四季通用冰区灯浮标开发与应用浅析
王永利+何扶文
摘要：本文对北海海区冰情进行了简要介绍，总结归纳了海冰对常规灯浮标以及航标管理工作的影响，在分析四季通用冰区灯浮标的性能要求和现有冰标的航标效能现状的基础上，指出了四季通用冰区灯浮标的研发思路和应用前景。
关键词：四季通用冰区灯浮标 开发 应用
1 前 言
我国北方的冰冻港口，如营口港、秦皇岛港、天津港等，受冬季海冰的影响，每年冬季冰期来临前将常规灯浮标撤除或更换为冰期灯浮标，待春季冰期结束后，再重新设置或更换为常规灯浮标。对于冰冻港口的航标管理部门，每年春、冬两季的换标作业是一项艰巨的任务。随着振兴东北老工业基地和发展天津滨海新区战略的实施，辽宁沿海经济带、山东半岛蓝色经济区、黄河三角洲高效生态经济区也相继上升为国家发展战略，河北省也提出了建设沿海经济强省的战略目标，以滨海新区为龙头的环渤海地区开发开放进入了新一轮的快速发展期，并已初步成为我国经济增长的第三极。“十二五”期间，丹东海洋红港区、大连长兴岛港区、大连太平湾港区、盘锦港、锦州龙栖湾港区、葫芦岛石河港区、秦皇岛山海关港区、唐山曹妃甸港区、天津南港港区、烟台西港区、青岛董家口港区、日照岚山港区等十二大热点区域有较大规模的港口建设规划，“十二五”期间上述区域的规划吞吐量增长多数在亿吨左右。环渤海港口飞速建设，航标数量日益增加，春、冬季换标作业的压力也将成倍增长。面对这一沉重的负担，不能硬着头皮走老路，而要在满足港口发展需要的大前提下，转变思想走出一条创新发展之路。当务之急是依靠科技创新，研发一款具备足够的导抗冰性能且能够长期持续发挥助航效能的通用灯浮标，即四季通用冰区灯浮标。这是摆在航标人面前的一个新课题。
2 北海海区冰情简介
地球上各大洋海水平均盐度为34.48‰，海水的冰点在-1.9℃左右。渤海及黄海北部地区恰好是北半球冰圈的最南端。整个黄渤海地区，辽东湾冰期最长，冰情也最严重，渤海湾次之，莱州湾最轻。每年冰期通常在11月底到次年2月底。其中1月至2月上旬，冰情较重，称“盛冰期”。冬季黄渤海地区最常出现的冰情状况是常冰年。由于寒潮侵袭造成的长时间持续低温是我国近海海冰生成的主要原因，海冰形成后，伴随着天气回暖，气温和水温上升，海冰也逐渐融解消失。因此，我国的海冰都是当年度生消的，无“二冬冰”及“多年冰”。
3 海冰对航标管理工作的影响
3.1 海冰对常规灯浮标的影响
进入冰期后，海面溅浪在灯浮标的鼓面、灯浮标架上积累冻结，浮标上部加重，严重时造成大的倾斜角，使其浸没在水中，并可能造成灯器及供电系统损坏。随着冰情的加重，浮冰厚度和面积逐渐增大，随着风、潮流的影响来回移动，将灯浮标压没到水中，造成灯浮标架、灯器及供电系统损毁。严重时，受浮冰撞击、挤压、拖曳等作用力，灯浮标会发生移动离位，并可能造成沉没、漂失。
3.2 海冰对航标管理工作的影响
由于自身的结构特点，常规灯浮标无法在冰期使用。因此，北海海区的冰冻港口在冰期来临前普遍将常规灯浮标撤除或更换为具有一定抗冰性能的冰期灯浮标，俗称冰标。冰标自2003年开始研制，2004年研制成功，后又历经多年的不断改进换代。目前，北海海区普遍应用的是Φ1.4m钢质冰标。主浮体采用钢质焊接结构组成，成双锥型，分4个浮室，配重全部内置于浮体尾部。灯器透镜选用耐低温、高强度、高透光率的优质PC材料，制作成扁平环状结构，从而提高透镜抗碰撞能力。灯器底壳采用铸铜外壳，不仅有很好的耐腐蚀性，而且还有极强的硬度和韧性，受到撞击时仅仅是表面有轻微划痕而不易破裂，比常规灯器使用的工程塑料等其他材料外壳更适合于冰标。为解决冰标的供电问题，冰标使用锂电池作为电源，其具有体积小、容量高、重量轻的优点，可以直接安装在灯器下面的电池仓内，平均可持续供电约5个月。在冰情严重的辽东湾水域的营口港、锦州港、葫芦岛港甚至仅将少量的常规灯浮标更换为冰标，剩余的大部分常规灯浮标全部撤除。冰期结束后，再重新设置或更换为常规灯浮标。
