基于E航海的海上風(fēng)電場監(jiān)護(hù)方案設(shè)計(jì)

陳衛(wèi)文 吳維棉 林樹超 交通運(yùn)輸部南海航海保障中心汕頭通信中心

1.海上風(fēng)電場概況

1.1 海上風(fēng)電場發(fā)展趨勢

海上風(fēng)電具有資源豐富、發(fā)電利用小時(shí)數(shù)相對較高、技術(shù)相對高端的特點(diǎn)，是新能源發(fā)展的前沿領(lǐng)域。國家積極推動(dòng)海上風(fēng)電發(fā)展，實(shí)施試點(diǎn)示范項(xiàng)目建設(shè)。目前，廣東省規(guī)劃海上風(fēng)電場址23個(gè)，總裝機(jī)容量6685萬千瓦。粵東海域作為我省風(fēng)能資源最為豐富的地區(qū)，發(fā)展海上風(fēng)電潛力巨大，是我省海上風(fēng)電重點(diǎn)規(guī)劃發(fā)展區(qū)域。

1.2 海上風(fēng)電場面臨風(fēng)險(xiǎn)

粵東海上風(fēng)電場固然具備良好的建設(shè)條件與市場前景，但項(xiàng)目落地后能否應(yīng)對面臨的種種風(fēng)險(xiǎn)挑戰(zhàn)，是檢驗(yàn)風(fēng)電項(xiàng)目能否可持續(xù)發(fā)展的試金石。從當(dāng)前來看，存在幾種可預(yù)見的風(fēng)險(xiǎn)與挑戰(zhàn)，如風(fēng)電設(shè)施碰撞事故與輸電管斷纜事故風(fēng)險(xiǎn)、事前預(yù)判機(jī)制與事中干預(yù)機(jī)制不完善、海事部門監(jiān)管范圍有限等。

因此，需要一種集標(biāo)準(zhǔn)性、先進(jìn)性、實(shí)時(shí)性、預(yù)早性與共享性于一體的監(jiān)護(hù)方案，升級、改造原有管理模式，切實(shí)保障海上風(fēng)電場設(shè)施的安全，彌補(bǔ)海事部門對風(fēng)電場水域監(jiān)管力度薄弱的不足。

2.海上風(fēng)電場監(jiān)護(hù)方案整體思路

利用海事航海保障的公益資源，為社會提供開放助航大數(shù)據(jù)服務(wù)。對外開放使用公益性數(shù)據(jù)，例如AIS數(shù)據(jù)，VHF信道資源等。

航海保障中心對海岸電臺業(yè)務(wù)實(shí)施日常監(jiān)控、安全信息提醒、應(yīng)急值守和后續(xù)通信等統(tǒng)一值守工作，實(shí)行24小時(shí)值班制度，應(yīng)急反應(yīng)方面擁有成熟完善的機(jī)制、規(guī)范的運(yùn)行流程、專業(yè)的值守隊(duì)伍。可以借助航海保障豐富的海事級實(shí)時(shí)監(jiān)控經(jīng)驗(yàn)與專業(yè)化值守，為風(fēng)電場自動(dòng)化監(jiān)控服務(wù)與緊急情況下的船舶干預(yù)服務(wù)。

3.基于E航海的海上風(fēng)電場監(jiān)護(hù)系統(tǒng)建設(shè)方案

3.1 系統(tǒng)框架

如圖1所示。

圖1 基于E航海的海上風(fēng)電場監(jiān)護(hù)系統(tǒng)

本方案將在E航海平臺的基礎(chǔ)上開展海上風(fēng)電場監(jiān)護(hù)系統(tǒng)建設(shè)工作，其總體設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

水上服務(wù)平臺總體分為“一個(gè)地圖服務(wù)發(fā)布中心，一個(gè)企業(yè)級WEB服務(wù)，一個(gè)數(shù)據(jù)中心和交換中心，兩個(gè)客戶端應(yīng)用”來建設(shè)。

一個(gè)地圖服務(wù)發(fā)布中心：系統(tǒng)可發(fā)布電子海圖數(shù)據(jù)；可接入國家測繪局天地圖數(shù)據(jù)，接入部電子海圖，接入南保中心電子海圖。

