海上風電通航安全自主監(jiān)控系統(tǒng)及應(yīng)用

李劍鋒， 余 峰

（1.江蘇云杉清潔能源投資控股有限公司，南京 210004；2.浙江華東工程咨詢有限公司，杭州 310014）

0 引 言

風力資源在我國能源供應(yīng)戰(zhàn)略中的地位日益凸顯，海上風電等重大工程的開發(fā)建設(shè)正處于快速發(fā)展期［1-2］。由于海上風電場區(qū)自然環(huán)境惡劣、天氣狀況復(fù)雜，因此，建設(shè)海上風電通航安全自主監(jiān)控系統(tǒng)對海上風電發(fā)展意義深遠［3-4］。

目前海上風電場的自主監(jiān)控采用傳統(tǒng)方法，且針對施工期和維護期使用的自主監(jiān)控方法不盡相同。傳統(tǒng)監(jiān)控方法存在記錄量大、信息同步較慢和分析滯后等諸多問題，通過后續(xù)分析再做出預(yù)警的做法往往已經(jīng)耽誤了工期，甚至已產(chǎn)生較為嚴重的后果［5-7］。

海上風電監(jiān)控分為施工期間海上風電現(xiàn)場監(jiān)控和運維期間的海上風電監(jiān)控兩種情況［8］。施工期間的監(jiān)控主要針對現(xiàn)場船舶、人員來往等，但各班組和人員分工較為明確，通常會安排人員對現(xiàn)場施工進程和情況進行詳細記錄，記錄分為日志記錄和視頻記錄兩種。日志記錄主要通過人工填寫當日施工內(nèi)容、氣象信息、進場人員信息和使用設(shè)備信息等。視頻記錄是施工人員通過手機或者工程相機，在施工現(xiàn)場收集錄制視頻，視頻內(nèi)容包括進場教育學習，施工過程視頻記錄［9-10］。無論是日志記錄和視頻記錄，都是與人員設(shè)備同時回到基地或辦公區(qū)域后采用電話及網(wǎng)絡(luò)傳遞給相應(yīng)處理機構(gòu)或者分析部門。施工期間為保證工程施工安全，在風電施工海域均設(shè)置有驅(qū)離船，對誤入風電施工場區(qū)的其他船只進行多頻率公用無線電廣播預(yù)警和船只抵近告知驅(qū)離。

運維期間的監(jiān)控主要針對運維期間進入風電場區(qū)的人員較少，主要工作是對風電設(shè)備運行故障進行巡查，同時對誤入風電場管理區(qū)域的外部船只進行預(yù)警和驅(qū)離。日常巡查工作中，管理運維人員主要根據(jù)實時海況及天氣預(yù)報出海對風電場進行定期巡視。往往受天氣和人員組織因素的影響，定時定期巡視存在時間不固定的特性。如發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障等問題時，可能該問題設(shè)備已經(jīng)故障多時，并可能出現(xiàn)較為嚴重的損壞。對于無意闖入場區(qū)周邊的船只，只有在巡航監(jiān)測期間才有機會去發(fā)現(xiàn)，驅(qū)離時也是需要巡護人員通過無線電進行告知和抵近驅(qū)離。

對于上述兩種監(jiān)測情景，人工記錄信息時存在施工人員遺漏、信息錯填和漏填等問題，給后方管理部門帶來一定信息處理和分析難度［11］。海況信息收集過程中需要成立專業(yè)小組手持儀器，人為測量記錄和反饋，記錄過程同樣存在錯記和漏記等問題，海邊天氣變換頻率較快，人工測量的效率也較難滿足實時氣象監(jiān)控的需求，人力成本和設(shè)備成本投入較高，反饋時效和經(jīng)濟性不能滿足現(xiàn)場要求［12-14］。現(xiàn)場視頻記錄的施工人員，通過手機或者工程相機在施工現(xiàn)場或者檢測現(xiàn)場收集錄制視頻現(xiàn)場實時傳遞視頻難度大。海面范圍商用移動終端信號較弱，通過商用移動終端信號傳遞信息難度極大，待船舶行駛回到岸邊電話溝通和網(wǎng)絡(luò)傳遞采集視頻存在信息延時性高的問題，在能見度差的情況下，施工和運維配備的巡護驅(qū)離船只也無法及時發(fā)現(xiàn)誤入風電場區(qū)域的船只［15-16］。后方管理人員根據(jù)傳遞的信息做出響應(yīng)，再安排運維監(jiān)控人員對公共區(qū)域做出預(yù)警的時效性已經(jīng)喪失。

