从海洋观测视角论浮动航标功能扩展
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【摘 要】 为保障船舶安全航行，从海洋观测视角探讨浮动航标功能扩展和应用，提出扩展浮动航标平台环境观测（监视）功能和优化相关浮体结构，以及浮动航标系泊系统融合海洋资料浮标系泊系统技术的建议，以期丰富海事管理辅助决策系统实测数据，提高海事管理智能化水平和工作效率。
【关键词】 浮动航标;环境观测;功能扩展
0 引 言
随着海洋强国国家战略的实施和“一带一路”倡议的提出，向海经济和航运快速发展，船舶通航流量增多、密度增大，加上港口航道新建、扩建，海上作业活动频繁。广东海事局数据统计显示：2016年辖区内船舶进出港209.23万艘次，货物吞吐量18.568亿t;2017年船舶进出港367.92万艘次，货物吞吐量24.38亿t，船舶进出港艘次比上年增长了75.8%，货物吞吐量比上年增长了31.3%。这对水上航行保障措施提出了更高的要求。
能见度是影响船舶安全航行的重要因素。在能见度不良时，驾驶员不能及时发现目标，不能较好地识别助航设施和了解周围航行情况，给定位和避让等造成困难，大大增加了船舶发生事故的风险。据国际海事组织的统计，引起船舶碰撞事故最多的海洋气象是雾。目前，我国对海雾天气仍以监测为主。及时获取实时雾情信息是保障船舶安全航行的重要措施之一。
陈伟丰等[1]研究表明，流是影响船舶安全航行的重要因素。在船舶超大型化的今天，船舶操纵者必须精准掌握流的变化规律和实时流速流向。流速流向受风、大气压、降水等其他气候条件及地形的影响较大，仅依靠预报的潮流规律进行推算，会给船舶特别是大型船舶在航行和靠离泊操纵时带来较大风险。广州港为潮汐港，受航道水深、宽度不足等条件的限制，许多船舶要乘潮进出港。这就导致船舶进出港时间相对集中，航道内船舶通航密度的相对增加，船舶发生交通事故的风险也大大增加。魏忠想[2]研究表明，由于流的水动力作用，操船者不易对船舶进行有效控制，特别是在流速较大、船舶受横流影响时，更难以控制船舶，事故也极易发生。及时获取实时水流数据也是保障船舶安全航行的重要措施之一。
1 现状及问题
航标是帮助引导船舶航行、定位及标示碍航物和航道范围的水上或岸上标志，为各种水上活动提供安全信息的设施或系统。航标按设置形态可分为固定航标和浮动航标两类。
浮动航标是指浮于水面上的一种标志，是用锚或沉锤加锚链系留在指定位置，以标示航道范围、指示浅滩和碍航物或表示专门用途的水面助航标志。浮动航标在航标中数量最多，应用广泛。
随着海运事业的发展，人类水上活动范围日益扩大、方式日益增多，对航标的需求也越来越多，因此大量先进技术应用于航标，推动着航标技术的发展。
2010年3月，国际航标协会（IALA）发布了《海上浮标制度及其他航标》，在1983年版《海上浮标制度》的基础上增加了航标种类、更新了部分技术标准。我国在1999年版《中国海区水上助航标志》基础上进行了更新，发布了2016年版《中国海区水上助航标志》。
随着新材料的出现，浮动航标的标体材料也随之改变。传统的钢质浮动航标因长期浸泡在水中，易腐蚀且容易被偷盗。近年来广泛应用玻璃钢材质的标体，其具有质量轻、耐久性好、抗腐蚀能力强、价格便宜等特点。新型纳米超高分子量材料组合式航标标体相较于传统航标标体，具有安装简单、携带轻便、耐腐蚀性强及耐碰撞等优点。
我国航标灯器经历了煤油灯、乙炔灯、白炽灯、LED灯等发展阶段。科学技术的进步，特别是无线网络技术和卫星定位技术的发展，为航标设备的改进提供了可能，也为航标灯器进入数字化时代奠定了基础。当前，航标管理已进入数字时代，航标灯装备了通信、定位模块，具有遥测航标位置、灯质、电压等数据，遥控航标灯质、开灯状态等功能。[3]
浮动航标的系留系统是按照行业标准《浮标锚链》执行的，是由马鞍链、短链、半链、全链等链节，以及连接卸扣、末端卸扣、转环等附件组成的系泊系统。锚链环长期处于海洋腐蚀环境中，易受腐蚀、磨损，导致链环断裂。目前，浮动航标每1～2年进行吊换维护保养，在一些特殊航道因损耗较大，维护周期更短。
传统的航标功能定位只限于导航，但从海洋观测视角来看，数量众多的航标可以发挥更大作用，通过优化其系统结构、扩展其功能以满足更多社会需求。
2 技术条件成熟
随着新材料、集成电路技术，以及新理论、新方法的不断发展，体积小、重量轻、功耗低、精度高、智能化的新型传感器不断涌现，为在小型定点观测平台进行环境要素观测的业务化运行提供了技术支撑。
