智能指示航標(biāo)的開發(fā)與應(yīng)用*

劉 棟

(中國船舶集團(tuán)有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003)

0 引 言

資料顯示，目前長江航道航標(biāo)設(shè)置采取的主要措施是在航道相應(yīng)位置系泊航標(biāo)船，船上搭載不同功能航標(biāo)燈用以指示航道[1]。但此種方式帶來的不便是固定系纜繩長度式航標(biāo)船隨著河水水位的變化，位置會(huì)發(fā)生改變，同時(shí)存在系留纜張力增大而破斷，導(dǎo)致指示航標(biāo)流失的危險(xiǎn)，此時(shí)需要航道管理人員人工調(diào)整航標(biāo)船系留纜長度以調(diào)整航標(biāo)位置，以確保航標(biāo)船處于合適位置。隨著三峽工程的陸續(xù)完工，長江航道逐步成為我國流域運(yùn)輸綜合體系的重要一極，是沿江地區(qū)外向型經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支撐，長江航道建設(shè)進(jìn)入整體加速推進(jìn)的新階段。為促進(jìn)長江黃金水道建設(shè)，提高航道通航效率，全面提高航標(biāo)的維護(hù)保養(yǎng)水平，筆者開展了智能指示航標(biāo)研究。

智能指示航標(biāo)研究目標(biāo)是設(shè)計(jì)一種可根據(jù)指示航標(biāo)布放水域水位變化自動(dòng)調(diào)整其系留纜長度的無人值守系統(tǒng)，通過指示航標(biāo)錨索長度與水位對應(yīng)關(guān)系研究、系統(tǒng)總體配置研究，完成系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)以及收放絞車、控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)及控制軟件設(shè)計(jì)等主要組部件研制，通過江上實(shí)船試驗(yàn)驗(yàn)證，其基本具備隨水位變化而自動(dòng)調(diào)節(jié)系留纜長度功能，可滿足智能指示航標(biāo)江上無人值守使用要求。

1 系統(tǒng)概述

智能指示航標(biāo)系統(tǒng)組成示意圖如圖1所示，其主要組成為太陽能供電裝置、纜長測量裝置、控制通訊單元、測深裝置、收放絞車、航標(biāo)船、錨索及錨等。通過上述組成單元，智能指示航標(biāo)可實(shí)現(xiàn)如下主要功能：①根據(jù)水位變化自動(dòng)調(diào)整系留錨索長度；②可實(shí)時(shí)測量水深；③絞車收放纜長監(jiān)測；④指示航標(biāo)工況信息監(jiān)測(包括絞車故障信息、供電故障信息、船底漏水報(bào)警等)；⑤可與管理中心數(shù)據(jù)雙向傳輸；⑥擴(kuò)展功能：控制系統(tǒng)預(yù)留標(biāo)準(zhǔn)接口，可根據(jù)需要加裝GPS定位系統(tǒng)、溫度傳感器、風(fēng)向和風(fēng)速傳感器、流速計(jì)、監(jiān)控系統(tǒng)等。

圖1 智能指示航標(biāo)系統(tǒng)組成示意圖1.太陽能供電裝置 2.纜長測量裝置 3.控制通訊單元 4.測深裝置 5.收放絞車 6.航標(biāo)船 7.錨索 8.錨

2 系統(tǒng)工作原理

內(nèi)核船型航標(biāo)一般通過船艏單點(diǎn)錨泊于河道[2]，如圖2所示，受水流速度水深變化影響，其纜索量需要定期調(diào)整，為了保障航標(biāo)安全及位置相對固定，一般設(shè)定纜索長度為水深3～7倍，水流速度越大，其取值越大，但在汛期，流速及水深變化較大，纜繩長度調(diào)整不及時(shí)會(huì)導(dǎo)致航標(biāo)位置偏移過大或纜索受力過大而斷裂，存在航道標(biāo)示不準(zhǔn)、被撞及斷索丟失風(fēng)險(xiǎn)。本系統(tǒng)原理是通過監(jiān)測水深、流速及纜索長度等信息，依據(jù)一定比例自適應(yīng)調(diào)整，保障航標(biāo)安全[3]。

圖2 錨系模型

智能指示航標(biāo)不依賴人工干預(yù)，通過系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)采集，完成纜索自主調(diào)整，其相關(guān)參數(shù)調(diào)整模型如圖3所示。監(jiān)測水深變化，并依據(jù)一定比例調(diào)整纜長，通過監(jiān)測水流速度計(jì)算安全張力，通過監(jiān)測張力是否大于安全張力來調(diào)整纜長調(diào)節(jié)量與水深變化量之間比值。

圖3 參數(shù)選擇模型

3 收放絞車設(shè)計(jì)

