趙愛博，奚子惠，朱學(xué)習(xí)

（江蘇省海涂研究中心，南京 210013）

海上風(fēng)電是我國(guó)實(shí)現(xiàn)“30·60”雙碳目標(biāo)的重要技術(shù)手段之一?！笆奈濉逼陂g，全國(guó)海上風(fēng)電總裝機(jī)規(guī)劃超100 GW，我國(guó)將迎來(lái)新的建設(shè)高峰[1-2]。隨著我國(guó)海上風(fēng)電工程的迅速發(fā)展，尤其是2019—2021 年國(guó)內(nèi)“搶裝潮”的大背景下，很多項(xiàng)目加速建設(shè)，施工安全風(fēng)險(xiǎn)倍增，海上風(fēng)電工程的安全施工問(wèn)題日益突出，給安全施工管理帶來(lái)了巨大壓力和挑戰(zhàn)[3-4]。

海上風(fēng)電工程與其他工程項(xiàng)目不同，其各分部、單元工程多在海上作業(yè)，如工程地質(zhì)踏勘、樁基礎(chǔ)施工、海上升壓站施工和海纜敷設(shè)等[5]。海上工程施工具有作業(yè)海域范圍大、施工技術(shù)復(fù)雜、裝配精度要求高和有效施工窗口期短等特點(diǎn)，施工過(guò)程中受浮冰、潮汐、風(fēng)、浪和流等因素影響較大，潛在安全風(fēng)險(xiǎn)因素較多[6-7]。

針對(duì)海上風(fēng)電工程建設(shè)存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)出海上風(fēng)電工程施工氣象實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警大數(shù)據(jù)平臺(tái)，為海上風(fēng)電工程建設(shè)、運(yùn)維階段提供針對(duì)性、集約式、一體化的海洋氣象環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警信息，實(shí)現(xiàn)海洋氣象環(huán)境數(shù)據(jù)、船舶數(shù)據(jù)、人員數(shù)據(jù)和施工氣象四位一體的高效結(jié)合及數(shù)據(jù)可視化，為確保海上風(fēng)電工程施工生產(chǎn)安全、提高建設(shè)效率和降低運(yùn)維成本提供有效保障[8-10]。

1 建設(shè)目標(biāo)

海上風(fēng)電工程施工氣象實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警大數(shù)據(jù)平臺(tái)主要包括海上氣象數(shù)據(jù)在線監(jiān)測(cè)和施工區(qū)域人員信息統(tǒng)計(jì)、各類重要天氣、施工指數(shù)和項(xiàng)目進(jìn)展等信息可視化展示，施工單位可以根據(jù)中長(zhǎng)期氣候預(yù)測(cè)和歷史數(shù)據(jù)，制訂施工計(jì)劃，降低天氣對(duì)施工進(jìn)度的影響；根據(jù)短期預(yù)報(bào)信息，制定調(diào)整施工工序，提升施工質(zhì)量，降低施工成本，全面掌握項(xiàng)目的氣象風(fēng)險(xiǎn)，及時(shí)根據(jù)相關(guān)信息采取措施，減少損失。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

海上風(fēng)電工程施工氣象實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警大數(shù)據(jù)平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示，系統(tǒng)數(shù)據(jù)來(lái)源包含觀測(cè)設(shè)備/站點(diǎn)、外部數(shù)據(jù)資源、業(yè)務(wù)值班人員等，即所需數(shù)據(jù)的源頭。數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)進(jìn)入大數(shù)據(jù)平臺(tái)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)中臺(tái)對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理整合，轉(zhuǎn)換為服務(wù)層可使用的數(shù)據(jù)。服務(wù)層對(duì)用戶系統(tǒng)提供各種服務(wù)，并對(duì)外提供API 接口。展示層包含PC 端大屏、手機(jī)APP 端。

圖1 海上風(fēng)電工程施工氣象實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警大數(shù)據(jù)平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)功能

針對(duì)傳統(tǒng)海上風(fēng)電工程施工監(jiān)測(cè)成果管理與上報(bào)形式的局限性，融合氣象大數(shù)據(jù)，為實(shí)現(xiàn)集約化管理、優(yōu)化資源配置和業(yè)務(wù)流程，促進(jìn)業(yè)務(wù)現(xiàn)代化與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)化發(fā)展，提升管理部門的決策能力，開發(fā)了海上風(fēng)電工程施工氣象實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警大數(shù)據(jù)平臺(tái)。