基于以上不足，提出一種保證海上風電運維期間通航安全的自主監(jiān)控集成系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)綜合控制和解決上述記錄量大、信息同步較慢、分析滯后等問題，實現(xiàn)風電場統(tǒng)一運行監(jiān)控、統(tǒng)一調(diào)度指揮，統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理，統(tǒng)一通航狀態(tài)監(jiān)控。

1 系統(tǒng)總體布局

海上風電通航安全自主監(jiān)控系統(tǒng)由硬件部分和軟件部分組成。海上風電通航安全自主監(jiān)控系統(tǒng)按照《南通海上風電通航安全自主監(jiān)控系統(tǒng)配套基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)技術(shù)指南》硬件部分分為監(jiān)測硬件設(shè)施、氣象硬件設(shè)施和其他硬件設(shè)施三大類。監(jiān)測硬件設(shè)施主要包括AIS、VHF硬件，水文氣象硬件設(shè)施包括風速儀、風向儀、溫濕度、壓力、能見度、波高和水流儀等，其他硬件設(shè)施主要包括視頻采集和網(wǎng)絡(luò)傳輸硬件。軟件部分主要依托微軟架構(gòu)創(chuàng)建適用于監(jiān)控及展示集成的軟件開發(fā)。海上風電通航安全自主監(jiān)控系統(tǒng)是集成船舶運用位置感知、海上風電范圍氣象監(jiān)測、場區(qū)視頻監(jiān)控、多數(shù)據(jù)傳輸移動互聯(lián)和監(jiān)控平臺智能分析等手段，實時掌握風電場建設(shè)運維相關(guān)信息及環(huán)境狀況，對風電施工船舶、運維船舶實施動態(tài)監(jiān)控預(yù)警以及對施工、運維作業(yè)綜合管控的應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)。

海上風電通航安全自主監(jiān)控系統(tǒng)從功能實施角度由多個子系統(tǒng)組成。海上風電通航安全自主監(jiān)控系統(tǒng)包含船舶運動位置感知監(jiān)測系統(tǒng)，氣象監(jiān)測系統(tǒng)，出海管理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)移動互聯(lián)與同步傳輸系統(tǒng)四大子系統(tǒng)。船舶運動位置感知監(jiān)測系統(tǒng)主要用于監(jiān)控區(qū)域及周邊監(jiān)測覆蓋范圍內(nèi)船舶的運動軌跡監(jiān)控記錄及驅(qū)離預(yù)警信息警示傳達。氣象監(jiān)測系統(tǒng)主要用于場區(qū)監(jiān)控區(qū)域及覆蓋范圍內(nèi)實時檢測氣象（包含臺風預(yù)警）、水文等信息的實時檢測。出海管理系統(tǒng)將記錄和顯示實時設(shè)備的使用及進入場區(qū)人員的實時位置情況。數(shù)據(jù)移動互聯(lián)與同步傳輸系統(tǒng)主要滿足各個子系統(tǒng)及子系統(tǒng)組成模塊之間；檢測管理各環(huán)節(jié)單位、部門之間數(shù)據(jù)傳輸與共享。

2 子系統(tǒng)功能模塊

2.1 船舶運動位置感知監(jiān)測系統(tǒng)

