多光色一體化航標燈在中國沿海航標上的創(chuàng)新應用

陳國偉 甄 濤

一、項目背景

航標是幫助引導船舶航行、定位和標示礙航物與表示警告的人工標志，為各種水上活動提供安全信息的設施或系統(tǒng)。航標通常設于通航水域或其近處，以標示航道、錨地、灘險及其他礙航物的位置，表示水深，指揮狹窄水道的交通。按工作原理分類航標有三類，包括視覺航標、無線電航標和音響航標。其中視覺航標能使駕駛人員通過直接觀測迅速辨明水域，確定船位，安全航行，是使用最多最方便的航標，視覺航標包括燈塔、立標、燈樁、浮標、燈船和各種導標等。根據(jù)《中華人民共和國交通行業(yè)標準JT/T 730—2008》解釋，航標燈是為保證船舶在夜間安全航行而安裝在航標設施上的一類助航信號燈，它在夜間發(fā)出規(guī)定的燈光顏色和閃光頻率，達到規(guī)定的照射角度和能見距離。安裝有航標燈的視覺航標可供駕駛人員根據(jù)燈光顏色和閃光頻率來判別，目前沿海航標大都安裝有航標燈。

航標燈歷經(jīng)了煤油、電氣、半導體，目前發(fā)展到了第四代太陽能航標燈，而太陽能航標燈從早期的燈泡式光源發(fā)展到目前主流LED光源的技術革新也已經(jīng)有20余年。近年來，國家對沿海港口的大力發(fā)展也帶動了航標行業(yè)的急速增長，沿海航標數(shù)量也隨之以幾何倍數(shù)增加。就交通運輸部東海航海保障中心上海航標處而言，在這期間航標數(shù)量從幾百座增長到目前的1 200座左右，整個中國沿海的航標數(shù)量已超過上萬座，航標巡檢維護的工作量和工作壓力也在逐年遞增。為了減輕航標維護人員的工作量，提升航標燈可用性和可靠性，使海上航標工作智能化、安全化和高效化，新一代技術革新勢在必行。

二、航標燈多樣性需求

目前，市場上可供選擇的太陽能航標燈大都為單一燈光顏色，在實際使用中因不同航標標別性質會用到紅、綠、白、黃等多種燈光顏色航標燈。為保持轄區(qū)航標發(fā)揮有效助航效能，上海航標處需備存各類燈器500余臺，同時要求各航標站點和作業(yè)船艇配置相應數(shù)量的各種燈光顏色的航標燈，以滿足日常航標維護和現(xiàn)場搶修的燈器需求。目前航標燈需求存在以下主要問題：

（1）海上航標設置分布廣，作業(yè)環(huán)境惡劣，遇上需要設置特定航標標別時，要配置大量對應燈光顏色的航標燈，現(xiàn)有的航標燈配置無法滿足要求。

（2）遇突發(fā)航標故障搶修時，往往因現(xiàn)場沒有配相應燈光顏色的航標燈，影響了應急搶修任務的及時完成。

（3）在巡檢維護過程中航標船上也需要配置各種顏色航標燈，從而導致航標燈器備品數(shù)量增多。這一方面不利于燈器的日常養(yǎng)護，另一方面航標船艇空間有限，船艇搖晃也增加了互相碰撞導致組件損壞的風險。

（4）配備齊全各種顏色航標燈，極大地增加了航標燈儲存周轉成本。

針對上述需求，迫切需要研制一種滿足現(xiàn)行國家標準的多光色一體化航標燈，它可以克服現(xiàn)有技術中現(xiàn)場更換安裝煩瑣、檢修搶修不便的一些不足。

三、多光色一體化航標燈研制要點

針對航標燈應用需求，2014年上海航標處組織研制了多光色一體化燈器。多光色一體化航標燈由光源透鏡、電子控制組件、太陽板電池組件和燈器殼體四部分組成，該航標燈將紅、綠、白、黃等四種燈光顏色集成于一套航標燈，使一盞航標燈能夠滿足各種航標標別設置時的燈光顏色需求。該燈器采用了“多色光源控制模塊”和“IP環(huán)境綜合防護設計”，并能實現(xiàn)“3G/4G遙測遙控監(jiān)控”和“可用手機APP設置參數(shù)及查詢狀態(tài)”等功能。