本平臺(tái)基于機(jī)器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)手段，依托數(shù)字化管理、數(shù)據(jù)可視化理念，將氣象信息大數(shù)據(jù)與海上風(fēng)電工程施工相結(jié)合，重點(diǎn)考慮海上氣象數(shù)據(jù)和工程業(yè)務(wù)信息的可視化查詢、搜索、計(jì)算及空間分析，生成各監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)間序列分析結(jié)果。能快速有效地分析處理監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)海洋氣象環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警可視化。同時(shí)實(shí)時(shí)預(yù)警信息也能及時(shí)推送至APP 端，實(shí)現(xiàn)海上風(fēng)電工程施工監(jiān)測(cè)信息化的動(dòng)態(tài)指揮與監(jiān)控。

3.1 海上風(fēng)電工程施工基礎(chǔ)信息可視化統(tǒng)計(jì)分析

綜合氣象信息數(shù)據(jù)、地理信息數(shù)據(jù)、施工數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)信息，進(jìn)行一系列的統(tǒng)計(jì)分析可視化展示，有助于管理人員多維度掌握施工全貌，有效提升施工風(fēng)險(xiǎn)管控信息化能力。幫助項(xiàng)目人員及時(shí)了解氣象環(huán)境變化、關(guān)注人員安全狀態(tài)、評(píng)定施工地點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)，從而高效進(jìn)行施工決策，動(dòng)態(tài)管理項(xiàng)目進(jìn)度。

3.1.1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可視化展示模塊

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可視化展示模塊能夠?qū)⑺斜O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，如氣象信息數(shù)據(jù)、地理信息數(shù)據(jù)、項(xiàng)目相關(guān)數(shù)據(jù)等，以對(duì)應(yīng)的表格或圖表形式在海上風(fēng)電工程施工氣象實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警大數(shù)據(jù)平臺(tái)中直觀展示。

1）氣象信息。針對(duì)海上風(fēng)電工程施工區(qū)域定制氣象可視化服務(wù)，提供施工作業(yè)點(diǎn)的氣象實(shí)況和預(yù)報(bào)信息。天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)、衛(wèi)星數(shù)據(jù)、臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù)、未來(lái)10 天的風(fēng)速風(fēng)向預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)、海浪數(shù)據(jù)、能見度數(shù)據(jù)、沿海區(qū)域的氣象及海洋歷史數(shù)據(jù)均能在監(jiān)測(cè)預(yù)警大數(shù)據(jù)平臺(tái)進(jìn)行展示。

針對(duì)海上風(fēng)電工程施工區(qū)域精細(xì)化氣象的可視化服務(wù)，主要包括：①海浪預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的資源整合。收集官方海浪預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)和產(chǎn)品，進(jìn)行解碼譯碼、質(zhì)量控制、加工處理。②精細(xì)化海洋預(yù)報(bào)。提供精細(xì)化海洋預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，包含平均波向、風(fēng)向、風(fēng)速、有效波高和平均波周期等要素。③未來(lái)7 天精細(xì)化預(yù)報(bào)。包含氣溫、氣壓、相對(duì)濕度、降水量、風(fēng)向和風(fēng)速等要素，預(yù)報(bào)時(shí)效分為逐3 小時(shí)、逐6小時(shí)（最細(xì)可達(dá)逐小時(shí)）。

2）施工項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)信息。基于GIS 展示全國(guó)所有項(xiàng)目的施工情況，為決策管理者提供整體視角上的管控能力。該模塊主要分為實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)展示功能與歷史統(tǒng)計(jì)展示功能，實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)展示功能展示當(dāng)前項(xiàng)目總數(shù)、項(xiàng)目施工區(qū)域分布情況、施工人員總體情況等信息；歷史統(tǒng)計(jì)展示功能展示總風(fēng)場(chǎng)數(shù)量、發(fā)電量等。

3.1.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)報(bào)預(yù)警模塊

基于大數(shù)據(jù)分析的預(yù)警機(jī)制及主動(dòng)信息上報(bào)反饋機(jī)制，全方位實(shí)現(xiàn)集約化、信息化、智能化的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)報(bào)預(yù)警功能，能夠?qū)Ｉ巷L(fēng)電工程施工的各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)警展示。主要模塊包括氣象信息閾值預(yù)警、項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)預(yù)警、施工人員監(jiān)測(cè)預(yù)警3 個(gè)方面。

