李劍鋒， 余 峰

（1.江蘇云杉清潔能源投資控股有限公司，南京 210004；2.浙江華東工程咨詢有限公司，杭州 310014）

0 引 言

風(fēng)力資源在我國(guó)能源供應(yīng)戰(zhàn)略中的地位日益凸顯，海上風(fēng)電等重大工程的開(kāi)發(fā)建設(shè)正處于快速發(fā)展期［1-2］。由于海上風(fēng)電場(chǎng)區(qū)自然環(huán)境惡劣、天氣狀況復(fù)雜，因此，建設(shè)海上風(fēng)電通航安全自主監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)海上風(fēng)電發(fā)展意義深遠(yuǎn)［3-4］。

目前海上風(fēng)電場(chǎng)的自主監(jiān)控采用傳統(tǒng)方法，且針對(duì)施工期和維護(hù)期使用的自主監(jiān)控方法不盡相同。傳統(tǒng)監(jiān)控方法存在記錄量大、信息同步較慢和分析滯后等諸多問(wèn)題，通過(guò)后續(xù)分析再做出預(yù)警的做法往往已經(jīng)耽誤了工期，甚至已產(chǎn)生較為嚴(yán)重的后果［5-7］。

海上風(fēng)電監(jiān)控分為施工期間海上風(fēng)電現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控和運(yùn)維期間的海上風(fēng)電監(jiān)控兩種情況［8］。施工期間的監(jiān)控主要針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)船舶、人員來(lái)往等，但各班組和人員分工較為明確，通常會(huì)安排人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)程和情況進(jìn)行詳細(xì)記錄，記錄分為日志記錄和視頻記錄兩種。日志記錄主要通過(guò)人工填寫當(dāng)日施工內(nèi)容、氣象信息、進(jìn)場(chǎng)人員信息和使用設(shè)備信息等。視頻記錄是施工人員通過(guò)手機(jī)或者工程相機(jī)，在施工現(xiàn)場(chǎng)收集錄制視頻，視頻內(nèi)容包括進(jìn)場(chǎng)教育學(xué)習(xí)，施工過(guò)程視頻記錄［9-10］。無(wú)論是日志記錄和視頻記錄，都是與人員設(shè)備同時(shí)回到基地或辦公區(qū)域后采用電話及網(wǎng)絡(luò)傳遞給相應(yīng)處理機(jī)構(gòu)或者分析部門。施工期間為保證工程施工安全，在風(fēng)電施工海域均設(shè)置有驅(qū)離船，對(duì)誤入風(fēng)電施工場(chǎng)區(qū)的其他船只進(jìn)行多頻率公用無(wú)線電廣播預(yù)警和船只抵近告知驅(qū)離。

運(yùn)維期間的監(jiān)控主要針對(duì)運(yùn)維期間進(jìn)入風(fēng)電場(chǎng)區(qū)的人員較少，主要工作是對(duì)風(fēng)電設(shè)備運(yùn)行故障進(jìn)行巡查，同時(shí)對(duì)誤入風(fēng)電場(chǎng)管理區(qū)域的外部船只進(jìn)行預(yù)警和驅(qū)離。日常巡查工作中，管理運(yùn)維人員主要根據(jù)實(shí)時(shí)海況及天氣預(yù)報(bào)出海對(duì)風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行定期巡視。往往受天氣和人員組織因素的影響，定時(shí)定期巡視存在時(shí)間不固定的特性。如發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障等問(wèn)題時(shí)，可能該問(wèn)題設(shè)備已經(jīng)故障多時(shí)，并可能出現(xiàn)較為嚴(yán)重的損壞。對(duì)于無(wú)意闖入場(chǎng)區(qū)周邊的船只，只有在巡航監(jiān)測(cè)期間才有機(jī)會(huì)去發(fā)現(xiàn)，驅(qū)離時(shí)也是需要巡護(hù)人員通過(guò)無(wú)線電進(jìn)行告知和抵近驅(qū)離。

