一種具有碰撞報(bào)警功能的航標(biāo)燈器應(yīng)用探討

◎李忠 交通運(yùn)輸部南海航海保障中心廣州航標(biāo)處

1.引言

航標(biāo)是幫助船舶安全、經(jīng)濟(jì)和便利航行的重要助航設(shè)施。隨著海運(yùn)事業(yè)的發(fā)展和交通強(qiáng)國戰(zhàn)略的提出，水上經(jīng)濟(jì)和旅游活動(dòng)的范圍和方式日益增多，對航標(biāo)的需求也越來越多，航標(biāo)對我國地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和重大國家戰(zhàn)略實(shí)施的作用日趨明顯。在船舶行駛過程中，由于受氣候、水域通航環(huán)境（流向、流態(tài)、流速）等客觀因素及駕駛?cè)藛T自身業(yè)務(wù)技術(shù)主觀因素的影響，經(jīng)常發(fā)生船舶碰撞航標(biāo)的情形，給相關(guān)設(shè)備、設(shè)施帶來一定程度的經(jīng)濟(jì)損失。更為嚴(yán)重的是，一旦航標(biāo)被損壞導(dǎo)致功能失常，很容易造成航道或航行水域局部交通受限，甚至發(fā)生二次水上交通事故，給事故水域附近港口碼頭的正常運(yùn)營帶來嚴(yán)重影響。因此，研究水上船舶碰撞航標(biāo)事故遠(yuǎn)程監(jiān)測報(bào)警技術(shù)，推廣使用具有碰撞報(bào)警功能的航標(biāo)燈器，在安全監(jiān)督管理船舶、確保水上交通的可持續(xù)發(fā)展、減少事故發(fā)生、保障船舶交通安全等方面具有深遠(yuǎn)而重要的意義。

2.工作原理

2.1 碰撞報(bào)警模塊組成

（1）加速度傳感器：在航標(biāo)燈器上內(nèi)置一個(gè)六軸加速度傳感器，加速度傳感器偵測浮標(biāo)各個(gè)方向所受外力。當(dāng)燈浮受到碰撞時(shí)，燈器的加速度會(huì)瞬間增大，加速度傳感器將實(shí)時(shí)加速度數(shù)值大小發(fā)送給主控芯片。

加速度傳感器是對自身器件的加速度進(jìn)行檢測。傳感器芯片內(nèi)部有一個(gè)真空區(qū)域，感應(yīng)器件即處于該區(qū)域，其原理是通過慣性力作用引起電壓變化，并通過內(nèi)部的ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換電路）給出量化數(shù)值。當(dāng)監(jiān)測加速度值大于設(shè)置的閾值時(shí)，傳感器就會(huì)生成一個(gè)喚醒中斷信號，芯片通過檢測中斷信號來判斷加速度值的變化。加速度傳感器為三軸，能檢測 X、Y、Z 的加速度數(shù)據(jù)，見圖1。

當(dāng)圖1所示的靜止?fàn)顟B(tài)，z 軸正方向會(huì)檢測出 1g（即自重），X、Y 軸為0。如果調(diào)轉(zhuǎn)位置。那總會(huì)有一個(gè)軸會(huì)檢測出 1g，其他軸為 0，在實(shí)際的測值中，可能并不是 0，而是有細(xì)微數(shù)值。物體受力后，受力方向上會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的加速度，相同的物體受力越大，加速度越大，x，y，z 軸的值都會(huì)發(fā)生變化。傳感器加速度范圍檢測范圍為±2/±4/±8/±16g，且角速率范圍為±125/ ±245/ ±500/±1000/±2000dps。

圖1 三軸加速度傳感器感應(yīng)受力示意圖

（2）主控芯片：主控芯片能夠?qū)崟r(shí)讀取燈器的加速度信息，并對加速度數(shù)值進(jìn)行判斷，當(dāng)加速度數(shù)值超過設(shè)置閥值后，產(chǎn)生碰撞報(bào)警信號，并把報(bào)警數(shù)據(jù)通過燈器通信模塊發(fā)送到后臺監(jiān)控系統(tǒng)。

