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摘 要：航标运行信息监控系统是保障船舶航行的安全和畅通的一种技术，它在提高航道通航效率及航标助航效能方面起着重要的作用。航标运行信息监控系统的基本原理：航标设备利用内置的GPS芯片接收GPS卫星信号，通过计算后得到航标的位置信息，然后将位置信息通过GSM模块经由移动网络的数据传输平台传输到主控中心的服务器上，将航标的位置及灯光、电源等信息实时显示在特定的电子海图上，有效的及时掌握航道及航标的基本情况，为航道的畅通和船舶的安全通行提供了保障。
关键词：航标运行信息监控系统；电子海图；GP；GSM；GPRS
前言
航道是水上交通网络中一个重要组成部分，其安全质量直接影响着整个水上交通系统。在我国，沿海航标管理由中国海事局负责，各航标处是本辖区航标主管机关。航标主管机关专门在航道航道的堤岸、进出港航道两侧、故障物附近安装各种航标作为警戒导航标志。各种船只可以根据航标灯光及其闪动频率来确定自己的航向，因此，航标是我国海上安全保障体系的重要组成部分，是促进水运经济发展和保障海上运输通道畅通的重要基础性设施，航标的管理与服务是航标主管机关的一项重要职能，其水平的高低直接反映了一个国家，一个地区航海综合保障能力的强弱。随着航运经济的发展和各类海上活动的增加，社会和航海用户对航行安全信息的需求越来越高，这给航标管理者履行航海安全保障的能力和水平提出了新的更好的要求，而航标由于其本身和管理要求的特殊性，面临着信息实时性，管理动态性，反应快速性等诸多方面的困难，成为制约航标事业进一步发展的瓶颈。
中国海事局提出要确保水上交通安全监管的主要指标达到中等发达国家水平，要求我们必须从新的角度和高度来思考航标工作。未来的航标将是以信息化技术为手段，以信息系统为骨架，构筑数字化航标的现代综合航标导航系统，提供全方位、全时段的航标信息服务。随着计算机、网络以及无线通讯技术的快速发展和在国家基础建设中的广泛应用，越来越多的管理者充分认识到随着航标规模的扩大，航标信息化的发展，迫切需要采用现代化的管理手段和技术，对航标的建设和管理进行科学，有效、准确的管理，保障航标设施的正常运行。
“航标运行信息监控系统”能够将航标管理的多个对象和环节，包括航标运行状态监控功能、电子海图显示功能、AIS功能、VTS功能、GPS跟踪定位功能、视频监控功能、安保功能等进行统一的整合和融合，在通讯方式上采用SMS和GPRS两种方式互为备份，保证了信号传输的可靠性，该系统还兼顾了C/S和B/S两种网络构架实现方式，可以同时满足对内航标业务技术管理和对外航标信息公众服务的使用要求，对未来海事监管能力、航标管理质量、公众信息服务能力的提高，均起到非常重要的作用。从2008年开始，该系统陆续在北方海区各航标处推广应用，取得了良好效果。本文将结合研发背景、设计原则、系统构架和关键技术、主要功能等，对该系统的研发和运行情况进行介绍和论述。
1．研发背景
IALA（国际航标协会）在2006年上海第十六届大会上提出了“数字航标”的概念后，"数字航标"的核心思想有两点：一是用数字化手段处理航标信息和航标管理过程中的各个环节；二是实现各类航标和与其有关的水上安全信息的数字化。作为“数字海事”建设的重要组成部分，“十一五”期间，中国海事局确定了围绕“保障水上交通安全”中心任务，以 “数字航标”建设为核心的指导思想和发展理念。航标遥测遥控技术是“数字航标”建设的关键和核心技术之一，航标遥测遥控系统的建设对于转变传统航标管理模式，提高航标管理质量，提升航标社会公共服务能力，都具有十分重要的作用和意义。
“十一五”以来，随着全国海区航标数量的快速增长，航标管理系统一线职工老龄化的加剧，以及航标维护管理成本的提高，以人工巡检为主要方式的航标维护管理模式越来越无法适应未来航标事业的发展，迫切需要新的管理技术和手段取代现有的管理模式。与此同时，航标技术设备的的数字化、智能化程度不断提高，航标系统信息化、网络化建设出具规模，为航标遥测遥控系统的研发和运行奠定了坚实基础。2005年，中国海事局在总结此前多个系统建设经验的基础上，提出并制定了《海区航标遥测遥控系统技术规范》，进一步明确了航标遥测遥控系统所应达到的基本技术要求。
在“科技兴局、人才强局”的发展战略下，天津海事局于2007年立项研发“航标运行信息监控系统”。期间，项目主要研发人员始终坚持以我为主、自主研发的指导思想，以数字化、网络化和智能化为系统建设目标，充分借鉴国内外现有航标遥测遥控系统建设的经验，形成了具有独创的新的思路和设想，并采用先进技术予以实现。
2．设计原则
各级航标管理单位，各层次用户都关心航标运行以及与海上安全有关的各类信息，但由于他们所处于的层级不同，职责不同，需求不同，对航标信息的关注点也就不同。本系统的整体设计思路就是为各级航标管理者和使用者搭建统一的航标和水上安全信息平台，将电子海图信息与显示系统（ECDIS）、航标运行信息(航标遥测遥控)，船舶航行信息（AIS）等各类信息源充分整合，实现在一个平台上相关信息的显示、应用、存储和管理。
本系统的总体设计遵循以下原则：
1.采用先进、成熟及实用的技术；
2.系统应具有集中统一的管理能力，为层级管理提供方便；
