內(nèi)河航標(biāo)新材料、新技術(shù)的應(yīng)用

蘭欣雨 田雨欣 趙樹正

摘? 要：近年來(lái)，隨著海運(yùn)事業(yè)發(fā)展的需要，航標(biāo)領(lǐng)域引入了越來(lái)越多的新材料、新技術(shù)，對(duì)于航標(biāo)技術(shù)來(lái)說(shuō)，材料相關(guān)研究的大量涌現(xiàn)也足以證明該領(lǐng)域的受重視程度，基于現(xiàn)狀，該文簡(jiǎn)單地研究了內(nèi)河航標(biāo)在材料、技術(shù)上的發(fā)展，分析內(nèi)河航標(biāo)新技術(shù)、新材料的應(yīng)用情況，并對(duì)航標(biāo)未來(lái)進(jìn)行了展望，希望論述內(nèi)容能夠給相關(guān)業(yè)內(nèi)人士帶來(lái)啟發(fā)。

關(guān)鍵詞：內(nèi)河航標(biāo);視覺航標(biāo)新材料;智能化

中圖分類號(hào)：U612? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

航標(biāo)是一種能保證船舶安全、經(jīng)濟(jì)、便利航行的助航標(biāo)志。隨著新材料、新技術(shù)的運(yùn)用，內(nèi)河航標(biāo)在逐步向智能化發(fā)展的同時(shí)，功能也越來(lái)越多樣化，管理維護(hù)越來(lái)越簡(jiǎn)便，使用的能源越來(lái)越清潔。按照航標(biāo)的功能劃分，截至目前，內(nèi)河航標(biāo)主要分為視覺航標(biāo)、無(wú)線電航標(biāo)、虛擬航標(biāo)、音響航標(biāo)4種。由于其中的音響航標(biāo)的使用越來(lái)越少，因此不做概述。該文分別探究了視覺航標(biāo)、無(wú)線電航標(biāo)、虛擬航標(biāo)3種航標(biāo)在技術(shù)與材料上的發(fā)展[1]。

1 視覺航標(biāo)

視覺航標(biāo)是一種通過(guò)人眼，目視觀測(cè)的固定或浮動(dòng)的助航標(biāo)志，又可以稱為目視航標(biāo)。燈塔、燈樁、燈船、浮標(biāo)、立標(biāo)、系碇設(shè)備和導(dǎo)標(biāo)等均屬于視覺航標(biāo)。 它常常使用醒目的顏色或閃爍的燈光來(lái)標(biāo)識(shí)自身。白天，航海人員可以觀察標(biāo)體的形狀、顏色和頂標(biāo)。夜晚，則可以通過(guò)燈光的顏色，燈光閃爍的頻率來(lái)識(shí)別航標(biāo)。 視覺航標(biāo)是最基本的、最原始的助航標(biāo)志之一，它能夠很好地保障船舶航行的安全。 其廣泛布設(shè)于海區(qū)和內(nèi)河。近年來(lái)，我國(guó)不斷探索新材料、新技術(shù)在航標(biāo)上的運(yùn)用，極大地提高了航標(biāo)的使用性能。信息技術(shù)手段與航標(biāo)的結(jié)合，推動(dòng)航標(biāo)向智能化，多功能化方向發(fā)展[2]。

1.1 視覺航標(biāo)新材料的應(yīng)用

隨著海運(yùn)行業(yè)的日漸繁榮，對(duì)航標(biāo)性能的要求也日漸提升，因此出現(xiàn)了大量新材料。 這些材料的應(yīng)用讓航標(biāo)能夠更好地應(yīng)用于各種工作環(huán)境中，從而為船舶航行安全提供保障。 新材料的應(yīng)用數(shù)不勝數(shù)，該文將介紹一些新材料應(yīng)用的典型案例。