一個(gè)企業(yè)級WEB服務(wù)：完成水上服務(wù)平臺各功能應(yīng)用，以及提供移動(dòng)app應(yīng)用功能接口，實(shí)現(xiàn)海上風(fēng)電場監(jiān)管防護(hù)業(yè)務(wù)管理。

一個(gè)數(shù)據(jù)中心和數(shù)據(jù)交換中心：建設(shè)水上服務(wù)平臺風(fēng)電場數(shù)據(jù)，AIS船舶靠近風(fēng)電場航行軌跡數(shù)據(jù)、風(fēng)電場監(jiān)測設(shè)備數(shù)據(jù)，用戶數(shù)據(jù)、日志記錄等數(shù)據(jù)，以及與第三方系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互的數(shù)據(jù)交換中心,包括接入視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、VHF語音數(shù)據(jù)、DSC數(shù)據(jù)、雷達(dá)數(shù)據(jù)等。

兩個(gè)客戶端應(yīng)用：一個(gè)客戶端用戶可通過PC端終端打開運(yùn)行瀏覽器輸入地址訪問系統(tǒng)，在用戶登錄成功后根據(jù)用戶權(quán)限使用系統(tǒng)功能。另一個(gè)通過安卓系統(tǒng)的手機(jī)app運(yùn)行。

海上風(fēng)電E監(jiān)管系統(tǒng)運(yùn)行原理為當(dāng)檢測到進(jìn)入監(jiān)管區(qū)的船舶后，相應(yīng)設(shè)備通過局域網(wǎng)將信號傳回中控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化分析，并通過控制網(wǎng)、電信號啟動(dòng)現(xiàn)場預(yù)警設(shè)備，同時(shí)通過以太網(wǎng)將預(yù)警信息傳至風(fēng)電場監(jiān)管值班人員，完成整個(gè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集及預(yù)警過程無需人工介入，達(dá)到“技防”的目的，值班人員收到預(yù)警信息后屬于現(xiàn)場事故確認(rèn)，技防為主，人防為輔，各個(gè)子系統(tǒng)存在較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。

3.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

（1）現(xiàn)場感知。全域多元聯(lián)合感知。通過AIS、雷達(dá)、CCTV、水文能見度檢測等前端設(shè)備，北斗、GPS等定位設(shè)備，對靠近風(fēng)電場水域的船舶進(jìn)行感知，收集前端信息，獲取船舶航行動(dòng)態(tài)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場全天候、全天時(shí)的船舶目標(biāo)感知、通航環(huán)境感知，以及預(yù)警信息監(jiān)測。

船舶目標(biāo)感知——AIS船舶狀態(tài)自動(dòng)識別：對風(fēng)電場特定范圍設(shè)置電子圍欄，根據(jù)AIS數(shù)據(jù)識別越線船舶靜態(tài)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，自動(dòng)觸發(fā)預(yù)警消息，通過平臺監(jiān)控終端通知值守，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)控；自動(dòng)發(fā)送報(bào)文提醒消息至船載顯示器，發(fā)送VHF語音提醒消息至甚高頻終端，告知區(qū)域內(nèi)船舶繞道航行。

雷達(dá)監(jiān)測定位：以“小雷達(dá)，多布點(diǎn)”的方式，在風(fēng)電場四周分別布點(diǎn)雷達(dá)前端設(shè)備，實(shí)現(xiàn)全方位的掃描。將雷達(dá)數(shù)據(jù)與AIS數(shù)據(jù)相融合，使船位數(shù)據(jù)更及時(shí)準(zhǔn)確，提供更加精準(zhǔn)的預(yù)警信息。

