完善海上風(fēng)電場航標(biāo)建設(shè)與管理維護(hù)水上交通安全助力風(fēng)電發(fā)展

王培偉，周延鵬，劉世江，董吉友

近年來，海上風(fēng)電場產(chǎn)業(yè)日新月異，山東半島南海域作為山東省風(fēng)電發(fā)展的重點(diǎn)區(qū)域，發(fā)展?jié)摿薮蟆Ｉ綎|半島南3號、4號海上風(fēng)電場建設(shè)項(xiàng)目是山東風(fēng)電發(fā)展的重點(diǎn)工程。風(fēng)電場建設(shè)期間，風(fēng)機(jī)塔工程船匯聚在有限范圍水域內(nèi)，影響附近水域船舶航行安全，容易產(chǎn)生船舶碰撞風(fēng)險。為保障兩個海上風(fēng)電場建設(shè)項(xiàng)目的順利開展，青島航標(biāo)處在風(fēng)電場建設(shè)項(xiàng)目施工前布設(shè)了28座直徑2．4 m警示燈浮和6座船舶自動識別系統(tǒng)（AIS）實(shí)體航標(biāo)，并提供了1年多的后期維護(hù)管理工作，通過視覺航標(biāo)和無線電航標(biāo)的綜合運(yùn)用，有效地標(biāo)識了風(fēng)電場施工水域范圍，警示船舶遠(yuǎn)離施工區(qū)域航行，沒有發(fā)生過往船舶駛進(jìn)作業(yè)區(qū)碰撞施工船和風(fēng)機(jī)塔設(shè)施的事件，確保項(xiàng)目建設(shè)順利實(shí)施，有效維護(hù)了該水域的水上交通安全。本文從山東半島南海上風(fēng)電場建設(shè)航標(biāo)維護(hù)管理工作面臨的挑戰(zhàn)入手，總結(jié)實(shí)際航標(biāo)維護(hù)中采取的有效做法，對未來航標(biāo)和風(fēng)電場日常一體化巡檢維護(hù)進(jìn)行探索。

一、海上風(fēng)電場航標(biāo)維護(hù)管理面臨的挑戰(zhàn)

海上風(fēng)電場項(xiàng)目航標(biāo)一次性布設(shè)數(shù)量較大，特殊的地理位置使得該區(qū)域航標(biāo)正常率和航標(biāo)維護(hù)正常率受到極大影響，海上風(fēng)電場航標(biāo)維護(hù)難度遠(yuǎn)高于港口及陸上航標(biāo)。

（一）海上風(fēng)電場航標(biāo)故障率高

1． 燈浮標(biāo)離位或漂移

海上風(fēng)電場區(qū)域平均風(fēng)速大、涌浪高，特別是夏季臺風(fēng)及冬季寒潮過境時，臺風(fēng)最大瞬時風(fēng)速40．3 m/s，寒潮最大瞬時風(fēng)速30．5 m/s（團(tuán)島氣象站），年平均波高0．9 m，年各月最大波高4．3～6．0 m（千里巖海洋站）。從秋末至初春，該區(qū)域受寒潮影響非常頻繁，每次寒潮來臨都會導(dǎo)致溫度急劇下降，并伴隨8～9級偏北大風(fēng)。惡劣海況是導(dǎo)致海上風(fēng)電場燈浮標(biāo)離位或漂移的主要原因。

2． 燈器故障熄滅

海上風(fēng)電場航標(biāo)容易受到海上鹽霧、臺風(fēng)、海浪、雷電、冰載荷等惡劣自然條件影響，燈器、太陽能板、蓄電池、電源控制器、電源連接線等部件失效快，加之大風(fēng)涌浪導(dǎo)致的頻繁不規(guī)則晃動，相關(guān)固定螺栓、綁固扎帶、連接線接頭等部位容易松動、破損，進(jìn)而導(dǎo)致燈器失電，發(fā)生熄滅故障。