船舶運動位置感知監(jiān)測系統(tǒng)包含內(nèi)部船舶視頻收集模塊、內(nèi)外部船舶識別及運動監(jiān)測模塊、船舶預(yù)警監(jiān)控模塊。其中內(nèi)部船舶視頻收集模塊，在內(nèi)部船只安裝有攝像裝置，用于風電場施工環(huán)境圖像的采集。內(nèi)外部船舶識別及運動監(jiān)測模塊用于接收、識別場區(qū)內(nèi)及周圍20 n mile范圍的船舶AIS信息經(jīng)過數(shù)據(jù)解析能識別船只行駛角度速度等一系列數(shù)據(jù)。通過持續(xù)解析實現(xiàn)對現(xiàn)場的船舶動態(tài)位置跟蹤記錄。船舶預(yù)警監(jiān)控模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)風電場區(qū)域管理，對風電場管理范圍劃分電子圍欄，并通過海事局官方網(wǎng)站對范圍進行公示，系統(tǒng)通過連接海事局系統(tǒng)可以清晰地查看船只的基本信息并對對靠近船只通過海事系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警信息，同時監(jiān)控記錄船只停留時間運動軌跡直至船只離開電子圍欄監(jiān)控區(qū)域。后方管理中心接收到船舶誤闖預(yù)警后，顯示大屏能顯示海事局傳遞的船舶信息及GPS位置信息。對于船舶位置感知信息的儲存，實時監(jiān)控管理數(shù)據(jù)系統(tǒng)默認記錄最近1個月的數(shù)據(jù)，最長支持3個月數(shù)據(jù)儲存查詢。船舶AIS信息解讀軟件界面如圖1所示，展示了系統(tǒng)中風電場電子圍欄的范圍，詳細顯示了闖入船只的實時位置，AIS信息。系統(tǒng)中可以清晰地查看船只的船舶信息，以及運行軌跡等。

船舶運動監(jiān)測軟件界面如圖2所示，軟件界面上能顯示周圍船只的實時位置，并對電子圍欄的范圍做了明顯的標注，可對接近的船只進行預(yù)警，系統(tǒng)中可以清晰查看船只的航向、航速等信息。

2.2 氣象監(jiān)測系統(tǒng)

氣象監(jiān)測系統(tǒng)包括水文氣象檢測記錄模塊、臺風預(yù)警監(jiān)測模塊。水文氣象檢測記錄模塊由風速風向儀、能見度儀、浪高波高儀和流速監(jiān)測儀一系列檢測設(shè)備組成。其中風速風向儀用于測量記錄風速、風向信息，能見度儀用于測量記錄實時能見度信息，浪高波高儀用于測量記錄實時波浪高度信息，流速監(jiān)測儀用于測量記錄水流流速信息。臺風預(yù)警模塊能實時從中國氣象臺風信息平臺獲取臺風數(shù)據(jù)，并保持數(shù)據(jù)實時同步，在風電廠電子圍欄范圍計算48 h臺風警戒線，當臺風進入警戒范圍時，啟動臺風預(yù)警。水文氣象信息軟件界面如圖3所示。能查看即時采集的風速、波高、能見度和流速信息。

圖4所示為臺風列表，其中能查看臺風中文名稱、英文名稱、臺風級別、臺風編號、臺風開始日期。當有實時臺風進入48 h警戒線時，臺風圖標則會變?yōu)榧t色，并向場內(nèi)監(jiān)管人員提示“臺風來襲”預(yù)警。

2.3 出海管理系統(tǒng)

出海管理分為實時出海人員統(tǒng)計和實時船舶統(tǒng)計2個模塊。支持人工主動上傳記錄當前日期的出海船舶、出海人員信息，并在后方系統(tǒng)及管理大屏顯示相關(guān)信息。人員安全出海設(shè)備類型有：RFID手環(huán)、RFID定位基站、救生網(wǎng)關(guān)和北斗指揮機等，并為每位現(xiàn)場運檢管理人員配置具有信息定位的安全帽及穿戴設(shè)備。設(shè)備信息與人員信息建立物理綁定。每日出勤時人員穿戴定位模塊的安全帽及設(shè)備進入施工現(xiàn)場時，通過登船自動檢測設(shè)備識別記錄。實時船舶為內(nèi)部施工船舶和運檢船舶，有出海需求時，在系統(tǒng)中申請出海計劃，并填寫出海記錄表記錄船只及登船人員信息。系統(tǒng)后續(xù)將相關(guān)信息提交管理部門審批備案。人員信息管理軟件界面如圖5所示，在人員佩戴設(shè)備在檢測區(qū)域活動時，界面能查看人員信息，人員位置。