CCTV抓拍跟蹤：在AIS和雷達(dá)監(jiān)控技術(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合CCTV系統(tǒng)，對進(jìn)入該區(qū)域的船舶進(jìn)行重點(diǎn)跟蹤抓拍。當(dāng)檢測到船舶信息不全或無AIS信號的船舶（如小型漁船等），進(jìn)行特別標(biāo)識與跟蹤，此時(shí)觸發(fā)高音喇叭進(jìn)行預(yù)警提醒。利用高清攝像機(jī)，采集風(fēng)電場周邊水域現(xiàn)場的視頻數(shù)據(jù)，供監(jiān)管人員實(shí)時(shí)預(yù)覽、回放，便于直觀、便捷地掌握現(xiàn)場狀況。

通航環(huán)境感知：利用風(fēng)電設(shè)施上安裝水文氣象傳感設(shè)備，現(xiàn)場實(shí)時(shí)監(jiān)測水域能見度、海流、風(fēng)速風(fēng)向等。當(dāng)現(xiàn)場能見度低于1000米、風(fēng)速超過9級時(shí)，利用風(fēng)速、大霧、水位傳感器感應(yīng)，觸發(fā)系統(tǒng)通過VHF對船主進(jìn)行風(fēng)電場范圍能見度、風(fēng)速風(fēng)力、水位等信息提醒，并啟動(dòng)霧笛等聲光電設(shè)備通知警示船舶，防止船舶誤撞設(shè)施，減小惡劣天氣的影響。

預(yù)警信息監(jiān)測：預(yù)警信息監(jiān)測包括VHF無線電廣播接收監(jiān)測、播音傳感感測、光學(xué)警示監(jiān)測。利用船舶終端設(shè)備以及在前端加裝監(jiān)測設(shè)備，對于VHF無線電廣播、現(xiàn)場播音，以及光學(xué)警示的接收情況進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測反饋，確保預(yù)警信息發(fā)送到位。

（2）遠(yuǎn)程通信。前端設(shè)備感知獲取信息后，各種信息數(shù)據(jù)將通過多種通信方式回傳。數(shù)據(jù)可通過海底線纜、甚高頻數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)VDES、衛(wèi)星進(jìn)行傳輸。所有信息將轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，通過特定數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行打包封裝，回傳各處理終端，以供后續(xù)數(shù)據(jù)分析，判斷指令。在各顯示控制終端將回傳的數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為直觀的圖文信息。

海纜光纖傳輸：利用粵東沿海海域風(fēng)電場與岸端之間的海纜光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，實(shí)現(xiàn)前端設(shè)備收集的數(shù)據(jù)與后端數(shù)據(jù)中心之間的數(shù)據(jù)交換。

甚高頻數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)VDES：荷載實(shí)時(shí)CCTV、雷達(dá)、AIS、以及光學(xué)+紅外預(yù)警觸發(fā)信息、通航環(huán)境監(jiān)測信息等數(shù)據(jù)。使用專用報(bào)文的方式可把關(guān)鍵核心的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)從海上傳輸至岸端系統(tǒng)。

衛(wèi)星通信：使用北斗等衛(wèi)星將短報(bào)文等數(shù)據(jù)傳輸至岸端系統(tǒng)。

（3）疏導(dǎo)預(yù)警。系統(tǒng)將通過設(shè)置電子圍欄、虛擬航標(biāo)的方式劃定三級虛擬警戒區(qū)，對靠近的船舶進(jìn)行預(yù)警。

虛擬警戒區(qū)是基于船舶自動(dòng)識別系統(tǒng)（AIS）、衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS、北斗），電子海圖/航道圖系統(tǒng)等現(xiàn)代科技產(chǎn)生的新興導(dǎo)助航應(yīng)用技術(shù)，具有設(shè)置簡單，維護(hù)方便，成本經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢。在風(fēng)電場區(qū)域設(shè)置虛擬警戒區(qū)，分別劃定監(jiān)管水域，根據(jù)風(fēng)電場形狀，由內(nèi)向外分別劃定三個(gè)層級區(qū)域進(jìn)行分級管理。上述三個(gè)管理區(qū)域分別實(shí)現(xiàn)如下功能:

提醒區(qū)：提醒區(qū)為次重點(diǎn)管制區(qū)域，船舶進(jìn)入距離風(fēng)電場中心2海里范圍時(shí)，監(jiān)控機(jī)制啟動(dòng)，系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)電場形狀形成的電子包圍線，發(fā)送提醒信息到船載AIS顯示器，并為過往船舶設(shè)計(jì)推薦航道，主動(dòng)引導(dǎo)進(jìn)入該區(qū)域內(nèi)的船舶通行，同時(shí)發(fā)出禁止違規(guī)作業(yè)并避開航行的提醒。

警戒區(qū)：警戒區(qū)為重點(diǎn)管制區(qū)域，船舶進(jìn)入距離風(fēng)電場中心1.5海里范圍時(shí)，警戒機(jī)制啟動(dòng)，系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)電場形狀形成的電子包圍線，發(fā)送禁止駛?cè)胂⒌酱dAIS顯示器，同時(shí)對船舶發(fā)送甚高頻（VHF）語音廣播信息，從而對船舶上駕駛員進(jìn)行二次提醒。警戒保護(hù)系統(tǒng)持續(xù)跟蹤船舶軌跡、航速、航向等各項(xiàng)參數(shù)，并提醒值班人員通過CCTV及監(jiān)控平臺重點(diǎn)關(guān)注船舶動(dòng)態(tài)。

報(bào)警區(qū)：報(bào)警區(qū)為嚴(yán)格管制區(qū)域，若船舶進(jìn)一步靠近風(fēng)電場中心至1海里以內(nèi)，報(bào)警機(jī)制啟動(dòng)，系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)電場形狀形成的電子包圍線，觸發(fā)緊急告警通知，進(jìn)入重點(diǎn)跟蹤階段。一方面，系統(tǒng)通過值守終端界面提醒值守人員進(jìn)行人工干預(yù)，同時(shí)彈出窗口顯示闖入船舶的詳細(xì)信息；另一方面，值守人員收悉后通過甚高頻（VHF）語音、DSC通信系統(tǒng)和現(xiàn)場高音喇叭緊急干預(yù)闖入禁區(qū)的船舶，或協(xié)調(diào)周圍船舶和應(yīng)急搶險(xiǎn)隊(duì)伍力量現(xiàn)場阻止作業(yè)船舶。期間甚高頻自動(dòng)播發(fā)語音告警消息不間斷，以引起違規(guī)船舶或附近船舶的密切關(guān)注。

（4）共享值守。系統(tǒng)數(shù)據(jù)和監(jiān)管界面將共享給各個(gè)需求部門。

服務(wù)使用：共享給風(fēng)電場業(yè)主。給風(fēng)電場方提供網(wǎng)頁及手機(jī)APP終端，方便其隨時(shí)掌握動(dòng)態(tài)。業(yè)主能通過終端實(shí)時(shí)查看風(fēng)電場周邊情況，確保設(shè)備安全完好。如發(fā)生船舶碰撞事故致設(shè)備損失，業(yè)主可將AIS信息、CCTV抓拍數(shù)據(jù)等作為保留證據(jù)進(jìn)行追責(zé)，另外日常也可及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，報(bào)障維修，從而大大減少經(jīng)濟(jì)損失。

信息共享：共享給海事監(jiān)管部門。本系統(tǒng)給海事監(jiān)管部門提供VTS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口，使其能在緊急時(shí)刻人工介入管理。E航海監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的自動(dòng)化監(jiān)管，將在很大程度上減少海事監(jiān)管部門對風(fēng)電場海域船舶指揮的工作量，使交通指揮人員及早地了解情況、發(fā)現(xiàn)問題、采取相應(yīng)的補(bǔ)救措施，有效防止和避免通航環(huán)境資源被破壞，讓海上環(huán)境資源得以保護(hù)和合理利用。

值守服務(wù)：共享給系統(tǒng)管理員及值守人員。一方面，航海保障部門值班人員進(jìn)行24小時(shí)不間斷的值守監(jiān)控，及時(shí)進(jìn)行干預(yù)和反饋，以保障船舶航行安全；另一方面，值班人員可通過查看各項(xiàng)后臺數(shù)據(jù)，分析判斷系統(tǒng)及設(shè)備的運(yùn)行情況，根據(jù)需要通知運(yùn)維人員做好維護(hù)檢修。

