多光色一体化航标灯在中国沿海航标上的创新应用

陈国伟 甄 涛

一、项目背景

航标是帮助引导船舶航行、定位和标示碍航物与表示警告的人工标志，为各种水上活动提供安全信息的设施或系统。航标通常设于通航水域或其近处，以标示航道、锚地、滩险及其他碍航物的位置，表示水深，指挥狭窄水道的交通。按工作原理分类航标有三类，包括视觉航标、无线电航标和音响航标。其中视觉航标能使驾驶人员通过直接观测迅速辨明水域，确定船位，安全航行，是使用最多最方便的航标，视觉航标包括灯塔、立标、灯桩、浮标、灯船和各种导标等。根据《中华人民共和国交通行业标准JT/T 730—2008》解释，航标灯是为保证船舶在夜间安全航行而安装在航标设施上的一类助航信号灯，它在夜间发出规定的灯光颜色和闪光频率，达到规定的照射角度和能见距离。安装有航标灯的视觉航标可供驾驶人员根据灯光颜色和闪光频率来判别，目前沿海航标大都安装有航标灯。

航标灯历经了煤油、电气、半导体，目前发展到了第四代太阳能航标灯，而太阳能航标灯从早期的灯泡式光源发展到目前主流LED光源的技术革新也已经有20余年。近年来，国家对沿海港口的大力发展也带动了航标行业的急速增长，沿海航标数量也随之以几何倍数增加。就交通运输部东海航海保障中心上海航标处而言，在这期间航标数量从几百座增长到目前的1 200座左右，整个中国沿海的航标数量已超过上万座，航标巡检维护的工作量和工作压力也在逐年递增。为了减轻航标维护人员的工作量，提升航标灯可用性和可靠性，使海上航标工作智能化、安全化和高效化，新一代技术革新势在必行。

二、航标灯多样性需求

目前，市场上可供选择的太阳能航标灯大都为单一灯光颜色，在实际使用中因不同航标标别性质会用到红、绿、白、黄等多种灯光颜色航标灯。为保持辖区航标发挥有效助航效能，上海航标处需备存各类灯器500余台，同时要求各航标站点和作业船艇配置相应数量的各种灯光颜色的航标灯，以满足日常航标维护和现场抢修的灯器需求。目前航标灯需求存在以下主要问题：

（1）海上航标设置分布广，作业环境恶劣，遇上需要设置特定航标标别时，要配置大量对应灯光颜色的航标灯，现有的航标灯配置无法满足要求。

（2）遇突发航标故障抢修时，往往因现场没有配相应灯光颜色的航标灯，影响了应急抢修任务的及时完成。

（3）在巡检维护过程中航标船上也需要配置各种颜色航标灯，从而导致航标灯器备品数量增多。这一方面不利于灯器的日常养护，另一方面航标船艇空间有限，船艇摇晃也增加了互相碰撞导致组件损坏的风险。

（4）配备齐全各种颜色航标灯，极大地增加了航标灯储存周转成本。

针对上述需求，迫切需要研制一种满足现行国家标准的多光色一体化航标灯，它可以克服现有技术中现场更换安装烦琐、检修抢修不便的一些不足。

三、多光色一体化航标灯研制要点

针对航标灯应用需求，2014年上海航标处组织研制了多光色一体化灯器。多光色一体化航标灯由光源透镜、电子控制组件、太阳板电池组件和灯器壳体四部分组成，该航标灯将红、绿、白、黄等四种灯光颜色集成于一套航标灯，使一盏航标灯能够满足各种航标标别设置时的灯光颜色需求。该灯器采用了“多色光源控制模块”和“IP环境综合防护设计”，并能实现“3G/4G遥测遥控监控”和“可用手机APP设置参数及查询状态”等功能。

1.多光色一体

利用成熟的LED技术，运用于多光色LED光源组研究，使多种颜色在一盏航标灯上得以综合体现。

四种颜色共24颗LED均匀配列于圆周线上（见图1），位置、发散角、光度经过多次反复精密计算验证，通过分组并串联实现分组控制和单色组别发光[1]。

图1 LED发光示意图

2.免维护

利用航标维护管理经验并结合行业标准，研发出满足航海保障一线需求并且免维护的新型灯器（见图2）。主要采用了以下优化措施：

（1）设计大手柄，实现冬季戴手套也可以搬运的便利性；

（2）将大型灯器配置的防鸟针运用于小型灯器上，比现有小型灯器的简便式防鸟装置更具效果，实现免维护效果；

（3）采用成熟的外部光滑透镜技术，灯器外罩不易粘黏污染，实现免维护效果。

图2 多光色一体化航标灯结构示意图

3.智能化

基于目前航标遥测系统的推广应用，本款航标灯在安装3G/4G通信卡后可以用手机APP实现无线遥测遥控[2，3]，并可以设置蓝牙对接密码设立安全保护屏障，运用安卓系统更具使用便利性。

四、技术创新点

多光色一体化航标灯在2015年投入使用，除中国大陆市场外，目前产品已经远销“一带一路”沿岸的新加坡、印度尼西亚和中国台湾等国家和地区，在国际和国内沿海的航标管理部门得到广泛应用，产品已获得一项国家实用新型专利，经国家权威检测单位检测合格。经水平检索查新，多光色一体化航标灯属全球首创，技术水平达到国际先进。主要技术创新点如下：

