内河航标新材料、新技术的应用

兰欣雨 田雨欣 赵树正

摘  要：近年来，随着海运事业发展的需要，航标领域引入了越来越多的新材料、新技术，对于航标技术来说，材料相关研究的大量涌现也足以证明该领域的受重视程度，基于现状，该文简单地研究了内河航标在材料、技术上的发展，分析内河航标新技术、新材料的应用情况，并对航标未来进行了展望，希望论述内容能够给相关业内人士带来启发。

关键词：内河航标;视觉航标新材料;智能化

中图分类号：U612    文献标志码：A

0 引言

航标是一种能保证船舶安全、经济、便利航行的助航标志。随着新材料、新技术的运用，内河航标在逐步向智能化发展的同时，功能也越来越多样化，管理维护越来越简便，使用的能源越来越清洁。按照航标的功能划分，截至目前，内河航标主要分为视觉航标、无线电航标、虚拟航标、音响航标4种。由于其中的音响航标的使用越来越少，因此不做概述。该文分别探究了视觉航标、无线电航标、虚拟航标3种航标在技术与材料上的发展[1]。

1 视觉航标

视觉航标是一种通过人眼，目视观测的固定或浮动的助航标志，又可以称为目视航标。灯塔、灯桩、灯船、浮标、立标、系碇设备和导标等均属于视觉航标。 它常常使用醒目的颜色或闪烁的灯光来标识自身。白天，航海人员可以观察标体的形状、颜色和顶标。夜晚，则可以通过灯光的颜色，灯光闪烁的频率来识别航标。 视觉航标是最基本的、最原始的助航标志之一，它能够很好地保障船舶航行的安全。 其广泛布设于海区和内河。近年来，我国不断探索新材料、新技术在航标上的运用，极大地提高了航标的使用性能。信息技术手段与航标的结合，推动航标向智能化，多功能化方向发展[2]。

1.1 视觉航标新材料的应用

随着海运行业的日渐繁荣，对航标性能的要求也日渐提升，因此出现了大量新材料。 这些材料的应用让航标能够更好地应用于各种工作环境中，从而为船舶航行安全提供保障。 新材料的应用数不胜数，该文將介绍一些新材料应用的典型案例。

抗击碎太阳能板的出现解决了桥区太阳能板因坠石撞击易碎的这一问题， 其结构为“ PET + EAV +电池+ EVA + TPT + EVA + ER”， 总厚度约为3 mm。背面使用的ER材料具有高收缩率、高耐热性和耐腐蚀性的特点。当前大部分航标上的太阳能电池板指单晶板为“硅+玻璃”结构。 由于该结构耐冲击能力差，可能因轻微的冲击而损坏。 基于这一原因，它并不适用于作为桥梁和涵洞上的标志以及桥梁柱子上的警告标志。而由新材料制成的耐冲击太阳能电池组件，拥有良好的机械性能，可以承受碎石下落对太阳能电池组件的影响。 该产品是将钢化玻璃组件和可弯曲太阳能电池组件结合在一起的创新成果，它结合了这2个组件良好的耐冲击性、高硬度和低重量等优良品质，因此更适合用作航标电源[3]。

此外，传统的钢质航标被玻璃纤维和新型聚合材料所替代也是航标领域中新材料的典型应用。 这些材料具有色彩鲜艳、轻便耐用、搬运方便等优点。超高分子量聚乙烯是航海标志领域常见的新型材料。其相对密度较小，仅为钢密度的1/8， 耐磨性却可达到钢材的7倍。内部饱和分子团的结构使其具有耐溶剂、耐酸碱、耐老化的特点。由于冲击强度≥40 MPa，极限抗拉强度≥400 MPa，断裂伸长率≥450%，热变形温度为95 ℃，脆化温度<-137 ℃洛氏硬度为R38， 由此得出，UHMWPE材料比传统的钢和HDPE材料更有优势。

新能源、新材料的运用提高了航标的各项性能，加大了对清洁能源的使用，提高航标耐久性，使得航标的应用更加绿色经济，促进了航标的发展。

1.2 视觉航标新技术的应用

技术方面，视觉航标逐渐向智能化发展，借助智能化技术，实现航标的无人化自动工作、远距离管控。大大减少了航标的管理维护费用，并能迅速对故障采取措施，提高了船舶航行的安全系数。航标灯同步闪控制以及状态的遥测遥控等方面是内河视觉航标的智能化技术的主要体现[4]。

