陳云江， 張亞鵬

（1.江蘇云杉清潔能源投資控股有限公司，南京 210019；2.浙江華東工程咨詢有限公司，杭州 311100）

0 引 言

風(fēng)力資源在我國能源供應(yīng)戰(zhàn)略中的地位日益凸顯［1-3］。根據(jù)江蘇省可再生能源發(fā)展“十四五”規(guī)劃研究，海上風(fēng)電等重大工程的開發(fā)建設(shè)工作將進入快速發(fā)展期，同時學(xué)者們也在海上風(fēng)電領(lǐng)域開展了眾多有益研究［4-6］。江蘇省所轄海上風(fēng)電工程眾多，目前在建的風(fēng)電場有25個，由于場區(qū)自然環(huán)境復(fù)雜多變，亟需規(guī)范海上風(fēng)電施工及運維期的安全管理。因此，建設(shè)海上風(fēng)電場施工環(huán)境綜合監(jiān)管平臺對海上風(fēng)電發(fā)展意義深遠。

近年來，國內(nèi)的海上風(fēng)電場維護管理技術(shù)正快速發(fā)展［7-10］。劉永前等［11］考慮復(fù)雜的海上風(fēng)電場氣象環(huán)境，從維護策略、優(yōu)化路徑和維護調(diào)度決策三個方面綜合分析了海上風(fēng)電場維護管理技術(shù)。鄧勝忠［12］分析海上風(fēng)電場智慧調(diào)度平臺的主要架構(gòu)，實現(xiàn)在線監(jiān)測與預(yù)警。王林等［13］在風(fēng)電場環(huán)境監(jiān)測設(shè)計中，利用LabVIEW建立監(jiān)測設(shè)備之間的通信程序。王燕等［14］提出將5G技術(shù)應(yīng)用到海上風(fēng)電場智能管理平臺的研究中，提高管理水平和效率。楊源等［15］搭建海上風(fēng)電場智慧運維管理系統(tǒng)，包括調(diào)度、跟蹤、示警和作業(yè)監(jiān)管等功能，實現(xiàn)了人、船、機的綜合管理。崔凱［16］針對船舶隨意拋錨、施工環(huán)境等問題，提出虛擬電子圍欄技術(shù)來監(jiān)控來往船舶。

本文以南通某海上風(fēng)電工程為背景，通過對海上風(fēng)電場各船舶位置定位、作業(yè)人員信息識別、海洋氣象信息采集、施工環(huán)境監(jiān)控、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)燃夹g(shù)進行研究，建立一套安全、完善的綜合監(jiān)管系統(tǒng)。在同一數(shù)據(jù)交換平臺上，進行海上風(fēng)電場各類安全監(jiān)管數(shù)據(jù)的無障礙整合，實現(xiàn)風(fēng)電場“統(tǒng)一運行監(jiān)控、統(tǒng)一調(diào)度指揮，統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理，統(tǒng)一通航狀態(tài)監(jiān)控”，以達最優(yōu)管控模式，搭建海上風(fēng)電場數(shù)字化綜合監(jiān)管平臺。

1 工程概況

南通某海上風(fēng)電場項目位于黃海海域，工程場區(qū)中心離岸距離約48 km，水深在10～18 m之間，海底地形有一定起伏。風(fēng)電場形狀呈矩形，東西方向長約為12 km，南北方向?qū)捈s為4.4 km，規(guī)劃海域面積48 km2，規(guī)劃總裝機容量300 MW，擬安裝75臺單機容量4 MW的風(fēng)電機組。

工程風(fēng)電場區(qū)離岸線較遠，所有施工、運輸船舶在外海敞開海域作業(yè)，受大風(fēng)、霧等自然環(huán)境影響大，臺風(fēng)和冬季季風(fēng)期異常氣象條件的影響顯著。存在海洋環(huán)境惡劣、天氣狀況復(fù)雜、人員出海受約因素多等問題，給風(fēng)電場的施工作業(yè)、運行管理、安全通航、并網(wǎng)控制以及海事監(jiān)管等方面帶來很多技術(shù)和管理困難。

