海上風電工程施工氣象實時監測預警大數據平臺設計

趙愛博，奚子惠，朱學習

（江蘇省海涂研究中心，南京 210013）

海上風電是我國實現“30·60”雙碳目標的重要技術手段之一。“十四五”期間，全國海上風電總裝機規劃超100 GW，我國將迎來新的建設高峰[1-2]。隨著我國海上風電工程的迅速發展，尤其是2019—2021 年國內“搶裝潮”的大背景下，很多項目加速建設，施工安全風險倍增，海上風電工程的安全施工問題日益突出，給安全施工管理帶來了巨大壓力和挑戰[3-4]。

海上風電工程與其他工程項目不同，其各分部、單元工程多在海上作業，如工程地質踏勘、樁基礎施工、海上升壓站施工和海纜敷設等[5]。海上工程施工具有作業海域范圍大、施工技術復雜、裝配精度要求高和有效施工窗口期短等特點，施工過程中受浮冰、潮汐、風、浪和流等因素影響較大，潛在安全風險因素較多[6-7]。

針對海上風電工程建設存在的問題，設計出海上風電工程施工氣象實時監測預警大數據平臺，為海上風電工程建設、運維階段提供針對性、集約式、一體化的海洋氣象環境監測預警信息，實現海洋氣象環境數據、船舶數據、人員數據和施工氣象四位一體的高效結合及數據可視化，為確保海上風電工程施工生產安全、提高建設效率和降低運維成本提供有效保障[8-10]。

1 建設目標

海上風電工程施工氣象實時監測預警大數據平臺主要包括海上氣象數據在線監測和施工區域人員信息統計、各類重要天氣、施工指數和項目進展等信息可視化展示，施工單位可以根據中長期氣候預測和歷史數據，制訂施工計劃，降低天氣對施工進度的影響；根據短期預報信息，制定調整施工工序，提升施工質量，降低施工成本，全面掌握項目的氣象風險，及時根據相關信息采取措施，減少損失。

2 系統結構

海上風電工程施工氣象實時監測預警大數據平臺系統架構如圖1 所示，系統數據來源包含觀測設備/站點、外部數據資源、業務值班人員等，即所需數據的源頭。數據源的數據進入大數據平臺和業務數據庫。數據中臺對收集到的數據進行處理整合，轉換為服務層可使用的數據。服務層對用戶系統提供各種服務，并對外提供API 接口。展示層包含PC 端大屏、手機APP 端。

圖1 海上風電工程施工氣象實時監測預警大數據平臺系統結構

3 系統功能

針對傳統海上風電工程施工監測成果管理與上報形式的局限性，融合氣象大數據，為實現集約化管理、優化資源配置和業務流程，促進業務現代化與產業結構化發展，提升管理部門的決策能力，開發了海上風電工程施工氣象實時監測預警大數據平臺。

本平臺基于機器學習、大數據等技術手段，依托數字化管理、數據可視化理念，將氣象信息大數據與海上風電工程施工相結合，重點考慮海上氣象數據和工程業務信息的可視化查詢、搜索、計算及空間分析，生成各監測數據的時間序列分析結果。能快速有效地分析處理監測數據，并實現海洋氣象環境監測預警可視化。同時實時預警信息也能及時推送至APP 端，實現海上風電工程施工監測信息化的動態指揮與監控。

3.1 海上風電工程施工基礎信息可視化統計分析

綜合氣象信息數據、地理信息數據、施工數據等基礎信息，進行一系列的統計分析可視化展示，有助于管理人員多維度掌握施工全貌，有效提升施工風險管控信息化能力。幫助項目人員及時了解氣象環境變化、關注人員安全狀態、評定施工地點風險，從而高效進行施工決策，動態管理項目進度。

3.1.1 監測數據可視化展示模塊

監測數據可視化展示模塊能夠將所有監測數據，如氣象信息數據、地理信息數據、項目相關數據等，以對應的表格或圖表形式在海上風電工程施工氣象實時監測預警大數據平臺中直觀展示。

1）氣象信息。針對海上風電工程施工區域定制氣象可視化服務，提供施工作業點的氣象實況和預報信息。天氣雷達數據、衛星數據、臺風數據、未來10 天的風速風向預報數據、海浪數據、能見度數據、沿海區域的氣象及海洋歷史數據均能在監測預警大數據平臺進行展示。

