航道维护管理中航标遥测遥控系统应用

2021-06-26胡建文

运输经理世界 2021年31期

胡建文

（江西省赣东航道事务中心，江西景德镇 333032）

0 引言

在航道维护管理工作开展阶段中，航标技术状态将直接影响船舶行驶的安全性。长江上下游的地势起伏变化是比较大的，一般来说，航道的弯、窄、浅、险，导致航行困难，又因较多礁石分布在其中，所以安全航行就对航标有着较高的依赖性。对于天然的航道状态来说，一般水流速度比较大，不良流态比较集中，加上汛期时航道内存在较多的漂浮物，极易出现标志流失、倾覆等情况，航标失常的问题频发，如果不能及时的恢复处理，容易引发安全隐患和突发问题。因此，需要随时监测和跟踪航标的状态，做好航标的监测、有效的维护和航道的管理。传统航道维护管理环节，航道管理部门主要是通过日查航、甚高频电话询问、监听的方式，了解航标目前的情况，但是监测水平较低、手段也比较有限，无法确保航标的稳定运行。航标遥测系统是长江数字化航道建设的重要组成部分，可以随时监控、了解航标的运行状态，只要是监测到异常情况，将及时发布警报，为航道部门恢复正常航标运行提供可靠的信息，确保航行的安全性，保证航道通行不受影响。

1 航标巡检维护相关规定

为了保证海区航标作业可以顺利的进行，我国的交通管理部门发布了一系列的管理制度和措施，作为我国的各个海区航标作业的指导、规范性的文件。具体有如下的要求：第一，管理要求。一是视觉航标必须达到准确、清晰、鲜明、结构性能良好的要求。二是音响航标必须有准确的信号发送，并且能够及时发出信号，为预警和管理起到积极的作用。三是航标正常率在99.6%以上。四是航标维护正常率超过99.8%，南海海区超过99%。第二，灯柱、导标、立标、浮标等需要符合管理维护的要求。一是每月进行一次巡查和检测，港内标志增加夜间巡视一次。二是如果有超过十级的大风过境或者有较多的自然灾害，对于辖区内的全部灯标、浮标、导标等全面巡查检测，保证没有发生损坏或者运行失常的情况。

2 某航运段数字航道

对于该段的航道来说，需要建设数字化航道系统满足运行需求。随着资金、技术的不断投入，为配合航道服务管理的现代化建设，对于整个航道范围可以实现全面的监测和管理，航道信息采集的能力得到全面提升，航道维护管理水平提升，信息化建设水平日益提升，大幅提升航道服务管理的信息化水平。

3 某航运段传统航标监测及维护

该航道段由库区航道、回水变动区航道、天然航道部分组成，航道特点比较明显。当前设置的各种航标有1600 余座，其中浮标有1200 余座。管理区域范围内采取的管理原则为一类航标配布，一类航道维护，天然河道段内航标设置密度为5.8 座/km，所以维护管理的工作量较大[1]。数字航道建设运行前，该河道段一直采用的是传统航道维护手段，航道维护作业班组进行日检查管理，航道与灯标采用每日巡查的管理方式，同时还要联合甚高频电话询问过往船只的方式展开维护管理。每年汛期需要检查失常航标，如果发现失常的问题后，很多情况下都不能确定具体位置，还要派遣人员沿途进行检查，寻找到失常的浮标。这种方式虽然效果较好，但是工作量巨大，且操作烦琐，维护工作效率较低，维护成本较高，所以必须要做出改变和调整。

4 数字航道航标遥测遥控系统

航标遥测遥控系统的作用就是进行航标基础位置信息、航标动态信息以及历史数据查询与利用，如果发生航标异常的情况，系统会快速发布信息，实现远程遥测和控制，其目的就是建设航标遥测遥控终端系统。

4.1 航标遥测遥控终端组成及结构

航标遥测遥控终端系统内的航标信息采集与控制作用，属于系统的前端系统，在该系统内主要包含GPS、数据采集、数据存储和GPRS/GSM 等模块，可以随时监控航标位移、航标灯状态等参数，就有远程控制的能力，同时能够将数据传输到航道动态监测平台，进行远程数据交互使用。航标遥测遥控系统功能完善，其包含远程终端单元（英文名称Remote Terminal Unit，简称RTU）、供电系统等，功能如下所示。

