海上風電場防入侵感知預警系統(tǒng)設計研究

【關鍵詞】海上風電場；防入侵感知預警；多源數(shù)據(jù)融合

引言

隨著全球能源、資源和環(huán)境問題日益凸顯，尤其是全球氣候變化不斷加劇，風能作為一種清潔、可再生的能源備受各國關注。在這一背景下，海上風電成為當前世界上發(fā)展最快的可再生能源之一，引起了我國的高度重視并展開了大規(guī)模開發(fā)。隨著我國海上風電場逐步進入大規(guī)模運營階段，確保風電設備、海底電纜的安全運營，以及維護周邊水域的船舶通航安全，已成為亟待解決的重要問題[1-3]。

本研究從風電場以及附近船舶通航安全的角度出發(fā)，采用智能化、信息化手段進行風電場水域的安全監(jiān)管與保障，研發(fā)一種具有自主知識產權的基于小目標雷達、AIS、光電等多源數(shù)據(jù)融合技術的海上風電場防入侵感知預警系統(tǒng)，實現(xiàn)海上風電場周邊船舶航行態(tài)勢感知、實時預警及電子圍欄等各種功能。

一、防入侵感知預警系統(tǒng)

本研究聚焦于風電場及其周邊水域的通航安全，應用智能化技術對風電場進行全面監(jiān)控。為此，設計了一套具有自主知識產權的海上風電場防入侵預警系統(tǒng)。首先，集成了先進的小目標雷達、AIS（自動識別）基站和光電監(jiān)控設備，這些設備共同構成了多源數(shù)據(jù)融合處理平臺。然后，通過多源數(shù)據(jù)融合技術，系統(tǒng)能夠將雷達信號、AIS數(shù)據(jù)和光電監(jiān)控信息進行綜合分析，從而監(jiān)測并識別預定警戒線內的船只，自動跟蹤其航行軌跡。最后，通過無線網絡將監(jiān)控數(shù)據(jù)上傳到海上風電場管理平臺。管理平臺提供Visual的電子海圖界面，操作者可以在界面上查看船舶的動態(tài)信息、歷史軌跡以及預警狀態(tài)，從而快速做出決策，確保風電場管理平臺的正常運行[4]。

此外，防入侵感知預警系統(tǒng)還借助智能化技術，實現(xiàn)了對海上風電場及其周邊水域的全面監(jiān)控。這一系統(tǒng)不僅能夠及時發(fā)現(xiàn)潛在的安全威脅，還能夠快速做出預警響應，減少了事故發(fā)生的可能性，為海上風電場的安全運行提供了可靠的保障。

（一）關鍵技術

1.基于小目標雷達的目標監(jiān)測跟蹤

研究基于小目標雷達的海面小目標船舶監(jiān)測跟蹤技術。

首先，通過對小目標雷達接收機輸出信號進行數(shù)字化處理和雜波抑制，減少噪聲和干擾，生成高分辨率的數(shù)字雷達回波視頻信號。然后，對這些高分辨率信號進行計算分析，提取目標點跡，建立目標跟蹤，并進行多源數(shù)據(jù)融合處理。接著，設置雷達遮蔽區(qū)以減少海面回波、停泊設施和其他不需要監(jiān)控目標的干擾。根據(jù)不斷錄取的目標點跡，分析其速度和方向等運動規(guī)律，將新標繪點跡與已知的跟蹤目標關聯(lián)，實現(xiàn)目標的對遇跟蹤、追越跟蹤及交叉跟蹤。最后，給已知跟蹤目標編號，并通過無線傳輸模塊將數(shù)據(jù)上傳到海上風電場入侵感知預警系統(tǒng)平臺，實現(xiàn)海圖顯示，為小目標船舶的感知預警提供穩(wěn)定的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

通過高效的目標檢測和跟蹤技術，能夠提升對海上小目標船舶的監(jiān)測和預警能力，確保海上風電場的安全運行。有效防范船舶入侵對風電設備和海底電纜的潛在威脅，提高整體監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性和準確性。這種技術的應用有助于保障海上風電場設施和船舶通航的安全，為海上能源開發(fā)提供了重要支持。

2. 多源傳感器數(shù)據(jù)融合

本文采用了小目標雷達、AIS等傳感器的多源數(shù)據(jù)融合處理技術。首先，基于多源數(shù)據(jù)融合處理技術，將每個傳感器（如雷達和AIS）提供的目標運動模型進行融合，從而整合各個傳感器的信息。然后，對多源信號提供的船舶經緯度位置、航速、航向、船舶加速度及船舶轉向率等數(shù)據(jù)進行詳細對比，以建立一個統(tǒng)一且精確的運動軌跡。接著，應用多區(qū)域目標融合技術，實現(xiàn)AIS基站和雷達在重疊覆蓋區(qū)域及穿越區(qū)域內的船舶目標跟蹤。這種技術確保了在不同傳感器覆蓋范圍內的目標船舶能夠被持續(xù)監(jiān)控和精確跟蹤。最后，系統(tǒng)能夠在此基礎上高效整合所有相關數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)對船舶目標的全面監(jiān)控和精確跟蹤，提升了整體監(jiān)控的精確性和可靠性。

