基于電子圍欄及聲光預警系統的海上風電場安全保障方法研究

孫敬東 鐘慶云 鄧巍

摘 要：鑒于傳統方法在海上風電場安全保障方面的不足，通過研讀國內外文獻并實地考察的基礎上，提出一種電子圍欄及聲光預警系統方法，實現低能見度下對風電場附近船舶進行跟蹤并預警報警，與傳統導助航航標相輔相成，共同提高以海上風電場為核心的沿海與近海航運安全保障水平。

關鍵詞：海上風電場;安全保障;電子圍欄;聲光預警

1 引言

隨著我國海上風電場建設項目的快速推進和發展，海上風電建設與生產過程中暴露出來的安全保障、海事監管等問題逐漸增多。海上風電項目建設和營運的周期都比較長，對風電水域及其周邊區域船舶的通航都有明顯的影響。

海上風電場作為海上面積較大的礙航物，對附近航道、錨地、航線、碼頭、航路規劃以及船舶航行、漁船捕魚等均產生一定影響[1]，且海上風電場在運行過程中，會產生電磁波，對船舶導助航設施也會產生一定影響。

關于風電場安全和管理問題，李道科等[2]應用專家調查與預先危險性分析法（PHA）相結合的方法，對福建海上風電場規劃場址和儲備場址與航運現狀、規劃發展適應性進行了分析研究;元國凱等[3]應用風險管理理論，針對海上風電場建設中的基礎施工、風機安裝、海纜敷設、升壓站施工等主體工程，進行風險的識別、分析并提出相應的控制措施;紀寧毅等[4]通過HAZID/HAZOP分析的方式，對海上風電建設施工期中各個環節進行了風險點的識別與控制;沈思曦等[5]設計一種基于船舶自動識別系統（AIS）和地理信息系統（GIS）的海上風電場船舶監控系統，將目標船舶顯示在GIS地圖上，對其進行實時監控;孫菲等[6]基于實際擬建的海上風電項目和現役海軍雷達裝備，通過電磁仿真建模定量分析雷達天線輻射場及海上目標散射場通過風電場后，其分布特性受風電場的影響程度;由此看來，目前國內外大多數學者從海上風電場施工期和運維期角度進行安全方面的研究，多數都是側重于影響風電場的風險因素[7]，而在風電場周邊船舶航行安全保障方面的研究較少，特別是如何解決大霧等低能見度條件下風電場施工船舶及周邊船舶的通航安全，以及如何從被動預警轉變為主動且有目的性的預警方面，尚且研究不足。

結合上述分析可知，目前海上風電場施工建設階段及營運階段均存在一定的安全保障問題，包括風電場及施工運維人員的安全保障、施工及運維船舶的安全保障以及風電場附近水域通航船舶的安全保障。傳統的安全保障方法，即在風電場水域配布航標、燈樁等難以對靠近風電場或穿越風電場區的部分船舶起到有效警示及驅離作用，且傳統的保障方法只能被動地警示，難以主動地預警。因此，從風電場以及附近船舶通航安全的角度出發，采用智能化、信息化手段進行風電場水域的安全監管與保障，可以與風電場航標相輔相成，也是對傳統航標在警示和驅離誤入船舶領域的補充，起到共同保障風電場施工及船舶通航安全的作用。

2 海上風電場概況

2.1 海上風電場構成

海上風電場是一個系統的工程。一個典型的海上風電場一般包括如下的組成部分：

（1）海上測風塔設施;

（2）海上風力發電單元：包括海上發電機組、配套設施（塔筒、支撐結構、基礎）;

（3）海上升壓站;

（4）海底電力傳輸系統;主要包括海底電纜及相應的電纜保護（跨院）裝置;

