長江下游航道風霧情監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

穆 強

一、引言

長江航道是我國水路運輸?shù)闹鞲傻溃瑑?nèi)河水運量居世界之首。長江航道流經(jīng)九省二市。長江流域是中國多霧的地區(qū)之一，且多為團霧（指局部范圍內(nèi)出現(xiàn)的更“濃”、能見度更低的霧）。長江下游地區(qū)江面寬闊，一般都超過2千米。航道內(nèi)氣象要素與陸地上氣象站的監(jiān)測數(shù)據(jù)相比有較大區(qū)別，具有監(jiān)測站點少、預測難度大的特點。霧會導致能見度下降，影響船舶航行安全，加之長江下游船舶通行量大，航行船舶多有“扎霧”的習慣，大霧消散后，船舶都會立即發(fā)航，所以在局部時間的局部區(qū)域內(nèi)，往往會形成船舶流量極其密集的局面。在眾多的海損事故調查分析中獲知，兩船間發(fā)生的碰撞有90%以上是在能見度不良的情況下發(fā)生的[1]。

風浪對船舶航行安全也有較大影響，船舶進入大風浪區(qū)域航行時，船舶將出現(xiàn)較劇烈的搖蕩運動、降速、航向不穩(wěn)定，以及由此引發(fā)的其他操縱方面的困難，甚至出現(xiàn)難以預料的危險。長江下游地區(qū)夏季乃至春末秋初，強對流天氣容易引起大風。2015年“東方之星”號客輪翻沉事故正是因為局部強對流天氣形成的龍卷風造成的[2]。

為了保障長江下游航道的安全暢通，本文研究了特征站的能見度、風速、風向等氣象要素的監(jiān)測技術和手段，開發(fā)了航道風霧情監(jiān)測系統(tǒng)，并在數(shù)字航道系統(tǒng)中應用，為長江航道部門應急調度指揮提供了重要的決策依據(jù)。

二、功能需求

目前，長江下游數(shù)字航道系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)了航標基礎信息的維護管理、800余座航標遙測遙控、船舶動態(tài)監(jiān)測、部分輔助決策功能等，通過數(shù)字航道系統(tǒng)建設能實現(xiàn)航道作業(yè)管理的標準化、程序化、規(guī)范化。

然而，對于航道的實時風速、風向、能見度等對航道應急調度指揮具有非常重要意義的氣象要素的檢測，在數(shù)字航道系統(tǒng)中尚未實現(xiàn)。本文旨在研究一種風霧情監(jiān)測系統(tǒng)，以彌補該方面的不足。

結合長江下游航道特點以及目前數(shù)字航道系統(tǒng)的欠缺，風霧情監(jiān)測系統(tǒng)具有如下的功能需求：

（1）在長江航道重點地段實施風霧情監(jiān)測，測量數(shù)據(jù)應達到中國氣象局規(guī)定的航道作業(yè)標準。

（2）長江江面水氣大，檢測硬件應能適合臨水環(huán)境，必須達到相關防護等級。

（3）系統(tǒng)需24小時無間斷作業(yè)，當監(jiān)測終端出現(xiàn)機器故障或斷電時，能提供存儲備案保證數(shù)據(jù)正常存儲，以備決策部門查閱。

（4）系統(tǒng)需要留有接口，能供數(shù)字航道系統(tǒng)調用，作為數(shù)字航道系統(tǒng)的擴展功能模塊。

三、系統(tǒng)結構

如圖1所示，航道風霧情監(jiān)測系統(tǒng)包括了前端設備、后臺服務器以及客戶端三大部分。其中前端設備主要包含能見度傳感器、風速風向傳感器、數(shù)據(jù)采集器、GPRS無線通信模塊和光伏供電系統(tǒng)。[3，4]在其工作模式中，前端的檢測傳感器先將數(shù)據(jù)交給數(shù)據(jù)采集器進行打包，接著數(shù)據(jù)包經(jīng)由GPRS模塊發(fā)送到服務器端；服務器端的GPRS接收服務器接收數(shù)據(jù)并傳入應用服務器，應用服務器進一步對數(shù)據(jù)包進行解碼、重構和發(fā)布，用戶再通過客戶終端（如數(shù)字航道系統(tǒng)）獲得數(shù)據(jù)產(chǎn)品。