1.2.1 航标同步闪控制

航标同步闪控制是指将GPS模块安装在普通航标灯的控制电路中，借此利用GPS系统的授时功能，当航标灯收到卫星信号时，灯内的控制信号按照卫星的规定时间闪烁。其他所有配备GPS模块的航标灯器都会按照卫星的标准时间闪烁。通过对航标灯光节奏的调整和改变控制航标同步闪烁，形成同步闪烁链，构成更清晰的航道界线，使航标灯光更加醒目，为夜间船舶保驾护航。 该项技术具有不限制信号传播距离、抗干扰能力强、同步误差较小的优点。能够改善传统航标灯与背景灯难以区别，影响航行者视觉辨识的问题，提高船舶航行效率，降低事故发生概率。 从 20 世纪 90 年代起，国际上开始兴起使用同步闪烁技术，2006 年国际航标协会（ IALA） 大会的统计数据显示，有 47 个国家和地区在航标灯上安装了同布闪光装置。近年来，我国也在逐步推广该技术，长江航道的桥区和港区已有了相关应用，效果良好[5]。

1.2.2 航标遥测遥控

航标遥测遥控系统是一种智能化航标远程管理平台，可以集 GPS系统、无线通信技术、电子海图于一体。

该平台的主要功能是快速、精准定位航标设备故障并及时恢复，以达到减少航标运行维护管理费用的目的。航标遥测遥控系统由数据采集终端、 航标遥测遥控监控分中心、航标遥测遥控监控中心3个部分组成。

其中，数据采集平台是基于航标采集终端，负责收集航标的运行数据，并对航标数据进行管理和发送。同时需要执行监控中心下达的遥控指令。

航标监控、遥测、遥控分中心是一个承上启下的设备。它主要负责从数据采集平台中采集航标运行的信息，并对其进行一系列加工，主要包括信息的存储、显示、处理、警报等操作。同时需要对各类所需报表进行编辑、生成、存档、打印和报送等工作。按时、按需向上级的监控中心汇报航标运行的信息。经过监控中心授权后，航标监控、遥测、遥控分中心的另一任务是通过图形化人机界面，对航标运行的信息进行监视和查证，并向各个数据采集平台发送遥控指令，以此来实现实时监测并调整航标运行的状态。

航标遥测遥控监控中心则负责从各个分中心采集航标设备运行的相关信息，同分中心的任务类似，监控中心也需要对采集的信息进行存储、显示、处理和警报等工作。并编辑、生成、存档、打印和报送各类报表。

我国内河主干航道的部分航标现已更新使用遥测遥控技术，良好的社会效益和经济效益就是最好的反馈。与此同时，这一技术存在的缺陷不能忽视，例如遥测遥控终端的工作状态不稳定、航标灯数据传输不稳定、遥测遥控系统的兼容性不足、报警功能和方式不够完善、覆盖范围有所限制等问题，均需要深入研究改进[6]。

2 无线电航标

无线电航标又称为无线电助航设施，主要是由无线电导航辅助设备、无线电信标、差分全球定位系统（DGPS）、船舶自动识别系统（AIS）、雷达信标、和雷达应答器等构成的，它是经过无线电输送信息，以此来实现船舶定位和导航的助航设施。无线电导无线电航标是基于电子技术和无线电导航、定位技术高度发展而兴起的，其设备都是电子设备，技术构成复杂，技术集成度高，助导航能力比视觉航标也显著提高[7]。

2.1 无线电航标的新技术应用

2.1.1 差分全球卫星定位系统（RBN/DGPS）

全球定位系统（GPS）其系统内主要提供标准定位服务（SPS）以及精确定位服务（PPS）2种服务模式。SPS的精确度水平值10 m，垂直为20 m，时间为40 ns，一般用于商业，如汽车导航系统等，PPS系统则采用锁码信号，定位精确度水平值为5 m，垂直为10 m，时间为40 ns，精度高，但一般只供军事、航天、测绘等特定单位使用。因此，需要高精度定位服务的普通用户只能被迫采用差分技术提高定位精度，从而形成差分全球定位系统（DGPS）。它是一种利用广播或者数据链路传递差分信号，修正定位，从而提高精度的全天候定位系统。它的工作方式是将已知位置点作为标准点，在差分基准站安装GPS并测量已知点的位置坐标，将测量值和真实值进行比较，从而得到差分修正值，通过广播或数据链路将修正值传给附近用户，最终修正定位，使用戶得到高精度定位。

