浮标在绿色航道建设中的应用研究

程洪 交通运输部南海航海保障中心广州航标处

1.引言

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。近年来，港珠澳大桥、深中通道、海上风电场、隧道工程等一系列的国家、省市重点水上工程顺利建设离不开航标的助航保障服务。广州航标处辖区内粤港澳大湾区建设正如火如荼地建设着，湾区内利用船舶出行的旅客众多，每天往返香港、澳门、广东（珠海、中山、深圳、佛山、东莞等）等地的高速客船多达500多艘次；珠江口多个港口货运吞吐量大，每天穿梭的航运船舶多达几千艘次；各类涉海工程也正如火如荼地建设当中。在这种背景下，湾区建设对航标高质量服务的需求是不言而喻的。另外由于“海洋强国”“交通强国”等国家战略的实施，必然刺激航运增量发展与航运扩容需求，航标服务质量也提出了新的要求。在这些历史契机下，需要我们提供绿色、环保、高效、便捷、智能的航标服务。

2.广东航道规划情况

按照《广东省的航道总体规划》（2020-2035年），全省的航道总体布局为构建“八通、两横、一网、三连、四线”主骨架，形成内外联通、干支衔接的全省航道“一张网”。其中，广州航标处的辖区处于“八通”中的珠江口进港主通道（含广州港出海航道、深圳港西部港区进港航道、矾石水道等）、深圳港盐田港区进港航道，用于支撑国际枢纽港广州港和深圳港的国际贸易发展；“两横”中的沿海东西向航路中的阳江、江门、深圳沿海水域，及西江和东江线中的广州通航水域，密切粤东西地区与粤港澳大湾区联系。“一网”中的广州、东莞、深圳沿线的珠三角高等级航道网，形成珠江三角洲经济发展和对外贸易的主要连接通道和江海中转联运的网络；“四线”中的江门港广海湾航道和阳江港海陵湾港区主航道，促进全省沿海港口均衡发展，促进沿海产业发展和转型升级，支撑沿海经济带发展。

近期（2020-2025年）在建的沿海项目有深圳港西部港区出海航道疏浚拓宽工程（20万吨级）；新建的沿海项目有广州港环大虎岛公用航道工程（7万吨级）、广州港 20万吨级航道工程（含小船航道）、广州港环大虎岛公用航道工程（7万吨级）、广州港20万吨级航道工程（含小船推荐航道）。

中期（2026—2035年）强化航道与港口发展规模相互适应，科学合理实施粤西和粤东沿海超深水航道，重点推进14个沿海港口进港航道等项目的实施，全面提升沿海航道等级。其中，广州航标处辖区的项目有盐田港区进港航道（20万吨级）、秤头角LNG航道（10 万吨级）、妈湾港区进港航道（10万吨级）、蛇口港区进港航道（15万吨级）、龙鼓西航道（20万吨级）、广州港出海航道（北段）（7万吨）。

3.浮标情况

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。

4.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。

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。

（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）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。

（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。

5.“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。

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。

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）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。

（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。

（3）灯器集成度高，外形轻巧，安装快捷，便于维护。

6.视频影像系统

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。

图3 通讯模块

6.1 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。

6.2 船舶进入到摄像头识别警戒范围内启动摄像

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。

6.3 人工远程开启摄像

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。

7.智能航道功能扩展

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。

7.1 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。

③波浪：由浮标上的波浪测量仪测量波高、波向、波周期等数据。

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。

⑥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。

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。

7.2 气象、水文、生态环境数据播发

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。

7.3 数据采集管理

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。