海上风电通航安全自主监控系统及应用

李剑锋， 余 峰

（1.江苏云杉清洁能源投资控股有限公司，南京 210004；2.浙江华东工程咨询有限公司，杭州 310014）

0 引 言

风力资源在我国能源供应战略中的地位日益凸显，海上风电等重大工程的开发建设正处于快速发展期［1-2］。由于海上风电场区自然环境恶劣、天气状况复杂，因此，建设海上风电通航安全自主监控系统对海上风电发展意义深远［3-4］。

目前海上风电场的自主监控采用传统方法，且针对施工期和维护期使用的自主监控方法不尽相同。传统监控方法存在记录量大、信息同步较慢和分析滞后等诸多问题，通过后续分析再做出预警的做法往往已经耽误了工期，甚至已产生较为严重的后果［5-7］。

海上风电监控分为施工期间海上风电现场监控和运维期间的海上风电监控两种情况［8］。施工期间的监控主要针对现场船舶、人员来往等，但各班组和人员分工较为明确，通常会安排人员对现场施工进程和情况进行详细记录，记录分为日志记录和视频记录两种。日志记录主要通过人工填写当日施工内容、气象信息、进场人员信息和使用设备信息等。视频记录是施工人员通过手机或者工程相机，在施工现场收集录制视频，视频内容包括进场教育学习，施工过程视频记录［9-10］。无论是日志记录和视频记录，都是与人员设备同时回到基地或办公区域后采用电话及网络传递给相应处理机构或者分析部门。施工期间为保证工程施工安全，在风电施工海域均设置有驱离船，对误入风电施工场区的其他船只进行多频率公用无线电广播预警和船只抵近告知驱离。

运维期间的监控主要针对运维期间进入风电场区的人员较少，主要工作是对风电设备运行故障进行巡查，同时对误入风电场管理区域的外部船只进行预警和驱离。日常巡查工作中，管理运维人员主要根据实时海况及天气预报出海对风电场进行定期巡视。往往受天气和人员组织因素的影响，定时定期巡视存在时间不固定的特性。如发现设备故障等问题时，可能该问题设备已经故障多时，并可能出现较为严重的损坏。对于无意闯入场区周边的船只，只有在巡航监测期间才有机会去发现，驱离时也是需要巡护人员通过无线电进行告知和抵近驱离。

对于上述两种监测情景，人工记录信息时存在施工人员遗漏、信息错填和漏填等问题，给后方管理部门带来一定信息处理和分析难度［11］。海况信息收集过程中需要成立专业小组手持仪器，人为测量记录和反馈，记录过程同样存在错记和漏记等问题，海边天气变换频率较快，人工测量的效率也较难满足实时气象监控的需求，人力成本和设备成本投入较高，反馈时效和经济性不能满足现场要求［12-14］。现场视频记录的施工人员，通过手机或者工程相机在施工现场或者检测现场收集录制视频现场实时传递视频难度大。海面范围商用移动终端信号较弱，通过商用移动终端信号传递信息难度极大，待船舶行驶回到岸边电话沟通和网络传递采集视频存在信息延时性高的问题，在能见度差的情况下，施工和运维配备的巡护驱离船只也无法及时发现误入风电场区域的船只［15-16］。后方管理人员根据传递的信息做出响应，再安排运维监控人员对公共区域做出预警的时效性已经丧失。

基于以上不足，提出一种保证海上风电运维期间通航安全的自主监控集成系统。通过该系统综合控制和解决上述记录量大、信息同步较慢、分析滞后等问题，实现风电场统一运行监控、统一调度指挥，统一数据管理，统一通航状态监控。