2.1.2 船舶自动识别系统（AIS）

AIS是一种利用海上VHF，实现船舶与岸台信息传递的系统。具有高时效性、高精度的特点，能够实时传递信息，实现变更航向的瞬时显示。该系统可以持续地向船舶或岸基传递信息，例如船舶的定位、航行方向、船舶基本运行参数、识别码、货物信息等。在不使用雷达的情况下，它能迅速实现船舶或岸台与附近所有船舶的信号交换，从而及时采取避碰措施，大大减少交通事故。另外，AIS还能够提高VTS的应用范围和精度，增强了VTS的保驾护航功能。AIS技术开启了电子航海时代，提高了航运企业的管理效率、运输效率，在未来将会得到更广泛的应用。

3 虚拟航标

虚拟航标主要由AIS、电子海图显示与信息系统（ECDIS）构成，它是指在物理上没有实体，以虚拟图标的形式在显示媒介上标识的助航标志。狭义上讲，虚拟航标常指AIS航标。

由虚拟航标构成的系统即为虚拟航标系统，主要包括岸上 AIS 基站、船载 AIS、PC 机及ECDIS 。其工作原理为AIS基站通过VHF链路广播将虚拟航标的名称、位置等信息以航标报告电文的格式发送给船载AIS。其中，电文采取国际标准确定的21报文。船载AIS设备接收到信息后将其传输到PC机，经由处理后转化到电子海图上显示（如图1所示）。

作为AIS技术与航标一体化发展的成果，虚拟航标目前已在大连、天津、青岛等海域及长江口得到了推广。其应用主要体现在以下 2个方面。1）作为永久性标志使用。在不便设置实体航标的狭窄水域，可以设置虚拟航标，不仅不碍航，还能助航。另外，在警戒区、锚泊区、安全水域等区域也可使用虚拟航标以减少人力、物力。2）作为临时性标志使用，如在临时发生交通事故的区域、临时危险区域或者没来得及安装实体航标的区域，虚拟航标可以快速设标。

虚拟航标与传统航标相比更便利。主要体现在4个方面。1）设标迅速，方便船舶驾驶人员及时了解航道水域环境，更好地应对突发事故。2）设标简便，软件操作即可，不需要人工到现场设标，节省了施工、维护费用，大大减少了航标维护人员的工作量。3）不存在移标问题，不受天气影响，导航的精度提高。4）不会占据实体空间，无碍航行，方便航海人员操纵船舶。

但是虚拟航标也有一些缺陷。主要体现在以下4个方面。1）船舶必须配备 AIS 设备以及 ECDIS，否则虚拟航标将无法显示。大多数的小型船舶限于经济条件，无法安装相关设备，这在一定程度上制约了虚拟航标的发展。2）虚拟航标需要 AIS 网络系统的稳定性好。3）船舶驾驶人员缺少相关培训。长期以来，驾驶人员已经习惯于借助传统航标航行，使用虚拟航标，无法直观地在实地观察航标的位置、灯光，对航行人员有一定的心理影响。4）虚拟航标的相关使用规定不够完善，使得虚拟航标的规范应用还需要一段时间。

4 结语

在较长时间内，虚拟航标都无法完全替代传统航标，虚拟航标还需制定完善的法律条文，同时加快培养相关技术人才。将来，随着信息网络技术与船舶助航设施的不断发展与结合使用，虚拟航标将由少到多，最终取代实体航标，促进智慧航道体系的构建，成为智慧航道系统的核心技术。

参考文献

[1]刘怀汉，曾晖，周俊安，等.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）：82-87.

[2]徐峰.虚拟航标在长江航道中的应用[J].水运工程，2012（3）：119-123.

[3]严忠贞，严新平，马枫，等.绿色长江航运智能化信息服务系统及其关键技术研究[J].交通信息与安全，2010，28（6）：76-81.

[4]杨毅.e-航海战略框架下视觉航标发展的探讨[J].中国海事，2016（5）：46-48.

[5]陈家齐，陈韶宽.航标新技术新材料的应用情况探究[J].珠江水运，2019（1）：59-60.

[6]李磊.视觉航标发展现状的分析探讨[J].科技创新与应用，2013（6）：160.

[7]罗钉.机载有源相控阵火控雷达技术[M].北京：航空工业出版社，2018.