南通沿海海上風(fēng)電通航安全監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用研究

孫敬東 李嘉 中華人民共和國江蘇海事局后勤管理中心

1.海上風(fēng)電場通航安全風(fēng)險分析

海上風(fēng)電場建設(shè)屬于可能影響通航安全的水上水下作業(yè)，除具有一般涉水工程面臨的由大風(fēng)、大霧、水流、波浪等自然因素引發(fā)的通航安全風(fēng)險外，還具有交通環(huán)境復(fù)雜、施工作業(yè)多變、漁業(yè)活動影響頻繁等特點(diǎn)。

1.1 交通環(huán)境風(fēng)險

隨著我國海上運(yùn)輸業(yè)的快速發(fā)展，我國沿海已經(jīng)成為世界上水上交通最繁忙的區(qū)域之一。國家能源局、國家海洋局于2016年12月29日印發(fā)的《海上風(fēng)電開發(fā)建設(shè)管理辦法》規(guī)定，海上風(fēng)電場原則上應(yīng)在離岸距離不少于10公里的海域布局。而我國沿海船舶航路主要集中在距離海岸線約1.5-30海里的水域，海上風(fēng)電場的建設(shè)將主要位于船舶通航水域，會對船舶的正常通航產(chǎn)生影響。如圖1所示，除1個潮間帶風(fēng)電項(xiàng)目外，剩余南通沿海22個風(fēng)電場項(xiàng)目的場區(qū)中心距岸距離平均為20.7海里，風(fēng)電場周邊有黃沙洋水道、小洋港水道、爛沙洋北水道、爛沙洋南水道等多條航道，海上風(fēng)電施工船、商船、漁船、旅游船等各類通航船舶密集。因船舶交通流被風(fēng)電場阻隔，船舶習(xí)慣航路受到影響，增加了通航安全風(fēng)險。

1.2 施工作業(yè)風(fēng)險

2020年，南通海上風(fēng)電呈爆發(fā)式增長，共有17個項(xiàng)目開工建設(shè)，根據(jù)海事主管機(jī)構(gòu)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，平均每天約有220余艘船舶、3500多名人員參與海上施工作業(yè)，預(yù)計“十四五”期間南通沿海海上風(fēng)電作業(yè)船舶和人員數(shù)量還會有大幅增長。由于海上風(fēng)電場施工周期長、距岸遠(yuǎn)、通訊差，加之作業(yè)船舶和人員眾多，施工工藝復(fù)雜，坐灘打樁、起重安裝、插樁吊裝、坐灘鋪纜等作業(yè)頻繁變化，極易引發(fā)水上交通事故和安全生產(chǎn)事故。

1.3 漁業(yè)活動風(fēng)險

圖1 南通沿海風(fēng)電示意圖

南通沿海有啟東呂四漁港，如東小洋口漁港、如東劉埠漁港、如東東凌漁港、海安老壩港漁港、海門東灶港漁港等12個漁港，海洋捕撈漁船數(shù)以千計。風(fēng)電場附近水域分布了大量的紫菜、貝類、鰻魚苗等海產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)，漁船活動頻繁。漁船航行無固定的航線，具有很強(qiáng)的隨意性，可能會誤闖入施工區(qū)域，存在碰撞施工船舶、定位錨纜或風(fēng)機(jī)設(shè)備誘發(fā)水上交通事故的風(fēng)險。

2.海上風(fēng)電通航安全需求分析

圖2 “陸海空”立體監(jiān)控模式

圖3 信息集成監(jiān)控平臺功能頁面

海上風(fēng)電場通航安全管控的難點(diǎn)在于場區(qū)離岸較遠(yuǎn)，配套通訊基礎(chǔ)設(shè)施差，風(fēng)電場業(yè)主單位設(shè)置在岸基的監(jiān)控指揮中心等管理機(jī)構(gòu)難以及時獲取風(fēng)場的相關(guān)信息，難以準(zhǔn)確掌握施工現(xiàn)場態(tài)勢，監(jiān)管工作存在“看不到、叫不到、管不到”的困境。因此通過建設(shè)海上風(fēng)電通航安全監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對海上風(fēng)電場的可視化監(jiān)控、一體化通信以及監(jiān)管系統(tǒng)的智能化運(yùn)行，是解決海上風(fēng)電通航安全監(jiān)管難題的迫切需求。

