風(fēng)電項(xiàng)目鷹類(lèi)識(shí)別保護(hù)技術(shù)研究

羅明清，何時(shí)有，陳 琛，童 灝

(中國(guó)電建集團(tuán)海外投資有限公司，北京 100048)

0 引 言

在氣候變暖和全球能源轉(zhuǎn)型背景下，大力發(fā)展風(fēng)電是綠色低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要，風(fēng)電通過(guò)替代化石燃料減緩氣候變化，可以改善鳥(niǎo)類(lèi)的整體生存環(huán)境，但也帶來(lái)了鳥(niǎo)類(lèi)保護(hù)問(wèn)題，尤其是鳥(niǎo)類(lèi)撞機(jī)風(fēng)險(xiǎn)。目前鳥(niǎo)類(lèi)保護(hù)以驅(qū)趕技術(shù)為主，針對(duì)某一珍稀野外飛禽，開(kāi)展主動(dòng)避讓技術(shù)研究非常少[1-2]?？梢暬楊?lèi)識(shí)別保護(hù)系統(tǒng)通過(guò)360°全景攝像頭以及中央分析單元，瞬時(shí)完成飛行物圖像捕捉、識(shí)別、預(yù)警等一系列動(dòng)作，對(duì)處于鷹類(lèi)活動(dòng)范圍內(nèi)的運(yùn)行機(jī)組進(jìn)行停機(jī)，避免鷹類(lèi)撞機(jī)事件發(fā)生，有利于實(shí)現(xiàn)人與自然的和諧發(fā)展。

1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

牧牛山風(fēng)電項(xiàng)目位于塔斯馬尼亞州中央高地，總裝機(jī)148.4 MW，共48臺(tái)機(jī)組，通過(guò)長(zhǎng)4 km的220 kV輸電線路與澳大利亞國(guó)家電網(wǎng)連接，年均上網(wǎng)發(fā)電量約4.4億kW·h，為塔州提供5%的電力，為6萬(wàn)戶家庭提供優(yōu)質(zhì)的清潔能源，被塔州能源部長(zhǎng)譽(yù)為“改變州運(yùn)”的重大基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目。項(xiàng)目于2020年5月12日進(jìn)入商業(yè)運(yùn)營(yíng)，2020年8月3日實(shí)現(xiàn)全容量并網(wǎng)。

澳大利亞各級(jí)政府對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的要求十分嚴(yán)格，其中塔斯馬尼亞州尤為突出。牧牛山項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)自然環(huán)境優(yōu)美，是瀕危動(dòng)物楔尾鷹和白腹鷹的棲息地，澳大利亞政府對(duì)每年因風(fēng)場(chǎng)運(yùn)行受傷或被殺害的楔尾鷹數(shù)量提出明確要求。為保護(hù)野生飛禽安全，降低對(duì)風(fēng)電站的不利影響，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)高效利用，實(shí)現(xiàn)生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益的最佳平衡，需開(kāi)展針對(duì)性地鷹類(lèi)識(shí)別保護(hù)研究。

2 防鳥(niǎo)技術(shù)介紹

2.1 鳥(niǎo)類(lèi)探測(cè)技術(shù)

遙測(cè)技術(shù)。在受保護(hù)的鳥(niǎo)類(lèi)身上直接安裝無(wú)線電信號(hào)發(fā)射裝置，通過(guò)定位系統(tǒng)追蹤和記錄野生動(dòng)物的活動(dòng)情況，在地圖上記錄其飛行軌跡和活動(dòng)范圍等相關(guān)信息。本方法需抓獲目標(biāo)鷹類(lèi)，誘捕或安裝裝置可能導(dǎo)致受傷，不適用于稀有、瀕?；虼嗳跷锓N。

