島礁海域?qū)е焦こ淘O(shè)計(jì)

蔣 瑋，樓啟明

（中交上海航道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200120）

引 言

島礁海域往往島嶼眾多、星羅密布，造就了眾多大小不等、海況各異的海區(qū)和水道。這些水道由于自然水深相對(duì)較好，為船舶航行和深水航道的建設(shè)提供了較好的條件。我國(guó)典型的島礁海域港口包括寧波—舟山港、溫州港、廈門港等，其中寧波—舟山港所在的島礁海區(qū)最為復(fù)雜，也是我國(guó)最大的群島海區(qū)。舟山群島由1 390 個(gè)島嶼組成，東西長(zhǎng)約181.7 km、南北169.4 km，總面積約22 216 km2，其中海域總面積達(dá)20 959 km2。

受島嶼、礁石等地形限制，航道轉(zhuǎn)向角大、且往往出現(xiàn)連續(xù)轉(zhuǎn)向；受狹口水流影響，局部航段流速大、流態(tài)復(fù)雜；島礁間水域狹小、底質(zhì)復(fù)雜，受島嶼遮蔽影響，航標(biāo)工程設(shè)計(jì)也不同于其他海域。本文以寧波—舟山港海域?qū)е焦こ虨槔?，從?dǎo)助航設(shè)施種類選擇、視覺(jué)航標(biāo)配布方法、無(wú)線電航標(biāo)配布方法等角度，給出島礁海域典型導(dǎo)助航的設(shè)計(jì)方法，并對(duì)導(dǎo)助航關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題提出解決方案[1]。

1 導(dǎo)助航設(shè)施的種類

導(dǎo)助航設(shè)施對(duì)確保船舶航行安全至關(guān)重要。導(dǎo)助航設(shè)施包括視覺(jué)航標(biāo)、無(wú)線電航標(biāo)和音響航標(biāo)，其中常用的是視覺(jué)航標(biāo)和無(wú)線電航標(biāo)。

傳統(tǒng)的視覺(jué)航標(biāo)通常包括燈浮、燈樁、燈塔、燈船、導(dǎo)標(biāo)、標(biāo)志標(biāo)牌等。一般情況下，在航道進(jìn)口處布設(shè)燈浮標(biāo)或燈船，作為口門標(biāo)志；在航道兩側(cè)適當(dāng)位置布設(shè)航道側(cè)面標(biāo)；在島礁上布設(shè)燈樁或燈塔；在錨地、港池、碼頭等特殊區(qū)域布設(shè)燈浮標(biāo)或燈樁，標(biāo)示錨地、港池和碼頭等范圍。特殊海域?qū)⒏鶕?jù)具體情況，合理配布視覺(jué)航標(biāo)[2]。

無(wú)線電航標(biāo)主要包括：提供航標(biāo)距離與方位的雷達(dá)應(yīng)答器；提供信息服務(wù)的船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（AIS）、船舶交通服務(wù)系統(tǒng)（VTS）；提供定位的全球定位系統(tǒng)（GPS）、差分全球定位系統(tǒng)（DGPS）等。一般情況下，無(wú)線電航標(biāo)設(shè)置在港口口門、航道入口、重要轉(zhuǎn)向點(diǎn)、狹窄航道等重要位置，其種類的選擇應(yīng)根據(jù)需求具體分析。

2 視覺(jué)航標(biāo)配布

2.1 復(fù)式航道

疏浚航道需要設(shè)置航道側(cè)面標(biāo)志來(lái)標(biāo)示航道邊界。島礁海域航道情況復(fù)雜，經(jīng)常不會(huì)僅僅以單航道的形式存在。復(fù)式航道就是其中一種典型復(fù)雜航道。復(fù)式航道包括主航道（大船航道或重載航道）和次航道（小船航道或輕載航道）。

而對(duì)于復(fù)式航道的航標(biāo)配布，目前國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有相關(guān)航標(biāo)配布方法的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)定，因此，根據(jù)傳統(tǒng)視覺(jué)航標(biāo)以及國(guó)家有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，有3 種布設(shè)方法，詳見(jiàn)圖1。

方法1：在主航道兩側(cè)布設(shè)航道側(cè)面標(biāo)，用于標(biāo)示主航道的航道邊界，次航道不設(shè)標(biāo)。

方法2：在主航道與次航道兩側(cè)均布設(shè)實(shí)體航標(biāo)，將主航道作為推薦航道，在其兩側(cè)設(shè)置推薦航道側(cè)面標(biāo)，在次航道單向單側(cè)設(shè)置航道側(cè)面標(biāo)。

方法3：在主航道兩側(cè)布設(shè)虛擬航標(biāo)，并在次航道單向單側(cè)布設(shè)實(shí)體航標(biāo)，標(biāo)示出復(fù)式航道。

