從海洋觀測視角論浮動航標(biāo)功能擴(kuò)展

劉愉強(qiáng)　周保成

【摘 要】 為保障船舶安全航行，從海洋觀測視角探討浮動航標(biāo)功能擴(kuò)展和應(yīng)用，提出擴(kuò)展浮動航標(biāo)平臺環(huán)境觀測（監(jiān)視）功能和優(yōu)化相關(guān)浮體結(jié)構(gòu)，以及浮動航標(biāo)系泊系統(tǒng)融合海洋資料浮標(biāo)系泊系統(tǒng)技術(shù)的建議，以期豐富海事管理輔助決策系統(tǒng)實測數(shù)據(jù)，提高海事管理智能化水平和工作效率。

【關(guān)鍵詞】 浮動航標(biāo);環(huán)境觀測;功能擴(kuò)展

0 引 言

隨著海洋強(qiáng)國國家戰(zhàn)略的實施和“一帶一路”倡議的提出，向海經(jīng)濟(jì)和航運(yùn)快速發(fā)展，船舶通航流量增多、密度增大，加上港口航道新建、擴(kuò)建，海上作業(yè)活動頻繁。廣東海事局?jǐn)?shù)據(jù)統(tǒng)計顯示：2016年轄區(qū)內(nèi)船舶進(jìn)出港209.23萬艘次，貨物吞吐量18.568億t;2017年船舶進(jìn)出港367.92萬艘次，貨物吞吐量24.38億t，船舶進(jìn)出港艘次比上年增長了75.8%，貨物吞吐量比上年增長了31.3%。這對水上航行保障措施提出了更高的要求。

能見度是影響船舶安全航行的重要因素。在能見度不良時，駕駛員不能及時發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，不能較好地識別助航設(shè)施和了解周圍航行情況，給定位和避讓等造成困難，大大增加了船舶發(fā)生事故的風(fēng)險。據(jù)國際海事組織的統(tǒng)計，引起船舶碰撞事故最多的海洋氣象是霧。目前，我國對海霧天氣仍以監(jiān)測為主。及時獲取實時霧情信息是保障船舶安全航行的重要措施之一。

陳偉豐等[1]研究表明，流是影響船舶安全航行的重要因素。在船舶超大型化的今天，船舶操縱者必須精準(zhǔn)掌握流的變化規(guī)律和實時流速流向。流速流向受風(fēng)、大氣壓、降水等其他氣候條件及地形的影響較大，僅依靠預(yù)報的潮流規(guī)律進(jìn)行推算，會給船舶特別是大型船舶在航行和靠離泊操縱時帶來較大風(fēng)險。廣州港為潮汐港，受航道水深、寬度不足等條件的限制，許多船舶要乘潮進(jìn)出港。這就導(dǎo)致船舶進(jìn)出港時間相對集中，航道內(nèi)船舶通航密度的相對增加，船舶發(fā)生交通事故的風(fēng)險也大大增加。魏忠想[2]研究表明，由于流的水動力作用，操船者不易對船舶進(jìn)行有效控制，特別是在流速較大、船舶受橫流影響時，更難以控制船舶，事故也極易發(fā)生。及時獲取實時水流數(shù)據(jù)也是保障船舶安全航行的重要措施之一。

1 現(xiàn)狀及問題

航標(biāo)是幫助引導(dǎo)船舶航行、定位及標(biāo)示礙航物和航道范圍的水上或岸上標(biāo)志，為各種水上活動提供安全信息的設(shè)施或系統(tǒng)。航標(biāo)按設(shè)置形態(tài)可分為固定航標(biāo)和浮動航標(biāo)兩類。

浮動航標(biāo)是指浮于水面上的一種標(biāo)志，是用錨或沉錘加錨鏈系留在指定位置，以標(biāo)示航道范圍、指示淺灘和礙航物或表示專門用途的水面助航標(biāo)志。浮動航標(biāo)在航標(biāo)中數(shù)量最多，應(yīng)用廣泛。

隨著海運(yùn)事業(yè)的發(fā)展，人類水上活動范圍日益擴(kuò)大、方式日益增多，對航標(biāo)的需求也越來越多，因此大量先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于航標(biāo)，推動著航標(biāo)技術(shù)的發(fā)展。

2010年3月，國際航標(biāo)協(xié)會（IALA）發(fā)布了《海上浮標(biāo)制度及其他航標(biāo)》，在1983年版《海上浮標(biāo)制度》的基礎(chǔ)上增加了航標(biāo)種類、更新了部分技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。我國在1999年版《中國海區(qū)水上助航標(biāo)志》基礎(chǔ)上進(jìn)行了更新，發(fā)布了2016年版《中國海區(qū)水上助航標(biāo)志》。