（5）陸上終端：主要包括陸上岸基的變電站或者集控中心。

海上風力發電機組及海上升壓站作為海上風電場最核心的構成要素，其組成如圖2所示：

2.2 海上風電場分類

海上風電場根據所在水域特點一般分為三類：潮間帶和潮下帶灘涂風電場、近海風電場、深海風電場。

潮間帶和潮下帶灘涂風電場：多年平均大潮高潮平均線以下至理論值最低潮位以下5m深內的海域。

近海風電場：理論最低潮位以下5—50m水深內的海域含無人島以及海礁。

深海風電場：理論最低潮位以下50m水深的海域，含無人島以及海礁。

3 海上風電場安全保障需求分析

江蘇作為沿海地區風能資源最為突出的省市，風功率密度高，發電量多，是建設風電場的優良地區[8]。本文在編寫之前，實地走訪江蘇沿海多家風電企業，實地考察后發現，江蘇沿海主要風電建設企業都有一整套監控風機和海底電纜運轉的系統，部分風機上安裝了CCTV和AIS，但CCTV主要用來監控風機內部設施，而一般不會用來監控過往船舶，AIS僅安裝在風電場四個角點的風機塔筒平臺上，對于較大范圍的風電場而言，安全保障效果有限。在此背景條件下，海上風電場安全監管及保障需求總結如下：

（1）風機、海上升壓站上需配備一定數量的AIS、CCTV、雷達以及VHF等設施設備，其信號應能傳輸至岸上值班室以及主管機關，并保持有效開啟和正常使用。

（2）風機（特別是外圍風機）、海上升壓站、海底電纜缺少對附近船舶（包括施工船舶、運維船舶、附近航行船舶（漁船、靠近風電場船舶））的有效監控和預警。例如：能夠監控到靠近風電場船舶的航行動態，若相對距離過近，進行警示或報警，提醒過往船舶繞行或駛離。

（3）在施工建設階段和運營維護階段缺少有效的通訊聯絡設施或系統，單憑現有的VHF、手機設備不能保障船-船，船-岸之間的有效溝通。

（4）風機（特別是外圍風機）、海上升壓站上可配備一定數量的遠程強聲擴音設備，以提醒或驅離附近無關船舶。在海上風電場施工建設階段，若施工船舶VHF、手機等無法有效使用，對于近距離的船舶也可通過遠程強聲擴音設備進行溝通。

海上風電場的電子圍欄及聲光預警系統，恰恰利用雷達、AIS、CCTV等傳感器采集現場信息，實現全方位監控，并利用聲光報警設備實現有船舶闖入風電預警區域時及時預警，實現電子海圖顯示平臺、三維視景顯示平臺、風電水域智能監控和輔助決策等功能，與目前海上風電場安全保障需求不謀而合。2019年12月，《連云港海事局海上風電海事監管暫行辦法》[9]公布施行，也首次提出將電子圍欄在海上風電安全監管廣泛應用的思想。

4 電子圍欄及聲光預警系統方法

風電水域電子圍欄及聲光預警系統是為風電水域的船舶交通安全監控、預警和維護提供解決方案。該系統旨在通過采用信息化手段，為風電場施工及營運進行安全保障，在保障風電場安全的同時保障航行于風電場附近水域船舶的通航安全。

4.1該系統包括

（1）海上風電場多功能電子圍欄和警戒方法;

（2）海上風電場施工/維護船舶一體化安全保障方法。

4.2其中海上風電場多功能電子圍欄和警戒方法包括

（1）虛擬電子圍欄和施工船舶警戒區的建立

（2）AIS，雷達，CCTV數據源的融合

（3）預警方法

4.3海上風電場施工/維護船舶一體化安全保障方法包括

（1）地圖可視化顯示

（2）船舶動態實時跟蹤及交通組織系統

（3）虛擬警示引導系統

（4）CCTV系統

（5）雷達目標跟蹤和預警系統

（6）人員動態跟蹤、顯示與失蹤預警系統

4.4風電水域電子圍欄及聲光預警系統優點

（1）綜合數據采集：利用雷達、AIS、CCTV等傳感器采集現場信息，實現全方位監控;

（2）及時發現目標進行預警：利用聲光報警設備實現有船舶闖入風電預警區域時及時預警;

（3）網絡通信：在風電已有光纖通信網絡的基礎上，建立自主的覆蓋整個監控區域的無線網絡，并能利用運營商的商用網絡進行補充通信;

（4）統一調度：融合VHF、單邊帶短波電臺、IP 話機、移動電話等通信系統，實現監控中心、巡邏船、辦公網絡等各個工作崗位基于 IP 的無縫調度和統一通信，并能實現對預警船舶的自動呼叫;

（5）綜合展現：實現電子海圖顯示平臺、三維視景顯示平臺、風電水域智能監控和輔助決策等功能，為風電水域監控和遇險應急指揮提供一個基礎數據平臺，形成一個高度直 觀、智能化的監控三維地理信息系統;

