多功能航标建设的几点思考
张峰
摘 要：本文在交通强国、海洋强国的大战略背景下，根据海事航海保障事业面临的新形势、新任务，分析多功能航标建设的紧迫性和必要性，并结合上海航标处多功能航标建设实际对如何推进建设多功能航标提出了具体建议和意见。
关键词：多功能航标；
建设；
紧迫
0 引 言
海洋立体感知网是“智慧海洋”的信息来源，我国已建立覆盖管辖海域的初步立体感知网，为认知海洋温、盐、流、浪等分布及变化，提升海洋灾害应对和生态保护能力，应对气候变化等发挥了重要作用。在航标上加载气象、水文等传感设备可以实时获取海洋气象、水文、水质、生态、动力等参数， 可以为防灾减灾、海洋经济、海上军事活动等服务。随着科技发展和海洋环境监测、预报的需要，人类探索海洋、认识海洋的步伐不断加快，新型海洋感知具有深远意义和广泛前景，这意味着多功能航标建设进入新时代，传统航标建设急需转型升级，多功能航标建设迫在眉睫。
1 多功能航标建设的需求分析
1.1多功能航标建设必要性分析
交通运输部印发了《关于推动交通运输领域新型基础设施建设的指导意见》提出：“到 2035年，交通运输领域新型基础设施建设取得显著成效，加强泛在感知设施、先进传输网络、北斗时空服务在交通运输行业深度覆盖，打造‘陆海空天一体化的水上交通安全保障体系。”“陆海空天”一体化的水上交通安全保障体系旨在构建形成多维感知、全域抵达、高效协同、智能处置的一体化水上交通运输安全保障体系，将在多维感知技术和装备、海上专用通信网络技术与核心设备、水上交通大数据与智能管控一体化平台等方面深化科技创新。
近年来，科学技术发展日新月异，电子技术、无线电通信、网络技术等迅猛发展，航标新技术、新材料、新能源不断开发和利用，航标维护质量、效能和效率持续不断提升，航标对外导助航服务能力和水平也愈来愈高，这为船舶航行安全提供有效保证的同时，也为海上各类活动提供了更为全面可靠和更加便捷高效的服务保障。同时，新科技、新技术在航标领域的大量应用使传统航标的服务功能、自身质量和管理模式等诸多方面发生了深刻变化，尤其无线电航标的作用日渐凸显，其对传统航标带来的冲击是显而易见的。可预见这一影响未来还将不断加剧，特别是e—航海的建设发展和智能航运等技术发展，标志着航标发展已经进入了一个全新的数字化、信息化和智能化时代。在航海保障需求的不断提升和航标新技术迅猛发展的背景下，航标在多功能化、数字化和智能化方面的发展将成为必然趋势。以航标发展为基础，“陸海空天”一体化水上交通安全保障体系建设为契机，顺应e—航海发展趋势，推动传统航标“赋能升级”，打造多维感知、科技创新的航海保障服务新装备势在必行。
1.2多功能航标建设的可行性分析
当前，新一轮科技革命和产业变革孕育兴起，现代信息技术、新能源、新材料技术等与水运行业的深度融合，智能航运、绿色航运已成为整个行业正在经历的时代变革。新材料、新技术在航标领域的大量应用使传统航标的服务功能、自身质量和管理模式等诸多方面发生了深刻变化，极大丰富了船舶助航和航海保障的手段和途径。多功能航标是在传统导助航基础上，搭载一定的环境信息感知设备，实现其他特定功能和用途的助导航设施。一是浮体材料的轻型化和可组装化，二是通信手段的多样化，三是感知设备的小型化和节能化，四是各类信息处理智能化。要适应这种趋势，势必将瞄准新一代信息技术、人工智能、新材料、新能源和新装备等世界科技发展前沿，发展多系统、多网络、互联互通的综合航海保障平台，提供层级递进的立体导助航服务、多元化的航海保障服务产品。