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智能一体化太阳能航标灯研究及应用探讨

□广东省广州航道局 陈燕嫦 李月楼
广州市机电工业研究所 李德敏
摘要: 为进一步提高航标灯的质量, 减轻工人维护劳动强度和工作量, 将太阳能电池组件免维护蓄电池、 LED光源、 灯器闪光控制模块, 卫星定位及无线通信模块、 电气检测模块等经过总线连接统一集成密封在灯具透镜和底座组成的灯具内, 研究开发智能一体化太阳能航标灯。
关键词: 航标灯 研究 应用 探讨
1 研制过程
在广东省航道局的领导和支持下, 广州航道局与广州市机电工业研究所在一体化航标灯的基础上合作研制了智能一体化太阳能航标灯及航标实时遥测系统。 1月开始对该智能航标灯及控制系统进行总体设计, 10月完成样机, 并进行调试工作。经过多年的重复试验, 从运行数据反映, 效果良好, 性能稳定。
2 技术路线
带GPS智能一体化太阳能航标灯, 灯具透镜采用分体结构, 由凸透镜和顶盖组成, 其中顶盖内置有太阳能电池组件, 可根据不同的电源需要更换不同规格的顶盖( 即更换不同规格的太阳能电池组件) 。顶盖和凸透镜经过带锥度的止口方式紧密连接。灯具透镜和灯具底座的密封连接方式是采用倒扣式下压螺旋式连接。卫星定位及无线通信模块采用gpsOne技术, 经过公用无线网络( CDMA, 码分多址) 进行定位数据传输。电气检测模块采用遥测方式, 所有检测参数指标经过公用无线网络传输回到控制中心。当出现指定情况, 卫星定位及无线通信模块采用基于CDMA -1X的TCP/IP方式, 经过公用无线网络将报警信息发送到控制中心或控制中心指定的设备, 该报警措施为24×7×365服务。
3 遥测项目及主要功能
3.1 航标灯正常监测
( 1) 航标灯工作电压和工作电流的监测;
( 2) 太阳能电池充电电压和充电电流的监测;
( 3) 航标灯闪光周期的监测;
( 4) 航标灯静态电流的监测。
3.2 航标灯故障报警功能
(1)灯光熄灭自动报警;
(2)航标灯被盗自动报警及跟踪;
(3)蓄电池终止电压自动报警;
(4)蓄电池过充电自动报警;
(5)浮标位移自动报警;
(6)温度、 湿度自动报警。
3.3 GPS定位系统
(1)定位精度达到5 m;
(2)自动定位检测浮标位移的半径、 坐标等参数值;
(3)查询显示浮标历史漂移轨迹;
(4)每15 min进行一次定位。
3.4 航标工作状态历史资料的查阅
(1)可按日或月查询太阳能电池工作电压和电流的曲线图;
(2)可按日或月查询航标灯工作电压和电流的曲线图。
3.5 航标灯及浮标正常率统计
可统计出每月辖区内航标正常率。
3.6 检测频率及数据传输
(1)各种检测每15 min进行;
(2)采用CDMA网络传递各种参数。
3.7 航道图幅
采用数字电子图。
3.8智能一体化太阳能航标灯及航标实时遥测控制系统, 可与用户局域网连接查询
4 国内外研究概况及发展趋势
航标灯的发展经历了几个阶段, 最早是在航道的危险位置设立航道标志, 供船只在白天使用, 晚上则因为没有光源, 因此不能使用。中国于20世纪50年代开始使用煤油灯作为航标灯; 到了60年代使用电气灯; 70年代使用机械电子灯; 进入80年代, 开始出现半导体太阳能航标灯; 90年代, 国外才有太阳能航标灯的报道, 但没有报道具体的指标参数。中国的太阳能航标灯, 真正批量投入使用是在80年代中期。当前国内使用或报道的航标灯遥测系统, 系统结构采用分散型结构, 即由航标灯、 太阳能电池、 蓄电池、 遥测( 包括GPS定位、 无线通信、 电气检测) 控制器组成。
5 优点
5.1 节能、 定位精度高
与采用DGPS( 差分定位技术) 相比, 能耗可降低约8～10倍, 无需自建差分基准站, 系统成本低; 与一般GPS定位技术相比, 定位精度更高( 一般GPS定位技术其定位精度为15 m～20 m; 而我们采用的系统定位精度达到2 m～5 m) 。
5.2 成本低
与国内当前使用一般GPS定位航标遥测系统相比, 可降低成本约1/4( 包括航标灯终端、 控制中心) 。
5.3 一体化结构
将太阳能电池组件免维护蓄电池、 LED光源、 灯器闪光控制模块, 卫星定位及无线通信模块、 电气检测模块等经过总线连接统一集成密封在灯具透镜和底座组成的灯具内。
5.4 系列化
射程可满足1～6 km; 灯质: 定光、 单闪、 双闪、 三闪、 四闪等, 可根据用户需要调节; 灯光颜色有红、 白、 黄、 绿等四种颜色灯。
5.5 监测项目及功能齐全
监测项目及功能主要有:
(1)航标灯日常工作监测;
(2)航标灯故障报警功能( 包括灯光熄灭、 航标被盗、 蓄电池终止电压、 浮标位移、 蓄电池过充等) ;
(3)浮标位移定位监测;
①航标工作状态历史资料查阅;
②航标灯及浮标维护正常率统计等。
5.6 安装维护简单方便
与国内当前使用的遥测航标系统相比, 本系统安装只需安装一盏灯, 维护保养只要每2～3个月对灯外壳清洁一次即可。而其它系统是分散独立安装( 即太阳能电池、 航标灯、 蓄电池、 遥测控制组成) 安装维护比较麻烦, 一旦发生故障, 一线工人难以处理。而智能一体化太阳能航标灯即使发生故障, 一线工人将备用灯换上即可。
6 应用前景
智能一体化太阳能航标灯及航标实时遥测控制系统, 具有电气自动检测功能, 故障自动报警功能, 航标位移自动报警功能, 历史资料查询功能, 数字电子地图, 检测高精度, 信号传送速度快, 技术性能稳定、 高效、 节能、 寿命长、 成本低、 安装方便、 外形美观轻巧, 维护简便的新型智能航标灯及航标控制管理系统, 可广泛应用在内河或近海航标上, 替代原有的航标灯管理系统。
6.1成本低
(1)可降低建设设备成本。智能一体化太阳能航标灯及航标实时遥测控制系统与国内航标及航标实时遥测系统相比较, 同等的技术和精度, 可降低造价约25%, 按广东省3000座航标灯计算, 可节省不少经费。
(2)可减少维护成本。以广州航道局航标维护为例, 航标维护巡查由原来7天一巡可改为60天一巡, 全年可减少巡查46次。航标灯电气和浮标位移正常检测由原来的每月一次, 现可在办公室控制中心获得各种参数和故障报警信号和管理, 全年可减少检测46次。全年总计减少巡查58次( 按广州航道局巡查白泥水道, 流溪河计算) 。巡查一次航标费用约9元/公里, 广东省巡查一次( 约3000公里) 费用约27000元, 全省每年可节约156.6万元。
(3)采用镉镍蓄电池, 2～3年进行一次换液和再充电, 使用5年需要再充电2次, 而每次充电的费用约200元, 5年2次, 本航标灯采用免维护蓄电池, 仅此项可节约400元。广东省按3000座航标计算, 总共可节约120万元。
6.2智能化管理较高
智能一体化太阳能航标灯及航标实时遥测控制系统, 具有电气自动检测功能, 故障自动报警功能, 浮标位移自动报警功能, 定位精度高, 信息实时响应速度快, 可满足内河或近海航标使用。无需人员现场检测维护, 大大地提高航标维护质量, 从而更好地为水上运输提供安全经济的保障。
智能一体化太阳能航标灯与其它遥测航标灯性能比较见表1。
表1. 智能一体化太阳能航标灯与其它遥测航标灯性能比较表
类型
性能
智能一体化太阳能航标灯(AGPS)
DGPS航标定位实时遥测系统
GPS航标定位实时遥测系统
备注
结构组成
一体化
分体
分体
分体由航标灯、 太阳能电池、 蓄电池、 遥测( 定位、 电气检测及通信控制设备) 等四部分组成
电源电压( V)
4
12
6