4 四季通用冰区灯浮标的性能要求
在非冰冻港口，因航标维护保养需要，常规灯浮标一般2-3年更换一次。而在冰冻港口，每年春、冬两季均需要进行换标作业，换标作业频率是非冰冻港口的4-6倍，极大地增加了航标养护成本。如果能够在现有冰标的基础上，研发一款具备足够的抗冰性能、能够长期持续发挥助航效能的灯浮标，就能最大限度地延长冻港口的换标周期，降低航标养护成本。根据1996年发布的《海区航标作业管理规则》要求，“标位准确、灯质正常、涂色鲜明、结构良好”是对视觉航标效能的基本要求。因此，四季通用冰区灯浮标的性能指标要同时满足以下要求：
一是锚系系统具有较强的抓驻力，确保航标的位置稳定性。
二是灯器具有较高的强度和导抗冰能力，防止冰标灯器损坏造成灯光熄灭。
三是供电系统要满足长期供电的要求，确保航标灯器持续发光，理想情况是能够提供2年以上的供电电量。
四是标体的颜色能够经受流冰的摩擦和海水的侵蚀，并保证标志原有的涂色特征。
五是标体要具备较高的强度和导抗冰能力，确保标体结构的完好。
5 现有冰标的航标效能分析
当前普遍使用的Φ1.4m钢质冰标，根据近年的应用经验，从标位、灯质、涂色和结构四个方面进行分析，具体表现如下：
5.1 系留稳定、标位基本正常
冰标系留系统普遍将传统的4吨钢筋混凝土沉石更换为重量更大、抓吸效果更好的5吨铸铁沉石，有效解决了冰标移位问题。除海冰堆积严重位置的个别冰标发生移位，绝大部分冰标能够保持在设计位置。
5.2 灯器及供电系统相对稳定
随着冰标灯器设计的日趋合理，导抗冰性能逐渐增强，灯器损坏率下降。灯器外表面无棱角设计，便于流冰滑过。缩小灯器透镜直径和高度，减小冰撞击概率。将光源、主电路板、通讯、供电区域分开密封，提高灯器密封性能。对灯器底座及螺栓进行了外形和强度改进加强。
采用低能耗的LED光源和具有较大容量的低温锂电池，能够为冰标灯器提供5个月的供电，满足北海海区整个冰期使用，无法满足四季通用的要求。
5.3 涂色变化、识别困难
由于冰标采用钢制结构，表面涂刷油漆。受海冰的撞击、摩擦以及海水的侵蚀，钢质冰标存在油漆脱落，标体锈蚀的现象。在冰情严重的辽东湾海域，在冰期结束后，冰标油漆脱落殆尽、标体严重锈蚀的现象十分普遍，航标的涂色特征改变，无法满足四季通用的要求。
同时，因海冰覆盖，存在无法观测识别冰标的问题问题。尤其是在冰情严重的辽东湾海域，进入盛冰期，海冰逐渐形成大面积的连片冰，冰标易被冰覆盖，无法识别观测，失去助航作用。一旦船舶偏离航道，还可能与船体发生碰撞或造成锚链搅缠螺旋桨，影响船舶航行安全。
5.4 导冰性能提升，结构基本正常
由于冰标标体的强化处理以及局部结构的平滑处理，使得冰标的导冰性能提升，更容易避开海冰的撞击、挤压，因此冰标标体无严重损坏的现象，基本满足四季通用的要求。
6 四季通用冰区灯浮标的研发思路
根据现有冰标的航标效能情况，为满足四季通用的要求，仍需要解决以下问题：
6.1 解决钢质冰标油漆脱落的问题，确保航标的涂色特征
从目前的油漆产品和涂刷工艺看，经受海冰的撞击和反复摩擦后，难免不发生脱落，造成航标颜色特征改变。因此，为保持航标的涂色特征，不能采用油漆涂刷工艺。2007年以来，北海海区引进了聚乙烯材质的芬兰进口冰标，在营口港、秦皇岛港和天津港进行了试用，从应用效果看，该冰标标体强度大、结构合理，导抗冰性能突出，且经历整个冰期仍能够保持颜色持久不褪色。借鉴进口芬兰冰标的应用经验，对冰标外部结构进行改进，采用高分子聚乙烯材料，材料配方自带颜色，可保证不褪色，通过滚塑成型工艺，使标体强度提高，增加抗冰能力。