4.1.1 RTU

该航道内根据设计方案的要求选用的是分体式航标遥测遥控终端RTU，系统功能非常的完善，检测、通信功能完整，且能耗较低，完全满足长期的运行需要。经分析发现，这一系统内主要组成部分是中央控制单元、检测单元、控制单元、通讯单元以及其他附属结构部分。在天然航道与桥区航道中，因为维护管理的要求比较高，所以还需要安装GPS 差分模块，相关单元功能，如表1所示。

表1 相关单元功能

4.1.2 供电系统

供电系统主要的作用是给RTU 系统供电，是保证系统各项功能可以正常运行的能量基础。分体式航标航测系统的终端RTU 系统安装到一体化航标灯的外部，不会占用航标灯的能源，其能源主要来自电力系统供应和太阳能系统的供应，所以内部主要组成部分是太阳能电池、蓄电池等。

4.2 航标遥测遥控终端功能

4.2.1 位置信息采集

GPS 模块的作用是采集位置信息，让工作人员可以精确的掌握航标所在的经度、纬度、参考点偏移位置等信息，能够快速的确定速度与时钟信息，同时能传输到控制系统。

4.2.2 航标灯及终端运行参数采集

该工作主要是通过传感器系统获取的，通过航标上传感器能够及时将航标灯和终端电压、电流数据传输到控制单元，可以及时发现存在的任何故障问题。

4.2.3 数据交换

通过GPRS/GSM 进行系统的通信功能，完成数据交换使用，根据预先设定的模式，系统可以达到自动化传输数据的作用，直接上报数据信息，达到远程控制的效果。综合分析费用方面的因素，优先选择使用成本相对较低的GPRS 通信模式，如果该模式无法达到通信的要求，可以自动转化为GSM 模块通信，实现传输的稳定和效果提升[2]。

4.2.4 远程控制

航道动态监测平台以工作实际需要为出发点，给系统终端直接发送控制、设置以及查询的相关信息，具体功能就是改变RTU 模式、设置工作参数、设置航标运行参数，对于系统的运行和控制起到关键性作用。

5 数字航道在航标监测与维护中的应用效果

5.1 实现航标监测与维护效率的提高

其一，通过使用航道信息化系统建设，可以快速完善航标遥测遥控功能，对于该航道内的1600 余座航标实施全面的远程监测与控制，然后建立完善的数据库系统，从而可以对整个区域内的航标基础信息准确定位和使用，为航标管理信息化水平提升奠定基础。其二，航标信息化建设，提高维护管理信息化水平，可以全面监测工作人员的日常工作情况，发挥出平台监测的作用，了解航标运行的状态。在航道监测管理中，通过对前期试点工作的总结分析，在系统建设前期，每日巡查一次，系统运行后，每周巡查一次，人力资源节约比较明显，工作强度下降，还能够减轻维护管理的成本[3]。此外，航道管理单位通过远程监控使管理更加方便，操作也会更加有效，从而提高了监控效果。其三，全面提升航标维护管理水平。利用航标信息化管理系统，可以快速的获取报警信息，精准确定失常航标的位置，给失常航标的恢复提供基础，尤其是在洪水期内，以往发生标志移动的情况，航道维护管理单位并不能获取足够的信息，给航道安全产生不利的影响，且标志船水流作用下会移动较远的距离，长度可达几十里，无法及时恢复航标而影响航道安全，寻找过程也会消耗较多的人力、物力。因此，在航标管理信息化系统建设后，能够缩短航标恢复时间，给航道运行安全性水平提升提供了有力支撑[4]。

5.2 外部公共服务能力得到提升

5.2.1 提高了船舶安全航行的保障率

利用系统的运行，随时监控航标运行的状态，达到动态化信息的掌握，及时了解航标工作情况，缩短航标失常的恢复时间间隔。通过数据统计分析，在设备安装工作结束后，失常标志重新恢复时间从原先的30min 缩短为1min，航标失常时间从原先的2h 缩短为30min，从而保证船舶通行达到安全性的要求，对于保证航道运行质量有着重要的意义。