（6）數據交換：實現傳感器數據、業務管理數據等在風電智慧大平臺、第三方應用系統進行數據過濾、接口和交換。

4.5 三級預警報警功能實現

4.5.1三級預警報警流程

風電場三級預警報警流程如圖5所示。

4.5.2 三級預警報警機制

三級預警報警機制如下：當有船舶穿過藍色預警線時，雷達和AIS系統捕捉到船舶信息，VHF甚高頻電臺發出“某某船舶闖入施工水域”的語音播報信息，提醒船舶盡快駛離施工水域;當船舶繼續航行穿過黃色預警線時，自動觸發預警系統，警示船舶駛離施工水域;當船舶未聽勸阻，繼續航行穿過紅色預警線時，需人為干預驅離船舶，同時，CCTV系統開啟，跟蹤監控船舶航行動態。紅黃藍三級預警線間距設置以及觸發形式，可根據實際運行情況進行調整，如圖6所示。

面向海上風電場的電子圍欄及聲光預警系統，與現有技術相比具備以下有益效果：

（1）利用雷達、AIS、CCTV等傳感器采集現場信息，實現全方位監控，并利用聲光報警設備實現有船舶闖入風電預警區域時及時預警，與實物風電水域警示標志相比較，不占用通航水域，不影響視覺瞭望，避免了實物警示標志安裝施工難度大、費用高和維護困難等問題。

（2）傳統的航標配布方案難以對靠近風電場或穿越風電場區的部分船舶難以起到有效警示及驅離作用，從風電企業運營安全、便于監管以及減少水上交通事故的角度出發，配備帶有多級預警的電子圍欄及聲光預警系統可以與風電場航標工程相輔相成，也是對傳統航標工程在警示和驅離誤入船舶領域的補充，起到共同保障風電場施工及船舶安全的作用。

（3）海上風電場周邊交通環境復雜，附近通航船舶存在誤入風電場，發生損壞海纜以及與風機、施工船舶、運維船舶等發生碰撞的安全隱患，特別是“三無”船舶及部分未開啟AIS船舶，僅憑AIS系統很難捕捉，電子圍欄及聲光預警系統將AIS、雷達、CCTV、VHF、聲光預警設備等進行融合，其設置可以有效捕捉、預警、呼叫、驅離所有誤入船舶，有效地保障船舶通航安全以及風電場施工及營運安全。

5? 結語

本文提出一種電子圍欄及聲光預警系統方法，作為在海上風電場安全保障方面應用的探索。

一方面，可將AIS，雷達，CCTV、VHF、聲光報警器等融合于一體，彌補了海上風電場傳統安全保障方法在低能見度下安全保障效果較差以及主動預警報警方面的不足;

另一方面，電子圍欄及聲光預警系統是對已有成熟技術與設備的融合，技術層面沒有壁壘，可以達到預期保障效果，值得推廣。

參考文獻：

[1]江愛文，李強.海上風電場航標設置方案探究[J].福建交通科技，2019（02）：131-133.

[2]李道科.福建海上風電場址航運安全風險評析[C].中國航海科技優秀論文集（2014）.上海浦江教育出版社有限公司，2015：181-187.

[3]元國凱，朱光濤，黃智軍.海上風電場施工安裝風險管理研究[J].南方能源建設，2016，3（S1）：190-193.

[4]紀寧毅，尹杰.海上風電場建設施工期風險點的識別與控制[J].機電設備，2019，36（03）：40-43.

[5]沈思曦，陳元林，安博文，盧學佳.基于AIS和GIS的海上風電場船舶監控系統軟件設計[J].現代計算機（專業版），2018（20）：91-95+100.

[6]孫菲，吳比翼.海上風電場對岸基雷達探測威力影響分析[J].遙測遙控，2018，39（06）：13-18.

[7]張華偉 唐山港海上風電場通航安全風險評價與海事監管研究[J]，大連海事大學，2017.

[8]劉震天，張新宇，范玉鵬，范赫，王敏，何德林，周春輝.大唐風電水域施工期智慧維護及管理系統[J].交通企業管理，2019，34（03）：64-66.

[9]連云港海事局海上風電海事監管暫行辦法，連云港海事局，自2019年12月1日起施行.