抗擊碎太陽(yáng)能板的出現(xiàn)解決了橋區(qū)太陽(yáng)能板因墜石撞擊易碎的這一問(wèn)題， 其結(jié)構(gòu)為“ PET + EAV +電池+ EVA + TPT + EVA + ER”， 總厚度約為3 mm。背面使用的ER材料具有高收縮率、高耐熱性和耐腐蝕性的特點(diǎn)。當(dāng)前大部分航標(biāo)上的太陽(yáng)能電池板指單晶板為“硅+玻璃”結(jié)構(gòu)。 由于該結(jié)構(gòu)耐沖擊能力差，可能因輕微的沖擊而損壞。 基于這一原因，它并不適用于作為橋梁和涵洞上的標(biāo)志以及橋梁柱子上的警告標(biāo)志。而由新材料制成的耐沖擊太陽(yáng)能電池組件，擁有良好的機(jī)械性能，可以承受碎石下落對(duì)太陽(yáng)能電池組件的影響。 該產(chǎn)品是將鋼化玻璃組件和可彎曲太陽(yáng)能電池組件結(jié)合在一起的創(chuàng)新成果，它結(jié)合了這2個(gè)組件良好的耐沖擊性、高硬度和低重量等優(yōu)良品質(zhì)，因此更適合用作航標(biāo)電源[3]。

此外，傳統(tǒng)的鋼質(zhì)航標(biāo)被玻璃纖維和新型聚合材料所替代也是航標(biāo)領(lǐng)域中新材料的典型應(yīng)用。 這些材料具有色彩鮮艷、輕便耐用、搬運(yùn)方便等優(yōu)點(diǎn)。超高分子量聚乙烯是航海標(biāo)志領(lǐng)域常見的新型材料。其相對(duì)密度較小，僅為鋼密度的1/8， 耐磨性卻可達(dá)到鋼材的7倍。內(nèi)部飽和分子團(tuán)的結(jié)構(gòu)使其具有耐溶劑、耐酸堿、耐老化的特點(diǎn)。由于沖擊強(qiáng)度≥40 MPa，極限抗拉強(qiáng)度≥400 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率≥450%，熱變形溫度為95 ℃，脆化溫度<-137 ℃洛氏硬度為R38， 由此得出，UHMWPE材料比傳統(tǒng)的鋼和HDPE材料更有優(yōu)勢(shì)。

新能源、新材料的運(yùn)用提高了航標(biāo)的各項(xiàng)性能，加大了對(duì)清潔能源的使用，提高航標(biāo)耐久性，使得航標(biāo)的應(yīng)用更加綠色經(jīng)濟(jì)，促進(jìn)了航標(biāo)的發(fā)展。

1.2 視覺航標(biāo)新技術(shù)的應(yīng)用

技術(shù)方面，視覺航標(biāo)逐漸向智能化發(fā)展，借助智能化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)航標(biāo)的無(wú)人化自動(dòng)工作、遠(yuǎn)距離管控。大大減少了航標(biāo)的管理維護(hù)費(fèi)用，并能迅速對(duì)故障采取措施，提高了船舶航行的安全系數(shù)。航標(biāo)燈同步閃控制以及狀態(tài)的遙測(cè)遙控等方面是內(nèi)河視覺航標(biāo)的智能化技術(shù)的主要體現(xiàn)[4]。

1.2.1 航標(biāo)同步閃控制

航標(biāo)同步閃控制是指將GPS模塊安裝在普通航標(biāo)燈的控制電路中，借此利用GPS系統(tǒng)的授時(shí)功能，當(dāng)航標(biāo)燈收到衛(wèi)星信號(hào)時(shí)，燈內(nèi)的控制信號(hào)按照衛(wèi)星的規(guī)定時(shí)間閃爍。其他所有配備GPS模塊的航標(biāo)燈器都會(huì)按照衛(wèi)星的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間閃爍。通過(guò)對(duì)航標(biāo)燈光節(jié)奏的調(diào)整和改變控制航標(biāo)同步閃爍，形成同步閃爍鏈，構(gòu)成更清晰的航道界線，使航標(biāo)燈光更加醒目，為夜間船舶保駕護(hù)航。 該項(xiàng)技術(shù)具有不限制信號(hào)傳播距離、抗干擾能力強(qiáng)、同步誤差較小的優(yōu)點(diǎn)。能夠改善傳統(tǒng)航標(biāo)燈與背景燈難以區(qū)別，影響航行者視覺辨識(shí)的問(wèn)題，提高船舶航行效率，降低事故發(fā)生概率。 從 20 世紀(jì) 90 年代起，國(guó)際上開始興起使用同步閃爍技術(shù)，2006 年國(guó)際航標(biāo)協(xié)會(huì)（ IALA） 大會(huì)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，有 47 個(gè)國(guó)家和地區(qū)在航標(biāo)燈上安裝了同布閃光裝置。近年來(lái)，我國(guó)也在逐步推廣該技術(shù)，長(zhǎng)江航道的橋區(qū)和港區(qū)已有了相關(guān)應(yīng)用，效果良好[5]。