雷達(dá)探測(cè)。通過(guò)使用無(wú)線電波獲取物體的距離、角度和速度信息，探鳥(niǎo)雷達(dá)能檢測(cè)到夜間和遠(yuǎn)距離的鳥(niǎo)類(lèi)，可形成全方位的探測(cè)，并提供飛鳥(niǎo)運(yùn)動(dòng)高分辨圖像，但尚有一定局限性[3-5]：①可能存在檢測(cè)不到目標(biāo)的盲區(qū)，需部署多部雷達(dá)以實(shí)現(xiàn)全覆蓋；②地面、降水、昆蟲(chóng)、植被都可能產(chǎn)生雜波，難以在抑制雜波的同時(shí)保持鳥(niǎo)類(lèi)目標(biāo)完整性；③難以識(shí)別具體的物種或鳥(niǎo)群中確切的個(gè)體數(shù)，無(wú)法動(dòng)態(tài)跟蹤鳥(niǎo)群中的單只鳥(niǎo)；④不同頻段的雷達(dá)對(duì)鳥(niǎo)群目標(biāo)的探測(cè)能力不同，鳥(niǎo)類(lèi)飛行時(shí)的翅膀扇動(dòng)會(huì)對(duì)雷達(dá)波產(chǎn)生調(diào)制效應(yīng)；⑤成本較高，可能需要專(zhuān)業(yè)人員參與。

紅外探測(cè)技術(shù)。根據(jù)傳感器不同分為熱釋電傳感器和熱電堆傳感器。用菲涅爾透鏡制成的熱釋電紅外傳感器更適合探測(cè)飛行中的鳥(niǎo)。對(duì)于鳥(niǎo)棲停在防范區(qū)域的問(wèn)題，熱電堆紅外傳感器通過(guò)形成錐狀的探測(cè)空間可以有效解決，但針對(duì)復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，需要形成全方位的探測(cè)時(shí)，存在不足[6]。

成像技術(shù)。目前最適宜于風(fēng)電項(xiàng)目的方法是攝像機(jī)成像技術(shù)，它的主要優(yōu)勢(shì)是具有識(shí)別物種的潛力、記錄碰撞事件的可能性以及觸發(fā)停機(jī)保護(hù)，但攝像機(jī)的視野有限，需要多臺(tái)設(shè)備實(shí)現(xiàn)全覆蓋。目前，比較成熟的成像技術(shù)有DT Bird和IdentiFlight兩種，均已在全球十幾個(gè)風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行了成功應(yīng)用。

2.2 防鷹撞擊規(guī)避措施

用于降低飛禽類(lèi)撞機(jī)風(fēng)險(xiǎn)的主要方法有2種，一是主要采用防鳥(niǎo)刺阻擋或者聲、光、電等措施驚嚇或刺激鳥(niǎo)類(lèi)，來(lái)實(shí)現(xiàn)防鳥(niǎo)驅(qū)鳥(niǎo)的目的[7-8]，這些方法具有一定的盲目性，不能主動(dòng)探測(cè)飛鳥(niǎo)目標(biāo)，只是被動(dòng)驅(qū)趕鳥(niǎo)類(lèi)；二是對(duì)處于野生動(dòng)物活動(dòng)范圍內(nèi)的運(yùn)行機(jī)組進(jìn)行自動(dòng)停機(jī)，以大幅降低野生動(dòng)物撞擊葉片的概率。由于大部分野生動(dòng)物對(duì)聲響警告不敏感，因此停機(jī)避讓成為了避免野生動(dòng)物撞機(jī)的首選。

3 可視化鷹類(lèi)識(shí)別保護(hù)系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 技術(shù)原理

牧牛山項(xiàng)目在澳洲風(fēng)電行業(yè)首次引入全球技術(shù)領(lǐng)先的鷹類(lèi)識(shí)別保護(hù)系統(tǒng)IdentiFlight。該系統(tǒng)是由美國(guó)RES公司(Renewable Energy Systems)和巨石成像公司(Boulder Imaging)共同研發(fā)的一款先進(jìn)的可視化鷹類(lèi)識(shí)別保護(hù)系統(tǒng)，采用高性能光學(xué)系統(tǒng)與視覺(jué)軟件結(jié)合，由最先進(jìn)的圖像傳感器陣列(用于半球空間探測(cè))、高放大率立體傳感器(用于位置、軌跡和物種識(shí)別)和高性能人工智能算法(用于完全自主的實(shí)時(shí)圖像處理)組成。

可視化鷹類(lèi)識(shí)別保護(hù)設(shè)備安裝在觀測(cè)塔上，塔高一般7～10 m，主要由頂部探測(cè)頭、塔身、服務(wù)器柜等部件組成，如圖1所示。探測(cè)頭包括8臺(tái)廣角攝像機(jī)(WFOV)和1套高分辨率立體攝像機(jī)(HRSC)，如圖2所示。