對(duì)于上述兩種監(jiān)測(cè)情景，人工記錄信息時(shí)存在施工人員遺漏、信息錯(cuò)填和漏填等問(wèn)題，給后方管理部門帶來(lái)一定信息處理和分析難度［11］。海況信息收集過(guò)程中需要成立專業(yè)小組手持儀器，人為測(cè)量記錄和反饋，記錄過(guò)程同樣存在錯(cuò)記和漏記等問(wèn)題，海邊天氣變換頻率較快，人工測(cè)量的效率也較難滿足實(shí)時(shí)氣象監(jiān)控的需求，人力成本和設(shè)備成本投入較高，反饋時(shí)效和經(jīng)濟(jì)性不能滿足現(xiàn)場(chǎng)要求［12-14］?，F(xiàn)場(chǎng)視頻記錄的施工人員，通過(guò)手機(jī)或者工程相機(jī)在施工現(xiàn)場(chǎng)或者檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)收集錄制視頻現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)傳遞視頻難度大。海面范圍商用移動(dòng)終端信號(hào)較弱，通過(guò)商用移動(dòng)終端信號(hào)傳遞信息難度極大，待船舶行駛回到岸邊電話溝通和網(wǎng)絡(luò)傳遞采集視頻存在信息延時(shí)性高的問(wèn)題，在能見(jiàn)度差的情況下，施工和運(yùn)維配備的巡護(hù)驅(qū)離船只也無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)誤入風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域的船只［15-16］。后方管理人員根據(jù)傳遞的信息做出響應(yīng)，再安排運(yùn)維監(jiān)控人員對(duì)公共區(qū)域做出預(yù)警的時(shí)效性已經(jīng)喪失。

基于以上不足，提出一種保證海上風(fēng)電運(yùn)維期間通航安全的自主監(jiān)控集成系統(tǒng)。通過(guò)該系統(tǒng)綜合控制和解決上述記錄量大、信息同步較慢、分析滯后等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)統(tǒng)一運(yùn)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。

1 系統(tǒng)總體布局

海上風(fēng)電通航安全自主監(jiān)控系統(tǒng)由硬件部分和軟件部分組成。海上風(fēng)電通航安全自主監(jiān)控系統(tǒng)按照《南通海上風(fēng)電通航安全自主監(jiān)控系統(tǒng)配套基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)技術(shù)指南》硬件部分分為監(jiān)測(cè)硬件設(shè)施、氣象硬件設(shè)施和其他硬件設(shè)施三大類。監(jiān)測(cè)硬件設(shè)施主要包括AIS、VHF硬件，水文氣象硬件設(shè)施包括風(fēng)速儀、風(fēng)向儀、溫濕度、壓力、能見(jiàn)度、波高和水流儀等，其他硬件設(shè)施主要包括視頻采集和網(wǎng)絡(luò)傳輸硬件。軟件部分主要依托微軟架構(gòu)創(chuàng)建適用于監(jiān)控及展示集成的軟件開(kāi)發(fā)。海上風(fēng)電通航安全自主監(jiān)控系統(tǒng)是集成船舶運(yùn)用位置感知、海上風(fēng)電范圍氣象監(jiān)測(cè)、場(chǎng)區(qū)視頻監(jiān)控、多數(shù)據(jù)傳輸移動(dòng)互聯(lián)和監(jiān)控平臺(tái)智能分析等手段，實(shí)時(shí)掌握風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)運(yùn)維相關(guān)信息及環(huán)境狀況，對(duì)風(fēng)電施工船舶、運(yùn)維船舶實(shí)施動(dòng)態(tài)監(jiān)控預(yù)警以及對(duì)施工、運(yùn)維作業(yè)綜合管控的應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)。