6.2 解决供电周期短的问题，确保航标效能持续发挥
目前，冰标锂电池的设计供电周期为5个月。要达到2年的供电周期，一种方案是加大电池的容量，接近原有容量的5倍，并对冰标的内部结构和配重进行优化设计;另一种方案是对在冰标上设计充电接口，在冰期结束后加装太阳能极板。
7 四季通用冰区灯浮标的应用前景
在非冰冻港口，因航标维护保养需要，常规灯浮标一般2-3年更换一次。而在冰冻港口，每年春、冬两季均需要进行换标作业，换标作业频率是非冰冻港口的4-6倍，极大地增加了航标养护的成本。随着四季通用冰区灯浮标的研发成功，冰冻港口的换标周期也将大大延长，航标养护成本也将随之降低。因此四季通用冰区灯浮标具有广泛的应用前景。
对于冰情较弱的莱州湾水域，包括东营港、潍坊港、莱州港等港口，四季通用冰区灯浮标可满足标位准确、灯质正常、涂色鲜明、结构良好的管理要求，因此适宜全面推广。在冰情较严重的秦皇岛港、唐山港、天津港、黄骅港、庄河港，近年来采取水上标志数量不变、全部更换为冰期浮标的布标方案。四季通用冰区灯浮标也适宜全面推广，但不可避免地会在部分流冰严重或海冰易堆积的区域发生冰损。因此，应同时做好应急反应的充分准备工作。
在冰情严重的辽东湾水域，包括营口港、锦州港、盘锦港、葫芦岛港，由于冰期特点，浮标因浮冰碰撞、挤压等而损毁，或被流冰覆盖，造成可观测助航时间有限，因此必须重视损毁后和不可观测时段助航设施对船舶航行带来的安全风险，可根据当地港口助航需要、海冰特征和以往的冰损经验，选取航道的关键点位和海冰对航标影响较小的标位设置四季通用冰区灯浮标，剩余位置的灯浮标仍需要撤除，并同时做好应急反应的充分准备工作。
摘要：本文对北海海区冰情进行了简要介绍，总结归纳了海冰对常规灯浮标以及航标管理工作的影响，在分析四季通用冰区灯浮标的性能要求和现有冰标的航标效能现状的基础上，指出了四季通用冰区灯浮标的研发思路和应用前景。
关键词：四季通用冰区灯浮标 开发 应用
1 前 言
我国北方的冰冻港口，如营口港、秦皇岛港、天津港等，受冬季海冰的影响，每年冬季冰期来临前将常规灯浮标撤除或更换为冰期灯浮标，待春季冰期结束后，再重新设置或更换为常规灯浮标。对于冰冻港口的航标管理部门，每年春、冬两季的换标作业是一项艰巨的任务。随着振兴东北老工业基地和发展天津滨海新区战略的实施，辽宁沿海经济带、山东半岛蓝色经济区、黄河三角洲高效生态经济区也相继上升为国家发展战略，河北省也提出了建设沿海经济强省的战略目标，以滨海新区为龙头的环渤海地区开发开放进入了新一轮的快速发展期，并已初步成为我国经济增长的第三极。“十二五”期间，丹东海洋红港区、大连长兴岛港区、大连太平湾港区、盘锦港、锦州龙栖湾港区、葫芦岛石河港区、秦皇岛山海关港区、唐山曹妃甸港区、天津南港港区、烟台西港区、青岛董家口港区、日照岚山港区等十二大热点区域有较大规模的港口建设规划，“十二五”期间上述区域的规划吞吐量增长多数在亿吨左右。环渤海港口飞速建设，航标数量日益增加，春、冬季换标作业的压力也将成倍增长。面对这一沉重的负担，不能硬着头皮走老路，而要在满足港口发展需要的大前提下，转变思想走出一条创新发展之路。当务之急是依靠科技创新，研发一款具备足够的导抗冰性能且能够长期持续发挥助航效能的通用灯浮标，即四季通用冰区灯浮标。这是摆在航标人面前的一个新课题。
2 北海海区冰情简介