以科技创新引领航海保障技术发展，全面推进科技手段在航海保障各领域的应用，推动航海保障服务与技术向立体化、智能化、多元化，让航海者享受优质的服务保障。随着航运业的发展与科技的进步，相关政策、规划等对航海保障提出了新的要求，尤其是在航标方面，重点提出对传统导助航设施进行数字化智能化改造（以下简称“多功能航标”），提升水域海洋数据监测能力，最终形成分区分级、层级递进的综合导助航服务网络。航标作为海上航海保障服务的重要设施，在航海保障需求的不断提升和航标新技术迅猛发展的背景下，航标在多功能化、数字化和智能化方面的发展也将成为必然趋势。
2 多功能航标实施过程中的问题思考
2.1多功能航标布设的科学性
多功能航标因为需要搭载信息采集终端、数据传输及计算终端，因此成本较高，能耗较大，具有较强的技术性，前期并未大规模开展布设。靠一个单位建设多功能航标感知网是十分困难的，海洋气象水文监测部门、各科研单位、监管部门等多多少少在海洋气象、环境等方面建设了一定量的多功能航标，要结合各单位布局，形成资源共享、优势互补的共建格局。
多功能航标的维护海区航标维护规定对航标维护进行了明确的要求，但是一旦多功能航标建成，势必也要对多功能航标感知设备进行一定量的维护，因此航标维护周期与感知设备维护周期要紧密结合。此外，要善于联合专业单位进行维护，在交通、资源等方面予以支持，以数据共享、资源共用实现共赢。
2.2多功能航标技术路径
首先，我们要明确的一点是，多功能航标是面向航海用户和涉海管理者的，因此决定了多功能航标技术实现路径需要有2个，一个是面向航海用户的信息播发，另一个是面向管理者的信息掌控，这就使得多功能航标应具备实时播发和实时数据传输到管理中心两个功能。在第一个功能上，要结合航海用户需求，实现目前驾驶人员可视可听的信息传播，第二个功能上要实现数据的存储、分析、预判等功能，便于管理者对海上活动进行安全监管。
2.3多功能航标合作机制和数据共享
多功能航标一是合作建设，在设备投入资金较大的情况下，可以利用航海保障部门的优势，提供基础设施供多功能设备安装，而相关部门可以提供装备，实现共享共建。二是数据共享，可以在信息安全的前提下，共享采集数据。三是要充分考虑数据标准和数据格式问题，建议按照S100系列标准建立数据库。四是要考虑未来技术发展需要，如VDES建设和北三建设的需要。
3 多功能航标的功能要求
多功能航标应具备传统导助航功能和其他特定功能，传统导助航功能主要是视觉、无线电和音响航标功能。其他特定功能又可以按用途分为气象、水文、CCTV、雷达、环境监测等。多功能航标除具有导助航功能外，又具有其中一种或多种特定功能。列举如下：
3.1目视导航服务
传统的目视导航，仍然是多功能航标的主要功能，其按照相关标准，依托主体形态和导航灯器，为船舶实现目视导航功能。
3.2无线电导航
无线电导航是多功能航标标准导航职能的标准配置，基于AIS通信的智能航标，不仅可利用目前标准的 AIS 要求导航，并且可以通 过AIS信道开展水文气象等其他导航类信息的播发，提供船端用户完整、全面的综合导助航服务。
3.3水文气象服务
水文气象服务一直是船舶驾引人员导航的必要信息，利用多功能 航标水文、气象监测功能，通过 AIS 信道播发功能实现多功能航标所在水域局部区域的水文气象服务，是大区域范围水文气象服务的补充。
3.4空气环境监测服务
在践行国家战略的趋势下，环境保护要求日益提高，对于海上空气监测，也是国家环保管理单位的需要补充完善的部分，海上空气监测服务网络建设完成后，可将信息提供国家环境保护单位环境监测总 站，对其海上空气环境监测形成补充。
3.5 CCTV 视频监控服务