2.2 工作流程

當(dāng)船舶碰撞航標(biāo)后，燈器內(nèi)的加速度傳感器會(huì)接收到觸發(fā)激勵(lì)，并檢測出加速度數(shù)值，提供給主控芯片進(jìn)行判斷。以下是工作流程：

（1）當(dāng)碰撞沒有發(fā)生時(shí)，加速度值在一定范圍內(nèi)（可設(shè)置），視為浮標(biāo)運(yùn)行正常，燈器按照常規(guī)設(shè)置上傳數(shù)據(jù)；

（2）當(dāng)航標(biāo)感受到船舶的撞擊時(shí)，加速度瞬間增大，加速度傳感器檢測出加速度數(shù)值大小，并把數(shù)據(jù)發(fā)送給主控芯片。當(dāng)燈器的加速度超出設(shè)定閾值時(shí)，主控芯片立即產(chǎn)生碰撞報(bào)警信息，報(bào)警信息包括碰撞發(fā)生時(shí)間，碰撞時(shí)航標(biāo)位置等，并通過燈器通信模塊向后臺監(jiān)控系統(tǒng)（航標(biāo)遙測遙控系統(tǒng)）上報(bào)報(bào)警數(shù)據(jù)，引起管理人員關(guān)注。

（3）主控芯片恢復(fù)接收加速度信號模式，這時(shí)一個(gè)完整的碰撞監(jiān)測報(bào)警流程完成。

3.應(yīng)用效果

南海航海保障中心廣州航標(biāo)處于2020年起，在珠江口廣州港主航道及其附近水域的90座浮標(biāo)上安裝了具有碰撞報(bào)警功能的燈器，并對該水域90座航標(biāo)發(fā)生故障和后續(xù)現(xiàn)場處理情況進(jìn)行了詳細(xì)統(tǒng)計(jì)記錄。上述燈器在航標(biāo)碰撞報(bào)警案例中發(fā)揮了顯著的作用。

3.1 碰撞報(bào)警準(zhǔn)確率高

廣州航標(biāo)處在2020 年10 月1日-2021年6月30日期間，在廣州港主航道及附近水域90座安裝有碰撞報(bào)警功能燈器。根據(jù)上述浮標(biāo)失常情況進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，見表1。

從表1可以看出，航標(biāo)在安裝遙測遙控航標(biāo)燈器以后，因?yàn)閺倪b測遙控系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)對航標(biāo)工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，并對存在故障隱患的航標(biāo)進(jìn)行提前處置，所以燈器或航標(biāo)本身原因產(chǎn)生的失常故障率較低。有72%的航標(biāo)失常是因?yàn)榇芭鲎菜鶎?dǎo)致。說明了目前影響航標(biāo)正常效能的第一威脅正是船舶碰撞，這是由于廣州港主航道及附近水域船舶交通密集，惡劣天氣、部分內(nèi)河船舶不按規(guī)則行駛、駕駛員不熟悉水域通航環(huán)境或粗心駕駛所致。

表1 燈器失常原因、次數(shù)及占比統(tǒng)計(jì)表

在對該統(tǒng)計(jì)時(shí)間段內(nèi)90 座航標(biāo)實(shí)際被船舶碰撞失常次數(shù)和燈器發(fā)送的碰撞報(bào)警信息以及現(xiàn)場處置情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，2020年10月1日-2021年6月30日期間，航標(biāo)遙測遙控系統(tǒng)共收到碰撞報(bào)警21次，其中經(jīng)核實(shí)屬于船舶碰撞或擦碰（未造成航標(biāo)失常）共計(jì)19次，其余2次因無法查到碰撞時(shí)間節(jié)點(diǎn)的船舶AIS軌跡，無法確認(rèn)是否發(fā)生碰撞；又對該時(shí)間段內(nèi)18次船舶碰撞引起航標(biāo)失常進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)有15次航標(biāo)遙測遙控系統(tǒng)收到碰撞報(bào)警信息，2次燈器通訊模塊完全損壞，1次燈器未損壞但沒有報(bào)警。從上述數(shù)據(jù)可以得出，有碰撞報(bào)警功能的燈器報(bào)警成功率在90%以上，性能較為可靠。

