海上風(fēng)電場(chǎng)交通安全監(jiān)控平臺(tái)技術(shù)方案研究

曾晨

（福建省新能海上風(fēng)電研發(fā)中心有限公司，福建 福州350108）

海上風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)展是對(duì)日益增長(zhǎng)的能源需求的一種回應(yīng)，風(fēng)能作為世界上動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)最快的能源，截至目前，全球已有1874 個(gè)[1]海上風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目（包括安裝、建設(shè)、批準(zhǔn)或計(jì)劃)，而這一數(shù)字仍在不斷增加。隨著海上風(fēng)電場(chǎng)對(duì)空間占用不斷擴(kuò)大，沿海和近海海域的人類活動(dòng)普遍增加，海洋功能區(qū)的重疊和沖突愈發(fā)明顯，對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)海域的船舶交通安全進(jìn)行綜合監(jiān)控與管理已是迫在眉睫。

1 需求分析

通過(guò)對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)海域情況的分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，本方案擬構(gòu)建一套基于多信源數(shù)據(jù)的海上風(fēng)電場(chǎng)海域交通安全監(jiān)控系統(tǒng)，并對(duì)需求簡(jiǎn)要?dú)w納為如下幾點(diǎn)：

1.1 對(duì)風(fēng)電場(chǎng)周圍的船舶交通情況的實(shí)時(shí)掌控

風(fēng)電場(chǎng)周圍可能存在航路與習(xí)慣航路，錨地區(qū)域等，從保護(hù)海底電纜、防止船舶在電纜區(qū)域拋錨的角度考慮，需要實(shí)時(shí)掌握周圍區(qū)域的船舶交通情況，以滿足對(duì)風(fēng)電場(chǎng)設(shè)施的安全保護(hù)需求。

1.2 對(duì)風(fēng)電場(chǎng)工作人員與船舶的定位與監(jiān)管

因海上風(fēng)電場(chǎng)離岸距離遠(yuǎn)，公網(wǎng)信號(hào)弱，信息傳輸相對(duì)比較困難。海上工作存在一定的危險(xiǎn)性，可能會(huì)引發(fā)人員落水等緊急情況。因此有必要對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的工作人員與船舶位置進(jìn)行實(shí)時(shí)掌控，及時(shí)掌握周圍可投入的救援力量，對(duì)險(xiǎn)情立即響應(yīng)。

1.3 業(yè)主與監(jiān)控區(qū)域內(nèi)船舶的實(shí)時(shí)語(yǔ)音通信

為了保障海上風(fēng)電場(chǎng)工作安全穩(wěn)定的運(yùn)行，監(jiān)控中心不可避免需要與海上的船舶進(jìn)行相應(yīng)的語(yǔ)音通信。船載的通信系統(tǒng)目前與岸上通用的語(yǔ)音通信系統(tǒng)不能兼容，監(jiān)控中心無(wú)法對(duì)船舶實(shí)時(shí)通信并進(jìn)行安全告警。

1.4 集成的多功能信息顯示、存儲(chǔ)與操作平臺(tái)

為了能夠適應(yīng)當(dāng)下簡(jiǎn)易集成的操作環(huán)境，需要系統(tǒng)能夠有效集成各個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)，同時(shí)能夠?qū)Ω黝悅鞲衅鱾魉突貋?lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、整合與處理，根據(jù)保存整理的相應(yīng)歷史數(shù)據(jù)。

綜上，需要開發(fā)一套基于電子海圖底圖的海上風(fēng)電場(chǎng)集成監(jiān)控的信息系統(tǒng)，建立一體化的頂層設(shè)計(jì)，將所涉及到的人、船、設(shè)備、環(huán)境等各種因素統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，得到前端各種設(shè)備的狀態(tài)量數(shù)據(jù)，生成適用于海上風(fēng)電場(chǎng)的調(diào)度策略，確保海上的船舶、人員、交通狀態(tài)實(shí)時(shí)掌控。

2 系統(tǒng)組成

本方案最終目的是構(gòu)建一個(gè)集成的監(jiān)控信息系統(tǒng)。該系統(tǒng)高度集成化，建成后對(duì)于操作員而言只需要操作一套軟件系統(tǒng)界面即可滿足上述各個(gè)需求。將下述系統(tǒng)的各個(gè)操作部分功能進(jìn)行集成，各個(gè)系統(tǒng)的描述如下：

