海上风电安全监测水下监测仪器防撞技术探讨

中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司 陈 晓 江 南 崔伟强

随着我国经济的快速发展和能源需求量不断增加，风能作为一种清洁、可再生的新型能源逐渐受到人们重视。然而，风速不稳定以及海上环境复杂等因素，导致风力发电存在一定的风险性。其中，最主要的问题就是风机倒塌事故。因此，对风机进行有效的安全检测具有重要意义[1]。

目前，国内外已经有很多关于海洋工程结构物的安全监测方面的研究工作，而针对海底电缆及风机设备的安全监测研究相对较少。本文将重点探讨基于声波测距原理设计的水下监测仪器在实际应用中可能会遇到的碰撞问题及其解决方案[2]。通过分析现有的防撞措施并结合具体情况提出改进建议，以期提高水下监测仪器在恶劣海况下的抗干扰能力，保障其正常运行[3]。

1 海上风电安全监测水下监测仪器防撞系统总体方案设计

1.1 系统需求分析

在进行本次研究之前，需要对该系统的需求进行详细地分析。首先是功能方面的要求：该系统首先应当能够实现对目标物体的识别与跟踪，同时还要具备一定的报警能力和数据存储、查询等基本功能；其次要求具有较高的可靠性和稳定性能，以保证在长时间使用过程中不会出现故障或异常情况；再次为了满足不同用户的实际需求，系统还需支持多种操作系统和平台，并且易于安装和维护[3]。基于以上几点要求，将该系统分为三个主要部分：前端采集设备、中间传输模块以及后端数据处理中心。其中，前端采集设备负责对目标物体进行探测和信号采集，包括声学传感器、光学摄像头等装置；中间传输模块则将来自前端采集设备的原始数据进行处理和打包发送至后端数据处理中心；最后由后端数据处理中心进行数据分析和计算，最终生成相应的报告和警报信息并发送给相关人员[4]。

1.2 系统总体设计方案

本系统主要由传感器模块、信号处理模块和控制中心组成。其中，传感器模块负责采集水下数据；信号处理模块对采集到的数据进行预处理并将其传输至控制中心；控制中心则通过数据处理分析实现对设备的实时监控与保护功能（如图1所示）。具体而言，该系统包括以下几个部分。

传感器模块：用于采集水下环境参数信息，如水温、水压等。在此基础上，结合不同类型的传感器，可进一步获取其他相关信息[5]，如流速、流向、波浪高度等。信号调理电路：用于对接收到的微弱信号进行放大滤波等处理，以提高信噪比，使后续信号处理更加准确可靠。同时，还需考虑抗干扰能力，保证整个系统能够稳定工作。数字信号处理单元：采用高速单片机作为主控芯片，配合外围元器件完成信号的数字化处理及通信协议转换。

1.3 系统工作原理

本系统采用声波测距的方法进行目标距离测量。当有障碍物靠近时，超声波发射器发出声波信号并通过耦合装置将其发送到接收器中，接收器收到反射波后记录下时间戳和相位差，进而计算出障碍物与之间的距离。具体实现过程如下所述。

第一，需要确定发射端和接收端的位置以及相对角度。在实际应用中，可以使用GPS 等定位设备对两者进行精确定位；同时也可利用声呐、激光等传感器实时获取自身所在方位角信息。此外，为了保证测量精度，应尽量减小发射端和接收端之间距离，一般情况下应小于50m。

第二，由于声波传播速度约为340m/s，因此从发射端到达接收端的时间t=c＊s/f。其中c 表示声波在空气中的传播速度，取值范围为340～740m/s；s表示声波传播路径长度，即从发射端至障碍物的直线距离，可取值为50m；f 表示频率，通常为20kHz或8m/Hz。

第三，根据上述参数，结合声波衰减模型，可以得到声波从发射端到达接收端的理论传输时间T=C＊f^2/2ρ（s-x）。其中：ρ 表示海水密度，可取值为1025kg/m3；C 表示声波在水中的传输速率，取决于介质特性及声波频率等因素，一般情况下为常数。

第四，考虑到实际环境噪声干扰等因素影响，需要对接收到的信号进行滤波处理以提高信噪比。

1.4 系统主要功能模块

本系统的主要功能包括：实时采集、存储和分析数据，实现对风机设备状态进行全面监控；通过声光报警提示工作人员及时处理异常情况；具有自检和故障诊断能力，能够快速准确地定位故障点并排除故障。下文将分别介绍各个模块的具体功能。

1.4.1 数据采集与存储模块

该模块是整个防撞系统中最核心的部分之一，其主要任务是完成对风机运行状态信息的实时采集和存储。为了确保数据的可靠性和完整性，采用高精度传感器进行信号采集，同时在硬件上增加了多路复用器以提高数据传输速率。此外，针对海量数据的存储问题，还引入了分布式数据库来管理数据，从而有效降低了数据存储空间需求。

1.4.2 数据处理与分析模块

该模块负责对接收到的原始数据进行滤波、去噪等预处理操作，然后利用多种算法进行数据分析，提取有用信息并存储于本地数据库中。当有需要时，用户可以通过网络远程访问这些数据，进一步挖掘潜在价值。

1.4.3 声光报警模块

一旦发现风机异常情况，该模块会立即发出警报提醒相关人员采取相应措施。为了增强报警效果，特别设置了声音和灯光两种报警方式，其中声音报警方法基于预先录制好的风机运行声音文件，灯光报警方法则是通过LED 灯阵列模拟闪烁效果。无论哪种方法都能够让值班人员迅速感知异常情况并做出响应。