1.2.2 航標(biāo)遙測(cè)遙控

航標(biāo)遙測(cè)遙控系統(tǒng)是一種智能化航標(biāo)遠(yuǎn)程管理平臺(tái)，可以集 GPS系統(tǒng)、無(wú)線通信技術(shù)、電子海圖于一體。

該平臺(tái)的主要功能是快速、精準(zhǔn)定位航標(biāo)設(shè)備故障并及時(shí)恢復(fù)，以達(dá)到減少航標(biāo)運(yùn)行維護(hù)管理費(fèi)用的目的。航標(biāo)遙測(cè)遙控系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集終端、 航標(biāo)遙測(cè)遙控監(jiān)控分中心、航標(biāo)遙測(cè)遙控監(jiān)控中心3個(gè)部分組成。

其中，數(shù)據(jù)采集平臺(tái)是基于航標(biāo)采集終端，負(fù)責(zé)收集航標(biāo)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，并對(duì)航標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和發(fā)送。同時(shí)需要執(zhí)行監(jiān)控中心下達(dá)的遙控指令。

航標(biāo)監(jiān)控、遙測(cè)、遙控分中心是一個(gè)承上啟下的設(shè)備。它主要負(fù)責(zé)從數(shù)據(jù)采集平臺(tái)中采集航標(biāo)運(yùn)行的信息，并對(duì)其進(jìn)行一系列加工，主要包括信息的存儲(chǔ)、顯示、處理、警報(bào)等操作。同時(shí)需要對(duì)各類所需報(bào)表進(jìn)行編輯、生成、存檔、打印和報(bào)送等工作。按時(shí)、按需向上級(jí)的監(jiān)控中心匯報(bào)航標(biāo)運(yùn)行的信息。經(jīng)過(guò)監(jiān)控中心授權(quán)后，航標(biāo)監(jiān)控、遙測(cè)、遙控分中心的另一任務(wù)是通過(guò)圖形化人機(jī)界面，對(duì)航標(biāo)運(yùn)行的信息進(jìn)行監(jiān)視和查證，并向各個(gè)數(shù)據(jù)采集平臺(tái)發(fā)送遙控指令，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并調(diào)整航標(biāo)運(yùn)行的狀態(tài)。

航標(biāo)遙測(cè)遙控監(jiān)控中心則負(fù)責(zé)從各個(gè)分中心采集航標(biāo)設(shè)備運(yùn)行的相關(guān)信息，同分中心的任務(wù)類似，監(jiān)控中心也需要對(duì)采集的信息進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示、處理和警報(bào)等工作。并編輯、生成、存檔、打印和報(bào)送各類報(bào)表。

我國(guó)內(nèi)河主干航道的部分航標(biāo)現(xiàn)已更新使用遙測(cè)遙控技術(shù)，良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益就是最好的反饋。與此同時(shí)，這一技術(shù)存在的缺陷不能忽視，例如遙測(cè)遙控終端的工作狀態(tài)不穩(wěn)定、航標(biāo)燈數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定、遙測(cè)遙控系統(tǒng)的兼容性不足、報(bào)警功能和方式不夠完善、覆蓋范圍有所限制等問(wèn)題，均需要深入研究改進(jìn)[6]。