3.2 縮短故障判斷時(shí)間，提升應(yīng)急反應(yīng)速度

航標(biāo)值班人員在收到燈器的碰撞報(bào)警信號后，會(huì)把該航標(biāo)列為重點(diǎn)觀察對象，通過查詢航標(biāo)位置、電流電壓等實(shí)時(shí)遙測信息、致電海事交管向過往船舶核實(shí)等多種手段確認(rèn)航標(biāo)被撞情況。一旦核實(shí)，馬上通知轄區(qū)航標(biāo)主管部門應(yīng)急修復(fù)。因此具有碰撞報(bào)警功能航標(biāo)燈器的應(yīng)用，縮短了航標(biāo)故障判斷時(shí)間，提高了航標(biāo)應(yīng)急反應(yīng)速度，確保了航標(biāo)效能，有效提升航標(biāo)維護(hù)管理水平。

3.3 為航標(biāo)碰撞索賠提供數(shù)據(jù)支撐

當(dāng)有船舶碰撞航標(biāo)后,航標(biāo)管理單位可以根據(jù)碰撞報(bào)警功能燈器回傳的報(bào)警信息，迅速確定碰撞發(fā)生時(shí)間、位置信息，核實(shí)肇事船舶，及時(shí)提取肇事船舶AIS軌跡等數(shù)據(jù)證據(jù)，為碰撞事故的后期索賠取證提供重要的數(shù)據(jù)支撐。

4.改進(jìn)建議

具有碰撞報(bào)警功能的燈器雖然發(fā)揮了準(zhǔn)確穩(wěn)定的報(bào)警作用，但是在使用中也同樣發(fā)現(xiàn)了一些問題需要進(jìn)行升級改進(jìn)。一是升級主控芯片程序設(shè)計(jì)，在碰撞報(bào)警發(fā)生后，縮短燈器其他數(shù)據(jù)的上報(bào)時(shí)間間隔，可由默認(rèn)的1小時(shí)一次調(diào)整為5分鐘一次，讓后臺人員更及時(shí)的掌握航標(biāo)狀態(tài)，從而更準(zhǔn)確地判斷碰撞事故。二是把燈器加速度傳感器和通信模塊安裝在燈器底座靠下的位置，盡量遠(yuǎn)離燈器頂部的透鏡，在碰撞發(fā)生時(shí)可以更好的得到保護(hù)，及時(shí)回傳報(bào)警信息。三是在燈器上加裝低能耗全方位攝像頭，在碰撞報(bào)警發(fā)生的同時(shí)，攝像頭啟動(dòng)攝像功能，拍攝現(xiàn)場照片并通過通信模塊傳至后臺系統(tǒng)，對碰撞事故的判斷和后續(xù)肇事船舶的鎖定具有極大的作用。

圖2 航標(biāo)燈器碰撞報(bào)警功能工作流程圖

5.結(jié)論

具有碰撞報(bào)警功能的航標(biāo)燈器的使用，不僅可以大大縮短航標(biāo)故障判斷時(shí)間，提高應(yīng)急反應(yīng)速度，成為一種保障船舶航行安全的有效技術(shù)手段。然而這種燈器還處于初期試用階段，要想取得更好的使用效果，還需要在今后的使用中不斷積累數(shù)據(jù)，更精準(zhǔn)地測算出加速度傳感器在不同軸向上的加速度閾值，逐漸將其功能完善，并推廣使用，以期提升航標(biāo)維護(hù)管理水平，提高航標(biāo)整體助航效能，更好地保障船舶航行安全。