面向光污染的智能航標(biāo)增強系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

王曉騫 李正君

【摘 要】航標(biāo)是幫助和引導(dǎo)船舶航行、標(biāo)示航道方向和界限與礙航物的重要標(biāo)志。航標(biāo)形狀顏色可辨識性的好壞以及航行燈標(biāo)在夜晚能否正常工作關(guān)系著船舶的航行安全乃至船員的生命安全。隨著社會的發(fā)展，光污染逐漸侵入船舶通航水域，嚴(yán)重影響夜航駕駛者的視覺效果，并降低航標(biāo)燈質(zhì)的可識別性。航標(biāo)燈質(zhì)在夜晚識別度不高的情況下，易導(dǎo)致通航水域發(fā)生船舶航行安全事故。隨著航運業(yè)的快速發(fā)展，通航水域的船舶交通流量逐年增大，對于航道航行條件的保障要求也在不斷提高，但目前存在部分航標(biāo)位于光污染嚴(yán)重區(qū)域的情況，導(dǎo)致夜間航行船舶對航標(biāo)燈質(zhì)辨識不清，在一定程度上增加了夜間航行事故的發(fā)生概率。

【關(guān)鍵詞】光污染;智能航標(biāo);增強系統(tǒng)

引言

通航是否安全以及能否及時解決突發(fā)問題很大程度上取決于航標(biāo)的準(zhǔn)確度，其發(fā)展程度對水路交通和各方面發(fā)展來說都是很重要的。為了適應(yīng)當(dāng)前通航的高要求，解放人力并且達到有針對性有目的性的自動檢修，使管理航標(biāo)部門能夠在第一時間得到關(guān)于航標(biāo)的工作狀態(tài)，進行智能化設(shè)計顯得格外重要。

1航標(biāo)智能化研究現(xiàn)狀

早期，為促進內(nèi)河航運事業(yè)的高效發(fā)展，我國最早使用的是ARPA避碰雷達和VTS系統(tǒng)，存在抗氣候干擾能力弱、分辨精度低等不足，無法滿足現(xiàn)今航運管理的高精度、高分辨、高穩(wěn)定以及智能化的應(yīng)用需求。隨著通信技術(shù)的廣泛應(yīng)用和計算機技術(shù)的高速發(fā)展，出現(xiàn)了能夠直接進行目標(biāo)識別、且抗干擾能力強的船舶自動識別系統(tǒng)——AIS系統(tǒng)。AIS系統(tǒng)最顯著的優(yōu)點是實時性，同時，具有良好的對天氣等外部環(huán)境因素的較強抗干擾能力。國內(nèi)外學(xué)者結(jié)合AIS系統(tǒng)對智能航標(biāo)管理方面的研究已愈發(fā)深入和全面，并形成了一些較為全面的體系和系統(tǒng)。谷延輝等通過深入研究AIS數(shù)字航標(biāo)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)的更方面特性，設(shè)計了一款A(yù)IS數(shù)字航標(biāo)收發(fā)信機軟件，該軟件可以通過基站實時、準(zhǔn)確地傳輸航標(biāo)的具體位置、狀態(tài)信息給監(jiān)控中心，并及時接收監(jiān)控中心的遙控遙測命令，做出正確響應(yīng)。郭濤等結(jié)合ZigBee以及AIS等技術(shù)，研制開發(fā)了航標(biāo)遙測遙控終端，并基于長江電子航道圖平臺開發(fā)的航標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了航標(biāo)的遠程監(jiān)管技術(shù)?？偟膩碚f，對于航標(biāo)智能化方面的研究，大多研究形成了航標(biāo)動態(tài)管理系統(tǒng)，不可否認(rèn)，這些研究在推動智能化航道的發(fā)展上起著重大的作用，但部分研究還比較淺顯，功能相對單一，普適性也較低，具有較大的發(fā)展空間。

2智能航標(biāo)增強系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于現(xiàn)代智能技術(shù)的航標(biāo)系統(tǒng)包括系統(tǒng)后臺、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、船載節(jié)點、組網(wǎng)節(jié)點4個模塊。其中系統(tǒng)后臺主要是針對內(nèi)河航道行駛船只，搭載以GPS模塊、ZigBee（紫蜂，低速短距離傳輸?shù)臒o線網(wǎng)上協(xié)議）模塊，實時獲取船只位置信息。隨后，經(jīng)紫蜂組網(wǎng)將獲取的內(nèi)河航道運行船只位置信息發(fā)送至組網(wǎng)節(jié)點;網(wǎng)絡(luò)節(jié)點負責(zé)以嵌入式ARM主機（AdvancedRISCMachine，RISC微處理器）為核心，面向各個船載節(jié)點發(fā)出數(shù)據(jù)、航標(biāo)節(jié)點以及氣象傳感器、潮汐傳感器、水文傳感器模塊并進行解讀、剖析，經(jīng)4G網(wǎng)絡(luò)將全部解析后的數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)頁服務(wù)器。航標(biāo)管理者可以在后臺PC端監(jiān)控模塊進行相關(guān)數(shù)據(jù)的實時處理;船載節(jié)點搭載了一個MCU（MicrocontrollerUnit，微控制單元）、紫蜂，可以與組網(wǎng)節(jié)點實現(xiàn)紫蜂點對點通信;組網(wǎng)節(jié)點搭載在航標(biāo)燈上，包括紫蜂和全球衛(wèi)星定位兩個模塊。