3.系统应具有开放性、可扩充性、兼容性和灵活性；
4.系统设计和设备选型应标准化、规范化、国际化；
5.系统必须具有安全性、可靠性、容错性；
6.界面友好，操作简单，便于掌握。
3．设计目标
3.1建立航标运行信息数据库：
及时采集航标终端设备运行参数，通过灵活的设置，不但终端可以根据运行情况的改变随时主动发送运行信息，而且服务器可以定时采集终端的运行参数，同时，系统自动建立实时动态数据库，为管理部门全面掌握航标运行状态，评估航标设备状况，分析航标设备故障原因提供依据。
3.2迅速确定航标设备故障：
系统自动依据航标设备运行参数的变化情况，对航标设备运行异常情况进行自动报警，通过声音、图像、手机短信等方式提示管理人员采取相应措施，并作出运行记录，以便管理部门核查与分析。
3.3提高航标可利用率：
在准确、迅速、及时确定航标设备故障报警的基础上，航标管理部门可对设备故障状况做出快速反应，从而缩短设备维修时间。并且，通过对航标终端设备的运行日志分析，以及预警系统，可以及时发现可能将要发生的故障，及时更换和维护，提高航标设备可利用率。
3.4降低航标维护费用：
航标运行管理人员可随时利用系统的遥测、遥控功能，对航标设备进行测试与控制，确认航标设备运行状态，从而大大减少巡检次数。此外，由于航标管理部门在及时掌握设备运行数据及预警系统的前提下，可以合理调配人力、物力，有计划、有针对性地对航标设备进行维护和检修，从而大大降低航标设备的维护费用。
3.5促进航标管理现代化，提高航标服务质量：
在建立航标运行信息数据库的基础上，航标遥测遥控系统数据自动生成报表，及时准确地提供数据，促进航标管理工作的标准化和规范化，从而进一步提高航标设备的管理质量。
4．系统整体构架及关键技术
“航标运行信息监控系统”整体构架 （如下页图一所示）。整个系统由五部分构成，分别为：
1.航标信息测控终端单元
2.无线通讯单元
3.监控中心单元
4.用户终端显示单元
5.监控系统软件
4.1航标测控终端单元
测控终端设备，即智能化灯器及相关设备，这些设备采用成熟的计算机、通信、电子等技术，基于传感器、MCU或PLC、GPS定位、无线通信等技术研究与开发，是航标灯器及附属设施数据采集控制平台，能够实现稳定可靠远程无线遥测遥控功能。该系统提供并支持的测控终端包括：
（1）大中型智能化旋转灯器（IMA-800、ISA-400、IMA-300、IMA-400灯器）；
（2）基于原大中型旋转灯器加装的智能控制箱（PRB系列、TRB系列、BGA系列等）；
（3）烟台航标处自行研制的智能化LED灯器，包括120mm、200mm小型LED灯器等；
（4）外挂式测控终端（各类灯浮标、灯桩、导标用灯器及海英系列雷达应答器）；
（5）AIS基站机房、灯塔机房等场所的视频和环境监控。
4.1.1GPS功能简介
GPS是Global positioning system 的简称，即全球卫星导航系统。在卫星定位系统出现以前，远程航标与定位主要用无线导航系统。为满足军事和民事部门对实时技术的迫切需要，1973年美国国防部制定了GPS计划，经过20多年的研究，到1994年3月，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座已布设完成，具有高精度、全天候、高效率、多功能、操作简便、应用广泛等特点。
4.2通讯单元
通讯单元是负责通信和指令转发的基本单元，是该系统的重要组成环节。由于航标设备多位于海上及孤岛偏远地区，无法实现有线通讯，必须采用无线传输的方式才能实现监控中心与终端设备之间的信息交互。该系统在通讯单元设计时充分考虑到通讯功能的健壮性、可维护性，支持GPRS、GSM短信等通信方式，同时支持多种通讯设备，并可以针对不同的现场情况在各通信方式之间进行自动转换。
4.2.1GSM功能简介
GSM（数字移动通信系统）是目前基于时分多址技术的移动通信体制中最成熟、最完善、应用最广的一种系统。我国目前已经建成了覆盖全国的GSM数字蜂窝移动通信网，它是我国公众陆地移动通信网的主要方式，接受信息可以通过SMS短信，也可以通过GPRS网络，对海上浮标的信号作用距离可达30海里以上，基本可以满足航标数据通信的要求。
4.3监控中心单元
监控中心单元主要由服务器系统、网络配置和监控界面显示三部分构成。
4.3.1服务器系统
根据系统安全性和各部分功能的需要，“航标运行信息监控系统”配置的服务器包括：
(1）计算中心服务器：负责自动解析、运算主控机数据以及其它集中运算；
(2）数据库服务器：用于安装数据库软件，实现数据的集中存储；
(3）应用层服务器：主要服务程序安装于此；
(4）WEB服务器：网站服务器，实现客户端浏览器的访问响应；
(5）C/S架构代理服务器：电子海图用户通过此代理服务器访问，增加了系统的安全性。
图一:
4.3.2 网络配置
(1)管理通信网
管理通信网由海区及各航标处己建设完成的计算机综合布线系统组成，负责监控中心内各数据处理终端、IE浏览器与服务器间的数据通信任务。并通过交通部系统内部网完成向上级管理部门的数据传送。
(2)处、站级间数据通信网
航标处监控中心与航标站监控分中心间，采用公用有线通信网提供的ADSL、城域网宽带等组网方式，实现航标处监控中心与航标站监控分中心间的双向数据通信。