2.4 數(shù)據(jù)移動互聯(lián)與同步傳輸系統(tǒng)優(yōu)化

數(shù)據(jù)移動互聯(lián)與同步傳輸系統(tǒng)包括網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊、視頻傳輸模塊、AIS模塊、VHF模塊和水文氣象數(shù)據(jù)傳輸模塊。網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊通過在海岸沿岸制高點架設(shè)微波基站，同時在主要施工船上設(shè)置微波船載站和無線WiFi等設(shè)備，采用微波通信的傳輸方案用于視頻等大容量數(shù)據(jù)傳輸。以滿足海上通信及內(nèi)部船只與岸邊基站的數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆Ｒ曨l傳輸模塊通過在內(nèi)部施工船、監(jiān)測船上配置攝像機，借助船載微波傳輸設(shè)備將視頻傳輸?shù)桨哆吇尽０哆厗为氃O(shè)置有岸邊基站至海事局的專線通道，通過岸邊基站設(shè)置的硬盤錄像機通過海事局專線通道將船上視頻圖像轉(zhuǎn)發(fā)至相關(guān)管理設(shè)備及管理終端頁面。AIS模塊主要用于收集傳遞船舶AIS信息，通過部署在岸邊的AIS接收基站收集進入電子圍欄監(jiān)控范圍的船只AIS信息，并通過互聯(lián)網(wǎng)通道傳輸至海事局主站實施信息收集及預(yù)警等功能。VHF模塊通過在岸邊基站部署VHF基站，利用本地語音網(wǎng)關(guān)注冊到海事局主站。水文氣象數(shù)據(jù)傳輸模塊通過主要施工船上部署水文氣象系統(tǒng)和船載微波設(shè)備，借助微波通信設(shè)備將信息傳輸海事局主站。

專線傳輸視頻等實時信息通過構(gòu)建物理上的專線鏈路，直接連接至海事局，有效防止外部用戶訪問，傳輸數(shù)據(jù)安全性能也能得到很好的保證。風電公司在海事局網(wǎng)站注冊有專項身份認證。風電公司登錄接口鑒權(quán)，登錄成功后定時向海事監(jiān)管系統(tǒng)發(fā)送同步口令牌。海事監(jiān)管平臺按需根據(jù)最新口令牌到風電公司平臺鑒權(quán)，鑒權(quán)通過后，返回密鑰信息。VHF設(shè)備通過集群網(wǎng)關(guān)設(shè)備到海事監(jiān)管平臺注冊并驗權(quán)。所有敏感數(shù)據(jù)均加密后再傳輸，使用RSA非對稱加密方式。風電公司平臺將數(shù)據(jù)加密后傳送給海事監(jiān)管平臺，海事監(jiān)管平臺使用密鑰解密后更新到監(jiān)管平臺數(shù)據(jù)庫或展示給前端頁面。圖6是各模塊傳輸信息的模型示意圖，通過連線表達各個模塊的數(shù)據(jù)傳輸。

圖7是系統(tǒng)鏈路的抽象表達，設(shè)備層面的數(shù)據(jù)通過不同的接入服務(wù)模塊傳輸至系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理層內(nèi)的服務(wù)中，應(yīng)用層則架設(shè)在數(shù)據(jù)處理服務(wù)至上，其中的通信主要由HTTP接口進行通信，前后端則根據(jù)情況，使用HTTP或websocket進行傳輸，與外部系統(tǒng)集成。

3 結(jié) 語

現(xiàn)階段我國正進入信息化革命時代，根據(jù)我國建設(shè)“數(shù)字中國、網(wǎng)絡(luò)強國、智慧社會”的三大目標部署，強調(diào)新型工業(yè)化和信息化的融合。智慧能源正是互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和能源經(jīng)濟的深度融合，最終形成應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)和現(xiàn)代通信技術(shù)對能源的生產(chǎn)、使用、調(diào)度和效率進行優(yōu)化管理的能源綜合管理系統(tǒng)，是當前形勢下能源發(fā)展的必然。

通過建立一套安全和完善的綜合監(jiān)管系統(tǒng)，在同一數(shù)據(jù)交換平臺上進行海上風電場各類安全監(jiān)管數(shù)據(jù)的無障礙整合，實現(xiàn)風電場“統(tǒng)一運行監(jiān)控、統(tǒng)一調(diào)度指揮、統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理和統(tǒng)一通航狀態(tài)監(jiān)控”，以達成最優(yōu)管控模式，真正建立并實現(xiàn)南通市海上風電場數(shù)字化監(jiān)管平臺，為全國海上風電場長安全監(jiān)管起到示范和引領(lǐng)作用。