通信技术的发展也为在小型定点观测平台进行数据和视频传输的业务化运行提供了技术支撑。1991年开始投入使用的全球移动通信系统（GSM）只能满足简单的观测数量需求。为弥补这一缺陷，2000年又推出了一种新的通信技术――GPRS，虽然能满足基本观测要素的需求，但无法很好地支持视频监控需要。因此，基于旧有的GSM/EDGE（增强型数据速率演进技术）和UMTS（环球移动通信系统）/HSPA（高速数据信息包接入/存取技术）网络技术，形成了通用移动信息（LTE）技术。LTE技术提升了无线网络的数据传输能力和传输速度，为图像视频通过4G网络进行实时传输提供了技术支撑。
目前，浮动航标主要通过太阳能板与蓄电池组合方式供电。为了存储太阳能，结合浮动航标电能存储的特点，浮动航标采用鉛酸蓄电池。随着锂离子电池技术的进一步成熟，锂离子电池也将应用于浮动航标。这些技术的进步都为浮动航标功能扩展所需能源供给提供了技术支撑。
3 建 议
3.1 功能扩展
目前有些浮动航标上装有锚灯、锚灯检测器、AIS、GPS等设备。这些设备可以向过往船舶和管理控制中心发送信息，向过往船舶发送的信息内容包括航标名称、航标类型、位置精度、位置纬度、位置经度、定位方式、信息时间、位置状态等;向管理控制中心发送的信息内容包括灯状态、系统电流电压、航标名称、航标类型、位置精度、位置纬度、位置经度、定位方式、信息时间、位置状态等。这些功能仍无法满足现代化航道管理需求，因此需要扩展浮动航标功能。浮动航标系统数据流见图1。 功能扩展后的浮动航标观（监）测内容如下：
（1）常规内容：灯状态、系统电流电压、航标名称、航标类型、位置精度、位置经度和纬度、定位方式、信息时间、位置状态。
（2）水文气象要素：流速、流向、水温、能见度、风速、风向。这些观测要素能提高船舶进出港和离靠泊的安全性，减少船舶对码头及导助航设施的碰撞和损坏，同时为海事管理部门启动应急预案对辖区水域实行临时封航管制提供技术支持。
（3）音像要素：实时视频。现场实时视频能达到预防、发现和及时取证的目的，特别是对大量未安装AIS的小型船舶进行监控。通过现场实时视频，海事管理部门在有可能影响船舶航行安全时作出最有效、最及时的响应，预防事故的发生;及时发现违法事件，及时预警;在事故发生后，能以最快的速度实现应急救援，减少人员伤亡和财产损失。
在近岸移动通信网络覆盖良好的水域，浮动航标观（监）测内容通过4G通信模块传输;在尚未被移动通信网络覆盖的海域，浮动航标观（监）测内容通过“天通一号”卫星传输。
3.2 浮体优化
浮动航标上层结构极易因碰撞而损坏，可在浮体和桅杆顶部外周优化布局、设置弹性围栏（如高分子材料）以减缓冲撞力;在桅杆底部设置多向减震装置以阻隔弹性应力波破坏。
为了提供更大电池容量，对浮体内部结构进行优化以扩展存放蓄电池的空间。经测试，扩展后的浮体蓄电池空间可存放30～40块100 Ah电池。
3.3 系泊系统优化
为延长系泊系统寿命，对系泊系统薄弱环节进行优化，改善系泊系统整体寿命。测量浮标长效锚系泊装置作为海洋资料浮标使用的专利，打破上下一致的粗链大沉块锚系泊传统设计方案，大大提高了锚系的寿命，其特征在于该专利技术的锚链为一条不带连接卸扣的全程锚链。该锚链在浮动航标的浮体下5～10 m受力段和躺地段锚链前端开始的25～50 m经常触地磨擦段所用的锚链锚径比标准段锚链锚径加大25%～35%。
4 结 语
在全球智能化的當下，我国提出“数字中国、智慧社会”要求，海事管理也进入智能时代。利用浮动航标的平台，增加必要观测功能，不仅可以丰富海事管理辅助决策系统实测数据，而且可以更加科学地作出决策，提高海事管理智能化水平和工作效率。
海洋资料浮标监测平台的成熟技术可以融入浮动航标系统中，浮动航标系泊系统使用测量浮标长效锚系泊装置技术能很好解决系泊系统寿命短的问题，延长维护周期，降低运维成本。
参考文献：
[1] 陈伟丰，邵建国.流速流向测量仪在超大型船舶引航中的应用[J].航海技术，2018（4）：4-6.
[2] 魏忠想.广州港水域船舶交通安全评价与对策[D].广州：华南理工大学，2013：38-32.
[3] 杨力，吴丽平，梁艳，等.谈航标灯器的科技应用[J].中国海事，2016（12）：55-56.
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