内河应急警示浮标系统设计与分析

朱坤 龚旭平 于凤楠

1.中电科（宁波）海洋电子研究院有限公司；2.嘉兴市港航管理服务中心

在现代化背景下，传统浮标逐渐无法满足现代内河航道建设及数据采集需求，现代电子设备应用愈发广泛，电子航道图设备代替助航导航、标识航道已成为最主要趋势，传统浮标面临更新关键期。现代化背景下的卫星定位技术、无线通信技术均成为浮标改进依托的关键技术，推动其向自动化、智能化方向发展。内河应急警示智能浮标系统包括卫星技术、岸站管理设施以及浮标电子设备等，能够集遥控遥测、定位导航以及数据信息采集于一身，且能够进行多点智能浮标的设置，构建智能网络系统，最大程度发挥浮标应急警示的功能。本文从内河应急警示浮标及警示浮标系统相关概念入手，分析浮标基本构成，并对内河应急警示浮标系统设计进行探究，以期为提升内河水运综合体发展质量提供参考。

浮标系统是内河研究工作的关键组成要素，是进行环境观测、数据调查、科学研究的主要工具之一。浮标是航标中应用最为广泛的工具，数量众多，最初的主要作用就是为航行船只标志航道中的浅滩以及其他不利于航行安全的危险物[1]。而塑料航标难以设置固定航标，而灯浮标即在原有浮标上装设灯具，即使在夜晚也能够发挥浮标助航作用[2]。在现代技术继续发展影响下，装有预警信号、装雷达应答器、海洋调查仪以及无线电指向标等的浮标相继出现。但是，现有的多种浮标均具有材质使用周期短、环保性不佳、稳定性有待提升等问题，且监控中心难以通过浮标准确了解周边环境现状，监管难度较大[3]。因此，加强对于浮标系统的研究，不断利用现代化技术予以优化更新成为内河水运发展的主要工作内容。现代化背景下，内河水运发展对于浮标性能也有了更高要求，建立起精准度高、成本少、性能稳定、功耗低且工作时间长的浮标系统是研究的重要方向。

1 内河应急警示浮标及警示浮标系统概念

1.1 内河应急警示浮标

内河应急警示浮标就是能够对航行在内河的船舶予以警示作用的浮标，提醒河内浅滩或其他危险区域，配布方法具体可分为以下几种：

1.1.1 一类航标配布

配布航标装设灯具，全天候工作，航行船舶白天可从一座标志看到次一座标志，夜晚可从一盏标灯看到次一盏标灯。

1.1.2 二类航标配布

分段配布装设灯具、未装设灯具的航标，若河段昼夜通行则配布发光航标，配布方法及间距参考一类航标配布；若河段仅白日通行则配布不发光的航标，配布方法及间距参考三类航标配布。

1.1.3 三类航标配布

相对一类航标配布，三类配布密度更小，河段仅供船舶白日航行。三类航标配布下，船舶无法从当前标志看到次一座标志，若河段航行环境优良则不再配布沿岸标，船只可沿岸形航行[4]。但是，标志与次一座标志表示的功能应相关且连贯，为船舶提供白天航行指引。

1.1.4 重点航标配布

对于地理环境复杂、航行条件不佳的河段予以重点配布，按照河段条件针对性选择发光或不发光航标，同时选择具有丰富经验的驾驶人员，按照航标以及自身经验航行。

1.2 警示浮标系统

警示浮标系统指的主要是通航环境感知系统，构成要素包括浮标群、通讯网络以及岸上设施等。

1.2.1 浮标群

浮标群就是于内河航道上投放的所有用于辅助航行和科研的联网浮标，其中气象水文传感器用于感知周围环境；定位系统用于监控航标位移；航标灯用于辅助航行；自检系统用于监控航标工作状态，若出现故障也可自动报警[5]。另外，浮标也装有通讯设备，用于实时与岸上通信。