3． 燈浮標(biāo)碰撞

海上風(fēng)電場建設(shè)對附近的“成山角南部-青島港(遠(yuǎn))”航路、“成山角南部-青島港(近)”航路、“石島港-青島港(近)”航路，以及穿越風(fēng)電場區(qū)域的南北向交通流影響較大，改變了船舶的習(xí)慣航法，為燈浮標(biāo)碰撞埋下了客觀隱患。加之每年的春末夏初（4—7月）該區(qū)域海霧盛行，經(jīng)常出現(xiàn)能見度很低而且延續(xù)時間較長的大霧，大霧對附近船舶航行安全造成極大隱患，也是航標(biāo)被撞的重要原因。

（二）海上通信能力不足

山東半島南3號、4 號海上風(fēng)電項(xiàng)目位于山東省海陽市南部海域，半島南風(fēng)電基地西部，場區(qū)距離岸線約18～24 n mile，由于離岸距離較遠(yuǎn)，公網(wǎng)信號完全覆蓋不到；場區(qū)距離千里巖AIS基站約5．5～15 n mile，AIS信號在距離基站大于10 n mile時無法可靠覆蓋，出現(xiàn)21號報文時斷時續(xù)甚至報文連續(xù)中斷問題。

（三）航標(biāo)日常巡檢難度大、人員工作強(qiáng)度高

山東半島南3號、4號風(fēng)場地處山東半島最東端，該海域受季風(fēng)氣候影響，天氣、海浪變化較大。目前，承擔(dān)該水域航標(biāo)維護(hù)管理工作的海陽航標(biāo)管理站通過租用漁船、快艇等小型船舶進(jìn)行日常巡檢。每季度組織現(xiàn)場巡檢時，往返航行需要4個多小時，能夠在海上進(jìn)行航標(biāo)維護(hù)作業(yè)的時間較為有限，加之當(dāng)天需要巡檢的航標(biāo)數(shù)量眾多，航標(biāo)作業(yè)人員長時間顛簸后再登標(biāo)作業(yè)，工作強(qiáng)度進(jìn)一步加大，海況不良時只能隨機(jī)抽檢，無法做到對全部航標(biāo)進(jìn)行及時有效的維護(hù)。

二、海上風(fēng)電場航標(biāo)維護(hù)管理取得的經(jīng)驗(yàn)

研究海上風(fēng)電場的航標(biāo)維護(hù)策略對保證海上風(fēng)電場航標(biāo)的助航可靠性至關(guān)重要，青島航標(biāo)處通過現(xiàn)場巡檢加遠(yuǎn)程遙測遙控相結(jié)合的維護(hù)手段，有效發(fā)揮海上風(fēng)電場航標(biāo)的航標(biāo)效能，保障了海上風(fēng)電場海域的航行安全。

（一）提高航標(biāo)正常率

1． 加固錨碇系統(tǒng)，提高防范惡劣天氣能力

山東半島南3號、4號海上風(fēng)電場選址水深28～30 m，此次航標(biāo)布設(shè)燈浮標(biāo)的錨鏈長度是3節(jié)，相當(dāng)于近3倍的水深，部分容易漂移位置可設(shè)置4～5節(jié)錨鏈，保證錨鏈長度可以有效增加錨鏈在海底的耙附力，防止燈浮標(biāo)發(fā)生位移，提高防范臺風(fēng)、寒潮等惡劣天氣的能力。

三是通過穩(wěn)妥發(fā)展統(tǒng)一戰(zhàn)線民主構(gòu)建共同體。統(tǒng)一戰(zhàn)線民主是中國特色社會主義民主的重要特色。統(tǒng)一戰(zhàn)線民主在本質(zhì)上是解決中國共產(chǎn)黨領(lǐng)導(dǎo)下黨外力量的民主權(quán)利和民主作用問題，是人民民主專政的題中應(yīng)有之意，也是滿足人民民主政治需求的時代要求。一個持久穩(wěn)定、富有活力且具有效率的共同體，本身就是堅(jiān)持民主與集中相統(tǒng)一的共同體。中國共產(chǎn)黨領(lǐng)導(dǎo)的統(tǒng)一戰(zhàn)線充分發(fā)揚(yáng)民主，在國家政權(quán)中保障黨外人士參政議政，在社會主義協(xié)商民主各種渠道中開展協(xié)商，不斷踐行民主的協(xié)商真諦。新時代，統(tǒng)一戰(zhàn)線應(yīng)充分落實(shí)《中國共產(chǎn)黨統(tǒng)一戰(zhàn)線工作條例（試行）》要求，保證黨外人士參與國家政權(quán)和發(fā)揮作用，進(jìn)一步構(gòu)建既有秩序又有活力的中國特色政治共同體。

