浮标在绿色智能航道建设中如何应用？

传统浮标功能单一，维护成本大，且维护保养存在污染。为贯彻落实绿色航道建设，加大新技术、新材料、新工艺和新功能的投入，通过使用线性低密度聚乙烯新材料、一体化灯器，集成视频监控和多用途传感器，全面提升污染防治、节能低碳、生态保护、资源节约循环利用水平，推进绿色航道建设。
航标是维持海上运输畅通,保障船舶安全、经济航行的重要设施,对发展我国水上交通运输事业,支持海洋资源开发和渔业捕捞,促进国民经济建设和发展,加强国防建设和维护国家主权均有非常重要的作用。
  E2 ^. r2 ~% x- W浮标情况
) y- R; J. A" g; v; J, N目前,浮标大多是用钢材制作,钢材易腐蚀,需要进行防腐处理,涂刷大量防腐化学材料和表面颜色,给海洋生物造成巨大威胁,严重污染海洋环境。浮标灯器、电池、太阳能板、AIS、雷达应答器独立配置,增加航标工作人员现场作业难度,存在安全隐患。另外,浮标设置在海洋、河流、航道,具备优良的设备搭载性能。根据《交通强国建设纲要》和《交通强国海事建设纲要（2018-2050）》的战略部署,交通运输部印发《绿色交通“十四五”发展规划》,推动航保业务转型升级,推广应用航标新材料、新技术、新工艺,增强视觉助航效能,促进节能减排。为了保护和改善海洋环境,保护海洋资源,防治污染损害,维护生态平衡,在航道上布设灯浮标选用线性低密度聚乙烯新材料制作,安装一体化灯器。搭载视频监控和多用途传感器,拓展航标功能,全面提升污染防治、节能低碳、生态保护、资源节约循环利用水平,推进绿色航道建设。
线性低密度聚乙烯新材料浮标
浮标釆用先进的制造技术及工艺,釆用进口线性低密度聚乙烯原色材料（见图1）,应用于浮体、显形板、顶标等部位,充分发挥了材料的优异性能。产品结构设计合理,坚固耐用且外形美观,视觉效果极佳,提高了助航性能,为船舶航行安全,提供了强有力的保障。

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图1 线性低密度聚乙烯新材料浮标

（1）新材料模块采用优质的线性低密度聚乙稀（LLDPE）原色材料结合先进的滚塑一体成形工艺,具有结构坚固、耐腐蚀性强、韧性强、耐老化等特点。
" @, K7 d* d# E（2）浮标整体在高盐高湿强紫外线的海洋环境下,使用10年后,其结构强度仍可保证助航要求,表面颜色仍符合IALA标准,期间不需要进行刷漆着色工作。
（3）浮标生产过程绿色环保、无污染；且整体材料无毒无害,可回收再利用,符合国家相关环保要求。
4 R$ b9 X# @  N1 ~4 m, @" _, q（4）浮标浮体内部填充闭孔率大于90%的双组份发泡材料,保证浮体受损后不会进水沉没而影响航行安全。
/ ^8 U8 u0 E1 U7 g8 \' M% l3 G# O（5）浮标表面光滑,海生物不易附着,使用高压水枪可轻松清除表面污渍,大大降低了后期的运行维护强度及成本。
“北斗+AIS”一体化航标灯
目前国内航标设备远程监控主要采用北斗通信方式,只有航标管理部门能看到航标的运行状态,过往船舶只能通过目视观察标志,在能见度较低时航行危险系数较高。
% f' T7 v9 o. S/ ^2 U% X! C! ?AIS航标只在重要位置和拐点设置,且北斗终端与AIS单独运行,结构安装与供电相对复杂,AIS航标向周围船舶发出21号报文,AIS航标运行数据（6号报文）通过基站远程传输,当基站与AIS航标距离较远时,AIS的运行信息无法传输给基站,加上当前航标运行管理系统暂未接入AIS航标数据,航标部门很难对AIS航标进行有效监管。
将AIS通信与北斗通信集成于一体（见图2）,通过北斗通信将AIS航标的数据上传至航标运行管理系统,让航标管理人员实时了解目视航标（航标灯）与无线电航标（AIS）的运行状态,航标灯的运行数据也能通过报文6传输至AIS基站,双通道监控,数据更可靠；同时也能够减少航标设备的安装,成本相对较低,后期维护也更方便。

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图2 北斗监控系统可同时接收北斗上传的灯器运行数据和AIS运行数据

1 i( `% ]. m" a, l（1）灯器集成AIS通信及北斗通信单元,既能向过往船舶发送AIS信号,也能将灯器与AIS的运行信息上传至监测平台,实现航标信息多方共享。
1 ^+ h6 P/ ]2 U2 c8 k（2）灯器内置蓝牙模块,可以通过蓝牙APP获取灯器的运行参数,也能够在不拆卸灯器的情况下设置AIS信息、灯器运行参数,解决了一体化灯器现场维护、调试困难、AIS参数必须连接电脑设计的难题。
% d" k5 s' i* j+ y. E' C4 j- I  o（3）灯器集成度高,外形轻巧,安装快捷,便于维护。
视频影像系统
# T  ^+ I) C4 x' I$ I) T2 i+ l智能视频监控系统主要由四路摄像头、主机、通信模块组成,系统远程通过信号与远程监控平台建立连接。当系统触发摄像头启动时,摄像头开始录像,主机将摄录的影像上传至监控平台。系统方框图见图3。

