穆 強(qiáng)

一、引言

長(zhǎng)江航道是我國(guó)水路運(yùn)輸?shù)闹鞲傻溃瑑?nèi)河水運(yùn)量居世界之首。長(zhǎng)江航道流經(jīng)九省二市。長(zhǎng)江流域是中國(guó)多霧的地區(qū)之一，且多為團(tuán)霧（指局部范圍內(nèi)出現(xiàn)的更“濃”、能見度更低的霧）。長(zhǎng)江下游地區(qū)江面寬闊，一般都超過2千米。航道內(nèi)氣象要素與陸地上氣象站的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相比有較大區(qū)別，具有監(jiān)測(cè)站點(diǎn)少、預(yù)測(cè)難度大的特點(diǎn)。霧會(huì)導(dǎo)致能見度下降，影響船舶航行安全，加之長(zhǎng)江下游船舶通行量大，航行船舶多有“扎霧”的習(xí)慣，大霧消散后，船舶都會(huì)立即發(fā)航，所以在局部時(shí)間的局部區(qū)域內(nèi)，往往會(huì)形成船舶流量極其密集的局面。在眾多的海損事故調(diào)查分析中獲知，兩船間發(fā)生的碰撞有90%以上是在能見度不良的情況下發(fā)生的[1]。

風(fēng)浪對(duì)船舶航行安全也有較大影響，船舶進(jìn)入大風(fēng)浪區(qū)域航行時(shí)，船舶將出現(xiàn)較劇烈的搖蕩運(yùn)動(dòng)、降速、航向不穩(wěn)定，以及由此引發(fā)的其他操縱方面的困難，甚至出現(xiàn)難以預(yù)料的危險(xiǎn)。長(zhǎng)江下游地區(qū)夏季乃至春末秋初，強(qiáng)對(duì)流天氣容易引起大風(fēng)。2015年“東方之星”號(hào)客輪翻沉事故正是因?yàn)榫植繌?qiáng)對(duì)流天氣形成的龍卷風(fēng)造成的[2]。

為了保障長(zhǎng)江下游航道的安全暢通，本文研究了特征站的能見度、風(fēng)速、風(fēng)向等氣象要素的監(jiān)測(cè)技術(shù)和手段，開發(fā)了航道風(fēng)霧情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并在數(shù)字航道系統(tǒng)中應(yīng)用，為長(zhǎng)江航道部門應(yīng)急調(diào)度指揮提供了重要的決策依據(jù)。

二、功能需求

目前，長(zhǎng)江下游數(shù)字航道系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了航標(biāo)基礎(chǔ)信息的維護(hù)管理、800余座航標(biāo)遙測(cè)遙控、船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、部分輔助決策功能等，通過數(shù)字航道系統(tǒng)建設(shè)能實(shí)現(xiàn)航道作業(yè)管理的標(biāo)準(zhǔn)化、程序化、規(guī)范化。

然而，對(duì)于航道的實(shí)時(shí)風(fēng)速、風(fēng)向、能見度等對(duì)航道應(yīng)急調(diào)度指揮具有非常重要意義的氣象要素的檢測(cè)，在數(shù)字航道系統(tǒng)中尚未實(shí)現(xiàn)。本文旨在研究一種風(fēng)霧情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以彌補(bǔ)該方面的不足。

結(jié)合長(zhǎng)江下游航道特點(diǎn)以及目前數(shù)字航道系統(tǒng)的欠缺，風(fēng)霧情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有如下的功能需求：

（1）在長(zhǎng)江航道重點(diǎn)地段實(shí)施風(fēng)霧情監(jiān)測(cè)，測(cè)量數(shù)據(jù)應(yīng)達(dá)到中國(guó)氣象局規(guī)定的航道作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

（2）長(zhǎng)江江面水氣大，檢測(cè)硬件應(yīng)能適合臨水環(huán)境，必須達(dá)到相關(guān)防護(hù)等級(jí)。

（3）系統(tǒng)需24小時(shí)無間斷作業(yè)，當(dāng)監(jiān)測(cè)終端出現(xiàn)機(jī)器故障或斷電時(shí)，能提供存儲(chǔ)備案保證數(shù)據(jù)正常存儲(chǔ)，以備決策部門查閱。