5.2.2 航道公共服务能力得到保障

系统全面掌握运行数据信息、统计历史数据，能够对失常时间、失常情况有充分的了解，快速准确地发现航标运行的规律，从而能够在最短时间内获取航标失常的信息，对重点时段进行监控，使管理和维护效果更加出色，对于提升后续的服务功能水平起到积极的作用，也会更好地促进我国航道事业的发展，进而推动经济发展。

6 存在的问题及原因分析

6.1 航标终端（RTU）功能存在不足和短板

由于终端（RTU）直接安装到航标上，尤其是一些长期处于水面运行的航标，这些航标所处地域环境比较恶劣，长期受到不良天气的干扰和影响，由于湿度大、温度高，且要面临着昼夜温差的变化，极易干扰其功能的正常运行，给航道运行安全性带来负面影响。因为终端系统设计本身就存在着一定的短板，比如超时报警、航标偏移等，给正常运行管理带来不便。

6.2 通信网络不畅通制约功能的发挥

通信网络系统是进行航标遥控遥测的核心组成部分，就目前的运行实际情况分析，不管是联通，还是移动的GPRS／GSM 移动信号，因为系统运行的原因，都容易出现信号传输中断或者不稳定的情况。因为通信网络往往是不通畅的，遥测数据不能及时传输该服务器，也会导致指令机堵塞而发生死机的情况，功能无法发挥出来使系统运行效果变差。

6.3 系统平台稳定性有待提高

在日常的工作中，系统设计以及应用方面都存在一定的缺陷，比如服务器死机、指令数据不准确、监控平台无法及时刷新数据等。

7 完善航标远程遥控遥测系统的设想

7.1 建立多功能航标智能系统

通过系统合理设置，进行感知范围的扩大，从而提高感知数据精度。基于此，在航标终端设置中安装相应的传感器系统，比如航标检测系统、碰撞系统、水深探测系统、风速检测系统、通信系统等，用以保证系统运行功能性。

7.2 构建强有力的无线传输网络（详见图1拟构建的无线传输网络示意图）

图1 拟构建的无线传输网络示意图

7.3 重建主机系统

为了能够合理地应用计算资源，信息监控中心需安装模拟系统。计算虚拟化的设置就是在虚拟系统与底层硬件之间抽象出CPU 和内存，让虚拟机的功能得以实现。该技术是通过计算机创设出一个操作系统，实现运行环境的改进与完善的作用，但是其是独立运行的，不会给其他系统的运行带来任何的影响。计算虚拟化把主机内单个物理核虚拟出多个VRCPU（虚拟处理器），这些VRCPU 就是对功能性的完善，使运行效果得到提升。在底层虚拟化技术从底层计算资源抽象使用，数据中心会形成功能性合格的计算资源池，实现云计算系统的建设。在池化结束后，用户在计算池内获取相应的数据，如果用户退订资源，会回归到池中，其他用户可以正常使用[5]。

7.4 重建存储系统

服务器内虽然有硬盘，但是存储空间比较少，信息监控系统的存储还需要通过网络存储手段才能保证功能得以实现。综合分析航道内的数据系统，建设完成数据库系统，达到结构化数据和图像数据文件等非结构化数据，直接将数据存储到系统内。结构化系统的作用是存储结构化数据信息，其功能要求比较高，需要使用性能较高的FC 存储系统。图片、影像、文本等格式都属于非结构化数据信息，与结构数据信息有着明显的差异，在存储系统设置方面也有很大的不同，目前主要是采用IP 存储形式。要想保证自动化系统的运行功能满足要求，需要根据系统运行的要求进行存储系统重建，保证存储效果和性能合格，从而达到自动化系统运行效果，提高运行质量水平。

7.5 重建安全系统

按照我国发布的《网络安全法》以及国家相关的保护标准的要求，在业务系统建设中，必须要同时建设安全系统，确保系统运行安全性、稳定性符合要求，不会给系统运行产生任何负面的影响。考虑到系统运行的情况，建设智慧化航道系统，其安全性建设要根据二级标准进行，达到运行的质量要求。从技术角度进行分析，安全系统的建设必须从物理安全、网络安全、主机安全、数据安全等方面着手；从管理层方面分析，建设完善的安全组织架构体系，建设安全性系统，提高系统管理安全性水平。