4.3.3监控界面显示
监控中心采用显示前台和维护后台分别显示的方式，一方面增强了系统的安全性，同时也使系统维护和管理应用更加方便。
（1）基于电子海图显示的前台监控界面，系统自动通过代理服务器访问数据库，可以动态刷新授权范围内的航标监控信息，并执行基本的电子海图功能，可以实现航标移动轨迹历史回放、航标历史位置点状平面图的功能。
（2)基于系统数据库显示的后台维护界面，并提供远程WEB浏览功能，主要用于航标基础数据的录入，航标监控信息的记录、统计，查询，报表生成等功能，通过多层服务器，实现与数据服务器的双向数据交换。该部分可作为系统后台管理界面，同时也可通过用户注册和授权的方式，为不需要电子海图功能的用户终端提供监控信息显示。
4.4电子海图
4.4.1介绍
电子海图就是纸质海图的电子版，它将真实的海上信息及人工物标，通过一些特定的符号来显示并按类存储，主要有水深点、等深线、航道线、岸基线、航标灯标识等，从而形成了海图数据文件，电子海图能基于现代计算机的强大功能，实现很多在纸质海图上不能或者不方便实现的功能，如大量航海信息的查询，众多信息的接收及自动标绘，航海日志、航海作业及计算等。电子海图由三部分组成：硬件设备及接口、海图显示界面、海图数据库。
4.4.2电子海图数据库
航标运行信息监控系统使用的是采用了中国海事局标准的电子海图显示与信息系统（ECDIS），属于海图显示界面，专门用来显示官方电子导航海图（ENC）。而ENC是唯一可以合法地用于ECDIS上的电子海图数据库。
4.5用户终端监控界面
本系统采用了C/S和B/S两种网络构架方式相结合的模式，可以针对不同部门、层次和级别用户，提供不同的界面模式。
4.5.1基于C/S架构下电子海图的用户终端
该终端采用了中国海事局标准的易迈普电子海图系统，支持S-57数据格式和S-52显示格式，支持基本电子海图功能。该型终端除可以满足航标管理单位的使用外，还可以提供给海事通航、VTS、救助、航运公司等单位和部门使用。
4.5.2基于B/S架构下的系统后台维护终端
该终端可显示航标的监控值班信息，并进行基础数据的录入，统计，查询，报表生成等，既可以作为监控中心的后台管理系统，同时也可通过用户授权的方式，实现不同层级用户终端的应用。该型终端可以提供WEB远程登录，系统管理员可以实现系统远程维护，同时也可开放不同级别的用户，方便航标管理者和航标用户随时随地查询航标实时信息。
4.6监控系统软件
4.6.1软件开发平台
该系统主体采用B/S架构的多层设计，使用J2EE技术平台开发，各层之间独立设计，仅通过提供的接口访问，且在大规模应用中支持服务器集群，大大提高了吞吐量和稳定性。系统还具有跨平台的优点，可以满足终端用户迅速扩张的需求。采用MySQL数据库系统作为数据管理平台，满足大量数据存储的同时，大大降低了开发成本。
4.6.2 基于电子海图及航标信息可视化显示技术
电子海图采用中国海事局认可的开发控件二次开发，完全符合部级标准。与一般电子海图应用不同，为了系统安全，我们专门开发了数据库代理服务器软件，防止数据库直接对外开放，增加了系统的健壮性和安全性。
4.6.3 灵活的方案配置技术和科学合理的系统软件架构
本系统在系统完整性的前提下，采用低耦合、模块化设计风格，可以根据不同的用户规模和需求灵活搭建，服务器的数量，软件的选择均可灵活配置，避免造成资源浪费，且具有较好的可扩展性。
根据现行航标管理体制和实现需求，航标运行信息监控系统分为多层，主要包括：
（1）航标终端：包括航标灯塔、雷达应答器，导标、灯浮标，灯桩等；
（2）通讯管理机：负责与灯器的通讯；
（3）数据库服务器：存储海量数据；
（4）地图服务器：提供电子海图显示功能；
（5）应用层：主要的业务逻辑存放在这里；
（6）计算中心：自动解析、运算主控机数据以及其它集中运算；
（7）Web层：为操作人员提供界面，并与后台业务逻辑和数据隔离，提高了安全性；
（8）用户浏览器层：可以是IE、Firefox等浏览器；
（9）电子海图用户层：电子海图安装在使用者的计算机上，显示速度快、精确。
4.6.4系统安全性
（1）系统用户授权策略
系统中任何用户要使用系统的数据和通讯服务，都要经过系统的授权，用户每一次访问本系统平台，都要经过系统的鉴权，未经授权的用户不能使用服务，同时对重要的、不可恢复的操作进行警告提示，给用户确认和撤销的机会。对重要数据进行备份、加密，确保系统的稳定运行和快速恢复。
（2）集群服务器系统及冗余备份策略
系统服务器采用高度可靠的集群服务器系统，并且采用了RAID5冗余备份格式，既提高了用户访问效率，又最大可能地保证了系统稳定性和数据安全性。
（3）代理服务器隔离策略
在终端用户和服务器之间搭建了高性能代理服务器，大幅提高了系统安全性。代理服务器软件采用了多线程、数据库连接池、并发处理等多项高端技术，具有高性能、高可靠性、高安全性、高吞吐量和处理效率。
（4）硬件加密策略
C/S平台采用了硬件加密狗，系统运行必须使用加密狗，进一步保障了系统的安全，防止恶意用户的操作以及盗版。
5．主要功能介绍
5.1航标终端的遥测遥控及数据传送功能
