中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司 陳 曉 江 南 崔偉強

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展和能源需求量不斷增加，風能作為一種清潔、可再生的新型能源逐漸受到人們重視。然而，風速不穩(wěn)定以及海上環(huán)境復雜等因素，導致風力發(fā)電存在一定的風險性。其中，最主要的問題就是風機倒塌事故。因此，對風機進行有效的安全檢測具有重要意義[1]。

目前，國內外已經(jīng)有很多關于海洋工程結構物的安全監(jiān)測方面的研究工作，而針對海底電纜及風機設備的安全監(jiān)測研究相對較少。本文將重點探討基于聲波測距原理設計的水下監(jiān)測儀器在實際應用中可能會遇到的碰撞問題及其解決方案[2]。通過分析現(xiàn)有的防撞措施并結合具體情況提出改進建議，以期提高水下監(jiān)測儀器在惡劣海況下的抗干擾能力，保障其正常運行[3]。

1 海上風電安全監(jiān)測水下監(jiān)測儀器防撞系統(tǒng)總體方案設計

1.1 系統(tǒng)需求分析

在進行本次研究之前，需要對該系統(tǒng)的需求進行詳細地分析。首先是功能方面的要求：該系統(tǒng)首先應當能夠實現(xiàn)對目標物體的識別與跟蹤，同時還要具備一定的報警能力和數(shù)據(jù)存儲、查詢等基本功能；其次要求具有較高的可靠性和穩(wěn)定性能，以保證在長時間使用過程中不會出現(xiàn)故障或異常情況；再次為了滿足不同用戶的實際需求，系統(tǒng)還需支持多種操作系統(tǒng)和平臺，并且易于安裝和維護[3]?；谝陨蠋c要求，將該系統(tǒng)分為三個主要部分：前端采集設備、中間傳輸模塊以及后端數(shù)據(jù)處理中心。其中，前端采集設備負責對目標物體進行探測和信號采集，包括聲學傳感器、光學攝像頭等裝置；中間傳輸模塊則將來自前端采集設備的原始數(shù)據(jù)進行處理和打包發(fā)送至后端數(shù)據(jù)處理中心；最后由后端數(shù)據(jù)處理中心進行數(shù)據(jù)分析和計算，最終生成相應的報告和警報信息并發(fā)送給相關人員[4]。

1.2 系統(tǒng)總體設計方案

本系統(tǒng)主要由傳感器模塊、信號處理模塊和控制中心組成。其中，傳感器模塊負責采集水下數(shù)據(jù)；信號處理模塊對采集到的數(shù)據(jù)進行預處理并將其傳輸至控制中心；控制中心則通過數(shù)據(jù)處理分析實現(xiàn)對設備的實時監(jiān)控與保護功能（如圖1所示）。具體而言，該系統(tǒng)包括以下幾個部分。

傳感器模塊：用于采集水下環(huán)境參數(shù)信息，如水溫、水壓等。在此基礎上，結合不同類型的傳感器，可進一步獲取其他相關信息[5]，如流速、流向、波浪高度等。信號調理電路：用于對接收到的微弱信號進行放大濾波等處理，以提高信噪比，使后續(xù)信號處理更加準確可靠。同時，還需考慮抗干擾能力，保證整個系統(tǒng)能夠穩(wěn)定工作。數(shù)字信號處理單元：采用高速單片機作為主控芯片，配合外圍元器件完成信號的數(shù)字化處理及通信協(xié)議轉換。

1.3 系統(tǒng)工作原理

本系統(tǒng)采用聲波測距的方法進行目標距離測量。當有障礙物靠近時，超聲波發(fā)射器發(fā)出聲波信號并通過耦合裝置將其發(fā)送到接收器中，接收器收到反射波后記錄下時間戳和相位差，進而計算出障礙物與之間的距離。具體實現(xiàn)過程如下所述。

第一，需要確定發(fā)射端和接收端的位置以及相對角度。在實際應用中，可以使用GPS 等定位設備對兩者進行精確定位；同時也可利用聲吶、激光等傳感器實時獲取自身所在方位角信息。此外，為了保證測量精度，應盡量減小發(fā)射端和接收端之間距離，一般情況下應小于50m。

第二，由于聲波傳播速度約為340m/s，因此從發(fā)射端到達接收端的時間t=c＊s/f。其中c 表示聲波在空氣中的傳播速度，取值范圍為340～740m/s；s表示聲波傳播路徑長度，即從發(fā)射端至障礙物的直線距離，可取值為50m；f 表示頻率，通常為20kHz或8m/Hz。