2.1 船舶監(jiān)控系統(tǒng)

基于雷達(dá)和AIS技術(shù)在船舶導(dǎo)航和避碰中的重要作用，將船用導(dǎo)航系統(tǒng)引入海上風(fēng)電項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)海域及其周邊船舶進(jìn)行監(jiān)控，設(shè)置電子圍欄發(fā)現(xiàn)船舶進(jìn)入風(fēng)電場(chǎng)海域時(shí)對(duì)值班員進(jìn)行預(yù)警。雷達(dá)能夠主動(dòng)探測(cè)船舶動(dòng)向并收集實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)；AIS能夠采集船舶靜態(tài)數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)、航程相關(guān)數(shù)據(jù)和其他船舶安全數(shù)據(jù)，并對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤。解決風(fēng)電場(chǎng)及其周邊海域船舶的自動(dòng)跟蹤、闖入報(bào)警、自有船舶管理等問(wèn)題。

2.2 可視化監(jiān)控系統(tǒng)

可視化監(jiān)控手段通過(guò)直觀的視頻影像數(shù)據(jù)展示，同時(shí)具備海域內(nèi)全景展示、選定目標(biāo)實(shí)景、支持目標(biāo)光電聯(lián)動(dòng)、目標(biāo)視頻跟蹤、智能火警監(jiān)測(cè)和事故取證等功能。解決風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)施工期工作面上的人員狀態(tài)監(jiān)控、施工進(jìn)度監(jiān)控等問(wèn)題；解決運(yùn)行期海域態(tài)勢(shì)監(jiān)控、日常船舶監(jiān)控識(shí)別、風(fēng)電場(chǎng)海域人員狀態(tài)監(jiān)控等問(wèn)題。

2.3 人員定位及落水報(bào)警系統(tǒng)

基于物聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)和GPS/北斗定位技術(shù)，通過(guò)部署定位終端、通訊基站等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)人員、自有船舶實(shí)時(shí)定位、軌跡跟蹤及落水報(bào)警等功能，提升風(fēng)電場(chǎng)作業(yè)人員的安全管理水平。

2.4 深遠(yuǎn)海通訊系統(tǒng)

基于VHF 技術(shù)在船舶通訊中的廣泛應(yīng)用于船舶避讓、海事管理、遇險(xiǎn)搜救以及安全信息播發(fā)等方面。將VHF 技術(shù)引入海上風(fēng)場(chǎng)項(xiàng)目，解決作業(yè)船舶通信、外來(lái)船舶驅(qū)離等問(wèn)題。

2.5 多信息集成監(jiān)控操作顯示平臺(tái)

為方便統(tǒng)一監(jiān)控與管理，所有在外部傳感器獲取的信息均需要統(tǒng)一的智能化顯示在相應(yīng)的地圖界面上。本方案選用符合目前國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的IHO S 57 電子海圖作為顯示操作界面的底圖，支持相應(yīng)的衛(wèi)星圖與電子海圖顯示模式雙模切換。同時(shí)在此基礎(chǔ)上，集成、圖形化顯示以及存儲(chǔ)AIS 提供的各類基礎(chǔ)類信息、定制化信息以及風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維相關(guān)的圖形信息。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本方案擬建設(shè)一套基于多信源數(shù)據(jù)的安全監(jiān)管系統(tǒng)，通過(guò)多信源傳感器數(shù)據(jù)的采集、解析、融合等處理[3]，實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶目標(biāo)的識(shí)別跟蹤，監(jiān)控整個(gè)風(fēng)電設(shè)備部署水域安全狀況，并采用聲光電等多樣化的手段對(duì)風(fēng)險(xiǎn)事件進(jìn)行預(yù)警提示。對(duì)風(fēng)險(xiǎn)事件進(jìn)行事前預(yù)警防范，事中進(jìn)行跟蹤處理和取證，事后進(jìn)行回放和追責(zé)，從而避免事故發(fā)生，提高整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的安全水平和管控效率。