航标测控终端主动采集航标设备运行的各项工作参数及GPS定位信息，周期性地上传给航标监控中心，测控终端设备同时具备执行航标监控中心各项控制指令的功能。
系统依据实时监测参数，自动判断航标设备运行状态、运行参数以及工作环境状态的变化，如有设定的异常情况发生，则立即上报，在监控中心显示报警，以进行相应的处理。
航标测控终端单元采集和监控的主要信息包括：
（1）灯塔、灯桩：开关灯状态、主备灯的工作电压、工作电流、换泡机状态（有）、灯质、环境温度、环境光等。
（2）灯浮标：开关灯状态、灯器工作电压、工作电流、灯质，灯浮标位置（GPS）、环境温度、环境光、碰撞加速度等。
(3）雷达应答器：工作电压、工作电流、工作状态。
(4）AIS基站或灯塔场所：工作电压、电流，环境温湿度，红外、烟雾探测报警，视频监测。
(5）供电系统（市电、太阳能、蓄电池）：工作电压电流，充放电电压、电流，UPS工作参数，蓄电池单体电池电压、剩余电量监测。
5.2多通信方式自动转换功能
系统支持GPRS、GSM短信等多种通信方式，支持多种通信设备如短信机、短信调制解调器，并提供多种组合功能，方便实现不同通讯方式的自动转换，满足用户不同需求。
5.3智能值班室功能及异常报警功能
系统设有专门的“数据处理中心”软件，自动判断终端工作是否正常，如有异常，及时发出报警或弹出遥测遥控窗口。
5.4基于电子海图显示功能
系统支持支持S-57格式文件，显示支持S-52格式。用户可以在海图上直观的对各种航标设备进行遥测遥控，并可进行海图基本操作、测距和航标运行轨迹回放等功能。
5.5数据分析、报表功能
系统具有数据分析、日报月报等多种报表功能，为管理人员提供科学的维护、决策依据。
5.6远程视频监控技术
鉴于部分航标位于孤岛，采用微波或AIS网络传输实现图像采集与传输。视频图像信息传送到监控中心，在中心实现远程监控和录像。
5.7系统安全防护功能
在整个系统软件的设计过程中，采用权限管理的方式来保障安全性，用户权限上划为海区、处、站三级，最高权限为海区。遥测遥控指令功能划为查询、设置、全权三种权限，与用户权限结合，对内提供权限安全保障。在用户连接层面，采用并发隔离算法、超时校验、自动掉线等多种安全措施。
6．与国内外同类系统对比情况
目前，国内外已经建成并应用了多种类型的航标遥控遥测系统，但大多系统均根据某些具体的环境（如地形、重力特征、无线信号强度等等）而设计，且每个系统的侧重点也有很大的不同。有的侧重终端设备如灯塔、灯浮，有的侧重于对终端设备的监控与管理。
本系统既有前端设备的设计与改进，又有后台系统对前端设备运行状态进行监控。前端设备部分既考虑到现有设备的充分利用，又结合国际先进技术改造现有设备和设计制作新的灯塔、灯浮等设备，在改造与设计的过程中，充分考虑到了点多、线长、面广，航标及基层站点布设分散等各种现实复杂条件；后台系统分为B/S和C/S两部分，基于电子海图显示的前台采用C/S构架，除能够发送指令外，不能够对基础数据进行修改，与服务器单向联系，而系统维护后台采用B/S构架，基础数据的录入，统计，查询，报表生成等功能在后台进行，通过多层服务器，实现与数据服务器的双向数据交换。航标设备通过无线通信技术自动将运行状态回传至信息中心，并能够接受信息中心的指令对设备进行设置。系统还支持电子海图、开放式通信协议、智能值班室，并具有较高的可靠性、安全性和处理效率，不论是前端设备还是遥测遥控软件系统的设计，在国内外同类系统中都具有一定的先进性。
由于该系统平台的搭建实现了高起点，具有很好的扩展性和兼容性，未来可以在该平台上进一步整合AIS、VTS、CCTV、RS以及气象、水文、潮汐等信息，打造成为集各类海上安全信息为一体的航海保障综合信息服务系统。
7.系统应用情况
该系统目前已在烟台航标处、营口航标处、青岛航标处等单位安装使用，对烟台航标处辖区的18座灯塔、17座灯桩、4座导标、1座AIS基站以及潍坊港、莱州港、龙口港、蓬长水域、烟台港、石岛港和营口航标处辖区的鲅鱼圈港等共计400余座灯浮标实现了遥测遥控，并参与了青岛奥帆赛安保工程，为青岛航标处安装了该系统，用于奥帆赛竞赛水域灯浮标的遥测遥控。经过近几年的使用，各单位，尤其是一线航标管理人员对该系统给予了很高评价，认为该系统具有操作便捷，界面良好，运行稳定、性能可靠，系统兼容性、可扩展性较强的特点，实现了对航标运行信息的实时监控，能够有效的提高管理效率，提升管理质量，降低管理成本，为传统航标管理模式转变奠定了基础，适应航标事业发展的新形势、新任务。
结束语
根据中国海事局下发的《海事系统“十二五”发展规划（征求意见稿）》中提出的要求，要确保基本建成多层次、多手段、多重覆盖、高效能的综合助航体系，全面提升全国沿海航标的综合管理水平和助航服务能力。关于航标管理工作，主要保障措施的第一条就是初步建成中国沿海航标导助航服务综合体系，构建统一的航海保障信息平台并逐步拓展，形成航海保障综合信息服务系统。实现对辖区船舶动态的实时监控、航标状态的实时监控和航行环境的多维表现，通过多种信息传输载体和显示模式提供安全信息服务。航海保障综合信息服务系统的建设，必然对航标技术设备应用、航标管理模式、航标运行机制等带来极大的冲击和改变。航标管理作为其中的一个子系统，必须适应这个大的系统的构建。“航标运行信息监控系统”的研发，适应了“数字航标”建设的发展需要，是天津海事局“科技兴局”战略实施的又一项重要科研成果。由于笔者能力有限，文中难免错误和不妥之处，敬请各位领导、专家指正，也欢迎大家针对系统的运行情况多提宝贵建议，帮助我们进一步提高完善，在航标管理中发挥更大的作用。
