海上風電工程安全管理創新研究

如東和風海上風力發電有限公司 葛中原 和慶冬 張 成 單程程

海上風電場遠離陸地，復雜的氣象和貧瘠的通訊，使得海上風電項目施工安全管理難度急劇增加。針對上述痛點，引入“互聯網+”理念，依托遠距離自組網的通訊技術，建立強勁可靠的海上通訊環境，研究利用先進的信息化手段，特別是物聯網技術，將傳感技術、移動通訊技術等手段設計植入到海上風電基建項目現場的建筑、機械、人員穿戴、上下船進出關口、手持終端等管理對象中，綜合實現對現場人員、機械、設備以及施工作業各個環節的數字化管理，實現海上風電工程安全管理創新。

國外海上風電建設運維技術已經相對成熟，各發電公司和大型海上風電場均建設有自己的智慧管理調度系統，比如瑞典電力公司Vattenfall 針對海上風電場的管理和調度打造了新一代的數字運維資跟蹤管理系統；西門子引入了丹麥ConWX 公司的精細化氣象海洋預報系統、為風電場提供精細化氣象海洋預報。國內海上風電建設起步較晚，在基建期大都采用分散式的功能性軟件，如氣象預報系統、GPS 人員海上定位、利用船訊網數據進行船舶信息查詢等，然而這些功能性軟件并未解決遠海風電場通訊信號差、遠程監控管理難等問題。

1 系統設計功能

根據海上風電工程特點，系統引入“互聯網+”理念，依托自組網的通訊技術，將海上人員船舶管理系統、可視化管理系統、智能監控系統、準入控制系統、安全培訓系統和實時處理等相關安全管理軟件整合成一體化的海上風電工程安全管理支持系統，系統設計功能如下：

基于Smesh 無線組網技術，在海上施工作業面和岸上升壓站施工區域分別部署一套網絡，實現陸海遠距離數據傳輸的要求；利用云計算技術實時精準獲取施工作業區域氣象數據預報、預警信息，為人員出海提供氣象保障服務；使用AIS 船舶自動識別技術，實現海上船舶的識別管理、船舶的軌跡查詢、船舶的定位查詢，并通過設定施工區域的電子圍欄技術，實現外來船只進入施工區域的報警和實時管控；引入數字電子地圖系統，基于海圖實現施工區域的可視化、船只識別的可視化、工程進度的可視化、海上人員的可視化、外來船舶闖入的可視化及報警等功能，實現海上施工作業區域可視化、精細化管理。

AI 識別技術，利用大數據和云計算技術實現視頻流與特征模型的對比分析，實現人員行為違章（如未戴安全帽識別，未穿戴救生衣識別）的智能抓拍及推送，以及煙火的智能分析抓拍、推送，實現安全隱患的AI 分析識別，自動實現施工區域存在安全隱患的識別與報警；建設準入控制管理系統，并實現與安全管理支持系統的數據聯動和無縫對接，規范施工人員上下船只的管理，強化安全管控手段；建立豐富的海上風電工程安全培訓平臺，利用二維碼技術，通過移動端掃碼學習提高施工人員安全知識學習的便利性和主觀性，實現安全知識學習的創新；收集海上安全過程管控的相關數據并進行匯總、分析，有效控制現場施工安全風險，實現趨勢分析與安全預警。

圖1 系統功能

2 系統應用技術

為實現項目施工現場安全管理“防、管、控”三大業務功能，系統主要應用了二維碼、RFID 電子標簽、數字地圖、無線WIFI 組網、AI 智能識別等技術。利用二維碼給項目施工現場被管理對象打上數字化標簽，數字地圖與無線WIFI 組網的結合則形成了項目現場的數字網格系統。數字化標簽記錄了被管理對象的基礎信息和管理要素信息，是對象唯一標識。數字網格系統動態地定義了施工現場地理信息和各被管理對象的地理位置和活動狀態，兩者結合應用是現場管理物聯網化的基礎。通過數字化標簽和數字網格系統的相互作用，能夠有效地對施工現場的人員、設備、施工機械以及危險源等管理對象進行全面、及時的安全監控。

2.1 數字化標簽

數字化標簽在本項目中定義為人員、設備或機械的唯一標識，實現對管控對象的數字化。在本項目中，數字標簽信息由二維碼、RFID 電子標簽、后臺數字信息三部分共同構成被監控管理對象的完整定義，三者結合形成該管控對象的唯一數字標簽，可適應本項目的各種環境和場景。通過讀取標簽，可方便、快速地查詢人員、設備或機械的詳細信息，便于管理，它是工地現場物聯網化的基礎。

二維碼（2-dimensional bar code）技術是用某種特定的幾何圖形按一定規律在平面（二維方向上）分布的黑白相間的圖形記錄數據符號信息。利用系統的掃碼功能可方便地將這種二維布局的幾何圖形迅速翻譯成可識別的文字或其他信息；RFID（射頻識別Radio Frequency Identification）技術利用無線射頻方式在讀寫器和電子標簽之間進行非接觸雙向數據傳輸，以達到目標識別和數據交換的目的。RFID 系統的組成一般包括電子標簽、讀寫器兩個部分。

2.2 數字網格系統

在海上基建期現場各個區域的作業特點和施工要求各不相同，借助信息化手段對各個區域的管控進行區分，實行網格化管理，形成數字網格系統。實現對管理區域、管理對象、管理過程和工作評價的數字化。

利用數字地圖技術和無線WIFI 組網技術將被管理對象呈現在數字網格系統中，并利用信息化手段對項目施工現場管理對象進行數字化管理，可將項目現場施工平面、重點區域數字化、網格化，以地圖的形態直觀地反映在信息系統中；并結合現場重點區域的無線WIFI，將打上數字化標簽的被管控對象接入網絡與后臺系統通信，納入數字地圖中進行監控與管理。