2.1 現(xiàn)場監(jiān)管可視化

海上風(fēng)電通航安全監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)時、準(zhǔn)確、全面地展現(xiàn)風(fēng)機(jī)、升壓站及施工船舶附近水域的現(xiàn)場態(tài)勢，實(shí)現(xiàn)海上風(fēng)電場的全景監(jiān)看、重點(diǎn)盯控、全局回溯，及時發(fā)現(xiàn)問題，消除安全隱患，徹底解決“看不到”難題。

2.2 遠(yuǎn)程通信一體化

岸基的監(jiān)控指揮中心與各海上風(fēng)電場施工船舶之間可實(shí)時進(jìn)行岸-船、船-船的多用戶參與的語音通話及視頻會議，現(xiàn)場施工管理人員可及時報告現(xiàn)場情況，監(jiān)控指揮中心可隨時下達(dá)指令，徹底解決“叫不到”“管不到”難題。

2.3 系統(tǒng)運(yùn)行智能化

系統(tǒng)可直觀顯示風(fēng)電場區(qū)域及其作業(yè)范圍，直觀顯示已建、在建風(fēng)電樁精準(zhǔn)位置，直觀顯示水文、氣象等環(huán)境數(shù)據(jù)。通過后臺數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、智能計算，掌握風(fēng)電場建設(shè)運(yùn)維期間船舶、人員、通航環(huán)境等信息和安全管理資源，實(shí)現(xiàn)信息資源的集中存儲、統(tǒng)一管理和統(tǒng)計分析。在解決“看不到、叫不到、管不到”難題基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)時代的智能化應(yīng)用管理。

3.海上風(fēng)電通航安全監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)方案

智慧型風(fēng)電場已成為風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展趨勢，大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)正廣泛應(yīng)用于風(fēng)電場的建設(shè)期和運(yùn)維期。本系統(tǒng)立足于“陸海空”立體監(jiān)控模式，由信息集成監(jiān)控平臺及配套基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)建而成。通過融合位置感知、氣象監(jiān)測、視頻監(jiān)控、移動互聯(lián)、智能分析等先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)信息資源全面掌握、風(fēng)險隱患有效管控、管理效能顯著提升等目標(biāo)，全面保障海上風(fēng)電場建設(shè)期和運(yùn)維期的通航安全。

3.1 “陸海空”立體監(jiān)控模式

本系統(tǒng)依托在岸基、海上風(fēng)電場風(fēng)機(jī)及升壓站、海上作業(yè)船舶等設(shè)施上設(shè)置的監(jiān)控和信息感知設(shè)備采集現(xiàn)場實(shí)時數(shù)據(jù)，通過電信運(yùn)營商公網(wǎng)、水上寬帶衛(wèi)星等傳輸方式將船舶動態(tài)信息、人員實(shí)時定位信息、高清視頻畫面、水文氣象數(shù)據(jù)等信息傳輸至岸基監(jiān)控指揮中心服務(wù)器上存儲。利用大數(shù)據(jù)、云計算及人工智能分析等手段，對采集的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、清洗、分組、計算和輸出，將輸出的一條條指令傳遞到響應(yīng)端設(shè)備上進(jìn)行智能監(jiān)控預(yù)警，實(shí)現(xiàn)海上風(fēng)電場水上交通安全動靜態(tài)信息“一網(wǎng)掌控”，如圖2所示。

3.2 配套基礎(chǔ)設(shè)施

本系統(tǒng)“陸海空”立體監(jiān)控模式的配套基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備主要由作業(yè)船舶監(jiān)控系統(tǒng)、作業(yè)人員定位系統(tǒng)、場區(qū)視頻監(jiān)控系統(tǒng)、場區(qū)水文氣象采集系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)等組成。

3.2.1 船舶監(jiān)控系統(tǒng)

通過在海上風(fēng)電場升壓站及岸基的監(jiān)控指揮中心分別安裝船舶自動識別系統(tǒng)（AIS）基站設(shè)備、甚高頻無線電話（VHF）基站設(shè)備，接收、識別海上風(fēng)電場場區(qū)內(nèi)及周邊20海里范圍內(nèi)的船舶AIS信息，經(jīng)數(shù)據(jù)解析、清洗、壓縮后的實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸至岸基的信息集成監(jiān)控平臺，同時監(jiān)控平臺可對風(fēng)電場區(qū)內(nèi)及周邊20海里范圍內(nèi)的船舶進(jìn)行遠(yuǎn)程VHF語音通話，實(shí)現(xiàn)對作業(yè)船舶的動態(tài)監(jiān)控及實(shí)時指揮調(diào)度。