針對海上風電工程施工區域精細化氣象的可視化服務，主要包括：①海浪預報數據的資源整合。收集官方海浪預報數據和產品，進行解碼譯碼、質量控制、加工處理。②精細化海洋預報。提供精細化海洋預報數據，包含平均波向、風向、風速、有效波高和平均波周期等要素。③未來7 天精細化預報。包含氣溫、氣壓、相對濕度、降水量、風向和風速等要素，預報時效分為逐3 小時、逐6小時（最細可達逐小時）。

2）施工項目統計信息。基于GIS 展示全國所有項目的施工情況，為決策管理者提供整體視角上的管控能力。該模塊主要分為實時統計展示功能與歷史統計展示功能，實時統計展示功能展示當前項目總數、項目施工區域分布情況、施工人員總體情況等信息；歷史統計展示功能展示總風場數量、發電量等。

3.1.2 監測數據預報預警模塊

基于大數據分析的預警機制及主動信息上報反饋機制，全方位實現集約化、信息化、智能化的監測數據預報預警功能，能夠對海上風電工程施工的各項監測數據進行實時預警展示。主要模塊包括氣象信息閾值預警、項目風險等級預警、施工人員監測預警3 個方面。

1）氣象信息閾值預警。通過實時監測施工區域氣象信息，將相應點位數據與該監測點所設定的預警閾值進行比較，如果該監測點有監測數據超過預警閾值，系統就會將該監測點超過預警閾值的各期監測數據以表格形式顯示在系統界面上，并重點提示該監測點已經報警；如果該監測點監測數據未超過預警閾值，系統也會提醒用戶該監測點位暫時安全。界面如圖2 所示。

圖2 海上風電工程施工氣象預警列表

海上風電工程施工作業受海浪及大風等天氣因素影響，需要依賴海洋氣象預報計劃安排施工窗口，并針對性地發布告警、預警。需要提供精細化海洋氣象預報預警信息，主要包括：海上風電工程施工區域概況及周邊未來12 h 有效波高、10 m 風速逐小時預報結果，并依據預報結果結合施工作業船舶等級標準自動生成施工建議，為相關人員海上作業安排提供清晰明了的參考；提供未來7 天逐小時多要素海洋氣象預報信息，包括10、50、100 m 各層次風速、浪高、能見度等。當海上風電工程施工區域及周邊海域出現強風、大浪等危險海洋氣象情況時，及時發布預警，通知建設船舶及時返航、施工人員及時撤離，保障建設人員施工安全。

2）施工風險等級預警。施工風險等級預警對管理部門和施工單位具有重要意義。對于管理部門，可以全面掌握項目的海洋氣象風險情況和歷史風險統計分析信息，抓住重點，根據不同氣象預警級別對施工項目進行有效監控。對于施工單位，可根據中長期海洋氣候預測和歷史數據來制訂施工計劃，降低天氣對施工進度的影響。根據短期預報信息，制定和調整施工工序，提升施工質量，降低施工成本。

本平臺根據施工作業點的天氣情況綜合分析在該作業點進行施工工序的風險情況，對各施工區域進行風險評級，為施工質量和安全管理提供合理化的建議，保障施工安全。通過系統綜合分析氣象數據與海上風電工程施工任務的具體工藝工序要求，得出實時施工風險等級和風險統計排行（圖3）。

圖3 工程風險等級可視化圖

3）施工人員監測預警。施工人員監測預警模塊主要實現對施工人員的定位與動態管理，將每位員工的信息接入系統，保證施工人員的人身安全（圖4）。

圖4 施工人員監測預警

3.2 海上風電工程施工過程監控

3.2.1 施工進度信息

可錄入海上風電工程施工工程項目進行進度管理和工效評估。基于GIS 展示全國所有項目的施工情況、施工船只、施工人員的位置及信息。

3.2.2 施工人員整理信息可視化

通過后臺數據庫錄入海上風電工程施工區域建設相關各單位、組織的施工人員信息，按單位、工作屬性等維度編組管理，施工人員通過移動端APP 在指定船舶、作業點位置進行二維碼掃碼打卡，實現人員工單數據全流程記錄與上報，實時顯示人員所處位置、歷史軌跡。當海上風電工程施工區域及周邊海域出現海洋氣象災害并發布預警時，監測平臺顯示整體范圍預警，并針對性地推送至各施工人員APP 端，為保障人員安全提供有效手段。