圖1 系統(tǒng)拓撲結構圖

四、前端檢測硬件設備

（一）能見度儀

根據(jù)長江下游沿岸濕度大、腐蝕性強、局部團霧多等特點，選用TP-VISI1能見度傳感器。該傳感器量程達到10千米，測量誤差在±10%以內(nèi)，具備全天候工作、高智能化、高穩(wěn)定性、防腐等優(yōu)點。主要參數(shù)為：測量范圍1~10 000米，準確度±2%（≤1 000米）、±10%（＞1 000米），分辨率1米（≤1 000米）、100米（＞1 000米）。

（二）風速、風向傳感器

風速、風向傳感器主要有機械式（風向標與風杯）和超聲波式兩種。其中超聲波式風速、風向傳感器相比于傳統(tǒng)的機械式風速、風向傳感器，測量精度更高，受環(huán)境影響更小，對于風速、風向的突變更為敏感，比較適合在長江沿線安裝實施，綜合比較，選用WS200-UMB型設備。其主要技術參數(shù)為：啟動風速±0.3米/秒，風速精準度±0.3米/秒（0.6米/小時），風向精準度±3°。

（三）數(shù)據(jù)采集器

數(shù)據(jù)采集器是可用于遠程監(jiān)控和控制的小型系統(tǒng)，我們選用了CR300型數(shù)據(jù)采集器。該款采集器是入門級采集器，設計小巧緊湊，包含豐富的指令集，擴展性強，可兼容大部分水文、氣象傳感器。

（四）G PR S無線通信模塊

GPRS無線數(shù)模塊是采用GSM/GPRS網(wǎng)絡為傳輸媒介的一款基于移動GSM短消息平臺和GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務的工業(yè)級通信終端。它利用GSM 移動通信網(wǎng)絡的短信息和GPRS業(yè)務為用戶搭建了一個超遠距離的數(shù)據(jù)傳輸平臺，標準工業(yè)規(guī)格設計，提供RS232標準接口，直接與用戶設備連接，實現(xiàn)中英文短信功能、彩信功能、GPRS數(shù)據(jù)傳輸功能。

五、后臺軟件實現(xiàn)

（一）軟件結構

風霧情檢測系統(tǒng)軟件主要由航道自動站程序、風霧情監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)站等部分構成，如圖2所示。其中，數(shù)據(jù)采集器采集的數(shù)據(jù)通過GPRS方式接入后，傳輸?shù)揭粋€航道自動站程序，自動站程序將數(shù)據(jù)解碼、重構后錄入SQL Server數(shù)據(jù)庫中。API程序則從數(shù)據(jù)庫獲取數(shù)據(jù)發(fā)布到接口，風霧情監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)站從接口獲取數(shù)據(jù)后進行展示，為用戶提供服務。

圖2 系統(tǒng)軟件結構圖

（二）航道自動站程序

航道自動站程序是航道風霧情監(jiān)測系統(tǒng)的核心程序。該程序有三個主要功能：

（1）讀取串口通5.3轉碼的數(shù)據(jù)；

（2）把數(shù)據(jù)重構后，存入主數(shù)據(jù)庫；

（3）監(jiān)測當前站點數(shù)據(jù)和歷史紀錄查詢。

圖3顯示了其設備管理界面，用于配置管理串口，添加、刪除及管理數(shù)據(jù)采集器。圖4顯示了其歷史紀錄查詢界面。

圖3 設備管理界面

圖4 歷史數(shù)據(jù)查詢界面

（三）風霧情A PI程序

為了強化系統(tǒng)的靈活性，將風霧情監(jiān)測數(shù)據(jù)產(chǎn)品封裝成風霧情數(shù)據(jù)接口供用戶系統(tǒng)調用。數(shù)據(jù)接口的結構如表1所示。