3.2.2 人員定位系統(tǒng)

中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）是中國自行研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，定位精度可達(dá)厘米級別，已廣泛應(yīng)用于海上作業(yè)等高危行業(yè)的安全保障。本系統(tǒng)選用的作業(yè)人員定位系統(tǒng)為北斗個人終端設(shè)備，海上風(fēng)電場作業(yè)人員可隨身佩戴。利用北斗衛(wèi)星無線電測定功能（RDSS），將北斗定位信息及時、準(zhǔn)確地傳送給信息集成監(jiān)控平臺，實(shí)現(xiàn)對人員的精準(zhǔn)管控。當(dāng)人員遇險落水，北斗個人終端自動觸發(fā)報警，監(jiān)控平臺通過語音和圖標(biāo)閃爍的方式提示告警，并將相關(guān)救援信息通過可自動語音播報的短報文形式發(fā)送至落水人員的個人終端。

3.2.3 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

通在海上風(fēng)電場風(fēng)機(jī)、升壓站、施工作業(yè)船舶及抗風(fēng)等級7級以上的固定翼無人機(jī)等設(shè)備上裝載防腐蝕、防雷電、防浪涌、防突波的高清攝像機(jī)，對重點(diǎn)水域及施工現(xiàn)場、風(fēng)電關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行全天候?qū)崟r動態(tài)監(jiān)控，并通過網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)將監(jiān)控畫面?zhèn)髦涟痘男畔⒓杀O(jiān)控平臺。

3.2.4 水文氣象采集系統(tǒng)

在風(fēng)電場水域設(shè)置風(fēng)速儀、風(fēng)向儀、能見度儀、浪高波高監(jiān)測設(shè)備、流速監(jiān)測儀等設(shè)備，實(shí)時監(jiān)測采集風(fēng)電場區(qū)的風(fēng)速、風(fēng)向和能見度等信息，并將相關(guān)數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)傳送至岸基的信息集成監(jiān)控平臺。

3.2.5 網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)

根據(jù)實(shí)際情況，已經(jīng)建成實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)的海上風(fēng)電場，選用基礎(chǔ)電信運(yùn)營商公網(wǎng)作為網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)。處于施工期尚未并網(wǎng)、無基礎(chǔ)電信運(yùn)營商公網(wǎng)覆蓋的海上風(fēng)電場，選用Ka波段的水上寬帶衛(wèi)星作為網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)可將場區(qū)作業(yè)船舶、作業(yè)人員、監(jiān)控視頻信息、水文氣象信息等全部相關(guān)數(shù)據(jù)、圖片、音頻、視頻等信息傳輸至岸基的信息集成監(jiān)控平臺，并可實(shí)現(xiàn)船一船、船一岸交互以及多方視頻會議功能。

3.3 信息集成監(jiān)控平臺

信息集成監(jiān)控平臺是各海上風(fēng)電場位于岸基的監(jiān)控指揮中心的核心系統(tǒng)，由基礎(chǔ)平臺、信息顯示模塊、監(jiān)控預(yù)警模塊、作業(yè)管理模塊等功能模塊構(gòu)成，可接收、解析、顯示、處理外部傳感器通過網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)傳回的相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)信息資源的集中存儲、統(tǒng)一管理和智能分析，如圖3所示。

3.3.1 基礎(chǔ)平臺

基礎(chǔ)平臺基于地理信息系統(tǒng)(GIS)功能界面，采用國際海事組織公用坐標(biāo)系，直觀顯示風(fēng)電場區(qū)域及其作業(yè)范圍，并提供信息顯示、監(jiān)控預(yù)警、作業(yè)管理等各個功能模塊統(tǒng)一入口。集成水文氣象、視頻監(jiān)控、現(xiàn)場態(tài)勢、船舶及人員動態(tài)、應(yīng)急處置等信息接入及管理。

3.3.2 信息顯示模塊

實(shí)時顯示風(fēng)電場周邊水域、作業(yè)現(xiàn)場等關(guān)鍵區(qū)域的視頻監(jiān)控信息、水文氣象信息、風(fēng)電樁信息以及作業(yè)船舶位置、航速、軌跡、在船人員信息、應(yīng)急通訊方式等信息，對風(fēng)電場運(yùn)行、船舶航行、人員作業(yè)全過程實(shí)時動態(tài)監(jiān)控。