关键词：航标运行信息监控系统；电子海图；GP；GSM；GPRS
前言
航道是水上交通网络中一个重要组成部分，其安全质量直接影响着整个水上交通系统。在我国，沿海航标管理由中国海事局负责，各航标处是本辖区航标主管机关。航标主管机关专门在航道航道的堤岸、进出港航道两侧、故障物附近安装各种航标作为警戒导航标志。各种船只可以根据航标灯光及其闪动频率来确定自己的航向，因此，航标是我国海上安全保障体系的重要组成部分，是促进水运经济发展和保障海上运输通道畅通的重要基础性设施，航标的管理与服务是航标主管机关的一项重要职能，其水平的高低直接反映了一个国家，一个地区航海综合保障能力的强弱。随着航运经济的发展和各类海上活动的增加，社会和航海用户对航行安全信息的需求越来越高，这给航标管理者履行航海安全保障的能力和水平提出了新的更好的要求，而航标由于其本身和管理要求的特殊性，面临着信息实时性，管理动态性，反应快速性等诸多方面的困难，成为制约航标事业进一步发展的瓶颈。
中国海事局提出要确保水上交通安全监管的主要指标达到中等发达国家水平，要求我们必须从新的角度和高度来思考航标工作。未来的航标将是以信息化技术为手段，以信息系统为骨架，构筑数字化航标的现代综合航标导航系统，提供全方位、全时段的航标信息服务。随着计算机、网络以及无线通讯技术的快速发展和在国家基础建设中的广泛应用，越来越多的管理者充分认识到随着航标规模的扩大，航标信息化的发展，迫切需要采用现代化的管理手段和技术，对航标的建设和管理进行科学，有效、准确的管理，保障航标设施的正常运行。
“航标运行信息监控系统”能够将航标管理的多个对象和环节，包括航标运行状态监控功能、电子海图显示功能、AIS功能、VTS功能、GPS跟踪定位功能、视频监控功能、安保功能等进行统一的整合和融合，在通讯方式上采用SMS和GPRS两种方式互为备份，保证了信号传输的可靠性，该系统还兼顾了C/S和B/S两种网络构架实现方式，可以同时满足对内航标业务技术管理和对外航标信息公众服务的使用要求，对未来海事监管能力、航标管理质量、公众信息服务能力的提高，均起到非常重要的作用。从2008年开始，该系统陆续在北方海区各航标处推广应用，取得了良好效果。本文将结合研发背景、设计原则、系统构架和关键技术、主要功能等，对该系统的研发和运行情况进行介绍和论述。
1．研发背景
IALA（国际航标协会）在2006年上海第十六届大会上提出了“数字航标”的概念后，"数字航标"的核心思想有两点：一是用数字化手段处理航标信息和航标管理过程中的各个环节；二是实现各类航标和与其有关的水上安全信息的数字化。作为“数字海事”建设的重要组成部分，“十一五”期间，中国海事局确定了围绕“保障水上交通安全”中心任务，以 “数字航标”建设为核心的指导思想和发展理念。航标遥测遥控技术是“数字航标”建设的关键和核心技术之一，航标遥测遥控系统的建设对于转变传统航标管理模式，提高航标管理质量，提升航标社会公共服务能力，都具有十分重要的作用和意义。
“十一五”以来，随着全国海区航标数量的快速增长，航标管理系统一线职工老龄化的加剧，以及航标维护管理成本的提高，以人工巡检为主要方式的航标维护管理模式越来越无法适应未来航标事业的发展，迫切需要新的管理技术和手段取代现有的管理模式。与此同时，航标技术设备的的数字化、智能化程度不断提高，航标系统信息化、网络化建设出具规模，为航标遥测遥控系统的研发和运行奠定了坚实基础。2005年，中国海事局在总结此前多个系统建设经验的基础上，提出并制定了《海区航标遥测遥控系统技术规范》，进一步明确了航标遥测遥控系统所应达到的基本技术要求。
在“科技兴局、人才强局”的发展战略下，天津海事局于2007年立项研发“航标运行信息监控系统”。期间，项目主要研发人员始终坚持以我为主、自主研发的指导思想，以数字化、网络化和智能化为系统建设目标，充分借鉴国内外现有航标遥测遥控系统建设的经验，形成了具有独创的新的思路和设想，并采用先进技术予以实现。
2．设计原则
各级航标管理单位，各层次用户都关心航标运行以及与海上安全有关的各类信息，但由于他们所处于的层级不同，职责不同，需求不同，对航标信息的关注点也就不同。本系统的整体设计思路就是为各级航标管理者和使用者搭建统一的航标和水上安全信息平台，将电子海图信息与显示系统（ECDIS）、航标运行信息(航标遥测遥控)，船舶航行信息（AIS）等各类信息源充分整合，实现在一个平台上相关信息的显示、应用、存储和管理。
本系统的总体设计遵循以下原则：
1.采用先进、成熟及实用的技术；
2.系统应具有集中统一的管理能力，为层级管理提供方便；
3.系统应具有开放性、可扩充性、兼容性和灵活性；
4.系统设计和设备选型应标准化、规范化、国际化；
5.系统必须具有安全性、可靠性、容错性；
6.界面友好，操作简单，便于掌握。
3．设计目标
3.1建立航标运行信息数据库：