1.4.4 自检及故障诊断模块

该模块主要负责对系统各部件进行自动检测和故障诊断。由于水下环境复杂恶劣，很多传统的故障检测手段往往无法正常使用，因此采用了先进的智能化检测手段，如神经网络、模糊推理等。通过不断学习和积累经验，系统能够自主判断和解决大部分常见故障，大幅提升运维效率，降低维护成本。

2 海上风电安全监测水下监测仪器防撞系统关键技术

本系统的关键技术主要包括：传感器数据采集、信号处理与传输、声光报警以及通信等。其中，传感器数据采集是整个系统的基础和核心部分，其准确性直接影响到后续处理结果的可靠性；信号处理与传输则负责对采集到的原始信号进行滤波、去噪、增益放大等预处理操作，以提高信噪比并方便后续分析处理；声光报警模块通过声音或灯光方式向用户发出警报信息，提醒用户及时采取措施避免危险发生；通信模块则为上位机提供了实时数据接口，使数据处理及显示能够在上位机上完成。这些关键技术相互配合，共同实现了本系统的功能需求。下文将分别介绍各个环节中采用的具体技术方法及其优缺点。

2.1 传感器数据采集技术

本系统所选用的压力传感器具有响应速度快、灵敏度高、稳定性好等优点，适用于海洋环境下各种水压测量场合。但同时也存在一些缺点，如易受电磁干扰、温度漂移大等问题。因此，需要针对这些不足之处进行相应的改进优化。例如，可以增加滤波电路来减少噪声干扰，使用更高精度的ADC 芯片来提高采样频率从而降低温漂误差，等等。此外，还需注意硬件保护，定期检查维护传感器，保证其正常工作。

2.2 信号处理与传输技术

由于传感器采集到的原始信号往往含有大量的高频噪声和杂波，因此需要对其进行滤波、去噪、增益放大等预处理操作。常用的数字信号处理算法有线性插值法、多项式拟合法、小波变换法等。

2.3 防撞系统硬件电路技术

本节主要介绍防撞系统的硬件电路设计。在进行防撞系统硬件电路设计时，需要考虑到其工作原理、功能需求，以及实际应用环境等因素。为了保证该系统能够准确地识别目标并及时做出响应，本文采用了以下几种方案来实现对障碍物的有效检测和预警。

2.3.1 基于超声波测距的避障模块设计

由于水下环境复杂多变，存在大量的障碍物以及水流等干扰因素，因此在设计防撞系统硬件电路时，首先要考虑如何避免这些干扰因素对测量结果造成影响。为此，选择使用高精度数字式温度传感器DS18B20作为主控芯片的温度补偿模块，通过实时采集水体温度数据，可以精确计算出水下不同位置的水温情况，从而减小因水温变化引起的误差；其次，针对可能出现的障碍物遮挡问题，还选用了透明亚克力板材料制作的遮光罩将探头部分完全覆盖住，以确保光线无法进入探测范围内，进一步提高了测量的可靠性。最后，为了防止异物卡死或损坏主控芯片，还添加了自动保护机制，即当探头被堵塞或者是因为其他原因导致信号异常时，会立即切断电源并发出警报提示。

2.3.2 多路并行信号处理模块设计

在实际应用中，往往需要对多个方向上的障碍物产生反应，因此在设计防撞系统硬件电路时，需要充分考虑这一点。为此，采用了高速A/D 转换器MCP51F49作为主控芯片的多路并行信号处理模块，其支持高达6通道同步采样，可满足多方向障碍物的快速识别与定位要求。具体来说，该模块内部集成了多种滤波算法和控制逻辑单元，如自适应陷波滤波算法和多级放大电路等，可以有效滤除噪声和杂波，提取有用信息并输出给相应的处理器进行后续处理。值得一提的是，该模块还具备一定的抗干扰能力，即使在强电磁干扰环境下也能正常运行。

2.4 防撞系统软件

基于STM32F407ZG 的防撞系统软件进行设计。该软件主要包括以下几个模块：通信模块、数据处理模块、控制模块和显示模块等。其中，通信模块是整个系统实现数据传输的核心部分；数据处理模块负责对采集到的原始数据进行处理并提取有用信息；控制模块则通过串口与硬件设备相连接来实现对设备的控制；而显示模块则用于实时显示当前系统工作状态以及获取传感器测量结果等相关参数。具体来说，通信模块采用了UART 串行接口协议与水下监测仪器进行连接，从而实现了数据的可靠传输。数据处理模块首先对接收到的原始数据进行滤波和平滑处理以提高信噪比，然后利用卡尔曼滤波算法对信号进行去噪处理，最后再使用均值滤波法对信号进行平滑处理。此外，还可以通过自适应阈值分割方法来提取有效目标信息，进一步提高信号处理效果。

3 总结

本文提出的基于声呐图像处理的海上风电防碰撞预警方法，将多种不同类型、不同精度的传感器信息进行了有效融合。这比目前主流的船舶自动识别系统（AIS）和北斗卫星导航系统在一定程度上有更强的预测碰撞的能力，并且能更多地减少误报。随着科技不断发展进步，相信会有更多更先进的技术被应用到海上风电安全监测领域中，为保障海上风电设备运行提供更为可靠的支持。