收放絞車的主要功能是通過對鋼絲繩的收放，實(shí)現(xiàn)航標(biāo)船體位置的調(diào)整。航標(biāo)絞車系統(tǒng)主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)(含制動(dòng)器)、減速機(jī)、絞盤、機(jī)架、壓緊輪，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖4所示。驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用直流力矩電機(jī)，本身配置有失電制動(dòng)器，通過減速機(jī)為絞盤提供動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)鋼絲繩的收放作業(yè)，同時(shí)具有鎖定能力。減速機(jī)為標(biāo)準(zhǔn)三級斜齒輪減速機(jī)，輸出扭矩大。機(jī)架為整體框架式結(jié)構(gòu)，作為絞盤、電機(jī)等的支撐部件，同時(shí)也是收放絞車在航標(biāo)船上的安裝固定平臺(tái)。壓緊輪通過彈簧提供動(dòng)力壓緊在絞盤上，保證鋼絲繩整齊排列于絞盤之上。

圖4 收放絞車

4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)如圖5所示，中心控制單元系統(tǒng)核心，一方面通過各類傳感器監(jiān)測智能指示航標(biāo)工作狀態(tài)，另一方面，通過測深儀實(shí)時(shí)測量當(dāng)前水深數(shù)據(jù)，并依據(jù)設(shè)定好比例控制絞車收放纜繩，纜長變化量實(shí)時(shí)監(jiān)測，完成智能航標(biāo)纜長量隨水深變化的自主調(diào)整。為了保障系統(tǒng)安全性及纜長調(diào)整準(zhǔn)確性，系統(tǒng)同步監(jiān)測水流速度及纜繩張力，設(shè)定安全張力值，從而實(shí)時(shí)調(diào)整水深變化量與纜長收放量之間比例。系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)通過4G通信模塊上傳至手機(jī)APP，實(shí)現(xiàn)手機(jī)端系統(tǒng)狀態(tài)查詢及控制。

圖5 指示航標(biāo)控制系統(tǒng)組成框圖

5 通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4G通訊單元作為指示航標(biāo)系統(tǒng)與指揮中心的通訊接口，接收指揮中心的數(shù)據(jù)和命令并轉(zhuǎn)發(fā)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)及控制單元，并將電機(jī)驅(qū)動(dòng)及控制單元返回的工況信息和檢測到的報(bào)警信息發(fā)給指揮中心。

通訊內(nèi)容包括：指揮中心發(fā)出的控制指令、水深數(shù)據(jù)，無線通信單元發(fā)出的工況數(shù)據(jù)、收放纜繩數(shù)據(jù)、電池欠壓報(bào)警信息，控制艙漏水報(bào)警信息、絞車故障報(bào)警信息。見圖6。

圖6 無線通信單元通信內(nèi)容

6 軟件設(shè)計(jì)

指示航標(biāo)軟件是航標(biāo)船(浮標(biāo))系纜繩隨水位變換自動(dòng)收放裝置上位機(jī)操作軟件(見圖7)，具備對整個(gè)裝置控制功能、設(shè)備工作狀況顯示功能、工作日志記錄功能、水深數(shù)據(jù)記錄及歷史數(shù)據(jù)回放功能。

圖7 指示航標(biāo)軟件主界面

7 現(xiàn)場試驗(yàn)

在前期實(shí)地考察的基礎(chǔ)上，在岳陽航道管理處完成試驗(yàn)航標(biāo)船改造、設(shè)備安裝、并開展江上試驗(yàn)。系統(tǒng)設(shè)定收放纜長與水深比值為3，纜長總長200 m，初始水深為9.3 m，初始放纜27.9 m，初始剩余纜長172.1 m，水深變化依據(jù)當(dāng)前水深增減，系統(tǒng)于長江岳陽段水域進(jìn)行了江上試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，隨布放水域水深變化，收放絞車能自動(dòng)收放系留纜，并上傳相應(yīng)數(shù)據(jù)，取得了預(yù)期效果。試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 水深變化與收放纜長關(guān)系 /m

圖8 試驗(yàn)航標(biāo)船

8 結(jié) 語

此智能指示航標(biāo)通過自身水深測量裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測水深變化，智能化調(diào)節(jié)系纜繩長度；采用無線傳輸方式控制及太陽能電池供電，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化作業(yè)，無需人工干預(yù)；克服了通用浮標(biāo)船系留方式的諸多缺陷，實(shí)現(xiàn)了航道航標(biāo)生產(chǎn)維護(hù)的智能化，減少航標(biāo)隨水位變化的損失、減輕航道維護(hù)工作量，同時(shí)良好的擴(kuò)展功能為后續(xù)數(shù)字化航道建設(shè)奠定基礎(chǔ)，具有較好的應(yīng)用全景。下一步可結(jié)合本裝置研究遙控航標(biāo)、做到航標(biāo)移位的無人化管理，同時(shí)可建立沿岸無盲區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)，全航道態(tài)勢顯控系統(tǒng)，真正實(shí)現(xiàn)內(nèi)河航道的數(shù)字化管理。