圖1 觀測(cè)塔及頂端探測(cè)頭

圖2 鷹類(lèi)識(shí)別保護(hù)設(shè)備

廣角攝像機(jī)負(fù)責(zé)探測(cè)發(fā)現(xiàn)移動(dòng)的物體，根據(jù)機(jī)器視覺(jué)技術(shù)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的風(fēng)機(jī)葉片、晃動(dòng)的樹(shù)木等非鳥(niǎo)類(lèi)目標(biāo)進(jìn)行篩選排除。高分辨率立體攝像機(jī)鎖定跟蹤并拍攝捕捉疑似楔尾鷹鳥(niǎo)類(lèi)的高清圖像，對(duì)尺寸、顏色、羽毛等物理特征進(jìn)行分析，與收集的圖像數(shù)據(jù)庫(kù)精確比對(duì)，最終確定該目標(biāo)為楔尾鷹，并將相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送到本地基站?；緦⑾嚓P(guān)數(shù)據(jù)分別發(fā)送到現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維樓監(jiān)視屏和停機(jī)保護(hù)模塊，供運(yùn)維人員進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，以及供停機(jī)保護(hù)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)分析；停機(jī)保護(hù)模塊通過(guò)分析楔尾鷹飛行路徑、飛行速度以及其與風(fēng)機(jī)的距離，評(píng)估楔尾鷹與風(fēng)機(jī)相撞的風(fēng)險(xiǎn)，并確定是否需要采取停機(jī)保護(hù)措施；如有楔尾鷹碰撞風(fēng)險(xiǎn)，系統(tǒng)立即向數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(SCADA)系統(tǒng)發(fā)送風(fēng)機(jī)降低轉(zhuǎn)速或停機(jī)信號(hào)，風(fēng)機(jī)實(shí)施保護(hù)停機(jī)動(dòng)作。當(dāng)瀕危鷹類(lèi)撞機(jī)風(fēng)險(xiǎn)解除后，系統(tǒng)將向SCADA系統(tǒng)發(fā)出風(fēng)機(jī)重啟信號(hào)，風(fēng)機(jī)恢復(fù)正常運(yùn)行。系統(tǒng)通過(guò)360°全景攝像頭以及中央分析單元，可連續(xù)24 h不間斷探測(cè)，瞬時(shí)完成飛行物圖像捕捉、識(shí)別、預(yù)警等一系列動(dòng)作，對(duì)處于鷹類(lèi)活動(dòng)范圍內(nèi)的運(yùn)行機(jī)組進(jìn)行停機(jī)，避免鷹類(lèi)撞機(jī)事件發(fā)生。

3.2 技術(shù)應(yīng)用

3.2.1 楔尾鷹分布調(diào)查和保育期監(jiān)控

根據(jù)鷹類(lèi)的棲息分布和行為特點(diǎn)，制定科學(xué)的調(diào)研方案，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)及周邊一定范圍區(qū)域開(kāi)展全面的實(shí)地巡查，對(duì)巢穴分布位置、周邊環(huán)境、種群數(shù)量等進(jìn)行全面記錄，并每隔一段時(shí)間進(jìn)行復(fù)查。根據(jù)前期鷹巢調(diào)查，風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域內(nèi)有3個(gè)塔斯馬尼亞楔形尾鷹巢穴，部分巢穴不活躍，在風(fēng)電場(chǎng)周?chē)? km范圍內(nèi)，有2個(gè)楔形尾鷹巢穴。將進(jìn)一步跟蹤巢穴的活動(dòng)跡象，研究場(chǎng)區(qū)內(nèi)楔尾鷹的種群數(shù)量、活動(dòng)范圍等，更好地提高保護(hù)措施的針對(duì)性。每年野生動(dòng)物保育期(通常為當(dāng)?shù)?月份前后)期間，通過(guò)安裝隱蔽攝像裝置等方式記錄楔尾鷹巢內(nèi)及附近野生動(dòng)物活動(dòng)。