2 無(wú)線電航標(biāo)

無(wú)線電航標(biāo)又稱為無(wú)線電助航設(shè)施，主要是由無(wú)線電導(dǎo)航輔助設(shè)備、無(wú)線電信標(biāo)、差分全球定位系統(tǒng)（DGPS）、船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（AIS）、雷達(dá)信標(biāo)、和雷達(dá)應(yīng)答器等構(gòu)成的，它是經(jīng)過(guò)無(wú)線電輸送信息，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)船舶定位和導(dǎo)航的助航設(shè)施。無(wú)線電導(dǎo)無(wú)線電航標(biāo)是基于電子技術(shù)和無(wú)線電導(dǎo)航、定位技術(shù)高度發(fā)展而興起的，其設(shè)備都是電子設(shè)備，技術(shù)構(gòu)成復(fù)雜，技術(shù)集成度高，助導(dǎo)航能力比視覺航標(biāo)也顯著提高[7]。

2.1 無(wú)線電航標(biāo)的新技術(shù)應(yīng)用

2.1.1 差分全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（RBN/DGPS）

全球定位系統(tǒng)（GPS）其系統(tǒng)內(nèi)主要提供標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)（SPS）以及精確定位服務(wù)（PPS）2種服務(wù)模式。SPS的精確度水平值10 m，垂直為20 m，時(shí)間為40 ns，一般用于商業(yè)，如汽車導(dǎo)航系統(tǒng)等，PPS系統(tǒng)則采用鎖碼信號(hào)，定位精確度水平值為5 m，垂直為10 m，時(shí)間為40 ns，精度高，但一般只供軍事、航天、測(cè)繪等特定單位使用。因此，需要高精度定位服務(wù)的普通用戶只能被迫采用差分技術(shù)提高定位精度，從而形成差分全球定位系統(tǒng)（DGPS）。它是一種利用廣播或者數(shù)據(jù)鏈路傳遞差分信號(hào)，修正定位，從而提高精度的全天候定位系統(tǒng)。它的工作方式是將已知位置點(diǎn)作為標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)，在差分基準(zhǔn)站安裝GPS并測(cè)量已知點(diǎn)的位置坐標(biāo)，將測(cè)量值和真實(shí)值進(jìn)行比較，從而得到差分修正值，通過(guò)廣播或數(shù)據(jù)鏈路將修正值傳給附近用戶，最終修正定位，使用戶得到高精度定位。

2.1.2 船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（AIS）

AIS是一種利用海上VHF，實(shí)現(xiàn)船舶與岸臺(tái)信息傳遞的系統(tǒng)。具有高時(shí)效性、高精度的特點(diǎn)，能夠?qū)崟r(shí)傳遞信息，實(shí)現(xiàn)變更航向的瞬時(shí)顯示。該系統(tǒng)可以持續(xù)地向船舶或岸基傳遞信息，例如船舶的定位、航行方向、船舶基本運(yùn)行參數(shù)、識(shí)別碼、貨物信息等。在不使用雷達(dá)的情況下，它能迅速實(shí)現(xiàn)船舶或岸臺(tái)與附近所有船舶的信號(hào)交換，從而及時(shí)采取避碰措施，大大減少交通事故。另外，AIS還能夠提高VTS的應(yīng)用范圍和精度，增強(qiáng)了VTS的保駕護(hù)航功能。AIS技術(shù)開啟了電子航海時(shí)代，提高了航運(yùn)企業(yè)的管理效率、運(yùn)輸效率，在未來(lái)將會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用。

3 虛擬航標(biāo)

虛擬航標(biāo)主要由AIS、電子海圖顯示與信息系統(tǒng)（ECDIS）構(gòu)成，它是指在物理上沒(méi)有實(shí)體，以虛擬圖標(biāo)的形式在顯示媒介上標(biāo)識(shí)的助航標(biāo)志。狹義上講，虛擬航標(biāo)常指AIS航標(biāo)。