                               
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图3 通讯模块

1 船舶进入到AIS警戒范围内启动摄像
根据已经布设AIS基站,远程监控平台可以接收水域内所有装载AIS船台的船舶信息,如位置、航向、航速等；同时可以在远程监控平台上录入智能视频系统的位置和警戒范围,当船舶驶入警戒范围后,远程监控平台通过4G网络自动发送指令,启动摄像头录像,并在监控上显示报警信息,主机将摄录的影像上传至监控平台。
# R# R$ l7 X7 d# C2 X, {2 船舶进入到摄像头识别警戒范围内启动摄像
6 @. x6 ~6 Z4 {  h' R7 q智能视频系统的摄像头具有强大的图像处理、AI算力、模式识别和计算机视觉技术,能够在一定范围内识别船舶及船舶信息,当船舶驶入摄像头警戒范围（可设置）时,摄像头自动开启录像功能,主机将摄录的影像上传至监控平台,远程监控系统上显示报警信息。相对于传统的安装碰撞传感器的视频影像系统,本系统可以将碰撞之前影像提前摄录并上传至监控平台,就算影像系统被撞失能,仍然能够追溯事故船舶。
  |. B# x4 p3 C% Q. {3 人工远程开启摄像
* L. w+ u  E( m管理人员可以根据需要,通过远程监控平台手动开启摄像头录像,主机将摄录的影像上传至监控平台。在出现大雾天气或者人员落水时,可以支持应急和救援。
智能航道功能扩展
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绿色智能航道可以从两个方面扩展,一是气象、水文、生态环境数据采集,二是气象、水文、生态环境数据播发。这些气象信息可用于船舶航行保障、海洋科学观测与研究。同时,通过粤港澳大湾区水域现有航标进行技术改造,实现关键位置航标具备能见度观测、风速风向观测、表面流观测等功能,收集辖区水域通航信息,并通过网络传输至岸基数据中心,经处理分析后分发至港口航道相关运营单位和监管职能部门,作为日常生产和管理的重要依据。

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  I3 R# @4 B! P; T, T2 s5 q1 气象、水文、生态环境数据采集
和船舶航行相关的适合浮标和灯船进行多渠道感知的水文气象基础信息主要包括：
①风速、风向、气压、温湿度、降雨量等：利用安装于浮标或灯船上部的气象测量仪对航标位置处的风速、风向、气压、温湿度、降雨量等进行监测。
②能见度：利用安装于浮标或灯船上部的能见度传感器对航标位置处的能见度进行监测。当能见度极低时,会产生报警信息,及时向岸基平台和过往船只发出安全预警。测量波高、波向、波周期等数据。
③波浪：由浮标上的波浪测量仪
④流速、流向：利用安装于浮标或灯船下部的多普勒流速测量仪记录航道的流速流向,尤其是剖面流速流向的观测,可以监测海水倒灌现象。
⑤水深：测量航标所在位置的水深,水深测量仪一般都包括温度补偿仪,可以测量航标所在位置水温,计算落水人员失温趋势。
% B$ E* \, J0 b# j- i⑥航标姿态：利用安装在航标上的姿态测量仪及碰撞传感器感知航标和船舶的碰撞。
9 a* @" Q: D( h; [⑦溢油监测：当水中石油类物质含量上升时,可能存在海面溢油情况,航标会及时发出溢油预警,促使有关部门迅速处置。
⑧水温、浊度、盐度、酸碱度等：由水质测量仪测量水温、盐度、酸碱度、电导率、溶解氧DO、氧化还原电位ORP、化学需氧量COD、水浊度、叶绿素含量等,可以根据这些参数评估航道水体质量。
⑨大气污染指标：大气污染指标主要包括：PM2.5、船舶尾气含硫量等。当船只通过航标时,可采用非分散红外光谱仪（NDIR）对其烟囱部位实施远程光学摄像,测量分析尾气成分。若测得含硫量超标,则可推断该船尾气不达标,由航标将相关信息发送至海事监管部门。
- C# x: ?) {; H2 e' k0 \6 F9 E9 W+ b2 气象、水文、生态环境数据播发
2 l. Q# J3 O9 p% Z$ a9 ~智能航道系统拟使用III型AIS航标,可以使用多种接入方式发送多种信息,信息包含21号报文（AIS航标报告信息）,6号报文（航标—岸台补充报告信息、航标遥测遥控信息、水文气象信息、环境监测信息等）。III型AIS航标回传的数据比较丰富,能有效避免时隙冲突,保障传输成功率,发射功率最高可达12.5瓦,传输距离较远,具备AIS接收功能,能够辅助记录周边通过的AIS船只历史记录,并支持气象、水文、生态环境数据播发功能。
3 数据采集管理
0 s5 R* m' g- g/ x数据采集控制系统主要完成传感器通讯、信息采集、数据处理、数据存储并控制数据传输,保证数据可以通过不同的通信方式稳定可靠的将数据传输到指定服务器。按预定时序（可设置）对各功能模块和通信设备加电工作,在采集完成后关闭。正常情况下,按预定的频率,对水文气象要素进行自动采集和处理；恶劣海况下,根据内部设定的门限值可加密观测,恶劣海况结束后可自控恢复正常观测。对采集数据进行初步质量控制,内容包括：剔除粗大误差；检查测量值上下限等。自动编制报文,利用通信传输系统把数据发送给岸基系统。采用大容量的固态数据存储器,用于采集原始数据的保存。
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