多源數(shù)據(jù)融合處理技術不僅提升了系統(tǒng)對船舶目標的檢測和跟蹤能力，還有效減少了數(shù)據(jù)的冗余和誤差，確保了監(jiān)控系統(tǒng)的高效運行和準確預警。通過整合不同傳感器提供的信息，系統(tǒng)能夠綜合考慮各個方面的數(shù)據(jù)，提高了目標識別的準確性和系統(tǒng)的整體性能。為海上安全監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展提供了重要支持，有助于提升海上安全管理的效率和可靠性，保障海上設施和船舶的安全運行。

3.雷達、AIS與光電聯(lián)動跟蹤

通過開發(fā)雷達與AIS指控光電聯(lián)動跟蹤算法，系統(tǒng)實現(xiàn)了自動識別并跟蹤的船舶目標與光電視頻監(jiān)控系統(tǒng)的有效關聯(lián)。首先，系統(tǒng)會根據(jù)船舶的當前位置，自動選擇最近的聯(lián)動攝像頭進行追蹤，并實時顯示以該船舶為中心的視頻畫面。然后，當目標船舶移動到當前攝像頭的覆蓋范圍之外時，系統(tǒng)會自動選擇下一個攝像頭繼續(xù)跟蹤該船舶，確保監(jiān)控的連續(xù)性。接著，系統(tǒng)通過多個攝像頭的無縫切換，實現(xiàn)對目標船舶的持續(xù)監(jiān)控，確保其始終處于監(jiān)控范圍內。最后，系統(tǒng)通過聯(lián)動跟蹤與接力跟蹤的方式，確保對船舶目標的全程監(jiān)控，提高了監(jiān)控的連續(xù)性和準確性[5]。

通過技術手段提高海上安全管理的效率和可靠性。精確且持續(xù)的監(jiān)控能夠有效防止船舶目標脫離監(jiān)視范圍，從而及時發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患，為海上風電場及周邊水域的安全提供保障。通過實時預警和干預，系統(tǒng)有助于預防可能威脅風電場安全的船舶活動，為應對突發(fā)事件提供了重要的技術支持。在實際運用中，該系統(tǒng)不僅可以提高監(jiān)控效率，還能夠節(jié)省人力資源，減少人為錯誤帶來的風險。其持續(xù)不斷的監(jiān)控能力，使其成為保障海上風電設備和航行安全的重要工具。同時，系統(tǒng)的智能化設計，也為未來海上安全管理的發(fā)展提供了可借鑒的經驗和技術基礎。

綜上所述，通過開發(fā)雷達與AIS指控光電聯(lián)動跟蹤算法，實現(xiàn)對船舶目標的精準監(jiān)控，對提升海上安全管理的效率和可靠性具有重要意義。

4.海上風電場防入侵感知預警系統(tǒng)

基于中國海事局發(fā)布的標準海圖等主流電子海圖，開發(fā)了一套海上風電場防入侵感知預警系統(tǒng)。該系統(tǒng)旨在展現(xiàn)防入侵感知預警系統(tǒng)的人機交互界面，顯示電子海圖、雷達視頻圖像、船舶軌跡和船舶報警等信息。首先，系統(tǒng)通過調用業(yè)務層的接口，實現(xiàn)人機交互界面的展現(xiàn)和控制。其次，系統(tǒng)利用電子海圖技術，提供電子圍欄設置和船舶入侵報警的智能監(jiān)控功能。同時，系統(tǒng)的功能還涵蓋了電子海圖的加載和更新、海圖信息的顯示與控制、船舶實時標繪、船舶狀態(tài)顯示、船舶航行監(jiān)控、航行記錄、報警與指示、AIS信息和雷達信息的集成顯示等。通過這些功能，系統(tǒng)能夠實時反映海上風電場及其周邊水域的動態(tài)情況。

通過綜合運用上述功能，系統(tǒng)確保了對海上風電場的全方位監(jiān)控與預警，有效提高了風電場的安全性和監(jiān)控效率。

（二）系統(tǒng)模塊設計與實現(xiàn)

海上風電場防入侵感知預警系統(tǒng)開發(fā)包括：（1）顯控終端模塊的設計與實現(xiàn)，包括顯示功能、數(shù)據(jù)庫功能、海圖功能、航跡顯示功能以及電子圍欄功能的設計與實現(xiàn)。（2）基于小目標雷達的目標監(jiān)測與追蹤模塊設計與實現(xiàn)，包括雷達性能、目標監(jiān)測系統(tǒng)平臺。（3）基于雷達、AIS和光電聯(lián)動的設計與實現(xiàn)，包括AIS船舶數(shù)據(jù)、雷達數(shù)據(jù)的集成顯示，監(jiān)測到目標后對光電的指控追蹤與拍攝記錄。