1）氣象信息閾值預(yù)警。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)施工區(qū)域氣象信息，將相應(yīng)點(diǎn)位數(shù)據(jù)與該監(jiān)測(cè)點(diǎn)所設(shè)定的預(yù)警閾值進(jìn)行比較，如果該監(jiān)測(cè)點(diǎn)有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超過(guò)預(yù)警閾值，系統(tǒng)就會(huì)將該監(jiān)測(cè)點(diǎn)超過(guò)預(yù)警閾值的各期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以表格形式顯示在系統(tǒng)界面上，并重點(diǎn)提示該監(jiān)測(cè)點(diǎn)已經(jīng)報(bào)警；如果該監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)未超過(guò)預(yù)警閾值，系統(tǒng)也會(huì)提醒用戶該監(jiān)測(cè)點(diǎn)位暫時(shí)安全。界面如圖2 所示。

圖2 海上風(fēng)電工程施工氣象預(yù)警列表

海上風(fēng)電工程施工作業(yè)受海浪及大風(fēng)等天氣因素影響，需要依賴海洋氣象預(yù)報(bào)計(jì)劃安排施工窗口，并針對(duì)性地發(fā)布告警、預(yù)警。需要提供精細(xì)化海洋氣象預(yù)報(bào)預(yù)警信息，主要包括：海上風(fēng)電工程施工區(qū)域概況及周邊未來(lái)12 h 有效波高、10 m 風(fēng)速逐小時(shí)預(yù)報(bào)結(jié)果，并依據(jù)預(yù)報(bào)結(jié)果結(jié)合施工作業(yè)船舶等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)生成施工建議，為相關(guān)人員海上作業(yè)安排提供清晰明了的參考；提供未來(lái)7 天逐小時(shí)多要素海洋氣象預(yù)報(bào)信息，包括10、50、100 m 各層次風(fēng)速、浪高、能見度等。當(dāng)海上風(fēng)電工程施工區(qū)域及周邊海域出現(xiàn)強(qiáng)風(fēng)、大浪等危險(xiǎn)海洋氣象情況時(shí)，及時(shí)發(fā)布預(yù)警，通知建設(shè)船舶及時(shí)返航、施工人員及時(shí)撤離，保障建設(shè)人員施工安全。

2）施工風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)預(yù)警。施工風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)預(yù)警對(duì)管理部門和施工單位具有重要意義。對(duì)于管理部門，可以全面掌握項(xiàng)目的海洋氣象風(fēng)險(xiǎn)情況和歷史風(fēng)險(xiǎn)統(tǒng)計(jì)分析信息，抓住重點(diǎn)，根據(jù)不同氣象預(yù)警級(jí)別對(duì)施工項(xiàng)目進(jìn)行有效監(jiān)控。對(duì)于施工單位，可根據(jù)中長(zhǎng)期海洋氣候預(yù)測(cè)和歷史數(shù)據(jù)來(lái)制訂施工計(jì)劃，降低天氣對(duì)施工進(jìn)度的影響。根據(jù)短期預(yù)報(bào)信息，制定和調(diào)整施工工序，提升施工質(zhì)量，降低施工成本。

本平臺(tái)根據(jù)施工作業(yè)點(diǎn)的天氣情況綜合分析在該作業(yè)點(diǎn)進(jìn)行施工工序的風(fēng)險(xiǎn)情況，對(duì)各施工區(qū)域進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)級(jí)，為施工質(zhì)量和安全管理提供合理化的建議，保障施工安全。通過(guò)系統(tǒng)綜合分析氣象數(shù)據(jù)與海上風(fēng)電工程施工任務(wù)的具體工藝工序要求，得出實(shí)時(shí)施工風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)和風(fēng)險(xiǎn)統(tǒng)計(jì)排行（圖3）。

圖3 工程風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)可視化圖

3）施工人員監(jiān)測(cè)預(yù)警。施工人員監(jiān)測(cè)預(yù)警模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)施工人員的定位與動(dòng)態(tài)管理，將每位員工的信息接入系統(tǒng)，保證施工人員的人身安全（圖4）。