1.多光色一體

利用成熟的LED技術，運用于多光色LED光源組研究，使多種顏色在一盞航標燈上得以綜合體現(xiàn)。

四種顏色共24顆LED均勻配列于圓周線上（見圖1），位置、發(fā)散角、光度經(jīng)過多次反復精密計算驗證，通過分組并串聯(lián)實現(xiàn)分組控制和單色組別發(fā)光[1]。

圖1 LED發(fā)光示意圖

2.免維護

利用航標維護管理經(jīng)驗并結合行業(yè)標準，研發(fā)出滿足航海保障一線需求并且免維護的新型燈器（見圖2）。主要采用了以下優(yōu)化措施：

（1）設計大手柄，實現(xiàn)冬季戴手套也可以搬運的便利性；

（2）將大型燈器配置的防鳥針運用于小型燈器上，比現(xiàn)有小型燈器的簡便式防鳥裝置更具效果，實現(xiàn)免維護效果；

（3）采用成熟的外部光滑透鏡技術，燈器外罩不易粘黏污染，實現(xiàn)免維護效果。

圖2 多光色一體化航標燈結構示意圖

3.智能化

基于目前航標遙測系統(tǒng)的推廣應用，本款航標燈在安裝3G/4G通信卡后可以用手機APP實現(xiàn)無線遙測遙控[2，3]，并可以設置藍牙對接密碼設立安全保護屏障，運用安卓系統(tǒng)更具使用便利性。

四、技術創(chuàng)新點

多光色一體化航標燈在2015年投入使用，除中國大陸市場外，目前產(chǎn)品已經(jīng)遠銷“一帶一路”沿岸的新加坡、印度尼西亞和中國臺灣等國家和地區(qū)，在國際和國內沿海的航標管理部門得到廣泛應用，產(chǎn)品已獲得一項國家實用新型專利，經(jīng)國家權威檢測單位檢測合格。經(jīng)水平檢索查新，多光色一體化航標燈屬全球首創(chuàng)，技術水平達到國際先進。主要技術創(chuàng)新點如下：

1.國際、國內首創(chuàng)四色一體化航標燈

實現(xiàn)集成多光色LED發(fā)光組與航標燈一體化的技術方案，高效滿足海上航標維護作業(yè)需要。

多光色一體化航標燈以突破型的科技創(chuàng)新賦予單體航標燈產(chǎn)品能同時滿足海上各種航標標別所需要之四種燈光顏色的強大功能，從而能夠以最小體積、最集合和最便利的方式提供一體化助航服務，大幅提升了航標維護和安全作業(yè)的效率，極大地減少了航標燈備品、配件的周轉庫存量。

伴隨功能的整合，本實用新型產(chǎn)品使航標維護作業(yè)所需的航標燈以及備件和相關配件的庫存周轉儲備數(shù)量、庫存日常維護工作量大大降低，由原本的每一種光色各備一套航標燈減少為四種光色只需配備一套航標燈的最精簡配置。無論在維護管理上還是經(jīng)費使用效率上都為一線航標維護工作人員省心、省力、省錢。

一體多用，優(yōu)化運營成本。一次采購實現(xiàn)多種需求覆蓋，本產(chǎn)品可大幅減少航標維護工作人員進行產(chǎn)品采購、運輸、庫存周轉管理與維護、產(chǎn)品現(xiàn)場安裝的工作時間與經(jīng)濟成本，單次購買即可保障原本所需分別進行的四次采購與購后管理等一系列工作，縮減工作流程，減少工作量，實現(xiàn)航標工作的優(yōu)化提升。

2.解決了密集式LED排布的發(fā)熱問題及排列準確性

多光色大量高強LED對燈器功耗的過度消耗，是燈器設計過程中的一大難題。經(jīng)過了無數(shù)次計算機模擬對模組核心的計算實驗及現(xiàn)場實踐效果評估，最后加上透鏡完美的配合使用，解決了這一問題，使燈器達到航標燈所需要的技術規(guī)格，達到并超越了最初的設計要求，多光色一體化航標燈滿足行業(yè)內外各項安全指標及使用規(guī)范，并為將來的5色甚至更多色光源并存一體的進一步技術研發(fā)提供了科學依據(jù)。

3.運用手機APP設置和檢測燈器狀態(tài)