3面向光污染的智能航標(biāo)增強系統(tǒng)設(shè)計

在物理結(jié)構(gòu)上，采用8個功耗相對較小的發(fā)光二極管（LightEmittingDiode，LED）照明燈進行包裹式設(shè)計，設(shè)置在浮標(biāo)鋼制骨架上方，為最大程度照亮望板，根據(jù)實際調(diào)試，采用發(fā)散角度為45°的設(shè)計。這種結(jié)構(gòu)不僅可實現(xiàn)航標(biāo)增強，同時，能利用8個不同位置燈光對航標(biāo)燈架、浮筒和望板（或頂標(biāo)）進行照亮，讓船舶夜間駕駛?cè)藛T能更好地分辨出航標(biāo)，對航標(biāo)效果起到進一步增強，且在這種包裹式照明燈均為斜向下進行照射的設(shè)計下，不至于發(fā)散燈光造成新的光污染。在終端控制設(shè)計上，系統(tǒng)終端設(shè)計以主控單元（單片機）為核心，通過對GPS模塊、光敏模塊和通信模塊的調(diào)用，實現(xiàn)燈器控制、數(shù)據(jù)采集和通信等功能。在終端數(shù)據(jù)通信方式上，智能航標(biāo)增強系統(tǒng)終端采用定時采集和發(fā)送數(shù)據(jù)的模式進行工作，每次發(fā)送的數(shù)據(jù)較少，整個通信過程需穩(wěn)定和可靠。在航標(biāo)遙控遙測系統(tǒng)中，主要采用通用無線分組業(yè)務(wù)技術(shù)（GeneralPacketRadioService，GPRS）和北斗短報文等方式來實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸?？紤]城市光污染水域基本上覆蓋運營商的無線網(wǎng)絡(luò)，終端設(shè)計擬采用GPRS模塊并以TCP/IP（TransmissionControlPro-tocol/InternetProtocol）協(xié)議作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸手段。在終端供能設(shè)計上，根據(jù)通航水域浮標(biāo)的重量負荷和空間上的要求，航標(biāo)燈與增強系統(tǒng)共用同一套蓄電池進行供電，終端設(shè)計配備100W的多晶硅太陽能電池板，其主要性能參數(shù)為：工作電壓為18V;工作電流為5.55A;考慮終端各功能模塊工作電壓不同且小于12V，在終端電路中設(shè)計加入電壓轉(zhuǎn)換電路，輸出不同的電壓保證各功能模塊正常工作。

4面向光污染的智能航標(biāo)增強系統(tǒng)實現(xiàn)策略

智能航標(biāo)增強系統(tǒng)終端功能實現(xiàn)主要包括整體電路布局及集成的實現(xiàn)和終端算法的實現(xiàn)。主控電路是整個系統(tǒng)的核心單元，能完成對各個功能模塊的調(diào)用和控制，綜合芯片的價格、性能、功耗和速度等因素，選取32位STM32L151RDT6處理器作為主控芯片，其引腳序號為逆時針旋轉(zhuǎn)，由于系統(tǒng)中需接收的主要數(shù)據(jù)為GPS位置數(shù)據(jù)、GPRS數(shù)據(jù)和光敏傳感器數(shù)據(jù)等，該芯片的串行通信接口已夠用，其中：PA2和PA3分別用于控制航標(biāo)燈和增強照明燈的亮滅;主控模塊串口一（PA9和PA10）控制GPS模塊和GPRS模塊;串口四（PC10和PC11）為調(diào)試串口;PA1為采集光敏電阻數(shù)據(jù);PC7為采集溫濕度數(shù)據(jù);PB8為實現(xiàn)PWM調(diào)流，完成照明燈亮度控制;PB12和PB13分別為采集太陽充電電流和電壓，完成充電模塊工作情況的檢測;PB14和PB15分別為采集電池輸出電流和電壓，完成系統(tǒng)供能情況的檢測。為降低系統(tǒng)終端整體功耗、減少物理面積和方便安裝燈器，終端采用MC20模塊作為集合GPRS通信功能與GPS定位功能于一體的多功能通信模塊，并使用AT指令集完成該領(lǐng)域中調(diào)制解調(diào)器的控制;為保障航標(biāo)蓄電池儲電和供電能力，加入太陽能電池板為蓄電池充電，使用CN3722作為太陽能電池供電的PWM降壓模塊充電管理集成電路;為解決各個模塊之間電壓不同的問題，選擇SY8113BADC同步降壓穩(wěn)壓器模塊來滿足各模塊間的電壓轉(zhuǎn)換;采用DHT11溫濕度傳感器實現(xiàn)溫度和濕度的監(jiān)測。

結(jié)語

盡管我國內(nèi)河航道航標(biāo)智能化取得一定的技術(shù)成果，但是隨著內(nèi)河智能航運的發(fā)展，智能航道是繼數(shù)字航道之后長江航道未來發(fā)展的必然趨勢，航標(biāo)作為水上交通中最為重要的航行標(biāo)識，其在未來的研究建設(shè)中，會越來越向智慧化方向快速發(fā)展。

參考文獻：

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