圖1 復(fù)式航道設(shè)標(biāo)的三種方法

方法1 簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)，但不利于大小船舶的分流。方法2 航標(biāo)配布一目了然，有利于大小船舶的分流，但是航標(biāo)數(shù)量較多，船舶碰撞幾率增大。方法3 通過(guò)虛擬航標(biāo)與實(shí)體航標(biāo)相結(jié)合的方式，更好地引導(dǎo)大小型船舶分流，利于船舶航行安全。在寧波-舟山港海域使用較多的為方法3。

2.2 交叉航道

島礁海域水流情況復(fù)雜，經(jīng)常遇到多條航道交匯，給船舶航行帶來(lái)了一定難度。視覺(jué)航標(biāo)的配布應(yīng)考慮：當(dāng)交叉航道有較明顯的推薦航道時(shí)，可在航道分岔匯合處設(shè)置推薦航道側(cè)面標(biāo)，當(dāng)交叉航道推薦航道不明確或?yàn)楸苊馀c附近航道側(cè)面標(biāo)志造成混淆時(shí)，可以考慮設(shè)置方位標(biāo)志。

2.3 島礁區(qū)域

島礁海域由眾多的島礁構(gòu)成，島礁間水道蜿蜒交錯(cuò)，水流湍急，流向多變，這對(duì)于船舶的航行非常不利。因此，有必要在島礁上設(shè)置符合當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)條件的視覺(jué)航標(biāo)，全天候?yàn)榇岸ㄎ粚?dǎo)航提供服務(wù)，保障船舶航行安全。

燈樁、燈塔這類固定助航標(biāo)志是島礁上最常用的助航設(shè)施。其位置的選擇應(yīng)盡量靠近航道側(cè)，以便準(zhǔn)確標(biāo)示島礁位置，保障船舶航行安全。但不同的島礁，情況不同，航標(biāo)的配布也會(huì)隨之變化。本文重點(diǎn)介紹典型的兩種配布方式。

1）燈塔與燈樁結(jié)合的配布方式

以洋山港區(qū)進(jìn)港航道為例，西馬鞍島正對(duì)進(jìn)港外航道。為引導(dǎo)船舶進(jìn)入港區(qū)航道，在山頂航道軸線上設(shè)置一座燈塔。但西馬鞍島礁盤離航道最近距離不足300 m，存在一定風(fēng)險(xiǎn)，山頂上的燈塔無(wú)法標(biāo)示出礁盤位置。當(dāng)船舶靠近礁盤后，過(guò)高的燈塔難以繼續(xù)發(fā)揮作用，因此需要在西馬鞍島北側(cè)靠主航道側(cè)磯頭增設(shè)燈樁，如圖2 所示。通過(guò)燈塔與燈樁結(jié)合的配布方式，全方位保障了進(jìn)港船舶的航行安全。

圖2 西馬鞍島燈塔與燈樁的配布

2）“斷裂”式島礁的燈樁配布方式

以舟山黃澤山為例，靠近洋山港區(qū)進(jìn)港航道一側(cè)需要設(shè)置助航標(biāo)志。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，北側(cè)山體部分被斷裂帶分割為獨(dú)立的一塊，與主島山體間的距離較大，從主島無(wú)法到達(dá)北側(cè)山體。因此，助航標(biāo)志設(shè)置在孤立山體上還是斷溝的南側(cè)山體上成為了問(wèn)題的關(guān)鍵。后來(lái)經(jīng)過(guò)多次踏勘，對(duì)比分析，選擇靠近航道側(cè)的孤立山體作為燈樁的設(shè)置點(diǎn)。同時(shí)為了施工和維護(hù)的方便，需要另外修筑航標(biāo)維修道路。見(jiàn)圖3。

圖3 黃澤山燈樁布置

3 無(wú)線電航標(biāo)配布

3.1 雷達(dá)應(yīng)答器

圖4 雷達(dá)信標(biāo)

雷達(dá)應(yīng)答器是工作在海上雷達(dá)頻段（9 GHz 和3 GHz）的接收/發(fā)射設(shè)備，以增強(qiáng)某些雷達(dá)目標(biāo)的搜索和識(shí)別。雷達(dá)應(yīng)答器通過(guò)發(fā)送特征脈沖序列來(lái)響應(yīng)船舶的雷達(dá)。在船舶雷達(dá)顯示屏上，響應(yīng)顯示為編碼標(biāo)志（或顯像），以突出顯示雷達(dá)應(yīng)答器的距離和方位。顯示出的顯像可以固定為指定長(zhǎng)度，也可以取決于雷達(dá)距離的設(shè)置，使用莫爾斯碼特征以便識(shí)別，如圖4、圖5。以舟山海域?yàn)槔律叫菬羲?、黃澤洋燈船、西馬鞍島燈塔和小衢山燈塔上都配有雷達(dá)應(yīng)答器。

圖5 雷達(dá)屏顯示應(yīng)答信號(hào)