地球上各大洋海水平均盐度为34.48‰，海水的冰点在-1.9℃左右。渤海及黄海北部地区恰好是北半球冰圈的最南端。整个黄渤海地区，辽东湾冰期最长，冰情也最严重，渤海湾次之，莱州湾最轻。每年冰期通常在11月底到次年2月底。其中1月至2月上旬，冰情较重，称“盛冰期”。冬季黄渤海地区最常出现的冰情状况是常冰年。由于寒潮侵袭造成的长时间持续低温是我国近海海冰生成的主要原因，海冰形成后，伴随着天气回暖，气温和水温上升，海冰也逐渐融解消失。因此，我国的海冰都是当年度生消的，无“二冬冰”及“多年冰”。
3 海冰对航标管理工作的影响
3.1 海冰对常规灯浮标的影响
进入冰期后，海面溅浪在灯浮标的鼓面、灯浮标架上积累冻结，浮标上部加重，严重时造成大的倾斜角，使其浸没在水中，并可能造成灯器及供电系统损坏。随着冰情的加重，浮冰厚度和面积逐渐增大，随着风、潮流的影响来回移动，将灯浮标压没到水中，造成灯浮标架、灯器及供电系统损毁。严重时，受浮冰撞击、挤压、拖曳等作用力，灯浮标会发生移动离位，并可能造成沉没、漂失。
3.2 海冰对航标管理工作的影响
由于自身的结构特点，常规灯浮标无法在冰期使用。因此，北海海区的冰冻港口在冰期来临前普遍将常规灯浮标撤除或更换为具有一定抗冰性能的冰期灯浮标，俗称冰标。冰标自2003年开始研制，2004年研制成功，后又历经多年的不断改进换代。目前，北海海区普遍应用的是Φ1.4m钢质冰标。主浮体采用钢质焊接结构组成，成双锥型，分4个浮室，配重全部内置于浮体尾部。灯器透镜选用耐低温、高强度、高透光率的优质PC材料，制作成扁平环状结构，从而提高透镜抗碰撞能力。灯器底壳采用铸铜外壳，不仅有很好的耐腐蚀性，而且还有极强的硬度和韧性，受到撞击时仅仅是表面有轻微划痕而不易破裂，比常规灯器使用的工程塑料等其他材料外壳更适合于冰标。为解决冰标的供电问题，冰标使用锂电池作为电源，其具有体积小、容量高、重量轻的优点，可以直接安装在灯器下面的电池仓内，平均可持续供电约5个月。在冰情严重的辽东湾水域的营口港、锦州港、葫芦岛港甚至仅将少量的常规灯浮标更换为冰标，剩余的大部分常规灯浮标全部撤除。冰期结束后，再重新设置或更换为常规灯浮标。
4 四季通用冰区灯浮标的性能要求
在非冰冻港口，因航标维护保养需要，常规灯浮标一般2-3年更换一次。而在冰冻港口，每年春、冬两季均需要进行换标作业，换标作业频率是非冰冻港口的4-6倍，极大地增加了航标养护成本。如果能够在现有冰标的基础上，研发一款具备足够的抗冰性能、能够长期持续发挥助航效能的灯浮标，就能最大限度地延长冻港口的换标周期，降低航标养护成本。根据1996年发布的《海区航标作业管理规则》要求，“标位准确、灯质正常、涂色鲜明、结构良好”是对视觉航标效能的基本要求。因此，四季通用冰区灯浮标的性能指标要同时满足以下要求：
一是锚系系统具有较强的抓驻力，确保航标的位置稳定性。
二是灯器具有较高的强度和导抗冰能力，防止冰标灯器损坏造成灯光熄灭。
三是供电系统要满足长期供电的要求，确保航标灯器持续发光，理想情况是能够提供2年以上的供电电量。
四是标体的颜色能够经受流冰的摩擦和海水的侵蚀，并保证标志原有的涂色特征。
五是标体要具备较高的强度和导抗冰能力，确保标体结构的完好。
5 现有冰标的航标效能分析
当前普遍使用的Φ1.4m钢质冰标，根据近年的应用经验，从标位、灯质、涂色和结构四个方面进行分析，具体表现如下：
5.1 系留稳定、标位基本正常
冰标系留系统普遍将传统的4吨钢筋混凝土沉石更换为重量更大、抓吸效果更好的5吨铸铁沉石，有效解决了冰标移位问题。除海冰堆积严重位置的个别冰标发生移位，绝大部分冰标能够保持在设计位置。
5.2 灯器及供电系统相对稳定