圖4 施工人員監(jiān)測(cè)預(yù)警

3.2 海上風(fēng)電工程施工過(guò)程監(jiān)控

3.2.1 施工進(jìn)度信息

可錄入海上風(fēng)電工程施工工程項(xiàng)目進(jìn)行進(jìn)度管理和工效評(píng)估?；贕IS 展示全國(guó)所有項(xiàng)目的施工情況、施工船只、施工人員的位置及信息。

3.2.2 施工人員整理信息可視化

通過(guò)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)錄入海上風(fēng)電工程施工區(qū)域建設(shè)相關(guān)各單位、組織的施工人員信息，按單位、工作屬性等維度編組管理，施工人員通過(guò)移動(dòng)端APP 在指定船舶、作業(yè)點(diǎn)位置進(jìn)行二維碼掃碼打卡，實(shí)現(xiàn)人員工單數(shù)據(jù)全流程記錄與上報(bào)，實(shí)時(shí)顯示人員所處位置、歷史軌跡。當(dāng)海上風(fēng)電工程施工區(qū)域及周邊海域出現(xiàn)海洋氣象災(zāi)害并發(fā)布預(yù)警時(shí)，監(jiān)測(cè)平臺(tái)顯示整體范圍預(yù)警，并針對(duì)性地推送至各施工人員APP 端，為保障人員安全提供有效手段。

3.3 氣象因素與施工進(jìn)程疊加分析結(jié)果

3.3.1 窗口期

海上風(fēng)電工程建設(shè)內(nèi)容主要包含風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)施工、安裝施工、海纜的敷設(shè)施工及海上升壓站施工等，各項(xiàng)施工內(nèi)容涉及不同種類的船舶和施工設(shè)備。不同施工船舶的穩(wěn)性、浮性及耐波性等性能各有不同，船舶的工作工況、抗風(fēng)能力等也各有差別，因此海上風(fēng)電工程的施工工況與海洋氣候情況密切相關(guān)。影響海上風(fēng)電工程施工的自然因素主要包括雨、霧、雷暴、潮位、海流、強(qiáng)風(fēng)、波浪和臺(tái)風(fēng)等，其中海流和潮位等屬于較為穩(wěn)定的影響因素，其規(guī)律相對(duì)容易掌握；而雷暴、臺(tái)風(fēng)、雨和霧等屬于短期影響因素，可預(yù)報(bào)性也相對(duì)較高；但海上風(fēng)電工程施工最大的影響因素是波浪和強(qiáng)風(fēng)，且強(qiáng)風(fēng)往往伴隨強(qiáng)風(fēng)浪。海上風(fēng)電工程施工受到海洋氣候影響巨大，合理利用施工的窗口期對(duì)于節(jié)約施工成本、提高施工效率、降低施工風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義。

海上風(fēng)電工程施工氣象實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警大數(shù)據(jù)平臺(tái)可根據(jù)預(yù)設(shè)閾值浪高、風(fēng)速等，篩選海上作業(yè)窗口期，利用可視化方法對(duì)窗口期進(jìn)行直觀展示（圖5），方便管理決策，最大化保障出海作業(yè)效率與安全。

圖5 施工窗口期

3.3.2 施工指數(shù)

根據(jù)作業(yè)點(diǎn)位的天氣情況綜合分析各種施工工序指數(shù)，為安排施工計(jì)劃提供數(shù)據(jù)支撐，如圖6 所示。

圖6 施工指數(shù)

4 關(guān)鍵技術(shù)支撐

4.1 高分辨率智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)技術(shù)

依托數(shù)值預(yù)測(cè)、集合預(yù)報(bào)、高分辨率模式的解釋應(yīng)用等氣象現(xiàn)代化技術(shù)成果，利用智能化的大數(shù)據(jù)技術(shù)和云計(jì)算服務(wù)，自主研發(fā)了一套針對(duì)氣象6 要素的高分辨率智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有更高的時(shí)空分辨率、更長(zhǎng)的預(yù)報(bào)時(shí)長(zhǎng)、更穩(wěn)定的計(jì)算條件和更準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)結(jié)果。時(shí)空分辨率更精細(xì)地預(yù)測(cè)網(wǎng)格可以為用戶提供更詳細(xì)、更有針對(duì)性的服務(wù)和產(chǎn)品。

4.2 基于Spring Cloud 微服務(wù)架構(gòu)