（4）系統(tǒng)需要留有接口，能供數(shù)字航道系統(tǒng)調(diào)用，作為數(shù)字航道系統(tǒng)的擴(kuò)展功能模塊。

三、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，航道風(fēng)霧情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括了前端設(shè)備、后臺(tái)服務(wù)器以及客戶端三大部分。其中前端設(shè)備主要包含能見度傳感器、風(fēng)速風(fēng)向傳感器、數(shù)據(jù)采集器、GPRS無線通信模塊和光伏供電系統(tǒng)。[3，4]在其工作模式中，前端的檢測(cè)傳感器先將數(shù)據(jù)交給數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行打包，接著數(shù)據(jù)包經(jīng)由GPRS模塊發(fā)送到服務(wù)器端；服務(wù)器端的GPRS接收服務(wù)器接收數(shù)據(jù)并傳入應(yīng)用服務(wù)器，應(yīng)用服務(wù)器進(jìn)一步對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行解碼、重構(gòu)和發(fā)布，用戶再通過客戶終端（如數(shù)字航道系統(tǒng)）獲得數(shù)據(jù)產(chǎn)品。

圖1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

四、前端檢測(cè)硬件設(shè)備

（一）能見度儀

根據(jù)長(zhǎng)江下游沿岸濕度大、腐蝕性強(qiáng)、局部團(tuán)霧多等特點(diǎn)，選用TP-VISI1能見度傳感器。該傳感器量程達(dá)到10千米，測(cè)量誤差在±10%以內(nèi)，具備全天候工作、高智能化、高穩(wěn)定性、防腐等優(yōu)點(diǎn)。主要參數(shù)為：測(cè)量范圍1~10 000米，準(zhǔn)確度±2%（≤1 000米）、±10%（＞1 000米），分辨率1米（≤1 000米）、100米（＞1 000米）。

（二）風(fēng)速、風(fēng)向傳感器

風(fēng)速、風(fēng)向傳感器主要有機(jī)械式（風(fēng)向標(biāo)與風(fēng)杯）和超聲波式兩種。其中超聲波式風(fēng)速、風(fēng)向傳感器相比于傳統(tǒng)的機(jī)械式風(fēng)速、風(fēng)向傳感器，測(cè)量精度更高，受環(huán)境影響更小，對(duì)于風(fēng)速、風(fēng)向的突變更為敏感，比較適合在長(zhǎng)江沿線安裝實(shí)施，綜合比較，選用WS200-UMB型設(shè)備。其主要技術(shù)參數(shù)為：?jiǎn)?dòng)風(fēng)速±0.3米/秒，風(fēng)速精準(zhǔn)度±0.3米/秒（0.6米/小時(shí)），風(fēng)向精準(zhǔn)度±3°。

（三）數(shù)據(jù)采集器

數(shù)據(jù)采集器是可用于遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制的小型系統(tǒng)，我們選用了CR300型數(shù)據(jù)采集器。該款采集器是入門級(jí)采集器，設(shè)計(jì)小巧緊湊，包含豐富的指令集，擴(kuò)展性強(qiáng)，可兼容大部分水文、氣象傳感器。

（四）G PR S無線通信模塊

GPRS無線數(shù)模塊是采用GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)為傳輸媒介的一款基于移動(dòng)GSM短消息平臺(tái)和GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的工業(yè)級(jí)通信終端。它利用GSM 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的短信息和GPRS業(yè)務(wù)為用戶搭建了一個(gè)超遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)，標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)規(guī)格設(shè)計(jì)，提供RS232標(biāo)準(zhǔn)接口，直接與用戶設(shè)備連接，實(shí)現(xiàn)中英文短信功能、彩信功能、GPRS數(shù)據(jù)傳輸功能。

五、后臺(tái)軟件實(shí)現(xiàn)

（一）軟件結(jié)構(gòu)

風(fēng)霧情檢測(cè)系統(tǒng)軟件主要由航道自動(dòng)站程序、風(fēng)霧情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)站等部分構(gòu)成，如圖2所示。其中，數(shù)據(jù)采集器采集的數(shù)據(jù)通過GPRS方式接入后，傳輸?shù)揭粋€(gè)航道自動(dòng)站程序，自動(dòng)站程序?qū)?shù)據(jù)解碼、重構(gòu)后錄入SQL Server數(shù)據(jù)庫中。API程序則從數(shù)據(jù)庫獲取數(shù)據(jù)發(fā)布到接口，風(fēng)霧情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)站從接口獲取數(shù)據(jù)后進(jìn)行展示，為用戶提供服務(wù)。

圖2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

（二）航道自動(dòng)站程序

航道自動(dòng)站程序是航道風(fēng)霧情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心程序。該程序有三個(gè)主要功能：

（1）讀取串口通5.3轉(zhuǎn)碼的數(shù)據(jù)；

（2）把數(shù)據(jù)重構(gòu)后，存入主數(shù)據(jù)庫；

（3）監(jiān)測(cè)當(dāng)前站點(diǎn)數(shù)據(jù)和歷史紀(jì)錄查詢。

圖3顯示了其設(shè)備管理界面，用于配置管理串口，添加、刪除及管理數(shù)據(jù)采集器。圖4顯示了其歷史紀(jì)錄查詢界面。

圖3 設(shè)備管理界面

圖4 歷史數(shù)據(jù)查詢界面

（三）風(fēng)霧情A PI程序

為了強(qiáng)化系統(tǒng)的靈活性，將風(fēng)霧情監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)品封裝成風(fēng)霧情數(shù)據(jù)接口供用戶系統(tǒng)調(diào)用。數(shù)據(jù)接口的結(jié)構(gòu)如表1所示。