1.顯控終端模塊

基于中國海事局發(fā)布的標準海圖和主流電子海圖，展示海上風電場防入侵感知預警系統(tǒng)的人機交互界面，其中包括電子海圖、雷達視頻圖像、船舶AIS軌跡、無關船舶進入風電場報警等信息。海圖系統(tǒng)的主界面分成五個主要區(qū)域，分別是菜單欄、工具欄、狀態(tài)欄、海圖條以及海圖顯示區(qū)。

設計的人機交互界面不僅能夠使用戶直觀地了解海上情況，還能夠提高對潛在威脅的感知能力，從而更好地保障海上風電場設施和周邊水域的安全運行。通過簡潔清晰的界面設計和直觀明了的信息展示，用戶可以迅速獲取海上船舶的位置、航行狀態(tài)以及其他關鍵信息。這樣的設計不僅提高了用戶對海上情況的感知能力，還能夠幫助用戶及時發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患，并采取相應的應對措施。因此，設計的人機交互界面在提升海上風電場安全管理水平和保障設施運行安全方面具有重要意義。

2.目標監(jiān)測與追蹤模塊

基于風電場特點開發(fā)的小目標雷達，作為海事監(jiān)視偵查設備。該雷達工作頻段在KU波段，具備高靈敏度、穩(wěn)定性以及抗干擾性等特點，解決了對速度較慢、船型小、非鋼制海船等目標的監(jiān)測難題。

雷達系統(tǒng)主要由天線、發(fā)射/接收、信號處理、終端顯示、定位測向模塊等幾部分組成。其中，采用線性調頻脈沖體制、寬角度頻掃波導天線以及俯仰維頻率掃描，提高了系統(tǒng)的性價比和適用性。通過軟件界面設計，將海事監(jiān)視雷達的主要功能進行了展示和整合。主界面包括了地圖掃描圈、狀態(tài)欄、信息欄和工具欄等部分，為用戶提供了方便的操作和信息查看方式。通過海事監(jiān)視雷達軟件的數(shù)據(jù)處理過程，能夠實時解析雷達數(shù)據(jù)，進行扇形掃描，并將掃描結果呈現(xiàn)給用戶。同時，用戶還可以通過軟件界面進行伺服控制、信處控制、高級設置、船舶目標監(jiān)視區(qū)域設置和航跡回放等操作，提高了系統(tǒng)的靈活性和用戶體驗。

設計和開發(fā)的海事監(jiān)視雷達系統(tǒng)，可以有效監(jiān)測風電場有限區(qū)域內的船舶目標，提高了海事監(jiān)視的效率和準確性，保障了風電場設施和周邊水域的安全運行。

3.基于雷達、AIS和光電聯(lián)動設計

通過雷達、AIS和光電聯(lián)動技術，建立了一套全面的海上風電場防入侵感知預警系統(tǒng)。

首先，通過雷達、AIS和光電聯(lián)動，能夠實現(xiàn)對水域內船舶目標的全方位感知探測，從而及時發(fā)現(xiàn)潛在的入侵行為。接著，結合雷達和AIS數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可以準確計算船舶的位置、航向和航速等關鍵信息，為進一步的監(jiān)控和預警提供準確的數(shù)據(jù)支持。然后，系統(tǒng)能夠持續(xù)跟蹤進入區(qū)域的船舶，并記錄其軌跡，通過分析船舶的運動軌跡，可以識別異常行為并及時作出反應。同時，將雷達和AIS數(shù)據(jù)進行動態(tài)和靜態(tài)信息融合，可以更全面地了解船舶的情況，為后續(xù)的監(jiān)控和管理提供更多參考。此外，利用雷達引導光電設備對船舶進行跟蹤識別，光電設備可以自動抓拍和錄制船舶的視頻，提供有效的證據(jù)支持。系統(tǒng)還支持多級警戒區(qū)的設置，一旦發(fā)現(xiàn)異常情況，系統(tǒng)將自動報警，并將信息記錄、存儲、回放，為事件的調查和處理提供依據(jù)。

通過將AIS和雷達數(shù)據(jù)同時傳輸?shù)胶Ｉ巷L電場防入侵感知預警系統(tǒng)平臺，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的集成和共享，使得整個監(jiān)控系統(tǒng)能夠更加高效地運行，提高了風電場的安全性和監(jiān)控效率。

結語

本文通過對海上風電場周邊船舶航行態(tài)勢感知實時預報技術、基于多源數(shù)據(jù)融合技術的海上風電場防入侵感知技術及海上風電場預警報警技術的探討，實現(xiàn)了以小目標雷達、網絡AIS基站、光電系統(tǒng)為主要感知設備的監(jiān)控系統(tǒng)。通過遠程數(shù)據(jù)采集，能夠獲取監(jiān)控水域動態(tài)和靜態(tài)目標信息，并利用先進的矢量海圖技術建立了可視化監(jiān)控與預警平臺。在海圖上實時呈現(xiàn)監(jiān)控水域的動態(tài)和靜態(tài)目標信息，并能夠根據(jù)監(jiān)控需要編輯預警區(qū)域、警戒線和虛擬航標區(qū)域。系統(tǒng)根據(jù)預設的預警規(guī)則，能夠及時提醒和警告存在安全威脅的目標，實現(xiàn)了全天候智能安全預警。