海上風(fēng)電通航安全自主監(jiān)控系統(tǒng)從功能實(shí)施角度由多個(gè)子系統(tǒng)組成。海上風(fēng)電通航安全自主監(jiān)控系統(tǒng)包含船舶運(yùn)動(dòng)位置感知監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，出海管理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)移動(dòng)互聯(lián)與同步傳輸系統(tǒng)四大子系統(tǒng)。船舶運(yùn)動(dòng)位置感知監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要用于監(jiān)控區(qū)域及周邊監(jiān)測(cè)覆蓋范圍內(nèi)船舶的運(yùn)動(dòng)軌跡監(jiān)控記錄及驅(qū)離預(yù)警信息警示傳達(dá)。氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要用于場(chǎng)區(qū)監(jiān)控區(qū)域及覆蓋范圍內(nèi)實(shí)時(shí)檢測(cè)氣象（包含臺(tái)風(fēng)預(yù)警）、水文等信息的實(shí)時(shí)檢測(cè)。出海管理系統(tǒng)將記錄和顯示實(shí)時(shí)設(shè)備的使用及進(jìn)入場(chǎng)區(qū)人員的實(shí)時(shí)位置情況。數(shù)據(jù)移動(dòng)互聯(lián)與同步傳輸系統(tǒng)主要滿足各個(gè)子系統(tǒng)及子系統(tǒng)組成模塊之間；檢測(cè)管理各環(huán)節(jié)單位、部門之間數(shù)據(jù)傳輸與共享。

2 子系統(tǒng)功能模塊

2.1 船舶運(yùn)動(dòng)位置感知監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

船舶運(yùn)動(dòng)位置感知監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包含內(nèi)部船舶視頻收集模塊、內(nèi)外部船舶識(shí)別及運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)模塊、船舶預(yù)警監(jiān)控模塊。其中內(nèi)部船舶視頻收集模塊，在內(nèi)部船只安裝有攝像裝置，用于風(fēng)電場(chǎng)施工環(huán)境圖像的采集。內(nèi)外部船舶識(shí)別及運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)模塊用于接收、識(shí)別場(chǎng)區(qū)內(nèi)及周圍20 n mile范圍的船舶AIS信息經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)解析能識(shí)別船只行駛角度速度等一系列數(shù)據(jù)。通過(guò)持續(xù)解析實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的船舶動(dòng)態(tài)位置跟蹤記錄。船舶預(yù)警監(jiān)控模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域管理，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)管理范圍劃分電子圍欄，并通過(guò)海事局官方網(wǎng)站對(duì)范圍進(jìn)行公示，系統(tǒng)通過(guò)連接海事局系統(tǒng)可以清晰地查看船只的基本信息并對(duì)對(duì)靠近船只通過(guò)海事系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警信息，同時(shí)監(jiān)控記錄船只停留時(shí)間運(yùn)動(dòng)軌跡直至船只離開(kāi)電子圍欄監(jiān)控區(qū)域。后方管理中心接收到船舶誤闖預(yù)警后，顯示大屏能顯示海事局傳遞的船舶信息及GPS位置信息。對(duì)于船舶位置感知信息的儲(chǔ)存，實(shí)時(shí)監(jiān)控管理數(shù)據(jù)系統(tǒng)默認(rèn)記錄最近1個(gè)月的數(shù)據(jù)，最長(zhǎng)支持3個(gè)月數(shù)據(jù)儲(chǔ)存查詢。船舶AIS信息解讀軟件界面如圖1所示，展示了系統(tǒng)中風(fēng)電場(chǎng)電子圍欄的范圍，詳細(xì)顯示了闖入船只的實(shí)時(shí)位置，AIS信息。系統(tǒng)中可以清晰地查看船只的船舶信息，以及運(yùn)行軌跡等。

船舶運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)軟件界面如圖2所示，軟件界面上能顯示周圍船只的實(shí)時(shí)位置，并對(duì)電子圍欄的范圍做了明顯的標(biāo)注，可對(duì)接近的船只進(jìn)行預(yù)警，系統(tǒng)中可以清晰查看船只的航向、航速等信息。