因此，獲得準(zhǔn)確詳細的海洋氣象資料和海上通航信息是充分利用好施工窗口期的前提條件，合理利用監(jiān)測數(shù)據(jù)對潛在風(fēng)險進行預(yù)警是安全施工的重要保障。本文從基礎(chǔ)監(jiān)控設(shè)施建設(shè)和監(jiān)管平臺搭建兩方面著手，建立了一套海上風(fēng)電場綜合監(jiān)管技術(shù)。

2 基礎(chǔ)硬件設(shè)施建設(shè)

2.1 船舶AIS基站

如圖1所示，在沿岸或海上升壓站制高點架設(shè)AIS基站，能夠接收、識別場區(qū)內(nèi)及周圍的船舶AIS信息，經(jīng)數(shù)據(jù)解析后將實時數(shù)據(jù)傳輸給監(jiān)控中心。結(jié)合風(fēng)電場的構(gòu)筑物位置信息，構(gòu)建風(fēng)場電子圍欄，實現(xiàn)對轄區(qū)船舶的動態(tài)監(jiān)控和管理。

圖1 風(fēng)電場海域內(nèi)船舶AIS系統(tǒng)

2.2 VHF通信基站

風(fēng)電場海域內(nèi)VHF通信系統(tǒng)見圖2，在沿岸或海上升壓站制高點架設(shè)VHF基站，實現(xiàn)對風(fēng)電場區(qū)內(nèi)及周圍內(nèi)船舶的VHF語音調(diào)度。當(dāng)外部船只闖入風(fēng)場預(yù)警區(qū)域，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動遠程喊話，同時支持在后方監(jiān)管中心實現(xiàn)遠程VHF語音呼叫功能。

圖2 風(fēng)電場海域內(nèi)VHF通信系統(tǒng)

2.3 氣象信息采集點

水文氣象相對比較綜合，基礎(chǔ)硬件設(shè)施包括風(fēng)速儀、風(fēng)向儀、溫濕度儀和水位儀等，實時采集風(fēng)電場區(qū)的風(fēng)速、風(fēng)向、能見度、浪高和潮位等信息，并將相關(guān)數(shù)據(jù)傳送至監(jiān)控中心展示。同時，能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)電場未來7 d各小時內(nèi)的氣象預(yù)報，提前規(guī)劃出海工作，保障出海作業(yè)安全。

施工期間，由于海上無可靠電源及通信的固定安裝點，在某一條主要施工船上部署水文氣象系統(tǒng)，如圖3所示，借助微波通信設(shè)備將信息傳輸至海事局主站。

圖3 水文氣象系統(tǒng)

2.4 視頻監(jiān)控站

對重點水域及施工現(xiàn)場、施工關(guān)鍵節(jié)點進行全天候動態(tài)監(jiān)控，實時了解海上作業(yè)進度和環(huán)境狀況。如圖4所示，目前已實現(xiàn)了部分風(fēng)場的視頻信息通過專線接入南通海事監(jiān)管平臺。

圖4 視頻監(jiān)控站

2.5 網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)

如圖5所示，通過微波等無線技術(shù)實現(xiàn)海上視頻和數(shù)據(jù)信息回傳，達到船上人員實時與陸地人員利用手機軟件實時視頻及語音交流的目的。系統(tǒng)可覆蓋海面約60 km距離，達到30 Mb／s的傳輸速率。

圖5 網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)

2.6 人員安全系統(tǒng)

通過北斗終端、人臉識別和定位手環(huán)等方式，對現(xiàn)場所有作業(yè)人員實時動態(tài)信息進行管控，建立圖6所示的施工作業(yè)人員安全監(jiān)控系統(tǒng)，人員一旦落水后，系統(tǒng)立即收到報警，實時跟蹤落水人員位置，給出輔助救援路徑，切實保障出海人員的安全。