2． 使用一體化燈器，有效降低燈器故障熄滅概率

一體化燈器集蓄電池、太陽能板、燈器為一體，具有體積小、重量輕、安裝方便、維護(hù)簡單、防水防塵防風(fēng)性能好等特點(diǎn)，在北方海區(qū)已廣泛使用。此次海上風(fēng)電場項(xiàng)目新設(shè)的28座燈浮標(biāo)、30座燈樁所使用的航標(biāo)燈器及相關(guān)備用燈器，均采用一體化燈器設(shè)計。雖然費(fèi)用較高，但實(shí)踐證明一體化燈器確實(shí)有效降低了燈器故障熄滅的概率。

3． 多元聯(lián)合感知，確保船舶對航標(biāo)進(jìn)行識別

（1）設(shè)置AIS實(shí)體航標(biāo)和AIS電子圍欄

在3號和4號海上風(fēng)電場之間的“石島港-青島港（近）”航路進(jìn)出口分別設(shè)置實(shí)體AIS航標(biāo)2座，引導(dǎo)船舶駛?cè)胝_航路；在3號海上風(fēng)電場以南的“成山角南部-青島港（近）”航路，靠近風(fēng)電場一側(cè)進(jìn)出口分別設(shè)置實(shí)體AIS航標(biāo)1座，防止船舶誤駛?cè)腼L(fēng)電場海域。另外，根據(jù)風(fēng)電場形狀，通過設(shè)置AIS電子圍欄，由內(nèi)而外設(shè)定三級海上預(yù)警區(qū)，對靠近風(fēng)電場及相關(guān)區(qū)域航標(biāo)的船舶進(jìn)行預(yù)警，從而起到保護(hù)電子圍欄內(nèi)風(fēng)電設(shè)施安全和降低船舶碰撞航標(biāo)概率的作用。

（2）雷達(dá)監(jiān)測與光電抓拍

利用千里巖雷達(dá)站對周圍海域?qū)嵤┤轿粧呙?，并將X波段雷達(dá)獲得的雷達(dá)數(shù)據(jù)和千里巖AIS基站獲得的AIS數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，使覆蓋范圍內(nèi)的船位和標(biāo)位數(shù)據(jù)更加及時準(zhǔn)確，為更加精準(zhǔn)地發(fā)布預(yù)警信息奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。同時，利用雷達(dá)數(shù)據(jù)和AIS數(shù)據(jù)覆蓋范圍廣的特點(diǎn)，引導(dǎo)安裝在風(fēng)機(jī)塔樁或風(fēng)電場燈樁上的光電設(shè)備對駛?cè)腼L(fēng)電區(qū)域和靠近航標(biāo)的船舶進(jìn)行重點(diǎn)跟蹤抓拍，為后續(xù)的事故索賠提供信息支持。

（二）北斗、AIS雙重通信機(jī)制

近年來，北斗通信技術(shù)在航標(biāo)上的應(yīng)用越來越廣泛，是航標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)配備設(shè)備，青島航標(biāo)處已實(shí)現(xiàn)航標(biāo)北斗遙測遙控全覆蓋。運(yùn)用北斗與GPS雙重定位獲得航標(biāo)的實(shí)時位置，并將監(jiān)測到的航標(biāo)工作信息（包括燈器電壓、燈器夜間電流、太陽能充電情況、開關(guān)燈時間、加速度等）通過北斗短報文發(fā)送到北斗指揮機(jī)上，進(jìn)而通過報文解析顯示在遙測遙控系統(tǒng)上，便于航標(biāo)管理人員對航標(biāo)的工作狀態(tài)進(jìn)行綜合判斷，及時發(fā)現(xiàn)航標(biāo)故障。