隨著新材料的出現(xiàn)，浮動航標(biāo)的標(biāo)體材料也隨之改變。傳統(tǒng)的鋼質(zhì)浮動航標(biāo)因長期浸泡在水中，易腐蝕且容易被偷盜。近年來廣泛應(yīng)用玻璃鋼材質(zhì)的標(biāo)體，其具有質(zhì)量輕、耐久性好、抗腐蝕能力強(qiáng)、價格便宜等特點。新型納米超高分子量材料組合式航標(biāo)標(biāo)體相較于傳統(tǒng)航標(biāo)標(biāo)體，具有安裝簡單、攜帶輕便、耐腐蝕性強(qiáng)及耐碰撞等優(yōu)點。

我國航標(biāo)燈器經(jīng)歷了煤油燈、乙炔燈、白熾燈、LED燈等發(fā)展階段?？茖W(xué)技術(shù)的進(jìn)步，特別是無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展，為航標(biāo)設(shè)備的改進(jìn)提供了可能，也為航標(biāo)燈器進(jìn)入數(shù)字化時代奠定了基礎(chǔ)。當(dāng)前，航標(biāo)管理已進(jìn)入數(shù)字時代，航標(biāo)燈裝備了通信、定位模塊，具有遙測航標(biāo)位置、燈質(zhì)、電壓等數(shù)據(jù)，遙控航標(biāo)燈質(zhì)、開燈狀態(tài)等功能。[3]

浮動航標(biāo)的系留系統(tǒng)是按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《浮標(biāo)錨鏈》執(zhí)行的，是由馬鞍鏈、短鏈、半鏈、全鏈等鏈節(jié)，以及連接卸扣、末端卸扣、轉(zhuǎn)環(huán)等附件組成的系泊系統(tǒng)。錨鏈環(huán)長期處于海洋腐蝕環(huán)境中，易受腐蝕、磨損，導(dǎo)致鏈環(huán)斷裂。目前，浮動航標(biāo)每1～2年進(jìn)行吊換維護(hù)保養(yǎng)，在一些特殊航道因損耗較大，維護(hù)周期更短。

傳統(tǒng)的航標(biāo)功能定位只限于導(dǎo)航，但從海洋觀測視角來看，數(shù)量眾多的航標(biāo)可以發(fā)揮更大作用，通過優(yōu)化其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、擴(kuò)展其功能以滿足更多社會需求。

2 技術(shù)條件成熟

隨著新材料、集成電路技術(shù)，以及新理論、新方法的不斷發(fā)展，體積小、重量輕、功耗低、精度高、智能化的新型傳感器不斷涌現(xiàn)，為在小型定點觀測平臺進(jìn)行環(huán)境要素觀測的業(yè)務(wù)化運(yùn)行提供了技術(shù)支撐。

通信技術(shù)的發(fā)展也為在小型定點觀測平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)和視頻傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)化運(yùn)行提供了技術(shù)支撐。1991年開始投入使用的全球移動通信系統(tǒng)（GSM）只能滿足簡單的觀測數(shù)量需求。為彌補(bǔ)這一缺陷，2000年又推出了一種新的通信技術(shù)――GPRS，雖然能滿足基本觀測要素的需求，但無法很好地支持視頻監(jiān)控需要。因此，基于舊有的GSM/EDGE（增強(qiáng)型數(shù)據(jù)速率演進(jìn)技術(shù)）和UMTS（環(huán)球移動通信系統(tǒng)）/HSPA（高速數(shù)據(jù)信息包接入/存取技術(shù)）網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，形成了通用移動信息（LTE）技術(shù)。LTE技術(shù)提升了無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸能力和傳輸速度，為圖像視頻通過4G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實時傳輸提供了技術(shù)支撐。

目前，浮動航標(biāo)主要通過太陽能板與蓄電池組合方式供電。為了存儲太陽能，結(jié)合浮動航標(biāo)電能存儲的特點，浮動航標(biāo)采用鉛酸蓄電池。隨著鋰離子電池技術(shù)的進(jìn)一步成熟，鋰離子電池也將應(yīng)用于浮動航標(biāo)。這些技術(shù)的進(jìn)步都為浮動航標(biāo)功能擴(kuò)展所需能源供給提供了技術(shù)支撐。

3 建 議

3.1 功能擴(kuò)展

目前有些浮動航標(biāo)上裝有錨燈、錨燈檢測器、AIS、GPS等設(shè)備。這些設(shè)備可以向過往船舶和管理控制中心發(fā)送信息，向過往船舶發(fā)送的信息內(nèi)容包括航標(biāo)名稱、航標(biāo)類型、位置精度、位置緯度、位置經(jīng)度、定位方式、信息時間、位置狀態(tài)等;向管理控制中心發(fā)送的信息內(nèi)容包括燈狀態(tài)、系統(tǒng)電流電壓、航標(biāo)名稱、航標(biāo)類型、位置精度、位置緯度、位置經(jīng)度、定位方式、信息時間、位置狀態(tài)等。這些功能仍無法滿足現(xiàn)代化航道管理需求，因此需要擴(kuò)展浮動航標(biāo)功能。浮動航標(biāo)系統(tǒng)數(shù)據(jù)流見圖1。