圖6 作業(yè)人員安全監(jiān)控系統(tǒng)

3 海上風(fēng)電綜合監(jiān)管平臺

海上風(fēng)電綜合監(jiān)管平臺是集成運用位置感知、氣象監(jiān)測、視頻監(jiān)控、移動互聯(lián)、智能分析等手段，實時掌握風(fēng)電場建設(shè)運維相關(guān)信息及環(huán)境狀況，對風(fēng)電施工船舶、運維船舶實施動態(tài)監(jiān)控預(yù)警以及對施工、運維作業(yè)綜合管控的應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)。包括視頻、VHF、船舶管理、人員管理、信息上報、風(fēng)場安全等。

3.1 功能架構(gòu)

監(jiān)管平臺已搭建圖7所示的8大板塊，分別是首頁、作業(yè)管理、安全統(tǒng)計、人員定位、基礎(chǔ)信息、系統(tǒng)管理、視頻監(jiān)控和監(jiān)控預(yù)警。

圖7 海上風(fēng)電場監(jiān)控平臺板塊

通過監(jiān)控平臺的8大板塊，系統(tǒng)中可清晰展示圖8所示的風(fēng)電場范圍，周圍船只實時位置，并對電子圍欄范圍做了明顯標(biāo)注，可對接近的船只進行預(yù)警，而且可以清晰地查看往來船只的基本信息、運行軌跡等。

圖8 監(jiān)控平臺功能示意圖

系統(tǒng)每日統(tǒng)計出海人員和船舶，用以了解出海情況。為了更好地管理現(xiàn)場，第一時間了解現(xiàn)場情況，系統(tǒng)集成了視頻監(jiān)控功能，同時，作業(yè)管理和基礎(chǔ)信息模塊支持人員、船只錄入與施工作業(yè)申請。

3.2 系統(tǒng)拓撲

圖9是系統(tǒng)鏈路的抽象表達，設(shè)備層面的數(shù)據(jù)通過不同的接入服務(wù)模塊傳輸至系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理層，應(yīng)用則架設(shè)在數(shù)據(jù)處理服務(wù)上。其中，通信主要由HTTP接口進行通信，前后端則根據(jù)情況使用HTTP或Websocket進行傳輸，與外部系統(tǒng)集成。

圖9 系統(tǒng)拓撲

3.3 網(wǎng)絡(luò)傳輸鏈路

為便于視頻等大容量數(shù)據(jù)傳輸，施工期間采用微波通信的傳輸方案。在沿岸制高點架設(shè)微波基站，同時在主要施工船上設(shè)置微波船載站和無線WiFi等設(shè)備，滿足海上通信的要求。

在海面施工船上配置攝像機，借助微波傳輸設(shè)備將視頻傳輸?shù)桨哆吇?。開通岸邊基站至海事局的專線通道，通過硬盤錄像機將船上視頻圖像轉(zhuǎn)發(fā)。

在岸邊基站部署AIS接收基站，通過互聯(lián)網(wǎng)通道傳輸至海事局主站。在岸邊基站部署VHF基站，通過語音網(wǎng)關(guān)注冊到海事局主站。

4 結(jié) 語

通過風(fēng)電場監(jiān)管平臺的搭建，可以掌握風(fēng)電場建設(shè)與運維期間船舶、人員、通航環(huán)境等信息和安全管理資源，實現(xiàn)信息資源的集中存儲、統(tǒng)一管理和統(tǒng)計分析，并按照統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口推送相關(guān)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)風(fēng)電場參建單位、監(jiān)管部門、地方政府之間數(shù)據(jù)共享。

隨著該監(jiān)管平臺的投入使用，將規(guī)范風(fēng)電場運維船舶、施工船舶航行作業(yè)行為，實現(xiàn)船舶、人員、通航環(huán)境等實時監(jiān)控和預(yù)警，有效防范水上交通安全，提升風(fēng)電場建設(shè)單位風(fēng)險管控能力和施工單位的安全作業(yè)水平。