遠程APP無線遙控設置具有高效率和高可靠性，便利現(xiàn)場維護操作。此次技術發(fā)明的多種燈光顏色切換和發(fā)光射程調節(jié)功能，可通過手機APP實現(xiàn)遠程無線操控，是產(chǎn)品智能化的一大飛躍，也是產(chǎn)品使用者在執(zhí)行過程中的一大福音。航標維護作業(yè)人員可規(guī)避、減少海上臨時更換單色航標燈面臨的安全風險和復雜操作，提高現(xiàn)場維護工作的安全保障。同時智能無線遙控切換也可大幅提高操作的靈活性和轉換效率，在陸地上便可簡易實現(xiàn)快速變色，節(jié)省海上作業(yè)準備和執(zhí)行時間，是航標維護作業(yè)行業(yè)水平向專業(yè)、優(yōu)質、智能先進方向發(fā)展的重要一步。

五、應用評估

多光色一體化航標燈自2015年6月起在上海航標處試用，經(jīng)試用評估，在2016年開始推廣應用，目前已在上海轄區(qū)安裝使用36套。同時該燈器在印度尼西亞、新加坡和中國臺灣等國家和地區(qū)推廣使用（見圖3、圖4），產(chǎn)品性能穩(wěn)定可靠，各項技術性能指標符合使用要求。

圖3 燈浮上應用

圖4 燈樁上應用

1.使用情況評估

多光色一體化航標燈選材精良，能適合海上惡劣環(huán)境；多功能兼容，便于現(xiàn)場維護操作，可減少日常維護者的工作量。該燈器使用情況穩(wěn)定良好，使用中未出現(xiàn)故障，經(jīng)現(xiàn)場航標效能技術測定，多光色一體化航標燈各項技術指標滿足航標燈技術規(guī)范要求。該燈器安裝、檢測、維護簡易方便，各項技術性能運行可靠，通過手機藍牙連接，維護人員可在專用APP上實現(xiàn)遠距離設置燈器技術參數(shù)，提高了航標現(xiàn)場維護工作效率，降低了人員在大風浪環(huán)境下上標作業(yè)帶來的安全風險，深受一線航標維護人員青睞。在針對安裝多光色一體化燈器的航道航標效能評估中，新型航標燈的助航效能獲得了航運用戶和船舶駕引人員的肯定。

2.經(jīng)濟效益

多光色一體航標燈將紅、綠、白、黃等四種燈光顏色集成于一套航標燈里面，與之前檢測維護及庫存需要配備攜帶4臺不同顏色燈器相比較，一盞航標燈就能夠滿足各種航標標別設置時所需要的燈光顏色，極大地減少了航標燈儲存周轉數(shù)量，降低了預算成本，使航標維護經(jīng)費使用更加經(jīng)濟有效。

以經(jīng)濟效益來看，按一臺一體化航標燈費用1萬6 000元算，僅上海航標處現(xiàn)管轄1 200座航標，為滿足航標維護而必需的航標燈庫存量，算上每年被撞損壞和報廢數(shù)量來估算，每年需新購置約500座新的航標燈，需要支出經(jīng)費800萬元，由于多光色航標燈1座可代替4座不同顏色的航標燈，可以有效降低庫存數(shù)量，每年節(jié)省經(jīng)費約500萬元。目前全國共有18個處，沿海有11 000余座航標，每年可節(jié)約備用燈器購置經(jīng)費約幾千萬元。如該燈器推廣到內河航道航標應用，內河航道有5萬座航標，可節(jié)約支出經(jīng)費就更為可觀，同時較原單一燈光燈器相比將大大減少周轉庫存，節(jié)約經(jīng)費、場地和人員工作量。

3.社會效益

多光色一體化航標燈具備多光色一體、免維護周期延長、智能化等特點，可以有效減少航標燈儲存周轉數(shù)量，降低管理成本和采購成本。同時多光色一體化燈器的通用性可以滿足各種突發(fā)航標故障搶修需要，能減輕航標維護人員的工作量，讓海上航標工作更加智能化、安全化和高效化，有助于提升轄區(qū)助航服務能力的提升，滿足航運和口岸用戶的服務需求，也達到了預期效果。

六、結語

隨著國家提出“海洋強國”和“一帶一路”倡議，航海技術朝著數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡化、集成化的方向發(fā)展，如何創(chuàng)新助航保障科技手段，滿足用戶基于新技術條件下的助航服務需求是航海保障部門面臨的新挑戰(zhàn)。在大力推進E-航海技術和智慧航標建設的背景下，期待多光色一體化航標燈在沿海航標上的應用能推動視覺航標技術更新的潮流，促進新技術、新材料、新工藝在航標領域的創(chuàng)新發(fā)展，助推海事航海保障服務水平的提升。