1 系统总体布局

海上风电通航安全自主监控系统由硬件部分和软件部分组成。海上风电通航安全自主监控系统按照《南通海上风电通航安全自主监控系统配套基础设施建设技术指南》硬件部分分为监测硬件设施、气象硬件设施和其他硬件设施三大类。监测硬件设施主要包括AIS、VHF硬件，水文气象硬件设施包括风速仪、风向仪、温湿度、压力、能见度、波高和水流仪等，其他硬件设施主要包括视频采集和网络传输硬件。软件部分主要依托微软架构创建适用于监控及展示集成的软件开发。海上风电通航安全自主监控系统是集成船舶运用位置感知、海上风电范围气象监测、场区视频监控、多数据传输移动互联和监控平台智能分析等手段，实时掌握风电场建设运维相关信息及环境状况，对风电施工船舶、运维船舶实施动态监控预警以及对施工、运维作业综合管控的应用服务系统。

海上风电通航安全自主监控系统从功能实施角度由多个子系统组成。海上风电通航安全自主监控系统包含船舶运动位置感知监测系统，气象监测系统，出海管理系统，数据移动互联与同步传输系统四大子系统。船舶运动位置感知监测系统主要用于监控区域及周边监测覆盖范围内船舶的运动轨迹监控记录及驱离预警信息警示传达。气象监测系统主要用于场区监控区域及覆盖范围内实时检测气象（包含台风预警）、水文等信息的实时检测。出海管理系统将记录和显示实时设备的使用及进入场区人员的实时位置情况。数据移动互联与同步传输系统主要满足各个子系统及子系统组成模块之间；检测管理各环节单位、部门之间数据传输与共享。

2 子系统功能模块

2.1 船舶运动位置感知监测系统

船舶运动位置感知监测系统包含内部船舶视频收集模块、内外部船舶识别及运动监测模块、船舶预警监控模块。其中内部船舶视频收集模块，在内部船只安装有摄像装置，用于风电场施工环境图像的采集。内外部船舶识别及运动监测模块用于接收、识别场区内及周围20 n mile范围的船舶AIS信息经过数据解析能识别船只行驶角度速度等一系列数据。通过持续解析实现对现场的船舶动态位置跟踪记录。船舶预警监控模块，能够实现风电场区域管理，对风电场管理范围划分电子围栏，并通过海事局官方网站对范围进行公示，系统通过连接海事局系统可以清晰地查看船只的基本信息并对对靠近船只通过海事系统发出预警信息，同时监控记录船只停留时间运动轨迹直至船只离开电子围栏监控区域。后方管理中心接收到船舶误闯预警后，显示大屏能显示海事局传递的船舶信息及GPS位置信息。对于船舶位置感知信息的储存，实时监控管理数据系统默认记录最近1个月的数据，最长支持3个月数据储存查询。船舶AIS信息解读软件界面如图1所示，展示了系统中风电场电子围栏的范围，详细显示了闯入船只的实时位置，AIS信息。系统中可以清晰地查看船只的船舶信息，以及运行轨迹等。

船舶运动监测软件界面如图2所示，软件界面上能显示周围船只的实时位置，并对电子围栏的范围做了明显的标注，可对接近的船只进行预警，系统中可以清晰查看船只的航向、航速等信息。

2.2 气象监测系统

气象监测系统包括水文气象检测记录模块、台风预警监测模块。水文气象检测记录模块由风速风向仪、能见度仪、浪高波高仪和流速监测仪一系列检测设备组成。其中风速风向仪用于测量记录风速、风向信息，能见度仪用于测量记录实时能见度信息，浪高波高仪用于测量记录实时波浪高度信息，流速监测仪用于测量记录水流流速信息。台风预警模块能实时从中国气象台风信息平台获取台风数据，并保持数据实时同步，在风电厂电子围栏范围计算48 h台风警戒线，当台风进入警戒范围时，启动台风预警。水文气象信息软件界面如图3所示。能查看即时采集的风速、波高、能见度和流速信息。

图4所示为台风列表，其中能查看台风中文名称、英文名称、台风级别、台风编号、台风开始日期。当有实时台风进入48 h警戒线时，台风图标则会变为红色，并向场内监管人员提示“台风来袭”预警。