随着海上多功能航标 CCTV 视频采集终端的搭載，将海上的视频进行采集，组成海上 CCTV 视频采集网，并存入数据库，通过特定模型大数据的分析，可以为安保管理单位及海事管理单位提供支撑。后续结合 VTS、AIS 等系统数据的融合，组成基于 AR 技术视频综合监控，也为海图的数字孪生服务提供信息的采集。
3.6智能防碰撞预警及溯源服务
航道中航标被船舶碰撞的概率较高，目前对于航标避碰主要采用 AIS无线电航标的提示，多功能航标在能源系统充足的条件下，可设置航标虚拟报警圈概念，当船舶进入邻近区域，可自动发出 AIS/ASM点对点报文，报告自身精准实际位置信息，进行有效提醒，可对将要碰撞自身的船舶进行有效的视觉提醒。
3.7安全信息广播服务（MSI）
基于 AIS 智能终端的设备，可利用 ASM/AIS通道广播海事相关的安全信息，可与NAVTEX形成有效的补充，实现近远海安全信息广播全覆盖。
3.8 设备搭载服务
基于多功能航标配置的能源系统与通信系统，可根据需求提供设备搭载服务。
4 关于多功能航标实施的建议
4.1多功能航标向智能航保发展
发展智能航海保障也是未来航标从传统到智能化转型发展的必经之路，搭建沿海的海洋数据感知网络，提供多元化的数据服务，是发展智能航海保障，提高“陆海空天”一体化海事航保监管能力的必然需要。开展航标的多功能建设是智能航保基础设施建设的重要一环，这将极大地拓展航保工作的外延，提升航保数据采集和环境感知能力，有利于航保大数据库的建设，为后续数据深度开发定制服务、增值服务打下坚实的基础。
4.2多功能航标建设实施路径选择
多功能航标建设是一项系统工程，且需要项目的持续推进，因此科学设计多功能航标建设路径至关重要。一是多功能航标要充分考虑到航海用户的现实需求，要把有限的资源优先用于重要航段、重点水域。二是多功能航标要充分考虑到航标配布的实际条件。要因地制宜地配布多功能航标要素，合理选择有利地点。三是多功能航标要充分覆盖航标各种类标志属性。固定标志灯塔和灯桩、大型浮动标志、普通灯浮标等等。基于以上几点考虑，可以试点建设、推广、全面布局的方式开展此项工作。
5 多功能航标的应用实践
为响应东海海区智能航海保障建设，推进航标业务智能化，航标服务智能化，上海航标处以东海航海保障中心提出的《多功能航标研究课题》为指导，积极推进《助航标志加载多功能要素改造》项目建设，以重要水域及特殊航道上的灯浮、灯桩、灯船为载体，通过模块化设计，利用AIS和边缘运算技术实现气象水文、浅滩、桥梁、沉船预警等助航信息的采集和播发功能。
以打造航标业务服务智能化“东保易通—E-ATON”品牌为目标，上海航标处目前已完成3座多功能航标建设，分布于上海港宝山航道、上海长江大桥和圆圆沙警戒区等重要水域及特殊航道上，分别安装在灯浮、灯桩、灯船上。
5.1 W88号灯浮加载多功能航标升级改造
上海航标处考虑在沉船、浅滩等复杂水域为航行船舶提供有效的避险预警信息，决定对上海港宝山航道中直径为2.4 m的W88号灯浮进行多功能航标升级改造，安装小型化、智能化、集成化的便携式多功能应急沉船示位航标。2022年1月14日，新年伊始，通过不懈努力，上海航标处成功抛设了W88号沉船示位标，标志着东海海区第一座多功能航标设置成功，见图1。
该多功能应急沉船航标，除了具备传统航标灯内置北斗遥测遥控功能外，还集成了多链路网络，包括北斗通信、全网通通信、AIS链路通信等技术，实现了单体航标上播发虚拟AIS航标和实体AIS航标，设置三级报警圈形式的电子围栏，向越界船舶定向发送报警信息等航海保障服务。根据附近船舶不同危险局面智能发布相应报文，如：“东保易通，沉船、浅滩预警”等多种类别的信息，提醒船舶危险水域谨慎驾驶。本次多功能航标智能预警助航信息的设置还考虑到活动在这块水域的外籍船舶。为不占用过多的AIS播发时隙，如果触发电子围栏的是中国籍船舶，便向其播发中文报警信息。如若是外籍船舶，则向其播发英文报警信息。