數(shù)據(jù)接口將以JSON的形式返回，圖5是接口調用一個示例，在該示例中包含了三個監(jiān)測站在2018年4月26日10點30分左右的工作狀態(tài)、風速、風向、能見度等監(jiān)測數(shù)據(jù)。

表1 數(shù)據(jù)接口結構

圖5 接口調用一個示例

六、系統(tǒng)的示范應用

風霧情監(jiān)測系統(tǒng)能夠實時監(jiān)測航道上的風速、風向、能見度，對航道維護工作船舶作業(yè)安全、過往行輪航行安全有重要意義。風霧情監(jiān)測系統(tǒng)將前端采集的數(shù)據(jù)封裝成接口，并在長江數(shù)字航道系統(tǒng)中做了示范應用，為航道部門應急指揮調度提供參考依據(jù)。

（一）應用部署

長江下游地區(qū)地勢平坦，江寬水深，選擇應用示范點時，選取了轄區(qū)內(nèi)上、中、下三個特征區(qū)域，并分別選擇了轄區(qū)下游的龍?zhí)端?、中游的南京水道和上游的凡家磯水道，作為航道風霧情監(jiān)控點[5]。

1.龍?zhí)稓庀笳?/p>

龍?zhí)稓庀笳静渴鹪邶執(zhí)妒疚粯巳龑悠脚_。龍?zhí)妒疚粯耸且蛔笮投喙δ馨稑耍?0.5米，位于長江右岸、龍?zhí)陡蹍^(qū)起點處。該氣象站的風霧情監(jiān)測范圍可覆蓋長江南京段下游龍?zhí)端?、儀征水道及南京四橋橋區(qū)航道水域的風霧情狀況。岸標內(nèi)接有市電及光纖，為站點部署提供了便利條件。受場地限制，將傳感器安裝于三層平臺上。數(shù)據(jù)經(jīng)RS232串口轉RJ45網(wǎng)口進行傳輸。

2.下關站

下關站部署在#142紅浮。#142紅浮位于大勝關水道、南京水道和南京大橋水道的交匯點，緊鄰下關中山碼頭至浦口輪渡航線，可反映出長江南京段中游草鞋峽水道、大橋橋區(qū)航道、南京水道、寶塔水道、大勝關水道的風霧情狀況。#142紅浮是一座直徑6米的大型浮標。與普通浮標相比，6米浮鼓的浮面可利用空間大、穩(wěn)性好、安全性好，比較適合風霧情監(jiān)控系統(tǒng)硬件部署。傳感器和數(shù)據(jù)采集器模塊安裝在浮標頂層，不影響航標功能，也不妨礙航標維護作業(yè)。浮標下層安裝了光伏供電系統(tǒng)，為整個采集模塊提供不間斷的供電。數(shù)據(jù)通過GPRS傳輸。

3.烏江站

烏江站部署在烏江左右通航浮。烏江左右通航浮位于凡家磯水道、烏江水道的交匯處，可反映出長江南京段下游水域的風霧情狀況。系統(tǒng)部署方案同下關站。

（二）在數(shù)字航道系統(tǒng)中的應用效果

長江下游“上瀏段”數(shù)字航道系統(tǒng)于2016年12月31日上線試運行，該系統(tǒng)根據(jù)長江南京航道局轄區(qū)河段特點，對傳統(tǒng)航道業(yè)務流程做到了程序化、模塊化管理，以一條業(yè)務主線貫穿始終，將各項任務都串聯(lián)起來，實現(xiàn)了航道監(jiān)測到維護調度的聯(lián)動，使系統(tǒng)從監(jiān)控層面上升到監(jiān)管層面。為了更好地聚焦公益服務，提升服務品質，系統(tǒng)除了對傳統(tǒng)航道業(yè)務監(jiān)管外，還添加了視頻監(jiān)控、橋區(qū)通航要素監(jiān)控等作為輔助管理手段[6]。