随着冰标灯器设计的日趋合理，导抗冰性能逐渐增强，灯器损坏率下降。灯器外表面无棱角设计，便于流冰滑过。缩小灯器透镜直径和高度，减小冰撞击概率。将光源、主电路板、通讯、供电区域分开密封，提高灯器密封性能。对灯器底座及螺栓进行了外形和强度改进加强。
采用低能耗的LED光源和具有较大容量的低温锂电池，能够为冰标灯器提供5个月的供电，满足北海海区整个冰期使用，无法满足四季通用的要求。
5.3 涂色变化、识别困难
由于冰标采用钢制结构，表面涂刷油漆。受海冰的撞击、摩擦以及海水的侵蚀，钢质冰标存在油漆脱落，标体锈蚀的现象。在冰情严重的辽东湾海域，在冰期结束后，冰标油漆脱落殆尽、标体严重锈蚀的现象十分普遍，航标的涂色特征改变，无法满足四季通用的要求。
同时，因海冰覆盖，存在无法观测识别冰标的问题问题。尤其是在冰情严重的辽东湾海域，进入盛冰期，海冰逐渐形成大面积的连片冰，冰标易被冰覆盖，无法识别观测，失去助航作用。一旦船舶偏离航道，还可能与船体发生碰撞或造成锚链搅缠螺旋桨，影响船舶航行安全。
5.4 导冰性能提升，结构基本正常
由于冰标标体的强化处理以及局部结构的平滑处理，使得冰标的导冰性能提升，更容易避开海冰的撞击、挤压，因此冰标标体无严重损坏的现象，基本满足四季通用的要求。
6 四季通用冰区灯浮标的研发思路
根据现有冰标的航标效能情况，为满足四季通用的要求，仍需要解决以下问题：
6.1 解决钢质冰标油漆脱落的问题，确保航标的涂色特征
从目前的油漆产品和涂刷工艺看，经受海冰的撞击和反复摩擦后，难免不发生脱落，造成航标颜色特征改变。因此，为保持航标的涂色特征，不能采用油漆涂刷工艺。2007年以来，北海海区引进了聚乙烯材质的芬兰进口冰标，在营口港、秦皇岛港和天津港进行了试用，从应用效果看，该冰标标体强度大、结构合理，导抗冰性能突出，且经历整个冰期仍能够保持颜色持久不褪色。借鉴进口芬兰冰标的应用经验，对冰标外部结构进行改进，采用高分子聚乙烯材料，材料配方自带颜色，可保证不褪色，通过滚塑成型工艺，使标体强度提高，增加抗冰能力。
6.2 解决供电周期短的问题，确保航标效能持续发挥
目前，冰标锂电池的设计供电周期为5个月。要达到2年的供电周期，一种方案是加大电池的容量，接近原有容量的5倍，并对冰标的内部结构和配重进行优化设计;另一种方案是对在冰标上设计充电接口，在冰期结束后加装太阳能极板。
7 四季通用冰区灯浮标的应用前景
在非冰冻港口，因航标维护保养需要，常规灯浮标一般2-3年更换一次。而在冰冻港口，每年春、冬两季均需要进行换标作业，换标作业频率是非冰冻港口的4-6倍，极大地增加了航标养护的成本。随着四季通用冰区灯浮标的研发成功，冰冻港口的换标周期也将大大延长，航标养护成本也将随之降低。因此四季通用冰区灯浮标具有广泛的应用前景。
对于冰情较弱的莱州湾水域，包括东营港、潍坊港、莱州港等港口，四季通用冰区灯浮标可满足标位准确、灯质正常、涂色鲜明、结构良好的管理要求，因此适宜全面推广。在冰情较严重的秦皇岛港、唐山港、天津港、黄骅港、庄河港，近年来采取水上标志数量不变、全部更换为冰期浮标的布标方案。四季通用冰区灯浮标也适宜全面推广，但不可避免地会在部分流冰严重或海冰易堆积的区域发生冰损。因此，应同时做好应急反应的充分准备工作。
在冰情严重的辽东湾水域，包括营口港、锦州港、盘锦港、葫芦岛港，由于冰期特点，浮标因浮冰碰撞、挤压等而损毁，或被流冰覆盖，造成可观测助航时间有限，因此必须重视损毁后和不可观测时段助航设施对船舶航行带来的安全风险，可根据当地港口助航需要、海冰特征和以往的冰损经验，选取航道的关键点位和海冰对航标影响较小的标位设置四季通用冰区灯浮标，剩余位置的灯浮标仍需要撤除，并同时做好应急反应的充分准备工作。