2.3 出海管理系统

出海管理分为实时出海人员统计和实时船舶统计2个模块。支持人工主动上传记录当前日期的出海船舶、出海人员信息，并在后方系统及管理大屏显示相关信息。人员安全出海设备类型有：RFID手环、RFID定位基站、救生网关和北斗指挥机等，并为每位现场运检管理人员配置具有信息定位的安全帽及穿戴设备。设备信息与人员信息建立物理绑定。每日出勤时人员穿戴定位模块的安全帽及设备进入施工现场时，通过登船自动检测设备识别记录。实时船舶为内部施工船舶和运检船舶，有出海需求时，在系统中申请出海计划，并填写出海记录表记录船只及登船人员信息。系统后续将相关信息提交管理部门审批备案。人员信息管理软件界面如图5所示，在人员佩戴设备在检测区域活动时，界面能查看人员信息，人员位置。

2.4 数据移动互联与同步传输系统优化

数据移动互联与同步传输系统包括网络传输模块、视频传输模块、AIS模块、VHF模块和水文气象数据传输模块。网络传输模块通过在海岸沿岸制高点架设微波基站，同时在主要施工船上设置微波船载站和无线WiFi等设备，采用微波通信的传输方案用于视频等大容量数据传输。以满足海上通信及内部船只与岸边基站的数据传输的要求。视频传输模块通过在内部施工船、监测船上配置摄像机，借助船载微波传输设备将视频传输到岸边基站。岸边单独设置有岸边基站至海事局的专线通道，通过岸边基站设置的硬盘录像机通过海事局专线通道将船上视频图像转发至相关管理设备及管理终端页面。AIS模块主要用于收集传递船舶AIS信息，通过部署在岸边的AIS接收基站收集进入电子围栏监控范围的船只AIS信息，并通过互联网通道传输至海事局主站实施信息收集及预警等功能。VHF模块通过在岸边基站部署VHF基站，利用本地语音网关注册到海事局主站。水文气象数据传输模块通过主要施工船上部署水文气象系统和船载微波设备，借助微波通信设备将信息传输海事局主站。

专线传输视频等实时信息通过构建物理上的专线链路，直接连接至海事局，有效防止外部用户访问，传输数据安全性能也能得到很好的保证。风电公司在海事局网站注册有专项身份认证。风电公司登录接口鉴权，登录成功后定时向海事监管系统发送同步口令牌。海事监管平台按需根据最新口令牌到风电公司平台鉴权，鉴权通过后，返回密钥信息。VHF设备通过集群网关设备到海事监管平台注册并验权。所有敏感数据均加密后再传输，使用RSA非对称加密方式。风电公司平台将数据加密后传送给海事监管平台，海事监管平台使用密钥解密后更新到监管平台数据库或展示给前端页面。图6是各模块传输信息的模型示意图，通过连线表达各个模块的数据传输。

图7是系统链路的抽象表达，设备层面的数据通过不同的接入服务模块传输至系统数据处理层内的服务中，应用层则架设在数据处理服务至上，其中的通信主要由HTTP接口进行通信，前后端则根据情况，使用HTTP或websocket进行传输，与外部系统集成。

3 结 语

现阶段我国正进入信息化革命时代，根据我国建设“数字中国、网络强国、智慧社会”的三大目标部署，强调新型工业化和信息化的融合。智慧能源正是互联网、大数据、人工智能和能源经济的深度融合，最终形成应用互联网和现代通信技术对能源的生产、使用、调度和效率进行优化管理的能源综合管理系统，是当前形势下能源发展的必然。

通过建立一套安全和完善的综合监管系统，在同一数据交换平台上进行海上风电场各类安全监管数据的无障碍整合，实现风电场“统一运行监控、统一调度指挥、统一数据管理和统一通航状态监控”，以达成最优管控模式，真正建立并实现南通市海上风电场数字化监管平台，为全国海上风电场长安全监管起到示范和引领作用。