1.2.2 通讯网络

通讯网络用于实现各方通讯，其中主要有指挥监控端、航标端的通讯设备以及中间用于连接的网络设备，此外还包括通讯协议、通讯方式以及其他遥测软件。

1.2.3 岸上设施

岸上设施主要由监控中心，指挥中心、岸站以及数据库等组成。其中监控中心的最主要构成要素有遥测系统，用于采集传感器数据及航标工作状态数据；遥控系统，用于远程修改和调试相关参数；数据管理系统，为总指挥提供数据参考。

2 浮标基本构成

浮标研究的重点方向为低成本、长续航、轻便可靠，提升助航导航质量，更加精准迅捷地收集环境资料[6]。在体积上，浮标也应向小体积发展以降低成本。内河应急警示浮标系统主要由浮体，设备舱，配重底座，AIS 发射器，警示灯，电池组，锚系配件组成。

2.1 电源

电源是电子设备运行的根本，相关人员必须首先详细了解浮标各具体模块的用电情况和实际所需，并据此制定和优化电源供给方案。通常情况下，若浮标锚定位置距离河岸较近可将市电作为优先选择项，否则就需要考虑使用蓄电池或者太阳能作为电源。

2.2 航标灯

航标灯的最主要作用是为船舶明确航道位置，在夜间航行中起到重要作用。对于内河而言，航标体积受流域限制较小，因此配备的电源相对而言也较少，灯器是否省电就成了考量的重要标准之一。内河航行的船舶对于航标灯透射范围、光亮强度并无过高要求，但是需要满足能见度低情况下可调节灯质的要求。另外，航标灯的颜色需明显异于背景灯光，在背景灯光较强的情况下则需要科学增加航标灯亮度。

2.3 标体

标体内部嵌有多种电子设备，因此对于水密性有更高的要求，需要使用耐腐蚀外壳以保护内部设备。另外，内河浮标不可避免地常会受到撞击，而钢浮标在撞击情况下会发生弹性变形，故而锚定系统和浮标外壳需要首先选择非金属材质，减少因撞击给标体造成的损坏。

2.4 浮体

浮体即漂浮于水面之上的部分，在进行浮体设计时需要注意对水流作用下的浮体姿态予以维持和控制。

2.5 锚定

锚定式浮标管理难度小，且成本较低，因此使用较为广泛，可针对性选择锚定装置相结合的设置。其中的锚定系统对于稳固性有较高要求，且需要具备弹性系留系统以提供长度延展，适应潮差的影响。

3 内河应急警示浮标系统设计

3.1 无线通讯

3.1.1 遥控遥测系统

遥控遥测系统在浮标网络建设中处于核心位置，是实现环境感知的关键环节，也是物联网于航运系统中应用的体现，其中包括工作模式和软硬件两大方面。遥测工作的最主要目的就是使用传感器获取环境信息并使用无线电将经变换后的资料信息传输至岸站，可实现河面复杂环境的自动观测，工作时间长，无需人工参与。与人工调查相比，遥测对于环境要求较低，且能够实现复杂环境下的长时间数据观测和传输，成本更低，安全性更高。遥控系统则能够通过控制终端对灯器、电源、自检系统、报警系统以及气象水文传感器等相关数据予以远程遥控，航标维护工作更加轻松，工作效率更高。

3.1.2 通讯系统

通讯系统是遥控遥测能够实现的主要依托，系统主要包括6 层数据传输网络：卫星与航标间、航标与岸站间、航标与监控中心间、岸站与监控中心间、监控中心与数据处理中心间、数据处理中心与船联网总中心间的数据传输网。通讯网络系统硬件有：（1）网络连接设备，即用于承载数据传输的硬件；（2）浮标通讯接口，该部分用于传输航标定位数据、气象水文传感数据以及自检数据等，同时接受控制信号；（3）监控中心通讯接口，该部分用于接收传输航标定位数据、气象水文传感数据以及自检数据等，同时发布指令信号；（4）监控中心，主要作用是发布控制命令、接受航标数据、储存历史数据；（5）数据管理系统，储存和管理遥测和指令系统的各项历史数据，对包括时间信息、航标漂移情况、气象水文数据、设备故障信息、故障处理时间及情况等各项信息予以记录和管理。