3.2.2 可視化鷹類(lèi)識(shí)別保護(hù)設(shè)備選址

為滿足全場(chǎng)覆蓋無(wú)死角監(jiān)控瀕危鷹類(lèi)的環(huán)保要求，首先利用地理信息系統(tǒng)(ArcGIS)對(duì)項(xiàng)目地形進(jìn)行視域分析，盡量遠(yuǎn)離楔尾鷹活動(dòng)范圍，初步確定設(shè)備安裝的備選位置；研究現(xiàn)場(chǎng)的植被勘察數(shù)據(jù)(LiDAR Data)以及現(xiàn)場(chǎng)植被照片，盡可能減設(shè)備安裝對(duì)現(xiàn)場(chǎng)植被和地形的破壞和影響；使用谷歌地球(Google Earth)、KML(Keyhole Markup Language)等軟件對(duì)設(shè)備安裝位置進(jìn)行精選，實(shí)現(xiàn)全覆蓋并盡可能擴(kuò)大設(shè)備的監(jiān)控重疊區(qū)域，提高識(shí)別瀕危鷹類(lèi)的準(zhǔn)確性和及時(shí)性；開(kāi)展實(shí)地勘察，科學(xué)論證并最終確定16臺(tái)設(shè)備的安裝位置，如圖3所示。

圖3 鷹類(lèi)活動(dòng)與風(fēng)機(jī)布置

3.2.3 建立鷹類(lèi)圖像庫(kù)

廣泛收集野生飛禽圖像，分析顏色、羽毛、翅膀形狀和飛行輪廓等特征，建立楔尾鷹識(shí)別規(guī)則。通過(guò)可視化鷹類(lèi)識(shí)別保護(hù)系統(tǒng)對(duì)場(chǎng)內(nèi)楔尾鷹情況進(jìn)行跟蹤大量拍攝，對(duì)楔尾鷹的范圍、出現(xiàn)時(shí)間、頻率、飛行軌跡、飛行速度、飛行姿態(tài)等信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，開(kāi)展楔尾鷹活動(dòng)行為調(diào)研研究?；跈C(jī)器視覺(jué)技術(shù)，依據(jù)建立的識(shí)別規(guī)則分析圖像，確定拍攝的圖片與鳥(niǎo)類(lèi)圖像庫(kù)的匹配情況，還利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過(guò)大量鳥(niǎo)類(lèi)樣本訓(xùn)練，提取出不同鳥(niǎo)類(lèi)的特征文件，深度學(xué)習(xí)識(shí)別物種，提升識(shí)別可靠度和效率。2019年11月19日～2020年5月17日，共追蹤超過(guò)5.5萬(wàn)次楔尾鷹和白腹鷹的飛行路線，捕捉處理超過(guò)800萬(wàn)張楔尾鷹和白腹鷹圖片，建立了基本圖像庫(kù)并不斷完善。

3.2.4 系統(tǒng)參數(shù)和風(fēng)機(jī)預(yù)警規(guī)則

可視化鷹類(lèi)識(shí)別保護(hù)系統(tǒng)的工作原理是在發(fā)現(xiàn)楔尾鷹后控制相關(guān)風(fēng)機(jī)降低葉片轉(zhuǎn)速或停機(jī)避讓?zhuān)瑢⒉豢杀苊獾脑斐砂l(fā)電量損失，如增大發(fā)送停機(jī)信號(hào)的范圍半徑，或延長(zhǎng)撞擊預(yù)警時(shí)間，將出現(xiàn)鷹類(lèi)活動(dòng)時(shí)機(jī)組損失電量大幅增加；反之則鷹類(lèi)保護(hù)效果將大大折扣。因此需要結(jié)合風(fēng)電項(xiàng)目客觀條件，科學(xué)制定設(shè)備參數(shù)和停機(jī)規(guī)則，實(shí)現(xiàn)發(fā)電效益和環(huán)保效益的最大化平衡。根據(jù)環(huán)保法律法規(guī)要求、現(xiàn)場(chǎng)地形地貌、鳥(niǎo)類(lèi)活動(dòng)特點(diǎn)、發(fā)電量損失的可接受范圍、對(duì)項(xiàng)目日常運(yùn)行維護(hù)的影響等因素綜合考慮，重點(diǎn)考慮金風(fēng)3S機(jī)型的制動(dòng)時(shí)間，經(jīng)專(zhuān)業(yè)軟件多次模擬和優(yōu)化，確定項(xiàng)目相關(guān)參數(shù)。