W88号沉船示位标上加载多功能要素的首次尝试，打破传统，使新技术、新设备的应用上不再受地理位置、设施大小、能源供应和通信手段等因素的限制，突破原有中心数据收集展示模式，直接无差别化将服务数据推送给船端的任何AIS船台，秉承“用户需求多样化，服务无差别化”服务理念，向附近所有驾引人员提供综合导助航信息服务。
5.2 长江大桥33号警戒灯桩上加载多功能要素进行测试
长江大桥周边水域浅滩林立，淤积严重，造成航道轴线调整，轴线与大桥孔不再垂直，加大了船舶通航难度。同时，通过复杂狭窄的大桥孔对船舶驾引人员的驾驶水平、水文环境掌控和助航要素把握提出了较高的要求。考虑到第二座多功能航标的选址需要的优良通讯环境、经济社会效益、测试样本的代表性、测试点交通距离和作业安全等因素，经综合评估后，选择在长江大桥33号警戒灯桩上加载多功能要素进行测试。
长江大桥33号警戒灯桩多功能航标具备公网和北斗2种通讯方式，内置微型AIS基站可播发虚拟AIS航标、电子围栏，在前期W88号沉船示位标的成功基础上，加载风向、风力和能见度等模块，向过往船舶提供助航、警示和气象要素等信息。正当其时，切口小、见效快，立竿见影地为群众办实事办好事，见图2。
选择风速、风向要素设备采集信息，通过多功能航标的基站对外播发6号或者8号报文，将气象信息和安全提醒信息如“东保易通：西南风1级，注意桥梁”及时、无差别地推送到船台的AIS终端。同时，在桥孔航道边界外设置电子围栏，避免船舶驶入浅水域搁浅，有序安全通过桥梁水域。
5.3 圆圆沙灯船加载多功能要素进行测试
第三座多功能航标的选址，上海航标处将目标定格在大型水上助航标志。圆圆沙警戒区位于长江口深水航道、南槽航道、横沙通道交汇处，该水域通航船舶密度大，受东海前进潮波和长江水流双重影响，水流流向随时间变化发生旋转，通航水文条件非常复杂，造成船舶操纵困难。为满足航海用户需求，尝试将重点水域流速流向、风速风向、能见度等水文气象数据实时监测传输和发布应用，为船舶安全通航提供现场决策参考。
为充分发挥前期长江口e—航海建设中圆圆沙灯船数据采集的有利条件和资源，将航标灯器状态、位置状态、水文、气象等现场采集的数据经过终端处置，通过6号报文实时播发给进入预先设置的电子围栏内的船舶，提供给附近的航海用户作为驾引参考。上海航标处在圆圆沙灯船的多功能要素及各类设备的前期准备上做足功课，不打无准备之仗。
本次圓圆沙灯船的多功能航标技术路线主要通过要素采集系统获取气象传感器和水文传感器的实时信息，结合电子围栏功能筛选船舶，并使用6号二进制短报文（中文）和12号短报文（英文）寻址向相关船舶播发信息，同时将相关的数据信息回传至后端平台进行显示，见图3。
6 结 语
总之，多功能航标建设应瞄准交通强国建设目标，抢抓机遇，依据“陆海空天”一体化水上交通运输安全保障体系建设的整体覆盖区域要求、时间阶段要求，以点牵动，分步推进，逐步形成成线、成链、成片的多功能航标感知网、服务网，将多功能航标建设走深迈实，全面构建和完善现代综合助航体系，从而助推智能船舶、智能航运新业态发展，助力建成人民满意、保障有力、世界前列的交通强国。
参考文献
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