及时采集航标终端设备运行参数，通过灵活的设置，不但终端可以根据运行情况的改变随时主动发送运行信息，而且服务器可以定时采集终端的运行参数，同时，系统自动建立实时动态数据库，为管理部门全面掌握航标运行状态，评估航标设备状况，分析航标设备故障原因提供依据。
3.2迅速确定航标设备故障：
系统自动依据航标设备运行参数的变化情况，对航标设备运行异常情况进行自动报警，通过声音、图像、手机短信等方式提示管理人员采取相应措施，并作出运行记录，以便管理部门核查与分析。
3.3提高航标可利用率：
在准确、迅速、及时确定航标设备故障报警的基础上，航标管理部门可对设备故障状况做出快速反应，从而缩短设备维修时间。并且，通过对航标终端设备的运行日志分析，以及预警系统，可以及时发现可能将要发生的故障，及时更换和维护，提高航标设备可利用率。
3.4降低航标维护费用：
航标运行管理人员可随时利用系统的遥测、遥控功能，对航标设备进行测试与控制，确认航标设备运行状态，从而大大减少巡检次数。此外，由于航标管理部门在及时掌握设备运行数据及预警系统的前提下，可以合理调配人力、物力，有计划、有针对性地对航标设备进行维护和检修，从而大大降低航标设备的维护费用。
3.5促进航标管理现代化，提高航标服务质量：
在建立航标运行信息数据库的基础上，航标遥测遥控系统数据自动生成报表，及时准确地提供数据，促进航标管理工作的标准化和规范化，从而进一步提高航标设备的管理质量。
4．系统整体构架及关键技术
“航标运行信息监控系统”整体构架 （如下页图一所示）。整个系统由五部分构成，分别为：
1.航标信息测控终端单元
2.无线通讯单元
3.监控中心单元
4.用户终端显示单元
5.监控系统软件
4.1航标测控终端单元
测控终端设备，即智能化灯器及相关设备，这些设备采用成熟的计算机、通信、电子等技术，基于传感器、MCU或PLC、GPS定位、无线通信等技术研究与开发，是航标灯器及附属设施数据采集控制平台，能够实现稳定可靠远程无线遥测遥控功能。该系统提供并支持的测控终端包括：
（1）大中型智能化旋转灯器（IMA-800、ISA-400、IMA-300、IMA-400灯器）；
（2）基于原大中型旋转灯器加装的智能控制箱（PRB系列、TRB系列、BGA系列等）；
（3）烟台航标处自行研制的智能化LED灯器，包括120mm、200mm小型LED灯器等；
（4）外挂式测控终端（各类灯浮标、灯桩、导标用灯器及海英系列雷达应答器）；
（5）AIS基站机房、灯塔机房等场所的视频和环境监控。
4.1.1GPS功能简介
GPS是Global positioning system 的简称，即全球卫星导航系统。在卫星定位系统出现以前，远程航标与定位主要用无线导航系统。为满足军事和民事部门对实时技术的迫切需要，1973年美国国防部制定了GPS计划，经过20多年的研究，到1994年3月，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座已布设完成，具有高精度、全天候、高效率、多功能、操作简便、应用广泛等特点。
4.2通讯单元
通讯单元是负责通信和指令转发的基本单元，是该系统的重要组成环节。由于航标设备多位于海上及孤岛偏远地区，无法实现有线通讯，必须采用无线传输的方式才能实现监控中心与终端设备之间的信息交互。该系统在通讯单元设计时充分考虑到通讯功能的健壮性、可维护性，支持GPRS、GSM短信等通信方式，同时支持多种通讯设备，并可以针对不同的现场情况在各通信方式之间进行自动转换。
4.2.1GSM功能简介
GSM（数字移动通信系统）是目前基于时分多址技术的移动通信体制中最成熟、最完善、应用最广的一种系统。我国目前已经建成了覆盖全国的GSM数字蜂窝移动通信网，它是我国公众陆地移动通信网的主要方式，接受信息可以通过SMS短信，也可以通过GPRS网络，对海上浮标的信号作用距离可达30海里以上，基本可以满足航标数据通信的要求。
4.3监控中心单元
监控中心单元主要由服务器系统、网络配置和监控界面显示三部分构成。
4.3.1服务器系统
根据系统安全性和各部分功能的需要，“航标运行信息监控系统”配置的服务器包括：
(1）计算中心服务器：负责自动解析、运算主控机数据以及其它集中运算；
(2）数据库服务器：用于安装数据库软件，实现数据的集中存储；
(3）应用层服务器：主要服务程序安装于此；
(4）WEB服务器：网站服务器，实现客户端浏览器的访问响应；
(5）C/S架构代理服务器：电子海图用户通过此代理服务器访问，增加了系统的安全性。
图一:
4.3.2 网络配置
(1)管理通信网
管理通信网由海区及各航标处己建设完成的计算机综合布线系统组成，负责监控中心内各数据处理终端、IE浏览器与服务器间的数据通信任务。并通过交通部系统内部网完成向上级管理部门的数据传送。
(2)处、站级间数据通信网
航标处监控中心与航标站监控分中心间，采用公用有线通信网提供的ADSL、城域网宽带等组网方式，实现航标处监控中心与航标站监控分中心间的双向数据通信。
4.3.3监控界面显示
监控中心采用显示前台和维护后台分别显示的方式，一方面增强了系统的安全性，同时也使系统维护和管理应用更加方便。