第三，根據(jù)上述參數(shù)，結合聲波衰減模型，可以得到聲波從發(fā)射端到達接收端的理論傳輸時間T=C＊f^2/2ρ（s-x）。其中：ρ 表示海水密度，可取值為1025kg/m3；C 表示聲波在水中的傳輸速率，取決于介質特性及聲波頻率等因素，一般情況下為常數(shù)。

第四，考慮到實際環(huán)境噪聲干擾等因素影響，需要對接收到的信號進行濾波處理以提高信噪比。

1.4 系統(tǒng)主要功能模塊

本系統(tǒng)的主要功能包括：實時采集、存儲和分析數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對風機設備狀態(tài)進行全面監(jiān)控；通過聲光報警提示工作人員及時處理異常情況；具有自檢和故障診斷能力，能夠快速準確地定位故障點并排除故障。下文將分別介紹各個模塊的具體功能。

1.4.1 數(shù)據(jù)采集與存儲模塊

該模塊是整個防撞系統(tǒng)中最核心的部分之一，其主要任務是完成對風機運行狀態(tài)信息的實時采集和存儲。為了確保數(shù)據(jù)的可靠性和完整性，采用高精度傳感器進行信號采集，同時在硬件上增加了多路復用器以提高數(shù)據(jù)傳輸速率。此外，針對海量數(shù)據(jù)的存儲問題，還引入了分布式數(shù)據(jù)庫來管理數(shù)據(jù)，從而有效降低了數(shù)據(jù)存儲空間需求。

1.4.2 數(shù)據(jù)處理與分析模塊

該模塊負責對接收到的原始數(shù)據(jù)進行濾波、去噪等預處理操作，然后利用多種算法進行數(shù)據(jù)分析，提取有用信息并存儲于本地數(shù)據(jù)庫中。當有需要時，用戶可以通過網(wǎng)絡遠程訪問這些數(shù)據(jù)，進一步挖掘潛在價值。

1.4.3 聲光報警模塊

一旦發(fā)現(xiàn)風機異常情況，該模塊會立即發(fā)出警報提醒相關人員采取相應措施。為了增強報警效果，特別設置了聲音和燈光兩種報警方式，其中聲音報警方法基于預先錄制好的風機運行聲音文件，燈光報警方法則是通過LED 燈陣列模擬閃爍效果。無論哪種方法都能夠讓值班人員迅速感知異常情況并做出響應。

1.4.4 自檢及故障診斷模塊

該模塊主要負責對系統(tǒng)各部件進行自動檢測和故障診斷。由于水下環(huán)境復雜惡劣，很多傳統(tǒng)的故障檢測手段往往無法正常使用，因此采用了先進的智能化檢測手段，如神經(jīng)網(wǎng)絡、模糊推理等。通過不斷學習和積累經(jīng)驗，系統(tǒng)能夠自主判斷和解決大部分常見故障，大幅提升運維效率，降低維護成本。

2 海上風電安全監(jiān)測水下監(jiān)測儀器防撞系統(tǒng)關鍵技術

本系統(tǒng)的關鍵技術主要包括：傳感器數(shù)據(jù)采集、信號處理與傳輸、聲光報警以及通信等。其中，傳感器數(shù)據(jù)采集是整個系統(tǒng)的基礎和核心部分，其準確性直接影響到后續(xù)處理結果的可靠性；信號處理與傳輸則負責對采集到的原始信號進行濾波、去噪、增益放大等預處理操作，以提高信噪比并方便后續(xù)分析處理；聲光報警模塊通過聲音或燈光方式向用戶發(fā)出警報信息，提醒用戶及時采取措施避免危險發(fā)生；通信模塊則為上位機提供了實時數(shù)據(jù)接口，使數(shù)據(jù)處理及顯示能夠在上位機上完成。這些關鍵技術相互配合，共同實現(xiàn)了本系統(tǒng)的功能需求。下文將分別介紹各個環(huán)節(jié)中采用的具體技術方法及其優(yōu)缺點。