2.2 氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括水文氣象檢測(cè)記錄模塊、臺(tái)風(fēng)預(yù)警監(jiān)測(cè)模塊。水文氣象檢測(cè)記錄模塊由風(fēng)速風(fēng)向儀、能見(jiàn)度儀、浪高波高儀和流速監(jiān)測(cè)儀一系列檢測(cè)設(shè)備組成。其中風(fēng)速風(fēng)向儀用于測(cè)量記錄風(fēng)速、風(fēng)向信息，能見(jiàn)度儀用于測(cè)量記錄實(shí)時(shí)能見(jiàn)度信息，浪高波高儀用于測(cè)量記錄實(shí)時(shí)波浪高度信息，流速監(jiān)測(cè)儀用于測(cè)量記錄水流流速信息。臺(tái)風(fēng)預(yù)警模塊能實(shí)時(shí)從中國(guó)氣象臺(tái)風(fēng)信息平臺(tái)獲取臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù)，并保持?jǐn)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)同步，在風(fēng)電廠電子圍欄范圍計(jì)算48 h臺(tái)風(fēng)警戒線，當(dāng)臺(tái)風(fēng)進(jìn)入警戒范圍時(shí)，啟動(dòng)臺(tái)風(fēng)預(yù)警。水文氣象信息軟件界面如圖3所示。能查看即時(shí)采集的風(fēng)速、波高、能見(jiàn)度和流速信息。

圖4所示為臺(tái)風(fēng)列表，其中能查看臺(tái)風(fēng)中文名稱、英文名稱、臺(tái)風(fēng)級(jí)別、臺(tái)風(fēng)編號(hào)、臺(tái)風(fēng)開(kāi)始日期。當(dāng)有實(shí)時(shí)臺(tái)風(fēng)進(jìn)入48 h警戒線時(shí)，臺(tái)風(fēng)圖標(biāo)則會(huì)變?yōu)榧t色，并向場(chǎng)內(nèi)監(jiān)管人員提示“臺(tái)風(fēng)來(lái)襲”預(yù)警。

2.3 出海管理系統(tǒng)

出海管理分為實(shí)時(shí)出海人員統(tǒng)計(jì)和實(shí)時(shí)船舶統(tǒng)計(jì)2個(gè)模塊。支持人工主動(dòng)上傳記錄當(dāng)前日期的出海船舶、出海人員信息，并在后方系統(tǒng)及管理大屏顯示相關(guān)信息。人員安全出海設(shè)備類型有：RFID手環(huán)、RFID定位基站、救生網(wǎng)關(guān)和北斗指揮機(jī)等，并為每位現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)檢管理人員配置具有信息定位的安全帽及穿戴設(shè)備。設(shè)備信息與人員信息建立物理綁定。每日出勤時(shí)人員穿戴定位模塊的安全帽及設(shè)備進(jìn)入施工現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，通過(guò)登船自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備識(shí)別記錄。實(shí)時(shí)船舶為內(nèi)部施工船舶和運(yùn)檢船舶，有出海需求時(shí)，在系統(tǒng)中申請(qǐng)出海計(jì)劃，并填寫出海記錄表記錄船只及登船人員信息。系統(tǒng)后續(xù)將相關(guān)信息提交管理部門審批備案。人員信息管理軟件界面如圖5所示，在人員佩戴設(shè)備在檢測(cè)區(qū)域活動(dòng)時(shí)，界面能查看人員信息，人員位置。

2.4 數(shù)據(jù)移動(dòng)互聯(lián)與同步傳輸系統(tǒng)優(yōu)化

數(shù)據(jù)移動(dòng)互聯(lián)與同步傳輸系統(tǒng)包括網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊、視頻傳輸模塊、AIS模塊、VHF模塊和水文氣象數(shù)據(jù)傳輸模塊。網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊通過(guò)在海岸沿岸制高點(diǎn)架設(shè)微波基站，同時(shí)在主要施工船上設(shè)置微波船載站和無(wú)線WiFi等設(shè)備，采用微波通信的傳輸方案用于視頻等大容量數(shù)據(jù)傳輸。以滿足海上通信及內(nèi)部船只與岸邊基站的數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?。視頻傳輸模塊通過(guò)在內(nèi)部施工船、監(jiān)測(cè)船上配置攝像機(jī)，借助船載微波傳輸設(shè)備將視頻傳輸?shù)桨哆吇?。岸邊單?dú)設(shè)置有岸邊基站至海事局的專線通道，通過(guò)岸邊基站設(shè)置的硬盤錄像機(jī)通過(guò)海事局專線通道將船上視頻圖像轉(zhuǎn)發(fā)至相關(guān)管理設(shè)備及管理終端頁(yè)面。AIS模塊主要用于收集傳遞船舶AIS信息，通過(guò)部署在岸邊的AIS接收基站收集進(jìn)入電子圍欄監(jiān)控范圍的船只AIS信息，并通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)通道傳輸至海事局主站實(shí)施信息收集及預(yù)警等功能。VHF模塊通過(guò)在岸邊基站部署VHF基站，利用本地語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)注冊(cè)到海事局主站。水文氣象數(shù)據(jù)傳輸模塊通過(guò)主要施工船上部署水文氣象系統(tǒng)和船載微波設(shè)備，借助微波通信設(shè)備將信息傳輸海事局主站。