功能擴(kuò)展后的浮動航標(biāo)觀（監(jiān)）測內(nèi)容如下：

（1）常規(guī)內(nèi)容：燈狀態(tài)、系統(tǒng)電流電壓、航標(biāo)名稱、航標(biāo)類型、位置精度、位置經(jīng)度和緯度、定位方式、信息時間、位置狀態(tài)。

（2）水文氣象要素：流速、流向、水溫、能見度、風(fēng)速、風(fēng)向。這些觀測要素能提高船舶進(jìn)出港和離靠泊的安全性，減少船舶對碼頭及導(dǎo)助航設(shè)施的碰撞和損壞，同時為海事管理部門啟動應(yīng)急預(yù)案對轄區(qū)水域?qū)嵭信R時封航管制提供技術(shù)支持。

（3）音像要素：實時視頻?，F(xiàn)場實時視頻能達(dá)到預(yù)防、發(fā)現(xiàn)和及時取證的目的，特別是對大量未安裝AIS的小型船舶進(jìn)行監(jiān)控。通過現(xiàn)場實時視頻，海事管理部門在有可能影響船舶航行安全時作出最有效、最及時的響應(yīng)，預(yù)防事故的發(fā)生;及時發(fā)現(xiàn)違法事件，及時預(yù)警;在事故發(fā)生后，能以最快的速度實現(xiàn)應(yīng)急救援，減少人員傷亡和財產(chǎn)損失。

在近岸移動通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋良好的水域，浮動航標(biāo)觀（監(jiān)）測內(nèi)容通過4G通信模塊傳輸;在尚未被移動通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋的海域，浮動航標(biāo)觀（監(jiān)）測內(nèi)容通過“天通一號”衛(wèi)星傳輸。

3.2 浮體優(yōu)化

浮動航標(biāo)上層結(jié)構(gòu)極易因碰撞而損壞，可在浮體和桅桿頂部外周優(yōu)化布局、設(shè)置彈性圍欄（如高分子材料）以減緩沖撞力;在桅桿底部設(shè)置多向減震裝置以阻隔彈性應(yīng)力波破壞。

為了提供更大電池容量，對浮體內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化以擴(kuò)展存放蓄電池的空間。經(jīng)測試，擴(kuò)展后的浮體蓄電池空間可存放30～40塊100 Ah電池。

3.3 系泊系統(tǒng)優(yōu)化

為延長系泊系統(tǒng)壽命，對系泊系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，改善系泊系統(tǒng)整體壽命。測量浮標(biāo)長效錨系泊裝置作為海洋資料浮標(biāo)使用的專利，打破上下一致的粗鏈大沉塊錨系泊傳統(tǒng)設(shè)計方案，大大提高了錨系的壽命，其特征在于該專利技術(shù)的錨鏈為一條不帶連接卸扣的全程錨鏈。該錨鏈在浮動航標(biāo)的浮體下5～10 m受力段和躺地段錨鏈前端開始的25～50 m經(jīng)常觸地磨擦段所用的錨鏈錨徑比標(biāo)準(zhǔn)段錨鏈錨徑加大25%～35%。

4 結(jié) 語

在全球智能化的當(dāng)下，我國提出“數(shù)字中國、智慧社會”要求，海事管理也進(jìn)入智能時代。利用浮動航標(biāo)的平臺，增加必要觀測功能，不僅可以豐富海事管理輔助決策系統(tǒng)實測數(shù)據(jù)，而且可以更加科學(xué)地作出決策，提高海事管理智能化水平和工作效率。

海洋資料浮標(biāo)監(jiān)測平臺的成熟技術(shù)可以融入浮動航標(biāo)系統(tǒng)中，浮動航標(biāo)系泊系統(tǒng)使用測量浮標(biāo)長效錨系泊裝置技術(shù)能很好解決系泊系統(tǒng)壽命短的問題，延長維護(hù)周期，降低運(yùn)維成本。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳偉豐，邵建國.流速流向測量儀在超大型船舶引航中的應(yīng)用[J].航海技術(shù)，2018（4）：4-6.

[2] 魏忠想.廣州港水域船舶交通安全評價與對策[D].廣州：華南理工大學(xué)，2013：38-32.

[3] 楊力，吳麗平，梁艷，等.談航標(biāo)燈器的科技應(yīng)用[J].中國海事，2016（12）：55-56.