（1）基于电子海图显示的前台监控界面，系统自动通过代理服务器访问数据库，可以动态刷新授权范围内的航标监控信息，并执行基本的电子海图功能，可以实现航标移动轨迹历史回放、航标历史位置点状平面图的功能。
（2)基于系统数据库显示的后台维护界面，并提供远程WEB浏览功能，主要用于航标基础数据的录入，航标监控信息的记录、统计，查询，报表生成等功能，通过多层服务器，实现与数据服务器的双向数据交换。该部分可作为系统后台管理界面，同时也可通过用户注册和授权的方式，为不需要电子海图功能的用户终端提供监控信息显示。
4.4电子海图
4.4.1介绍
电子海图就是纸质海图的电子版，它将真实的海上信息及人工物标，通过一些特定的符号来显示并按类存储，主要有水深点、等深线、航道线、岸基线、航标灯标识等，从而形成了海图数据文件，电子海图能基于现代计算机的强大功能，实现很多在纸质海图上不能或者不方便实现的功能，如大量航海信息的查询，众多信息的接收及自动标绘，航海日志、航海作业及计算等。电子海图由三部分组成：硬件设备及接口、海图显示界面、海图数据库。
4.4.2电子海图数据库
航标运行信息监控系统使用的是采用了中国海事局标准的电子海图显示与信息系统（ECDIS），属于海图显示界面，专门用来显示官方电子导航海图（ENC）。而ENC是唯一可以合法地用于ECDIS上的电子海图数据库。
4.5用户终端监控界面
本系统采用了C/S和B/S两种网络构架方式相结合的模式，可以针对不同部门、层次和级别用户，提供不同的界面模式。
4.5.1基于C/S架构下电子海图的用户终端
该终端采用了中国海事局标准的易迈普电子海图系统，支持S-57数据格式和S-52显示格式，支持基本电子海图功能。该型终端除可以满足航标管理单位的使用外，还可以提供给海事通航、VTS、救助、航运公司等单位和部门使用。
4.5.2基于B/S架构下的系统后台维护终端
该终端可显示航标的监控值班信息，并进行基础数据的录入，统计，查询，报表生成等，既可以作为监控中心的后台管理系统，同时也可通过用户授权的方式，实现不同层级用户终端的应用。该型终端可以提供WEB远程登录，系统管理员可以实现系统远程维护，同时也可开放不同级别的用户，方便航标管理者和航标用户随时随地查询航标实时信息。
4.6监控系统软件
4.6.1软件开发平台
该系统主体采用B/S架构的多层设计，使用J2EE技术平台开发，各层之间独立设计，仅通过提供的接口访问，且在大规模应用中支持服务器集群，大大提高了吞吐量和稳定性。系统还具有跨平台的优点，可以满足终端用户迅速扩张的需求。采用MySQL数据库系统作为数据管理平台，满足大量数据存储的同时，大大降低了开发成本。
4.6.2 基于电子海图及航标信息可视化显示技术
电子海图采用中国海事局认可的开发控件二次开发，完全符合部级标准。与一般电子海图应用不同，为了系统安全，我们专门开发了数据库代理服务器软件，防止数据库直接对外开放，增加了系统的健壮性和安全性。
4.6.3 灵活的方案配置技术和科学合理的系统软件架构
本系统在系统完整性的前提下，采用低耦合、模块化设计风格，可以根据不同的用户规模和需求灵活搭建，服务器的数量，软件的选择均可灵活配置，避免造成资源浪费，且具有较好的可扩展性。
根据现行航标管理体制和实现需求，航标运行信息监控系统分为多层，主要包括：
（1）航标终端：包括航标灯塔、雷达应答器，导标、灯浮标，灯桩等；
（2）通讯管理机：负责与灯器的通讯；
（3）数据库服务器：存储海量数据；
（4）地图服务器：提供电子海图显示功能；
（5）应用层：主要的业务逻辑存放在这里；
（6）计算中心：自动解析、运算主控机数据以及其它集中运算；
（7）Web层：为操作人员提供界面，并与后台业务逻辑和数据隔离，提高了安全性；
（8）用户浏览器层：可以是IE、Firefox等浏览器；
（9）电子海图用户层：电子海图安装在使用者的计算机上，显示速度快、精确。
4.6.4系统安全性
（1）系统用户授权策略
系统中任何用户要使用系统的数据和通讯服务，都要经过系统的授权，用户每一次访问本系统平台，都要经过系统的鉴权，未经授权的用户不能使用服务，同时对重要的、不可恢复的操作进行警告提示，给用户确认和撤销的机会。对重要数据进行备份、加密，确保系统的稳定运行和快速恢复。
（2）集群服务器系统及冗余备份策略
系统服务器采用高度可靠的集群服务器系统，并且采用了RAID5冗余备份格式，既提高了用户访问效率，又最大可能地保证了系统稳定性和数据安全性。
（3）代理服务器隔离策略
在终端用户和服务器之间搭建了高性能代理服务器，大幅提高了系统安全性。代理服务器软件采用了多线程、数据库连接池、并发处理等多项高端技术，具有高性能、高可靠性、高安全性、高吞吐量和处理效率。
（4）硬件加密策略
C/S平台采用了硬件加密狗，系统运行必须使用加密狗，进一步保障了系统的安全，防止恶意用户的操作以及盗版。
5．主要功能介绍
5.1航标终端的遥测遥控及数据传送功能
航标测控终端主动采集航标设备运行的各项工作参数及GPS定位信息，周期性地上传给航标监控中心，测控终端设备同时具备执行航标监控中心各项控制指令的功能。
系统依据实时监测参数，自动判断航标设备运行状态、运行参数以及工作环境状态的变化，如有设定的异常情况发生，则立即上报，在监控中心显示报警，以进行相应的处理。