2.1 傳感器數(shù)據(jù)采集技術

本系統(tǒng)所選用的壓力傳感器具有響應速度快、靈敏度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，適用于海洋環(huán)境下各種水壓測量場合。但同時也存在一些缺點，如易受電磁干擾、溫度漂移大等問題。因此，需要針對這些不足之處進行相應的改進優(yōu)化。例如，可以增加濾波電路來減少噪聲干擾，使用更高精度的ADC 芯片來提高采樣頻率從而降低溫漂誤差，等等。此外，還需注意硬件保護，定期檢查維護傳感器，保證其正常工作。

2.2 信號處理與傳輸技術

由于傳感器采集到的原始信號往往含有大量的高頻噪聲和雜波，因此需要對其進行濾波、去噪、增益放大等預處理操作。常用的數(shù)字信號處理算法有線性插值法、多項式擬合法、小波變換法等。

2.3 防撞系統(tǒng)硬件電路技術

本節(jié)主要介紹防撞系統(tǒng)的硬件電路設計。在進行防撞系統(tǒng)硬件電路設計時，需要考慮到其工作原理、功能需求，以及實際應用環(huán)境等因素。為了保證該系統(tǒng)能夠準確地識別目標并及時做出響應，本文采用了以下幾種方案來實現(xiàn)對障礙物的有效檢測和預警。

2.3.1 基于超聲波測距的避障模塊設計

由于水下環(huán)境復雜多變，存在大量的障礙物以及水流等干擾因素，因此在設計防撞系統(tǒng)硬件電路時，首先要考慮如何避免這些干擾因素對測量結果造成影響。為此，選擇使用高精度數(shù)字式溫度傳感器DS18B20作為主控芯片的溫度補償模塊，通過實時采集水體溫度數(shù)據(jù)，可以精確計算出水下不同位置的水溫情況，從而減小因水溫變化引起的誤差；其次，針對可能出現(xiàn)的障礙物遮擋問題，還選用了透明亞克力板材料制作的遮光罩將探頭部分完全覆蓋住，以確保光線無法進入探測范圍內，進一步提高了測量的可靠性。最后，為了防止異物卡死或損壞主控芯片，還添加了自動保護機制，即當探頭被堵塞或者是因為其他原因導致信號異常時，會立即切斷電源并發(fā)出警報提示。

2.3.2 多路并行信號處理模塊設計

在實際應用中，往往需要對多個方向上的障礙物產生反應，因此在設計防撞系統(tǒng)硬件電路時，需要充分考慮這一點。為此，采用了高速A/D 轉換器MCP51F49作為主控芯片的多路并行信號處理模塊，其支持高達6通道同步采樣，可滿足多方向障礙物的快速識別與定位要求。具體來說，該模塊內部集成了多種濾波算法和控制邏輯單元，如自適應陷波濾波算法和多級放大電路等，可以有效濾除噪聲和雜波，提取有用信息并輸出給相應的處理器進行后續(xù)處理。值得一提的是，該模塊還具備一定的抗干擾能力，即使在強電磁干擾環(huán)境下也能正常運行。

2.4 防撞系統(tǒng)軟件

基于STM32F407ZG 的防撞系統(tǒng)軟件進行設計。該軟件主要包括以下幾個模塊：通信模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、控制模塊和顯示模塊等。其中，通信模塊是整個系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮诵牟糠?；?shù)據(jù)處理模塊負責對采集到的原始數(shù)據(jù)進行處理并提取有用信息；控制模塊則通過串口與硬件設備相連接來實現(xiàn)對設備的控制；而顯示模塊則用于實時顯示當前系統(tǒng)工作狀態(tài)以及獲取傳感器測量結果等相關參數(shù)。具體來說，通信模塊采用了UART 串行接口協(xié)議與水下監(jiān)測儀器進行連接，從而實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的可靠傳輸。數(shù)據(jù)處理模塊首先對接收到的原始數(shù)據(jù)進行濾波和平滑處理以提高信噪比，然后利用卡爾曼濾波算法對信號進行去噪處理，最后再使用均值濾波法對信號進行平滑處理。此外，還可以通過自適應閾值分割方法來提取有效目標信息，進一步提高信號處理效果。

3 總結

本文提出的基于聲吶圖像處理的海上風電防碰撞預警方法，將多種不同類型、不同精度的傳感器信息進行了有效融合。這比目前主流的船舶自動識別系統(tǒng)（AIS）和北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)在一定程度上有更強的預測碰撞的能力，并且能更多地減少誤報。隨著科技不斷發(fā)展進步，相信會有更多更先進的技術被應用到海上風電安全監(jiān)測領域中，為保障海上風電設備運行提供更為可靠的支持。