本系統(tǒng)采用微服務(wù)架構(gòu)（圖7），更好地利用當(dāng)前多臺(tái)服務(wù)器進(jìn)行分布式部署，提高系統(tǒng)整體穩(wěn)定性和使用效率，減少單點(diǎn)應(yīng)用帶來(lái)的各類問(wèn)題。

圖7 Spring Cloud 關(guān)鍵技術(shù)分布圖

Spring Cloud 是一系列框架的有序集合。其利用Spring Boot 的開發(fā)便利性巧妙地簡(jiǎn)化了分布式系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施的開發(fā)，如服務(wù)發(fā)現(xiàn)配置中心、注冊(cè)、負(fù)載均衡、斷路器、數(shù)據(jù)監(jiān)控和消息總線等，都可用Spring Boot 的開發(fā)風(fēng)格做到一鍵啟動(dòng)和部署，是一套簡(jiǎn)單易懂、易部署、易維護(hù)的分布式系統(tǒng)開發(fā)工具包。

Spring Cloud Netflix 是Netflix 開發(fā)的一套分布式服務(wù)框架的封裝，包括服務(wù)的發(fā)現(xiàn)和注冊(cè)，斷路器、REST客戶端、負(fù)載均衡和請(qǐng)求路由等。

Spring Cloud Eureka 是Netflix 開發(fā)的服務(wù)發(fā)現(xiàn)框架，用于提供服務(wù)的注冊(cè)與發(fā)現(xiàn)，其通過(guò)心跳機(jī)制和全/增量更新來(lái)維護(hù)所有的服務(wù)和客戶端列表，同時(shí)也默認(rèn)提供高可用集群方案。

Spring Cloud OpenFeign 是基于Netflix Feign 實(shí)現(xiàn)的，并且實(shí)現(xiàn)了聲明式的Web 服務(wù)客戶端定義方式，配合Eureka 和Ribbon 可以很方便地實(shí)現(xiàn)客戶端負(fù)載均衡。

Spring Cloud Ribbon 是一個(gè)客戶端負(fù)載均衡器，通過(guò)Eureka 注冊(cè)中心的Application 名稱來(lái)獲取服務(wù)器列表，然后在調(diào)用時(shí)通過(guò)負(fù)載策略來(lái)訪問(wèn)具體的服務(wù)器地址。

Spring Cloud Hystrix 實(shí)現(xiàn)了斷路器模式。斷路器的作用是當(dāng)發(fā)現(xiàn)某一服務(wù)調(diào)用失敗后，告知調(diào)用者該接口失敗，從而避免調(diào)用者服務(wù)資源消耗。

Spring Cloud Config 是分布式統(tǒng)一配置中心解決方案。通過(guò)自動(dòng)化運(yùn)維及統(tǒng)一配置中心等概念，能夠讓開發(fā)者更加快速地與運(yùn)維人員合作并保證發(fā)布的流程環(huán)境切換的便利性。

Spring Cloud Zuul 是一套邊緣服務(wù)，其能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)路由、監(jiān)控、負(fù)載和流量管理等功能。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，Zuul 就是服務(wù)應(yīng)用端的一套負(fù)載均衡器，由一個(gè)核心ZuulServlet和一系列的過(guò)濾器組成。

Spring Cloud Bus 是分布式消息隊(duì)列，管理和傳播所有分布式項(xiàng)目中的消息，本質(zhì)是利用了MQ 的廣播機(jī)制在分布式的系統(tǒng)中傳播消息，目前常用的有Kafka 和RabbitMQ。

Spring Cloud Security 用于構(gòu)建安全的應(yīng)用程序和服務(wù)，操作簡(jiǎn)便。在Spring Boot 和Spring Security OAuth2 的基礎(chǔ)上，可以快速創(chuàng)建實(shí)現(xiàn)常見模式的系統(tǒng)，如單點(diǎn)登錄，令牌中繼和令牌交換。

5 結(jié)論

通過(guò)海上風(fēng)電工程施工氣象實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警大數(shù)據(jù)平臺(tái)加強(qiáng)了海上風(fēng)電工程施工項(xiàng)目建設(shè)的事前、事中、事后的監(jiān)管，實(shí)現(xiàn)海洋氣象環(huán)境數(shù)據(jù)、船舶數(shù)據(jù)、人員數(shù)據(jù)和施工氣象四位一體的高效結(jié)合及數(shù)據(jù)可視化，有效支持了海上風(fēng)電工程的高效監(jiān)控和安全運(yùn)行。