（5）警示干預(yù)。智能語音合成甚高頻VHF警示。當(dāng)系統(tǒng)識別到船只靠近風(fēng)電場警戒區(qū)，觸發(fā)VHF 智能語音信息，以廣播的方式對特定船舶進(jìn)行預(yù)警，警告其偏離航線信息，進(jìn)入風(fēng)電場威脅區(qū)域。

智能語音合成高音喇叭、霧笛警示。在風(fēng)電設(shè)備上將加裝高音喇叭和霧笛，對進(jìn)入風(fēng)電場重點(diǎn)監(jiān)護(hù)水域的船舶，系統(tǒng)在觸發(fā)VHF語音信號的同時(shí)，通過高音喇叭和霧笛通過自動(dòng)語音廣播的方式進(jìn)行警示干預(yù)。

船載AIS顯示器報(bào)文提醒。系統(tǒng)發(fā)送報(bào)文給船載AIS顯示器，提醒進(jìn)入該區(qū)域內(nèi)的船舶繞道航行。

E航海船載導(dǎo)航終端報(bào)警。E航海導(dǎo)航系統(tǒng)會根據(jù)海上交通情況進(jìn)行路線規(guī)劃和通行指引，當(dāng)靠近風(fēng)電場監(jiān)護(hù)區(qū)時(shí)發(fā)出語音提醒。

人工干預(yù)。后臺監(jiān)控中心和海事監(jiān)管部門通過共享數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對風(fēng)電場海域的同步監(jiān)控，當(dāng)看到船舶靠近風(fēng)電場監(jiān)護(hù)區(qū)域，通過VHF進(jìn)行語音警告，DSC單獨(dú)呼叫，提醒船舶規(guī)范行駛。

4.傳統(tǒng)監(jiān)管方式與海上風(fēng)電場E航海監(jiān)護(hù)方案的比較

傳統(tǒng)監(jiān)管方式：以往風(fēng)電場主要通過人工巡檢的方式進(jìn)行管理，防止船舶在風(fēng)電場區(qū)域內(nèi)作業(yè)及拋錨，以保障風(fēng)電場的安全。但上述方式存在明顯弊端，一方面需要現(xiàn)場巡檢，既要投入大量船員的人力成本，又要花費(fèi)昂貴的船舶租賃費(fèi)用，浪費(fèi)了大量人力物力和財(cái)力；另一方面，所獲取的數(shù)據(jù)缺乏連續(xù)性和實(shí)時(shí)性，一旦有船舶進(jìn)入預(yù)警區(qū)域，巡查工人往往來不及及時(shí)提醒駕駛員，無法真正發(fā)揮監(jiān)管效能。面對日益嚴(yán)峻的水上交通監(jiān)管形勢，被動(dòng)的傳統(tǒng)監(jiān)管方式無法應(yīng)對多船會遇等復(fù)雜情景，且容易遺漏重要預(yù)警，進(jìn)而可能導(dǎo)致水上交通事故的發(fā)生。

基于E航海的海上風(fēng)電場監(jiān)護(hù)方案：采用基于E航海的海上風(fēng)電場監(jiān)護(hù)方案，是綜合利用各種通信技術(shù)，通過大數(shù)據(jù)的運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)部分或者完全取代人力分析判斷的智能化決策，能為過往船舶提供提醒預(yù)警，使之提前規(guī)劃好安全航線，避開風(fēng)電場區(qū)域航行，這將大幅度規(guī)范海上交通秩序，促進(jìn)航行便捷度，大幅度提升通航效率。

5.結(jié)束語

航海保障中心承擔(dān)著為轄區(qū)水上交通安全提供信息化技術(shù)支持和保障的職責(zé)。本文提出的海上風(fēng)電場監(jiān)護(hù)方案是基于E航海并依托于航海保障部門的職能，結(jié)合新一代的通信技術(shù)，整合各業(yè)務(wù)平臺。其實(shí)用性與經(jīng)濟(jì)性使之可被推廣應(yīng)用到今后的各類海上設(shè)施的監(jiān)控與維護(hù)，為海區(qū)的發(fā)展提供信息化支撐。