杂，且该水域风浪流各要素变化较大，过往船舶对各类航行信息的需求日益提高，对该位置监测极具现实意义。该标为孤立危险物标，在主航道旁边，船舶通过桥梁时，会主动避让本标，浮标遭船舶撞击可能性低，能够确保长期持续稳定的数据采集和传输，浮标及各类设备安全性高，投放现场如图3所示。通过收集处理各设备数据，并经4G网络传输数据到开发的软件平台，如图4所示。

8.结束语

下一步，我们将继续优化多功能航标研究，根据目前实际使用情况总结经验，并做好以下工作：一是观测校对水文气象设备精准度；二是检验系统稳定性及信息数据回传高可靠度；三联系走访相关气象部门及水文部门，通过数据共享提高数据利用率。