3.3 氣象因素與施工進程疊加分析結果

3.3.1 窗口期

海上風電工程建設內容主要包含風機的基礎施工、安裝施工、海纜的敷設施工及海上升壓站施工等，各項施工內容涉及不同種類的船舶和施工設備。不同施工船舶的穩性、浮性及耐波性等性能各有不同，船舶的工作工況、抗風能力等也各有差別，因此海上風電工程的施工工況與海洋氣候情況密切相關。影響海上風電工程施工的自然因素主要包括雨、霧、雷暴、潮位、海流、強風、波浪和臺風等，其中海流和潮位等屬于較為穩定的影響因素，其規律相對容易掌握；而雷暴、臺風、雨和霧等屬于短期影響因素，可預報性也相對較高；但海上風電工程施工最大的影響因素是波浪和強風，且強風往往伴隨強風浪。海上風電工程施工受到海洋氣候影響巨大，合理利用施工的窗口期對于節約施工成本、提高施工效率、降低施工風險具有重要意義。

海上風電工程施工氣象實時監測預警大數據平臺可根據預設閾值浪高、風速等，篩選海上作業窗口期，利用可視化方法對窗口期進行直觀展示（圖5），方便管理決策，最大化保障出海作業效率與安全。

圖5 施工窗口期

3.3.2 施工指數

根據作業點位的天氣情況綜合分析各種施工工序指數，為安排施工計劃提供數據支撐，如圖6 所示。

圖6 施工指數

4 關鍵技術支撐

4.1 高分辨率智能網格預報技術

依托數值預測、集合預報、高分辨率模式的解釋應用等氣象現代化技術成果，利用智能化的大數據技術和云計算服務，自主研發了一套針對氣象6 要素的高分辨率智能網格預報數據系統。該系統具有更高的時空分辨率、更長的預報時長、更穩定的計算條件和更準確的預報結果。時空分辨率更精細地預測網格可以為用戶提供更詳細、更有針對性的服務和產品。

4.2 基于Spring Cloud 微服務架構

本系統采用微服務架構（圖7），更好地利用當前多臺服務器進行分布式部署，提高系統整體穩定性和使用效率，減少單點應用帶來的各類問題。

圖7 Spring Cloud 關鍵技術分布圖

Spring Cloud 是一系列框架的有序集合。其利用Spring Boot 的開發便利性巧妙地簡化了分布式系統基礎設施的開發，如服務發現配置中心、注冊、負載均衡、斷路器、數據監控和消息總線等，都可用Spring Boot 的開發風格做到一鍵啟動和部署，是一套簡單易懂、易部署、易維護的分布式系統開發工具包。

Spring Cloud Netflix 是Netflix 開發的一套分布式服務框架的封裝，包括服務的發現和注冊，斷路器、REST客戶端、負載均衡和請求路由等。

Spring Cloud Eureka 是Netflix 開發的服務發現框架，用于提供服務的注冊與發現，其通過心跳機制和全/增量更新來維護所有的服務和客戶端列表，同時也默認提供高可用集群方案。

Spring Cloud OpenFeign 是基于Netflix Feign 實現的，并且實現了聲明式的Web 服務客戶端定義方式，配合Eureka 和Ribbon 可以很方便地實現客戶端負載均衡。

Spring Cloud Ribbon 是一個客戶端負載均衡器，通過Eureka 注冊中心的Application 名稱來獲取服務器列表，然后在調用時通過負載策略來訪問具體的服務器地址。

Spring Cloud Hystrix 實現了斷路器模式。斷路器的作用是當發現某一服務調用失敗后，告知調用者該接口失敗，從而避免調用者服務資源消耗。

Spring Cloud Config 是分布式統一配置中心解決方案。通過自動化運維及統一配置中心等概念，能夠讓開發者更加快速地與運維人員合作并保證發布的流程環境切換的便利性。

Spring Cloud Zuul 是一套邊緣服務，其能實現動態路由、監控、負載和流量管理等功能。簡單來說，Zuul 就是服務應用端的一套負載均衡器，由一個核心ZuulServlet和一系列的過濾器組成。

Spring Cloud Bus 是分布式消息隊列，管理和傳播所有分布式項目中的消息，本質是利用了MQ 的廣播機制在分布式的系統中傳播消息，目前常用的有Kafka 和RabbitMQ。

Spring Cloud Security 用于構建安全的應用程序和服務，操作簡便。在Spring Boot 和Spring Security OAuth2 的基礎上，可以快速創建實現常見模式的系統，如單點登錄，令牌中繼和令牌交換。

5 結論

通過海上風電工程施工氣象實時監測預警大數據平臺加強了海上風電工程施工項目建設的事前、事中、事后的監管，實現海洋氣象環境數據、船舶數據、人員數據和施工氣象四位一體的高效結合及數據可視化，有效支持了海上風電工程的高效監控和安全運行。