3.3.3 監(jiān)控預(yù)警模塊

結(jié)合海上風(fēng)電場周邊通航環(huán)境，在基礎(chǔ)平臺上劃定電子圍欄區(qū)域，對重點(diǎn)區(qū)域、重點(diǎn)船舶進(jìn)行監(jiān)控，對進(jìn)入和駛出警戒區(qū)域的非許可船舶進(jìn)行預(yù)警，對無關(guān)船舶隨意進(jìn)出風(fēng)電場及主海纜保護(hù)區(qū)域進(jìn)行預(yù)警，并聯(lián)動場區(qū)視頻監(jiān)控系統(tǒng)跟蹤抓拍違規(guī)船舶。電子圍欄區(qū)域根據(jù)風(fēng)險程度由三級警戒線構(gòu)成：船舶觸碰第一級既最外層警戒線時自動觸發(fā)AIS短報文告警，船舶觸碰第二級既中間層警戒線時自動觸發(fā)VHF語音播報告警（也可手動編寫語音播報內(nèi)容），船舶觸碰第三級既最內(nèi)層警戒線時自動觸發(fā)風(fēng)電場四周風(fēng)機(jī)上的聲光報警設(shè)備，告警燈閃爍告警、告警廣播聲音告警。

3.3.4 作業(yè)管理模塊

通過本模塊實(shí)現(xiàn)對對海上風(fēng)電的施工、運(yùn)維及相關(guān)人員、設(shè)備、資源的系統(tǒng)集約管理。

（1）施工作業(yè)管理。作業(yè)前，可錄入作業(yè)船舶、人員相關(guān)信息，提交海事管理機(jī)構(gòu)進(jìn)行審核確認(rèn)。對有船舶、人員變更情況的，可及時補(bǔ)充錄入，并及時更新現(xiàn)場作業(yè)船舶、人員動態(tài)信息。

（2）運(yùn)維作業(yè)管理。出海前，可錄入出海船舶、人員相關(guān)信息，提交海事管理機(jī)構(gòu)進(jìn)行確認(rèn)。出海船舶、人員返港后，可及時錄入相關(guān)信息，形成閉環(huán)管理。

（3）輔助船舶管理。在運(yùn)輸船、拋石船、供油船、污染物接收船等輔助船舶抵達(dá)現(xiàn)場前，可錄入輔助船舶、人員動態(tài)信息，并及時更新。

（4）應(yīng)急資源管理。錄入并動態(tài)更新施工作業(yè)和運(yùn)維作業(yè)期間提供應(yīng)急保障的救助拖輪、救援直升機(jī)、大馬力錨艇等應(yīng)急資源信息。

4.應(yīng)用案例

目前，本文提及的南通沿海海上風(fēng)電通航安全監(jiān)控系統(tǒng)已在盛東如東H3#400MW海上風(fēng)電場應(yīng)用并取得預(yù)期效果，初步實(shí)現(xiàn)了信息資源全面掌握、風(fēng)險隱患有效管控、管理效能顯著提升的監(jiān)管目標(biāo)。圖3為系統(tǒng)信息集成監(jiān)控平臺功能頁面，直觀顯示了風(fēng)電場水域的船舶實(shí)時動態(tài)信息，并分別用綠色、黃色、紅色標(biāo)注船舶風(fēng)險等級，為場區(qū)通航安全監(jiān)管提供了有力支撐。

5.結(jié)語

本文基于江蘇南通這個我國海上風(fēng)電發(fā)展領(lǐng)先區(qū)域的海上風(fēng)電通航安全特點(diǎn)，探討了一套由信息集成監(jiān)控平臺及配套基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)建而成的“陸海空”立體化監(jiān)管的智能海上風(fēng)電通航安全監(jiān)控系統(tǒng)。本系統(tǒng)集成運(yùn)用位置感知、氣象監(jiān)測、視頻監(jiān)控、移動互聯(lián)、智能分析等手段，實(shí)現(xiàn)了海上風(fēng)電場區(qū)域現(xiàn)場監(jiān)管可視化、遠(yuǎn)程通信一體化、系統(tǒng)運(yùn)行智能化的監(jiān)管目標(biāo)。本系統(tǒng)已在盛東如東H3#400MW海上風(fēng)電場上線運(yùn)行，為解決海上風(fēng)電場通航安全監(jiān)管中存在的“看不到、叫不到、管不到”難題提供了切實(shí)可行的解決方案，對提升我國海上風(fēng)電管理智慧水準(zhǔn)、推動構(gòu)建科學(xué)有效的海上風(fēng)電通航安全監(jiān)管體系具有一定的參考價值。