在内河环境下，与其他无线通讯方式相比，兼具通讯功能和定位功能的北斗卫星通信系统应用效果更高，能够构建出符合内河航运发展的航标遥控遥测系统，可实现流域内的全天候工作，且成本较低，拥有理想通信质量。

3.2 环境感知系统

3.2.1 气象感知子系统

气象感知系统主要是对于船舶航行过程中可能对航行产生不利影响的因素相关数据予以收集，其中包括风速、风向、降雨量、光照、湿度、能见度以及气压等。气象传感器是采集航行环境气象信息的核心部分，用于采集、整理和分析气象环境各项信息，对于不能够直接采集的露点温度等信息则通过结果计算获得，内嵌的气象传感器可以感知和记录相对湿度、大气温度、风速、降水量、风向、露点温度等环境信息。风向标顾名思义，意在测量风向，而针对不同风速范围可以分为超音波式、皮拖管式、热式以及叶轮式等不同风速测量方法。降雨量测量设备也是系统关键构成要素，降雨量对于内河航道水位有极为关键的影响，进而影响船舶航行，若区域集中降雨可能会导致该段水位迅速上涨，威胁船舶航行安全，而通常最常使用的仪器为翻斗式雨量采集仪。

3.2.2 水文感知子系统

水文感知模块在水位、水深测量中起关键作用，也可对包括流速、潮位、含沙量、流向、水质污染、水温等在内的水文因素实现精准测量。在技术及需求的推动下，溢油感知、水下定位、水下目标探测和水声警戒等也成为水文感知系统需要统计和分析的重要数据信息。但是在整个浮标环境感知系统中处于核心位置和重点环节的仍是水位、水深测量，这是因为水位水深将直接关乎内河船舶航行安全，是影响航道通航的核心要素。若河段处于枯水期无法达到船舶通行标准将会致使船舶搁浅，而若河段处于洪汛期间则可能因水位过高造成船舶在航行过程中碰撞桥梁，加强水位、水深测量是系统构建的关键。当前现有浮标系统中水位测量技术仍有待更新和完善，传统的水位测量装置计一般分为超声波式、浮子式、压力式水位计三种，但是均各有弊端。超声波水位计可分为接触式和非接触式两种，前者需要于水面安装，与漂浮物以及来往船只相撞的可能性较大，易受到损坏，浮子式水位计也有同样弊端；后者需要于被测水体上方悬挂探头，维护难度大。压力水位计则需要于河底锚定点安装，建设成本及维护难度均较大。因此，若选择超声波水位计或者浮子水位计就必须对安装位置予以详细调查和选择，必要时还需要加设防碰撞外壳保护水位及设备，避免因撞击造成的损坏，延长设备使用时间。

3.3 定位系统

定位系统用于测量航标位置，一般选择选择GPS 定位接收机，监测航道中的浮标位置，避免出现航标位移影响船舶正常航行。当前GPS 已经得到了极为广泛的应用，GPS 差分定位也愈发成熟，但是内河航道地理环境更加复杂，正向差分GPS 技术应用难度极大，相对应的通信体制也难以建立。因此在后续设计过程中可以考虑使用北斗卫星通信体制进行定位操作，精准度高，内河航道定位误差不超过1.5m。

3.4 自检系统

自检系统的最主要作用就是对于整个浮标系统的各个环节工作状态予以动态监测，若检测到异常状态不仅能够通过报警功能自动上传报警信号，还能够通过简单的恢复重启功能在一定程度上恢复系统功能。报警情况包括电源欠压、电源过压、传感器故障、航标灯失窃、航标位移、航标撞击、灯质失常等，功能较为完善。

4 结语

内河应急警示浮标系统建设是优化内河航道发展的关键内容，不仅能够指引船舶安全航行，促进运输业发展，还能够通过环境数据的收集为渔业、气象业、环保、科研以及军事提供数据支撑，满足内河系统综合发展的需要。