2． 優(yōu)化AIS天線增益，提高通信距離

針對AIS遙測遙控終端10～15 n mile AIS鏈路通信時斷時續(xù)甚至報文連續(xù)中斷問題，在保持AIS接收機(jī)和發(fā)射機(jī)功率不變的基礎(chǔ)上，將AIS遙測遙控終端天線長度由46．3 cm調(diào)整至92．6 cm，解決10～15 n mile AIS通信盲區(qū)問題。

（三）降低現(xiàn)場維護(hù)人員工作強(qiáng)度

1． 優(yōu)化現(xiàn)場巡檢維護(hù)周期

根據(jù)航標(biāo)維護(hù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，航標(biāo)故障率在3年的維護(hù)周期內(nèi)呈浴盆曲線，即初期、晚期故障率高，中期故障率低，采用固定的每季維護(hù)間隔往往維護(hù)經(jīng)濟(jì)性較差[1]，應(yīng)充分挖掘航標(biāo)遙測遙控數(shù)據(jù)，處于不同階段的航標(biāo)采取不同的維護(hù)間隔，可以在一定程度上降低現(xiàn)場維護(hù)人員工作強(qiáng)度，節(jié)約維護(hù)成本。

2． 燈器北斗遙控及現(xiàn)場藍(lán)牙控制

通過增加北斗遙控設(shè)置，可遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)燈質(zhì)調(diào)整、開關(guān)燈設(shè)定等功能，同時結(jié)合航標(biāo)遙測遙控信息，可大大減少現(xiàn)場巡檢工作量，對有問題或有隱患的航標(biāo)進(jìn)行重點(diǎn)檢查，把寶貴的航標(biāo)維護(hù)作業(yè)時間花在刀刃上。同時，針對現(xiàn)場巡檢時需頻繁上下航標(biāo)問題，可增加燈器藍(lán)牙控制模塊，巡檢時只需要航行到航標(biāo)藍(lán)牙覆蓋區(qū)域，即可實(shí)現(xiàn)航標(biāo)燈藍(lán)牙控制功能，有效減少航標(biāo)維護(hù)人員工作強(qiáng)度。

三、海上風(fēng)電場航標(biāo)維護(hù)管理發(fā)展建議

根據(jù)《海上風(fēng)力發(fā)電場設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》，風(fēng)電場在測風(fēng)期、試樁工程、建設(shè)期、試運(yùn)行期等各階段均需布設(shè)滿足通行安全的助航標(biāo)志，而助航設(shè)施維護(hù)是海上風(fēng)電場運(yùn)維的重要內(nèi)容之一，在做好助航服務(wù)的同時，可以對海上風(fēng)電場的運(yùn)維管理進(jìn)行適當(dāng)延伸。

（一）持續(xù)跟蹤山東半島南海上風(fēng)電基地后續(xù)建設(shè)

根據(jù)《山東省海上風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃》（修編版）要求，山東半島南風(fēng)電基地規(guī)劃場址面積1 205 km2，裝機(jī)容量770萬kW，各風(fēng)電場規(guī)劃容量在30～100萬kW之間，除山東半島南3、4號風(fēng)電場兩個風(fēng)電場外，還規(guī)劃了11個風(fēng)電場。海上風(fēng)電場后續(xù)建設(shè)還有很大的航標(biāo)服務(wù)需求，需要持續(xù)進(jìn)行跟蹤。

（二）積極參與青島海域海上風(fēng)電與海洋牧場建設(shè)

青島在“十四五”新興產(chǎn)業(yè)規(guī)劃中明確提出在遠(yuǎn)海建設(shè)大型海上風(fēng)電場，加快開展海上風(fēng)電與海洋牧場融合發(fā)展。青島深遠(yuǎn)海200萬kW海上風(fēng)電融合示范風(fēng)電場項(xiàng)目僅風(fēng)電部分直接投資300億元以上，達(dá)產(chǎn)后可年產(chǎn)風(fēng)電60億kW·h，滿足200萬戶家庭1年的用電[2]，應(yīng)積極關(guān)注該項(xiàng)目的實(shí)施，努力爭取參與，在青島低碳減排的能源結(jié)構(gòu)調(diào)整中發(fā)揮重要的航海保障專業(yè)技術(shù)支撐作用。