牧牛山項(xiàng)目可視化鷹類(lèi)識(shí)別保護(hù)系統(tǒng)以風(fēng)機(jī)為中心構(gòu)建了外圓柱體和內(nèi)圓柱體兩個(gè)虛擬的野生動(dòng)物識(shí)別保護(hù)空間體系，如圖4所示。該系統(tǒng)可在900 m外對(duì)楔尾鷹進(jìn)行自動(dòng)探測(cè)識(shí)別，在該范圍以外發(fā)現(xiàn)任何野生飛禽，系統(tǒng)都不會(huì)發(fā)出停機(jī)信號(hào)；一旦發(fā)現(xiàn)楔尾鷹進(jìn)入外圓柱體(半徑900 m，高度900 m)和內(nèi)圓柱體(半徑675 m，高度450 m)之間的空間，系統(tǒng)將根據(jù)楔尾鷹的飛行速度和飛行軌跡，預(yù)測(cè)撞擊時(shí)間；當(dāng)發(fā)現(xiàn)楔尾鷹進(jìn)入內(nèi)圓柱體區(qū)域，預(yù)測(cè)撞機(jī)時(shí)間小于預(yù)警時(shí)間(55 s)時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)立即向SCADA系統(tǒng)發(fā)出停機(jī)避讓信號(hào)；楔尾鷹飛離時(shí)間超過(guò)風(fēng)險(xiǎn)解除時(shí)間(90 s)，系統(tǒng)將會(huì)向SCADA系統(tǒng)發(fā)出風(fēng)機(jī)重啟信號(hào)。

圖4 圓柱體虛擬鷹類(lèi)識(shí)別保護(hù)空間體系

3.2.5 鷹類(lèi)、其他鳥(niǎo)類(lèi)與風(fēng)機(jī)碰撞調(diào)查

由搜尋人員牽領(lǐng)受過(guò)專(zhuān)業(yè)訓(xùn)練的搜尋犬，以周為時(shí)間單位對(duì)每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組周邊一定距離半徑區(qū)域范圍內(nèi)的鳥(niǎo)類(lèi)尸體進(jìn)行搜尋，并對(duì)搜尋記錄進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

3.2.6 應(yīng)用成效

2019年11月，項(xiàng)目首臺(tái)鷹類(lèi)保護(hù)設(shè)備與首臺(tái)并網(wǎng)風(fēng)機(jī)同步投入使用；2020年5月，全部16臺(tái)鷹類(lèi)保護(hù)設(shè)備完成安裝調(diào)試投入使用，運(yùn)行界面如圖5所示，至今未發(fā)生一起因楔尾鷹與運(yùn)行風(fēng)機(jī)相撞受傷和死亡環(huán)保事件。

圖5 IdentiFlight系統(tǒng)運(yùn)行界面

牧牛山項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)全容量并網(wǎng)發(fā)電后兩個(gè)月左右，因可視化鷹類(lèi)識(shí)別保護(hù)系統(tǒng)控制停機(jī)導(dǎo)致的棄風(fēng)率約為6.90%，經(jīng)調(diào)取和分析停機(jī)記錄，對(duì)相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。2020年底將因可視化鷹類(lèi)識(shí)別保護(hù)系統(tǒng)控制停機(jī)導(dǎo)致的棄風(fēng)率降至3.45%，2021年控制到了1%左右，在確保鷹類(lèi)保護(hù)要求的前提下，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益最大化。

4 結(jié) 語(yǔ)

牧牛山風(fēng)電項(xiàng)目積極應(yīng)對(duì)楔尾鷹瀕危物種保護(hù)的苛刻要求，引進(jìn)世界上最先進(jìn)的鳥(niǎo)類(lèi)識(shí)別保護(hù)系統(tǒng)，并持續(xù)學(xué)習(xí)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了在幾秒鐘內(nèi)完成楔尾鷹圖像捕捉、識(shí)別、預(yù)警和避讓?zhuān)瑧{借該系統(tǒng)的技術(shù)創(chuàng)新性以及投運(yùn)后的良好表現(xiàn)，獲得澳洲清潔能源署(CEC)頒發(fā)的2021年“可再生能源創(chuàng)新獎(jiǎng)”。該技術(shù)在牧牛山項(xiàng)目的成功應(yīng)用，樹(shù)立了“建設(shè)清潔能源，營(yíng)造綠色環(huán)境”的積極形象，為環(huán)境優(yōu)化型風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)提供了經(jīng)驗(yàn)和借鑒，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。