我們在“上瀏段”數(shù)字航道系統(tǒng)中調用風霧情API，根據(jù)輔助決策的功能需要，實現(xiàn)了以下3個主要功能：

（1）風霧情實時顯示。在數(shù)字航道系統(tǒng)中加入風霧情模塊，并在電子航道圖的實際位置添加龍?zhí)墩尽⑾玛P站、烏江站3個監(jiān)測站。點擊監(jiān)測站圖標，可顯示出監(jiān)測點的實時信息，如圖6所示。

（2）技術參數(shù)分析。如圖7所示，其下方的功能區(qū)內(nèi)能展示出十分鐘平均風速、風向、能見度信息及電池電壓，并能根據(jù)歷史數(shù)據(jù)自動繪制出24小時內(nèi)的變化趨勢，其中風速、能見度采用折線圖，而風向采用風玫圖。

如圖7所示，根據(jù)風速、風向、能見度的等級對照表，用紅、黃、綠3種顏色對數(shù)據(jù)設置預警級別，綠色底紋顯示的數(shù)據(jù)代表正常，黃色底紋顯示的數(shù)據(jù)代表一般預警，紅色底紋顯示代表嚴重預警，不宜開航。以此，可為用戶提供簡單易懂的決策依據(jù)。

圖6 數(shù)字航道系統(tǒng)風霧情模塊主界面

圖7 數(shù)字航道風霧情數(shù)據(jù)分析界面

七、總結與展望

本文主要研究了長江航道風霧情監(jiān)測系統(tǒng)建設的相關技術，研究了航道維護管理部門對風速、風向、能見度等氣象要素監(jiān)測信息的需求，完成了系統(tǒng)功能的設計，進行了傳感器設備的選型。在軟件設計時，從用戶需求出發(fā)，開發(fā)前端設備管理和接受的航道自動站程序以及數(shù)據(jù)解碼、重構和發(fā)布的監(jiān)測數(shù)據(jù)API程序，可方便地在已有的數(shù)字航道系統(tǒng)中進行集成應用。最后，根據(jù)長江下游的特征選擇了3個站點對系統(tǒng)進行示范應用，實現(xiàn)了在“上瀏段”數(shù)字航道系統(tǒng)對風霧情的實時監(jiān)控和預警分析，從而為航道應急調度指揮提供決策依據(jù)，使得系統(tǒng)的輔助決策功能得以補充。

雖然目前已經(jīng)完成了風霧情監(jiān)測系統(tǒng)的設計開發(fā)和示范應用，但受限于技術和安裝環(huán)境等因素，系統(tǒng)仍有一些問題未得到很好的解決，在今后的發(fā)展過程中，系統(tǒng)主要有以下幾個方面需要改進和完善：

（1）無線通信信號不穩(wěn)定。前端采集器通過GPRS/GSM網(wǎng)絡與服務器通信，在使用過程中發(fā)現(xiàn)通信信號不太穩(wěn)定，時常離線。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)與通信基站的布置有關，下一步可以和通信商進一步溝通或采用其他更穩(wěn)定的無線通信方式傳輸數(shù)據(jù)。

（2）示范的監(jiān)測站點分布過少，目前監(jiān)測站的監(jiān)測數(shù)據(jù)只能真實反映局部氣象。長江水面上氣象條件與陸地不同，常有團霧發(fā)生，本文中在長江南京段上、中、下游分別設置的示范監(jiān)測站點并不能覆蓋到長江南京段全線。下一步將在港區(qū)、橋區(qū)、錨區(qū)等重點水域增加監(jiān)測站點，或采用更大量程的數(shù)據(jù)采集器應對。