航标测控终端单元采集和监控的主要信息包括：
（1）灯塔、灯桩：开关灯状态、主备灯的工作电压、工作电流、换泡机状态（有）、灯质、环境温度、环境光等。
（2）灯浮标：开关灯状态、灯器工作电压、工作电流、灯质，灯浮标位置（GPS）、环境温度、环境光、碰撞加速度等。
(3）雷达应答器：工作电压、工作电流、工作状态。
(4）AIS基站或灯塔场所：工作电压、电流，环境温湿度，红外、烟雾探测报警，视频监测。
(5）供电系统（市电、太阳能、蓄电池）：工作电压电流，充放电电压、电流，UPS工作参数，蓄电池单体电池电压、剩余电量监测。
5.2多通信方式自动转换功能
系统支持GPRS、GSM短信等多种通信方式，支持多种通信设备如短信机、短信调制解调器，并提供多种组合功能，方便实现不同通讯方式的自动转换，满足用户不同需求。
5.3智能值班室功能及异常报警功能
系统设有专门的“数据处理中心”软件，自动判断终端工作是否正常，如有异常，及时发出报警或弹出遥测遥控窗口。
5.4基于电子海图显示功能
系统支持支持S-57格式文件，显示支持S-52格式。用户可以在海图上直观的对各种航标设备进行遥测遥控，并可进行海图基本操作、测距和航标运行轨迹回放等功能。
5.5数据分析、报表功能
系统具有数据分析、日报月报等多种报表功能，为管理人员提供科学的维护、决策依据。
5.6远程视频监控技术
鉴于部分航标位于孤岛，采用微波或AIS网络传输实现图像采集与传输。视频图像信息传送到监控中心，在中心实现远程监控和录像。
5.7系统安全防护功能
在整个系统软件的设计过程中，采用权限管理的方式来保障安全性，用户权限上划为海区、处、站三级，最高权限为海区。遥测遥控指令功能划为查询、设置、全权三种权限，与用户权限结合，对内提供权限安全保障。在用户连接层面，采用并发隔离算法、超时校验、自动掉线等多种安全措施。
6．与国内外同类系统对比情况
目前，国内外已经建成并应用了多种类型的航标遥控遥测系统，但大多系统均根据某些具体的环境（如地形、重力特征、无线信号强度等等）而设计，且每个系统的侧重点也有很大的不同。有的侧重终端设备如灯塔、灯浮，有的侧重于对终端设备的监控与管理。
本系统既有前端设备的设计与改进，又有后台系统对前端设备运行状态进行监控。前端设备部分既考虑到现有设备的充分利用，又结合国际先进技术改造现有设备和设计制作新的灯塔、灯浮等设备，在改造与设计的过程中，充分考虑到了点多、线长、面广，航标及基层站点布设分散等各种现实复杂条件；后台系统分为B/S和C/S两部分，基于电子海图显示的前台采用C/S构架，除能够发送指令外，不能够对基础数据进行修改，与服务器单向联系，而系统维护后台采用B/S构架，基础数据的录入，统计，查询，报表生成等功能在后台进行，通过多层服务器，实现与数据服务器的双向数据交换。航标设备通过无线通信技术自动将运行状态回传至信息中心，并能够接受信息中心的指令对设备进行设置。系统还支持电子海图、开放式通信协议、智能值班室，并具有较高的可靠性、安全性和处理效率，不论是前端设备还是遥测遥控软件系统的设计，在国内外同类系统中都具有一定的先进性。
由于该系统平台的搭建实现了高起点，具有很好的扩展性和兼容性，未来可以在该平台上进一步整合AIS、VTS、CCTV、RS以及气象、水文、潮汐等信息，打造成为集各类海上安全信息为一体的航海保障综合信息服务系统。
7.系统应用情况
该系统目前已在烟台航标处、营口航标处、青岛航标处等单位安装使用，对烟台航标处辖区的18座灯塔、17座灯桩、4座导标、1座AIS基站以及潍坊港、莱州港、龙口港、蓬长水域、烟台港、石岛港和营口航标处辖区的鲅鱼圈港等共计400余座灯浮标实现了遥测遥控，并参与了青岛奥帆赛安保工程，为青岛航标处安装了该系统，用于奥帆赛竞赛水域灯浮标的遥测遥控。经过近几年的使用，各单位，尤其是一线航标管理人员对该系统给予了很高评价，认为该系统具有操作便捷，界面良好，运行稳定、性能可靠，系统兼容性、可扩展性较强的特点，实现了对航标运行信息的实时监控，能够有效的提高管理效率，提升管理质量，降低管理成本，为传统航标管理模式转变奠定了基础，适应航标事业发展的新形势、新任务。
结束语
根据中国海事局下发的《海事系统“十二五”发展规划（征求意见稿）》中提出的要求，要确保基本建成多层次、多手段、多重覆盖、高效能的综合助航体系，全面提升全国沿海航标的综合管理水平和助航服务能力。关于航标管理工作，主要保障措施的第一条就是初步建成中国沿海航标导助航服务综合体系，构建统一的航海保障信息平台并逐步拓展，形成航海保障综合信息服务系统。实现对辖区船舶动态的实时监控、航标状态的实时监控和航行环境的多维表现，通过多种信息传输载体和显示模式提供安全信息服务。航海保障综合信息服务系统的建设，必然对航标技术设备应用、航标管理模式、航标运行机制等带来极大的冲击和改变。航标管理作为其中的一个子系统，必须适应这个大的系统的构建。“航标运行信息监控系统”的研发，适应了“数字航标”建设的发展需要，是天津海事局“科技兴局”战略实施的又一项重要科研成果。由于笔者能力有限，文中难免错误和不妥之处，敬请各位领导、专家指正，也欢迎大家针对系统的运行情况多提宝贵建议，帮助我们进一步提高完善，在航标管理中发挥更大的作用。