1.国际、国内首创四色一体化航标灯

实现集成多光色LED发光组与航标灯一体化的技术方案，高效满足海上航标维护作业需要。

多光色一体化航标灯以突破型的科技创新赋予单体航标灯产品能同时满足海上各种航标标别所需要之四种灯光颜色的强大功能，从而能够以最小体积、最集合和最便利的方式提供一体化助航服务，大幅提升了航标维护和安全作业的效率，极大地减少了航标灯备品、配件的周转库存量。

伴随功能的整合，本实用新型产品使航标维护作业所需的航标灯以及备件和相关配件的库存周转储备数量、库存日常维护工作量大大降低，由原本的每一种光色各备一套航标灯减少为四种光色只需配备一套航标灯的最精简配置。无论在维护管理上还是经费使用效率上都为一线航标维护工作人员省心、省力、省钱。

一体多用，优化运营成本。一次采购实现多种需求覆盖，本产品可大幅减少航标维护工作人员进行产品采购、运输、库存周转管理与维护、产品现场安装的工作时间与经济成本，单次购买即可保障原本所需分别进行的四次采购与购后管理等一系列工作，缩减工作流程，减少工作量，实现航标工作的优化提升。

2.解决了密集式LED排布的发热问题及排列准确性

多光色大量高强LED对灯器功耗的过度消耗，是灯器设计过程中的一大难题。经过了无数次计算机模拟对模组核心的计算实验及现场实践效果评估，最后加上透镜完美的配合使用，解决了这一问题，使灯器达到航标灯所需要的技术规格，达到并超越了最初的设计要求，多光色一体化航标灯满足行业内外各项安全指标及使用规范，并为将来的5色甚至更多色光源并存一体的进一步技术研发提供了科学依据。

3.运用手机APP设置和检测灯器状态

远程APP无线遥控设置具有高效率和高可靠性，便利现场维护操作。此次技术发明的多种灯光颜色切换和发光射程调节功能，可通过手机APP实现远程无线操控，是产品智能化的一大飞跃，也是产品使用者在执行过程中的一大福音。航标维护作业人员可规避、减少海上临时更换单色航标灯面临的安全风险和复杂操作，提高现场维护工作的安全保障。同时智能无线遥控切换也可大幅提高操作的灵活性和转换效率，在陆地上便可简易实现快速变色，节省海上作业准备和执行时间，是航标维护作业行业水平向专业、优质、智能先进方向发展的重要一步。

五、应用评估

多光色一体化航标灯自2015年6月起在上海航标处试用，经试用评估，在2016年开始推广应用，目前已在上海辖区安装使用36套。同时该灯器在印度尼西亚、新加坡和中国台湾等国家和地区推广使用（见图3、图4），产品性能稳定可靠，各项技术性能指标符合使用要求。

图3 灯浮上应用

图4 灯桩上应用

1.使用情况评估

多光色一体化航标灯选材精良，能适合海上恶劣环境；多功能兼容，便于现场维护操作，可减少日常维护者的工作量。该灯器使用情况稳定良好，使用中未出现故障，经现场航标效能技术测定，多光色一体化航标灯各项技术指标满足航标灯技术规范要求。该灯器安装、检测、维护简易方便，各项技术性能运行可靠，通过手机蓝牙连接，维护人员可在专用APP上实现远距离设置灯器技术参数，提高了航标现场维护工作效率，降低了人员在大风浪环境下上标作业带来的安全风险，深受一线航标维护人员青睐。在针对安装多光色一体化灯器的航道航标效能评估中，新型航标灯的助航效能获得了航运用户和船舶驾引人员的肯定。

2.经济效益

多光色一体航标灯将红、绿、白、黄等四种灯光颜色集成于一套航标灯里面，与之前检测维护及库存需要配备携带4台不同颜色灯器相比较，一盏航标灯就能够满足各种航标标别设置时所需要的灯光颜色，极大地减少了航标灯储存周转数量，降低了预算成本，使航标维护经费使用更加经济有效。

以经济效益来看，按一台一体化航标灯费用1万6 000元算，仅上海航标处现管辖1 200座航标，为满足航标维护而必需的航标灯库存量，算上每年被撞损坏和报废数量来估算，每年需新购置约500座新的航标灯，需要支出经费800万元，由于多光色航标灯1座可代替4座不同颜色的航标灯，可以有效降低库存数量，每年节省经费约500万元。目前全国共有18个处，沿海有11 000余座航标，每年可节约备用灯器购置经费约几千万元。如该灯器推广到内河航道航标应用，内河航道有5万座航标，可节约支出经费就更为可观，同时较原单一灯光灯器相比将大大减少周转库存，节约经费、场地和人员工作量。

3.社会效益

多光色一体化航标灯具备多光色一体、免维护周期延长、智能化等特点，可以有效减少航标灯储存周转数量，降低管理成本和采购成本。同时多光色一体化灯器的通用性可以满足各种突发航标故障抢修需要，能减轻航标维护人员的工作量，让海上航标工作更加智能化、安全化和高效化，有助于提升辖区助航服务能力的提升，满足航运和口岸用户的服务需求，也达到了预期效果。

六、结语

随着国家提出“海洋强国”和“一带一路”倡议，航海技术朝着数字化、智能化、网络化、集成化的方向发展，如何创新助航保障科技手段，满足用户基于新技术条件下的助航服务需求是航海保障部门面临的新挑战。在大力推进E-航海技术和智慧航标建设的背景下，期待多光色一体化航标灯在沿海航标上的应用能推动视觉航标技术更新的潮流，促进新技术、新材料、新工艺在航标领域的创新发展，助推海事航海保障服务水平的提升。