定位
精度(m)
2-5
取决于基准配布情况
15-20

定位及
电气检测频率
15分钟/次
2小时/次
3小时/次

正常检测
数据查询
2小时/次

3小时/次

功耗
180 mAh
800 mAh

按每天定位48次计算
差分
设备
不需要
专用差分设备
需要专用
差分设备
不需要
专用差分设备

射程( m)
1-6
1-6
1-6

颜色
红、 白、 黄、 绿
红、 白、 黄、 绿
红、 白、 黄、 绿

能耗
低
高
中

维护
方便
麻烦
麻烦

7 结束语
智能一体化太阳能航标灯适用于内河航道及沿海航标上, 应用该智能航标灯, 可大大地提高航标质量, 将推进航标现代化管理步伐, 产生明显的社会和经济效益, 为实现智能航道打下坚定基础, 属新一代的智能航标灯。■

参考文献:
[1] JJ7003-82, 一般航标灯通用技术条件.
[2] JJ7011-93, 85mm、 155mm塑料透镜航标灯.
[3] GB12708-91, 航标灯信号颜色.
[4] GB/T14008-1992, 海上太阳能电池组件总规范.
[5] GB/T6497-1986, 地面用太阳能电池标定的一般规定.
[6] GB/T6497-1986, 通信用阀控式密封铅酸蓄电池技术要求和检测方法.
[7] YD/T1026-1999, 800MHzCDMA数字蜂窝移动通信网络接口技术要求.

智能一体化太阳能航标灯

智能一体化太阳能航标灯安装图