由虛擬航標(biāo)構(gòu)成的系統(tǒng)即為虛擬航標(biāo)系統(tǒng)，主要包括岸上 AIS 基站、船載 AIS、PC 機(jī)及ECDIS 。其工作原理為AIS基站通過(guò)VHF鏈路廣播將虛擬航標(biāo)的名稱、位置等信息以航標(biāo)報(bào)告電文的格式發(fā)送給船載AIS。其中，電文采取國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)確定的21報(bào)文。船載AIS設(shè)備接收到信息后將其傳輸?shù)絇C機(jī)，經(jīng)由處理后轉(zhuǎn)化到電子海圖上顯示（如圖1所示）。

作為AIS技術(shù)與航標(biāo)一體化發(fā)展的成果，虛擬航標(biāo)目前已在大連、天津、青島等海域及長(zhǎng)江口得到了推廣。其應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下 2個(gè)方面。1）作為永久性標(biāo)志使用。在不便設(shè)置實(shí)體航標(biāo)的狹窄水域，可以設(shè)置虛擬航標(biāo)，不僅不礙航，還能助航。另外，在警戒區(qū)、錨泊區(qū)、安全水域等區(qū)域也可使用虛擬航標(biāo)以減少人力、物力。2）作為臨時(shí)性標(biāo)志使用，如在臨時(shí)發(fā)生交通事故的區(qū)域、臨時(shí)危險(xiǎn)區(qū)域或者沒(méi)來(lái)得及安裝實(shí)體航標(biāo)的區(qū)域，虛擬航標(biāo)可以快速設(shè)標(biāo)。

虛擬航標(biāo)與傳統(tǒng)航標(biāo)相比更便利。主要體現(xiàn)在4個(gè)方面。1）設(shè)標(biāo)迅速，方便船舶駕駛?cè)藛T及時(shí)了解航道水域環(huán)境，更好地應(yīng)對(duì)突發(fā)事故。2）設(shè)標(biāo)簡(jiǎn)便，軟件操作即可，不需要人工到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)標(biāo)，節(jié)省了施工、維護(hù)費(fèi)用，大大減少了航標(biāo)維護(hù)人員的工作量。3）不存在移標(biāo)問(wèn)題，不受天氣影響，導(dǎo)航的精度提高。4）不會(huì)占據(jù)實(shí)體空間，無(wú)礙航行，方便航海人員操縱船舶。

但是虛擬航標(biāo)也有一些缺陷。主要體現(xiàn)在以下4個(gè)方面。1）船舶必須配備 AIS 設(shè)備以及 ECDIS，否則虛擬航標(biāo)將無(wú)法顯示。大多數(shù)的小型船舶限于經(jīng)濟(jì)條件，無(wú)法安裝相關(guān)設(shè)備，這在一定程度上制約了虛擬航標(biāo)的發(fā)展。2）虛擬航標(biāo)需要 AIS 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的穩(wěn)定性好。3）船舶駕駛?cè)藛T缺少相關(guān)培訓(xùn)。長(zhǎng)期以來(lái)，駕駛?cè)藛T已經(jīng)習(xí)慣于借助傳統(tǒng)航標(biāo)航行，使用虛擬航標(biāo)，無(wú)法直觀地在實(shí)地觀察航標(biāo)的位置、燈光，對(duì)航行人員有一定的心理影響。4）虛擬航標(biāo)的相關(guān)使用規(guī)定不夠完善，使得虛擬航標(biāo)的規(guī)范應(yīng)用還需要一段時(shí)間。

4 結(jié)語(yǔ)

在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，虛擬航標(biāo)都無(wú)法完全替代傳統(tǒng)航標(biāo)，虛擬航標(biāo)還需制定完善的法律條文，同時(shí)加快培養(yǎng)相關(guān)技術(shù)人才。將來(lái)，隨著信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與船舶助航設(shè)施的不斷發(fā)展與結(jié)合使用，虛擬航標(biāo)將由少到多，最終取代實(shí)體航標(biāo)，促進(jìn)智慧航道體系的構(gòu)建，成為智慧航道系統(tǒng)的核心技術(shù)。

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