數(shù)據(jù)接口將以JSON的形式返回，圖5是接口調(diào)用一個(gè)示例，在該示例中包含了三個(gè)監(jiān)測(cè)站在2018年4月26日10點(diǎn)30分左右的工作狀態(tài)、風(fēng)速、風(fēng)向、能見度等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

表1 數(shù)據(jù)接口結(jié)構(gòu)

圖5 接口調(diào)用一個(gè)示例

六、系統(tǒng)的示范應(yīng)用

風(fēng)霧情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)航道上的風(fēng)速、風(fēng)向、能見度，對(duì)航道維護(hù)工作船舶作業(yè)安全、過往行輪航行安全有重要意義。風(fēng)霧情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將前端采集的數(shù)據(jù)封裝成接口，并在長(zhǎng)江數(shù)字航道系統(tǒng)中做了示范應(yīng)用，為航道部門應(yīng)急指揮調(diào)度提供參考依據(jù)。

（一）應(yīng)用部署

長(zhǎng)江下游地區(qū)地勢(shì)平坦，江寬水深，選擇應(yīng)用示范點(diǎn)時(shí)，選取了轄區(qū)內(nèi)上、中、下三個(gè)特征區(qū)域，并分別選擇了轄區(qū)下游的龍?zhí)端?、中游的南京水道和上游的凡家磯水道，作為航道風(fēng)霧情監(jiān)控點(diǎn)[5]。

1.龍?zhí)稓庀笳?/p>

龍?zhí)稓庀笳静渴鹪邶執(zhí)妒疚粯?biāo)三層平臺(tái)。龍?zhí)妒疚粯?biāo)是一座大型多功能岸標(biāo)，高40.5米，位于長(zhǎng)江右岸、龍?zhí)陡蹍^(qū)起點(diǎn)處。該氣象站的風(fēng)霧情監(jiān)測(cè)范圍可覆蓋長(zhǎng)江南京段下游龍?zhí)端?、儀征水道及南京四橋橋區(qū)航道水域的風(fēng)霧情狀況。岸標(biāo)內(nèi)接有市電及光纖，為站點(diǎn)部署提供了便利條件。受場(chǎng)地限制，將傳感器安裝于三層平臺(tái)上。數(shù)據(jù)經(jīng)RS232串口轉(zhuǎn)RJ45網(wǎng)口進(jìn)行傳輸。

2.下關(guān)站

下關(guān)站部署在#142紅浮。#142紅浮位于大勝關(guān)水道、南京水道和南京大橋水道的交匯點(diǎn)，緊鄰下關(guān)中山碼頭至浦口輪渡航線，可反映出長(zhǎng)江南京段中游草鞋峽水道、大橋橋區(qū)航道、南京水道、寶塔水道、大勝關(guān)水道的風(fēng)霧情狀況。#142紅浮是一座直徑6米的大型浮標(biāo)。與普通浮標(biāo)相比，6米浮鼓的浮面可利用空間大、穩(wěn)性好、安全性好，比較適合風(fēng)霧情監(jiān)控系統(tǒng)硬件部署。傳感器和數(shù)據(jù)采集器模塊安裝在浮標(biāo)頂層，不影響航標(biāo)功能，也不妨礙航標(biāo)維護(hù)作業(yè)。浮標(biāo)下層安裝了光伏供電系統(tǒng)，為整個(gè)采集模塊提供不間斷的供電。數(shù)據(jù)通過GPRS傳輸。

3.烏江站

烏江站部署在烏江左右通航浮。烏江左右通航浮位于凡家磯水道、烏江水道的交匯處，可反映出長(zhǎng)江南京段下游水域的風(fēng)霧情狀況。系統(tǒng)部署方案同下關(guān)站。

（二）在數(shù)字航道系統(tǒng)中的應(yīng)用效果

長(zhǎng)江下游“上瀏段”數(shù)字航道系統(tǒng)于2016年12月31日上線試運(yùn)行，該系統(tǒng)根據(jù)長(zhǎng)江南京航道局轄區(qū)河段特點(diǎn)，對(duì)傳統(tǒng)航道業(yè)務(wù)流程做到了程序化、模塊化管理，以一條業(yè)務(wù)主線貫穿始終，將各項(xiàng)任務(wù)都串聯(lián)起來，實(shí)現(xiàn)了航道監(jiān)測(cè)到維護(hù)調(diào)度的聯(lián)動(dòng)，使系統(tǒng)從監(jiān)控層面上升到監(jiān)管層面。為了更好地聚焦公益服務(wù)，提升服務(wù)品質(zhì)，系統(tǒng)除了對(duì)傳統(tǒng)航道業(yè)務(wù)監(jiān)管外，還添加了視頻監(jiān)控、橋區(qū)通航要素監(jiān)控等作為輔助管理手段[6]。