數字地圖技術。是將平面物理信息與空間物理信息的數字化，在一定范圍的坐標系統內確定的坐標和屬性的地面要素和對象，并在計算機中虛擬呈現。本項目中利用虛擬現實技術，將海上風電工程的施工現場進行平面信息數字化與空間信息可視化，構建成為一個直觀的項目現場數字電子地圖，作為施工現場智能監控的可視化管理平臺。

無線WIFI 組網技術。是指在不添加有線基礎設施的情況下，基于IEEE 802.11標準，利用無線傳輸設備部署架設局域網。本項目中，海上工程施工現場的復雜性、可變性、不易布設有線鏈路等特點，選用運營商4G 網絡結合4G 轉WIFI 設備，可簡單快速地架設一套針對施工現場重點區域的WIFI網絡覆蓋，實現現場實時和有效的信息化管理。

2.3 虛擬化技術

通過服務器虛擬化技術，充分發揮硬件資源、提高利用率，在支撐應用系統靈活擴展的同時，也大大降低了系統運維、管理成本。基于服務組件框 架SCA（Service Component Architecture，SCA）、服務數據對象SDO（Service Data Object，SDO）等技術組件式開發的管控一體化系統，系統功能模塊易拆分、易組合，具有靈活的部署方式，滿足各項目的多級應用。

3 海上風電安全管理支持系統的構建

圖2 系統可視化界面

海上風電安全管理支持系統主要包括可視化管理系統、海上人員船舶管理系統、智能監控系統、安全培訓系統、實時處理系統、數據分析系統、準入系統共7大子系統，各子系統構建如下。

3.1 可視化管理系統

將工程現場進行平面信息數字化與空間信息可視化，構建成為一個直觀的項目現場數字電子地圖，實現區域管控功能，提升海上風電安全管理的監督管理手段。可視化管理系統主要內容如下。

基于實時處理系統的日常檢查、專項檢查數據，實現安全隱患的檢查和整改的數據統計分析與展示；基于船舶管理的功能數據實現作業船只識別、外來船只識別、外來船只闖入報警的可視化展示功能；基于AI 遠程視頻監控系統，將施工區域作業情況實時進行展示，并對AI 監控識別的安全問題實時進行曝光；與應急處置系統實現數據接口，實時將應急處置發布的（煙火報警、人員落水報警、氣象臺風報警等）進行可視化展示；獲取船只人員準入控制數據，實時將施工船只人員信息進行可視化展示。

3.2 海上人員船舶管理系統

海上人員船舶管理系統包括出海人員管理系統、氣象服務保障系統和船舶識別管理系統三項功能。

出海人員管理系統。通過建立出海人員跟蹤管理制度，實現出海人員表單化、流程化和規范化管理，根據出海管理要求，自動判斷出海作業日期是否滿足作業條件，實時提供氣象預報和預警信息。為保證現場項目負責人、專職安全管理人員和特種作業人員的從業資質滿足現場安全生產的需要，實現對上述人員基礎信息、資質信息的收集和審查工作，同時為準入控制系統提供人員準入判斷依據。

氣象服務保障系統。依托氣象局風場區域衛星及鄰近氣象站觀測大數據信息（天氣、溫度、10M 風、10M 陣風、100M 風、浪高、能見度、降水量、相對濕度、雷電概率），系統實時精準獲取施工作業區域氣象數據信息，并根據海上作業出海管理的氣象條件要求，自動實現氣象分析預報、預警功能，為人員出海提供氣象保障服務。

船舶識別管理系統。使用AIS 船舶自動識別技術，實現海上船舶的識別管理、船舶的軌跡查詢、船舶的定位查詢，并通過設定施工區域的電子圍欄技術，實現外來船只進入施工區域的報警和實時管控。

3.3 其他系統

智能監控系統。利用AI 識別技術，利用大數據技術實現視頻流與特征模型的對比分析，實現人員行為違章（如未戴安全帽識別，未穿戴救生衣識別）的智能抓拍及推送，以及煙火報警的智能分析抓拍、推送，實現安全隱患的AI 分析識別，自動實現施工區域存在安全隱患的識別與報警，實時將已識別的安全隱患推送到手機端、PC 端進行報警展示。彌補了傳統安全管理方法在監管中的缺陷，實現了海上復雜作業環境的智慧化管理創新，同時提高了安全管理的效率。

安全培訓系統。提供內容豐富的針對海上作業安全的培訓課程，涵蓋動漫視頻安全教育片、集團公司安全質量管理導則等內容，并配備相應考試題庫；數據分析系統。對監測數據進行采集分析，通過分析人力資源數據、施工機械數據和違章數據，判斷項目是否安全可控，為管理提供進一步決策支撐；準入系統。人員進場前施工單位需上報人員基礎信息，經管理單位審核后，進行入場安全教育培訓及考試，考試合格后方可制卡及發卡。船只建設人臉生物識別驗證設備，實現對各人員進出海上作業船只管控。使系統直接調取到該人員的人臉圖像庫進行比對，加快比對速度，以便人員快速登船。

綜上，海上風電安全管理支持系統解決了現階段海上風電場建設期存在的痛點難點，重點突破基建期海上通訊瓶頸，研究利用先進的信息化手段實現對現場人員、機械、施工的全方位、全過程實時監控，將海上風電基建現場安全管理從被動“監督”變為主動“監控”，該系統于2019年應用在國家電投集團濱海南H3海上風電項目建設上，應用效果良好，有效提升海上風電工程管理本質安全水平。