（三）航標(biāo)建設(shè)與海上風(fēng)電場建設(shè)融合發(fā)展

1． 航標(biāo)巡檢與海上風(fēng)電場風(fēng)機(jī)日常維護(hù)相結(jié)合

據(jù)資料統(tǒng)計，海上風(fēng)電場的總運(yùn)維成本約占項(xiàng)目全生命周期總成本的20%～30%[3-4]，運(yùn)維設(shè)備（主要采用運(yùn)維船）的租賃費(fèi)用約為總運(yùn)維成本的近70%[5]。為節(jié)約海上風(fēng)電場運(yùn)維成本，在保證事后維護(hù)的前提下，海上風(fēng)電場維護(hù)最經(jīng)濟(jì)可行，也是現(xiàn)有最主要維護(hù)手段的計劃維護(hù)周期只能保證每年1～2次。海上風(fēng)電場航標(biāo)的巡檢周期（每季度一次）整體上可完全涵蓋海上風(fēng)機(jī)的計劃維護(hù)周期，有效減少因風(fēng)機(jī)整體計劃維護(hù)周期間隔過長、計劃維護(hù)不足導(dǎo)致風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障，加之航標(biāo)作業(yè)船舶的子母船（工作艇）設(shè)計，可完全勝任海上風(fēng)電場風(fēng)機(jī)日常運(yùn)維船需求。因此，航標(biāo)作業(yè)和海上風(fēng)電場風(fēng)機(jī)維護(hù)同時開展，可有效降低作業(yè)船舶的整體使用頻次，進(jìn)而降低海上風(fēng)電場業(yè)主的綜合運(yùn)維成本。

2． 智慧航保建設(shè)與海上風(fēng)電場狀態(tài)維護(hù)建設(shè)相融合

海上風(fēng)電場狀態(tài)維護(hù)是通過機(jī)組狀態(tài)檢測過程中的狀態(tài)信息對風(fēng)機(jī)機(jī)組狀態(tài)進(jìn)行整體判斷，進(jìn)而及時發(fā)現(xiàn)故障并迅速制定有效的維護(hù)方案[6]，狀態(tài)維護(hù)是海上風(fēng)電場運(yùn)維管理最理想的方式[7]，相比于陸上風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)控的成熟技術(shù)，海上高速通信是制約海上風(fēng)電場機(jī)組狀態(tài)監(jiān)控的主要因素。因此，有必要通過智慧航保建設(shè)與海上風(fēng)電場狀態(tài)維護(hù)建設(shè)融合發(fā)展，解除制約海上風(fēng)電場機(jī)組狀態(tài)維護(hù)的瓶頸問題。一方面，利用就近的千里巖島，結(jié)合現(xiàn)有的AIS基站、雷達(dá)站、北斗CORS站及清頻中的移動700 MHz 5G基站建設(shè)，打造海上風(fēng)電場區(qū)域高速通信網(wǎng)絡(luò)；另一方面，在風(fēng)機(jī)塔樁等合適部位安裝光電、氣象等各類傳感器，借助海上風(fēng)機(jī)電力能源及安裝場所優(yōu)勢，充分融合AIS、雷達(dá)、視頻、氣象等相關(guān)數(shù)據(jù)，為海上風(fēng)電場風(fēng)機(jī)狀態(tài)維護(hù)決策提供信息支撐，進(jìn)一步拓展航標(biāo)海上服務(wù)能力。

開發(fā)利用清潔、低碳的海上風(fēng)電，是拓展山東省可再生能源發(fā)展空間的重要手段，也間接促進(jìn)了青島航標(biāo)的未來發(fā)展。本文總結(jié)了青島航標(biāo)處在山東半島南3號、4號風(fēng)電場建設(shè)過程中航標(biāo)維護(hù)管理的經(jīng)驗(yàn)，希望為相關(guān)海上風(fēng)電場建設(shè)項(xiàng)目的航標(biāo)管理提供借鑒，共同完善海上風(fēng)電場航標(biāo)的配布和運(yùn)維工作，為用戶提供更加優(yōu)質(zhì)的航海保障服務(wù)。