我們?cè)凇吧蠟g段”數(shù)字航道系統(tǒng)中調(diào)用風(fēng)霧情API，根據(jù)輔助決策的功能需要，實(shí)現(xiàn)了以下3個(gè)主要功能：

（1）風(fēng)霧情實(shí)時(shí)顯示。在數(shù)字航道系統(tǒng)中加入風(fēng)霧情模塊，并在電子航道圖的實(shí)際位置添加龍?zhí)墩?、下關(guān)站、烏江站3個(gè)監(jiān)測(cè)站。點(diǎn)擊監(jiān)測(cè)站圖標(biāo)，可顯示出監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)信息，如圖6所示。

（2）技術(shù)參數(shù)分析。如圖7所示，其下方的功能區(qū)內(nèi)能展示出十分鐘平均風(fēng)速、風(fēng)向、能見度信息及電池電壓，并能根據(jù)歷史數(shù)據(jù)自動(dòng)繪制出24小時(shí)內(nèi)的變化趨勢(shì)，其中風(fēng)速、能見度采用折線圖，而風(fēng)向采用風(fēng)玫圖。

如圖7所示，根據(jù)風(fēng)速、風(fēng)向、能見度的等級(jí)對(duì)照表，用紅、黃、綠3種顏色對(duì)數(shù)據(jù)設(shè)置預(yù)警級(jí)別，綠色底紋顯示的數(shù)據(jù)代表正常，黃色底紋顯示的數(shù)據(jù)代表一般預(yù)警，紅色底紋顯示代表嚴(yán)重預(yù)警，不宜開航。以此，可為用戶提供簡(jiǎn)單易懂的決策依據(jù)。

圖6 數(shù)字航道系統(tǒng)風(fēng)霧情模塊主界面

圖7 數(shù)字航道風(fēng)霧情數(shù)據(jù)分析界面

七、總結(jié)與展望

本文主要研究了長(zhǎng)江航道風(fēng)霧情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)的相關(guān)技術(shù)，研究了航道維護(hù)管理部門對(duì)風(fēng)速、風(fēng)向、能見度等氣象要素監(jiān)測(cè)信息的需求，完成了系統(tǒng)功能的設(shè)計(jì)，進(jìn)行了傳感器設(shè)備的選型。在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，從用戶需求出發(fā)，開發(fā)前端設(shè)備管理和接受的航道自動(dòng)站程序以及數(shù)據(jù)解碼、重構(gòu)和發(fā)布的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)API程序，可方便地在已有的數(shù)字航道系統(tǒng)中進(jìn)行集成應(yīng)用。最后，根據(jù)長(zhǎng)江下游的特征選擇了3個(gè)站點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行示范應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了在“上瀏段”數(shù)字航道系統(tǒng)對(duì)風(fēng)霧情的實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)警分析，從而為航道應(yīng)急調(diào)度指揮提供決策依據(jù)，使得系統(tǒng)的輔助決策功能得以補(bǔ)充。

雖然目前已經(jīng)完成了風(fēng)霧情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)和示范應(yīng)用，但受限于技術(shù)和安裝環(huán)境等因素，系統(tǒng)仍有一些問題未得到很好的解決，在今后的發(fā)展過程中，系統(tǒng)主要有以下幾個(gè)方面需要改進(jìn)和完善：

（1）無線通信信號(hào)不穩(wěn)定。前端采集器通過GPRS/GSM網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器通信，在使用過程中發(fā)現(xiàn)通信信號(hào)不太穩(wěn)定，時(shí)常離線。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)與通信基站的布置有關(guān)，下一步可以和通信商進(jìn)一步溝通或采用其他更穩(wěn)定的無線通信方式傳輸數(shù)據(jù)。

（2）示范的監(jiān)測(cè)站點(diǎn)分布過少，目前監(jiān)測(cè)站的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)只能真實(shí)反映局部氣象。長(zhǎng)江水面上氣象條件與陸地不同，常有團(tuán)霧發(fā)生，本文中在長(zhǎng)江南京段上、中、下游分別設(shè)置的示范監(jiān)測(cè)站點(diǎn)并不能覆蓋到長(zhǎng)江南京段全線。下一步將在港區(qū)、橋區(qū)、錨區(qū)等重點(diǎn)水域增加監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，或采用更大量程的數(shù)據(jù)采集器應(yīng)對(duì)。