3.1 建設(shè)雷達(dá)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主動(dòng)探測(cè)風(fēng)電場(chǎng)周圍水上移動(dòng)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)。建設(shè)AIS系統(tǒng)，對(duì)區(qū)域內(nèi)配載有AIS的船舶信息進(jìn)行解析顯示，AIS 信息與雷達(dá)信息的融合顯示。通過(guò)AIS-MOB 設(shè)備的使用，實(shí)現(xiàn)人員落水應(yīng)急功能的解決。

3.2 通過(guò)VHF（甚高頻無(wú)線電臺(tái)）完成與風(fēng)電場(chǎng)周圍的大小船舶、業(yè)主船舶以及相關(guān)工作人員進(jìn)行日常業(yè)務(wù)調(diào)度以及緊急語(yǔ)音通信，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的用于海事的語(yǔ)音實(shí)時(shí)通信。

3.3 實(shí)現(xiàn)多傳感器信息的采集與顯示、存儲(chǔ)，包括雷達(dá)、AIS、視頻監(jiān)控、氣象海況等信息的綜合集成顯示。

3.4 實(shí)現(xiàn)智能化運(yùn)營(yíng)與調(diào)度功能，后臺(tái)中心核心服務(wù)器可以處理包括對(duì)業(yè)主船舶歷史軌跡存儲(chǔ)與分析、風(fēng)場(chǎng)態(tài)勢(shì)視頻存儲(chǔ)與調(diào)用、氣象海況數(shù)據(jù)預(yù)報(bào)等等。在此基礎(chǔ)上還可擴(kuò)展相應(yīng)的調(diào)度營(yíng)運(yùn)管理界面，實(shí)現(xiàn)基于各類信息的智能化船舶與人員調(diào)度安排。

圖1 軟件結(jié)構(gòu)模塊匯總表

4 安全防范與報(bào)警聯(lián)動(dòng)

系統(tǒng)架設(shè)完成后，將以風(fēng)電場(chǎng)所在區(qū)域?yàn)橹行模墒軝?quán)操作人員根據(jù)安全等級(jí)設(shè)定多級(jí)安全警戒區(qū)域。對(duì)闖入?yún)^(qū)域的船只自動(dòng)設(shè)置等級(jí)預(yù)警和處置，并記錄全部過(guò)程。區(qū)域報(bào)警包括禁錨區(qū)域報(bào)警、禁止駛?cè)雲(yún)^(qū)域報(bào)警、有拋錨趨勢(shì)報(bào)警（在風(fēng)電場(chǎng)3km 范圍內(nèi)，以航速低于0.5 節(jié)為判定條件）等，并可按照移動(dòng)目標(biāo)設(shè)置移動(dòng)告警區(qū)。[3]列入黑名單和協(xié)查船舶名單的船舶被識(shí)別后系統(tǒng)能夠自動(dòng)報(bào)警。當(dāng)目標(biāo)進(jìn)入防區(qū)后，系統(tǒng)第一時(shí)間發(fā)出預(yù)警，同時(shí)反饋目標(biāo)經(jīng)緯度信息，并計(jì)算出目標(biāo)與監(jiān)管區(qū)域的距離。當(dāng)距離小于設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警，同時(shí)聯(lián)動(dòng)云臺(tái)全程跟蹤并進(jìn)行抓拍和錄像取證。

5 結(jié)論

在能源日益短缺的情況下，海上風(fēng)電作為一種清潔的可再生能源發(fā)展迅速，福建省海上風(fēng)電場(chǎng)離岸較近，與航道、錨地等區(qū)域毗鄰的場(chǎng)址較多，海上交通安全是保證海上風(fēng)電場(chǎng)開發(fā)建設(shè)的必要前提和重要保證。本方案的實(shí)施可實(shí)現(xiàn)全天候?qū)︼L(fēng)電場(chǎng)附近3公里水域內(nèi)的船只進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控，完成海上風(fēng)電海域交通安全防范管理。

本方案在自建交通管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，還可延伸為與海洋主管部門的共建平臺(tái)，依托海洋、海事等主管部門的信息化技術(shù)支持，形成信息互聯(lián)、互通、共享的海上風(fēng)場(chǎng)交通安全管理機(jī)制，為海上風(fēng)電場(chǎng)的安全防范提供有利手段，為整個(gè)產(chǎn)業(yè)健康有序的發(fā)展保駕護(hù)航。