3.2 船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（AIS）

船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（Automatic Identification System），是一種基于應(yīng)答器的先進(jìn)技術(shù)，它通過(guò)陸上基站和其它船舶來(lái)跟蹤海上船舶。

船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)由船載設(shè)備和岸臺(tái)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，是一種海上安全助航保障系統(tǒng)，也是一種新型導(dǎo)助航設(shè)施。AIS 應(yīng)答器工作在VHF 海事波段，可以向其它船舶和陸上基站發(fā)送諸如船舶識(shí)別號(hào)、位置、方向、船長(zhǎng)、船寬、類型和吃水、危險(xiǎn)貨物等信息。AIS 岸站通過(guò)高速數(shù)據(jù)鏈路組成計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，及時(shí)掌握覆蓋范圍內(nèi)所有裝載了AIS 的船舶動(dòng)態(tài)，播發(fā)各種導(dǎo)航助航信息，與社會(huì)用戶、政府其他相關(guān)部門進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，從而實(shí)現(xiàn)船舶信息的共享，為各種專業(yè)應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

根據(jù)《東海海區(qū)船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（AIS）二期系統(tǒng)建設(shè)方案》，浙江沿海水域內(nèi)的AIS 基站主要有：七里燈塔、蝦峙島、白沙灣、岙山、馬王崗、大黃龍、大戟山、小衢山、下三星、花鳥(niǎo)山和蘆潮港，共計(jì)11 座?；靖采w東海海區(qū)主要港口航道和重點(diǎn)水域，服務(wù)于海事監(jiān)管、漁政管理和國(guó)防建設(shè)等各個(gè)領(lǐng)域，極大地促進(jìn)了船舶助航服務(wù)，至今運(yùn)行穩(wěn)定。

3.3 船舶交通服務(wù)系統(tǒng)（VTS）

船舶交通服務(wù)系統(tǒng)（VTS）是海上船舶交通管理的主要工具和手段。以舟山VTS 系統(tǒng)為例，包括有沈家門雷達(dá)站、長(zhǎng)白島雷達(dá)站等11 座雷達(dá)站，尚有3 個(gè)未竣工驗(yàn)收[3]。雷達(dá)站的雷達(dá)信號(hào)經(jīng)由舟山VTS 中心均可傳輸?shù)綄幉╒TS 中心和浙江海事局VTS 中心，舟山VTS 中心也可接收寧波VTS 中心所有雷達(dá)站的數(shù)據(jù)。

通過(guò)VTS 系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)覆蓋航道中的船舶提供信息服務(wù)、交通組織服務(wù)、助航服務(wù)，支持聯(lián)合行動(dòng)，提高當(dāng)?shù)馗劭诤降罉I(yè)務(wù)的安全和效率。

3.4 無(wú)線電指向標(biāo)/差分全球定位系統(tǒng)（RBN-DGP S）

無(wú)線電指向標(biāo)/ 差分全球定位系統(tǒng)（RBN-DGPS）是我國(guó)沿海水域準(zhǔn)確定位的主要手段，是我國(guó)目前海上主要的定位、導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)可對(duì)航行在我國(guó)沿海航線及進(jìn)出港口船舶準(zhǔn)確定位，防止各類事故發(fā)生，起到了很好的作用[4]。

以洋山港為例，現(xiàn)有的大戢山RBN-DGPS 基準(zhǔn)站作用距離約為300 km，在作用距離內(nèi)，GPS定位精度在3 m 以內(nèi)（95 %置信度），北斗定位精度在3 m 以內(nèi)（95 %置信度），可以實(shí)現(xiàn)精密導(dǎo)航。洋山港距離大戢山約21.8 km，可利用該基準(zhǔn)站播發(fā)的DGPS 偽距和距離變化率的校正值準(zhǔn)確定位在洋山港區(qū)航道及航路航行的船舶。

圖6 RBN-DGPS 組成

4 結(jié) 語(yǔ)

1）復(fù)雜島礁海域可根據(jù)工程水域自然條件、通航環(huán)境等要素合理選擇導(dǎo)助航設(shè)施的種類。在確定導(dǎo)助航設(shè)施種類時(shí)應(yīng)充分協(xié)調(diào)好與現(xiàn)有助航標(biāo)志及周邊港口、航道等設(shè)施的相互關(guān)系。

2）配布視覺(jué)航標(biāo)時(shí)應(yīng)考慮島礁海域水流復(fù)雜、山體遮擋、能見(jiàn)度不良等特殊性，選擇合適的位置。在沒(méi)有條件布設(shè)實(shí)體航標(biāo)的水域，可考慮布設(shè)虛擬航標(biāo)。

3）為了更好的發(fā)揮導(dǎo)助航效能，可采用視覺(jué)航標(biāo)與無(wú)線電航標(biāo)相結(jié)合的配布方法，建立擁有綜合導(dǎo)助航服務(wù)體系的智慧航道理念，解決復(fù)雜島礁海域的航行安全及監(jiān)管問(wèn)題。