專線傳輸視頻等實(shí)時(shí)信息通過(guò)構(gòu)建物理上的專線鏈路，直接連接至海事局，有效防止外部用戶訪問(wèn)，傳輸數(shù)據(jù)安全性能也能得到很好的保證。風(fēng)電公司在海事局網(wǎng)站注冊(cè)有專項(xiàng)身份認(rèn)證。風(fēng)電公司登錄接口鑒權(quán)，登錄成功后定時(shí)向海事監(jiān)管系統(tǒng)發(fā)送同步口令牌。海事監(jiān)管平臺(tái)按需根據(jù)最新口令牌到風(fēng)電公司平臺(tái)鑒權(quán)，鑒權(quán)通過(guò)后，返回密鑰信息。VHF設(shè)備通過(guò)集群網(wǎng)關(guān)設(shè)備到海事監(jiān)管平臺(tái)注冊(cè)并驗(yàn)權(quán)。所有敏感數(shù)據(jù)均加密后再傳輸，使用RSA非對(duì)稱加密方式。風(fēng)電公司平臺(tái)將數(shù)據(jù)加密后傳送給海事監(jiān)管平臺(tái)，海事監(jiān)管平臺(tái)使用密鑰解密后更新到監(jiān)管平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)或展示給前端頁(yè)面。圖6是各模塊傳輸信息的模型示意圖，通過(guò)連線表達(dá)各個(gè)模塊的數(shù)據(jù)傳輸。

圖7是系統(tǒng)鏈路的抽象表達(dá)，設(shè)備層面的數(shù)據(jù)通過(guò)不同的接入服務(wù)模塊傳輸至系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理層內(nèi)的服務(wù)中，應(yīng)用層則架設(shè)在數(shù)據(jù)處理服務(wù)至上，其中的通信主要由HTTP接口進(jìn)行通信，前后端則根據(jù)情況，使用HTTP或websocket進(jìn)行傳輸，與外部系統(tǒng)集成。

3 結(jié) 語(yǔ)

現(xiàn)階段我國(guó)正進(jìn)入信息化革命時(shí)代，根據(jù)我國(guó)建設(shè)“數(shù)字中國(guó)、網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國(guó)、智慧社會(huì)”的三大目標(biāo)部署，強(qiáng)調(diào)新型工業(yè)化和信息化的融合。智慧能源正是互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和能源經(jīng)濟(jì)的深度融合，最終形成應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)和現(xiàn)代通信技術(shù)對(duì)能源的生產(chǎn)、使用、調(diào)度和效率進(jìn)行優(yōu)化管理的能源綜合管理系統(tǒng)，是當(dāng)前形勢(shì)下能源發(fā)展的必然。

通過(guò)建立一套安全和完善的綜合監(jiān)管系統(tǒng)，在同一數(shù)據(jù)交換平臺(tái)上進(jìn)行海上風(fēng)電場(chǎng)各類安全監(jiān)管數(shù)據(jù)的無(wú)障礙整合，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)“統(tǒng)一運(yùn)行監(jiān)控、統(tǒng)一調(diào)度指揮、統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理和統(tǒng)一通航狀態(tài)監(jiān)控”，以達(dá)成最優(yōu)管控模式，真正建立并實(shí)現(xiàn)南通市海上風(fēng)電場(chǎng)數(shù)字化監(jiān)管平臺(tái)，為全國(guó)海上風(fēng)電場(chǎng)長(zhǎng)安全監(jiān)管起到示范和引領(lǐng)作用。