GIS如何疏通風(fēng)電場的“奇經(jīng)八脈”？

文 | 王乾坤，董倩倩，許嘉麗，閆瑞

剛接觸到風(fēng)資源工程師這個(gè)職業(yè)之際，有人將工程師戲稱為“風(fēng)水師”?？催^《盜墓筆記》的人應(yīng)該不會(huì)感到陌生：傳說中的主角都有一把“黑金古刀”。在科學(xué)技術(shù)日益先進(jìn)的今天，風(fēng)資源工程師又有何種利器？

隨著電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和相關(guān)政策的不斷完善以及風(fēng)資源的多元化，我國風(fēng)電行業(yè)經(jīng)過30多年的發(fā)展，風(fēng)電場的關(guān)鍵收益元素組成已由原來的機(jī)組適應(yīng)性和機(jī)組發(fā)電性能，拓展到現(xiàn)在包括地形復(fù)雜性、環(huán)境友好性、并網(wǎng)穩(wěn)定性、投資安全性等在內(nèi)的多個(gè)元素。

這些“奇經(jīng)八脈”遍布風(fēng)電場。如何疏通復(fù)雜的脈絡(luò)，為風(fēng)電場這個(gè)“生命體”建立更好、更安全的保障？新疆金風(fēng)科技股份有限公司（下稱“金風(fēng)科技”）一直在探索。因此，筆者將帶大家走近疏通風(fēng)電場“脈絡(luò)”的關(guān)鍵技術(shù)——地理信息技術(shù)（GIS）。

鑒于風(fēng)電場的工程屬性，地理信息技術(shù)的應(yīng)用貫穿于風(fēng)電場全生命周期，包括宏觀選址、測風(fēng)塔代表性分析、微觀選址、道路踏勘、工程設(shè)計(jì)監(jiān)管、后運(yùn)維服務(wù)等多項(xiàng)環(huán)節(jié)。

總體來說，金風(fēng)科技通過分析全國高精度地表植被信息、不同級(jí)別路網(wǎng)信息、居民地信息、自然保護(hù)區(qū)、經(jīng)過填補(bǔ)處理的SRTM地形數(shù)據(jù)（填補(bǔ)了因?yàn)闅庀蟮乩項(xiàng)l件導(dǎo)致的數(shù)據(jù)缺失），應(yīng)用AI（人工智能）人工地表識(shí)別、無人機(jī)三維建模、時(shí)空大數(shù)據(jù)分析技術(shù)、三維動(dòng)態(tài)模擬仿真，實(shí)現(xiàn)了百GB級(jí)地理場景快速可視化、TB級(jí)別空間數(shù)據(jù)管理及分析。

下面，筆者將從幾個(gè)典型的應(yīng)用方面說明GIS技術(shù)的價(jià)值實(shí)現(xiàn)。

圖1 地理信息技術(shù)航空攝影測量應(yīng)用

宏觀（分散式）項(xiàng)目規(guī)劃

GIS技術(shù)在風(fēng)電場宏觀選址（分散式項(xiàng)目規(guī)劃）中的應(yīng)用包括：一是通過數(shù)字高程數(shù)據(jù)精確、迅速地提取地形、坡度、工程地質(zhì)等數(shù)據(jù)；二是通過各種政府專題圖數(shù)字化提取出電網(wǎng)接入、土地規(guī)劃、保護(hù)區(qū)等數(shù)據(jù)。

以青海省某市分散式風(fēng)電場的宏觀選址為例，拋棄繁冗的數(shù)據(jù)搜索過程，引進(jìn)GIS技術(shù)手段，將需要的數(shù)據(jù)和資料矢量化，同時(shí)把風(fēng)資源分布數(shù)據(jù)、地形圖、土地利用現(xiàn)狀、交通、地形、遙感航片等數(shù)據(jù)進(jìn)行空間疊加分析。基于GIS平臺(tái)，對目標(biāo)縣進(jìn)行宏觀選址分析，優(yōu)先開發(fā)資源狀況好、施工條件好、道路和電網(wǎng)條件好的地區(qū)；保留風(fēng)資源較好、其他條件不好的地區(qū)，以備后續(xù)開發(fā)?？傮w上依靠精細(xì)化的地理信息數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)，完成了基于地理信息大數(shù)據(jù)空間分析的宏觀選址。此外，對于確定開發(fā)的場址區(qū)域，GIS還可以依據(jù)特有的地形特征和數(shù)據(jù)分析，自動(dòng)推薦初步的機(jī)位點(diǎn)排布方案，計(jì)算風(fēng)電場整體投資收益率。

運(yùn)用傳統(tǒng)方式，從前期現(xiàn)場考察、資源圈定到與國土部門等相關(guān)機(jī)構(gòu)的信息核實(shí)、確定具體位置，至少需要35天；現(xiàn)在有了GIS技術(shù)的支持，金風(fēng)科技完成這些工作僅需要5天時(shí)間，既避免以前僅靠經(jīng)驗(yàn)的“盲人摸象”模式，又改變了以往宏觀選址的無目的性、耗時(shí)長、精度低、結(jié)論不明確的缺點(diǎn)，減少了工作時(shí)間，提高了選址精度。

精確風(fēng)險(xiǎn)模擬

GIS對微觀選址工作的改進(jìn)，主要體現(xiàn)在其對于地形的矯正處理分析。一般而言，受限于氣象條件、地表形態(tài)等，現(xiàn)有的類SRTM地圖存在數(shù)據(jù)失真的情況。GIS通過對地形的自動(dòng)化糾偏、填補(bǔ)，提高了風(fēng)電場流體仿真模型方面的精度。

以湖北某項(xiàng)目為例。該項(xiàng)目位于復(fù)雜山地地形中，存在經(jīng)驗(yàn)上可判斷、但無法表現(xiàn)在流體模型上的風(fēng)險(xiǎn)。因融資方對項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)關(guān)注度高，項(xiàng)目停滯了兩月有余。使用填補(bǔ)之后的地圖數(shù)據(jù)完成了項(xiàng)目對風(fēng)、峽口加速及渦風(fēng)區(qū)域的精準(zhǔn)定位，對風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)位、測風(fēng)塔代表性進(jìn)行有效可視化的評估。同時(shí)運(yùn)用無人機(jī)航拍技術(shù)、風(fēng)速預(yù)測、GIS空間疊加分析等避免了人工作業(yè)偏差，降低項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)。

快速工程設(shè)計(jì)

和微觀選址階段的模型仿真相仿，道路設(shè)計(jì)階段主要依靠三維建模技術(shù)：利用無人航拍技術(shù)進(jìn)行三維工程仿真、三維設(shè)計(jì)等，其主要的核心技術(shù)包括無人機(jī)/GIS地形建模。

金風(fēng)科技現(xiàn)階段擁有中國地區(qū)大部分的無人機(jī)機(jī)型，且實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)數(shù)據(jù)云處理技術(shù)；同時(shí)實(shí)現(xiàn)地形三維結(jié)果顯示、GB級(jí)別全真實(shí)超廣地形地貌三維顯示技術(shù)等，可快速實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場內(nèi)道路設(shè)計(jì)規(guī)劃、工程量評估、機(jī)組自動(dòng)排布。以某5萬千瓦丘陵項(xiàng)目為例，可將常規(guī)（場內(nèi)外）道路設(shè)計(jì)的工作縮短至原來的40%，在提高工作效率的同時(shí)，還可對從大部件到風(fēng)電機(jī)組點(diǎn)位進(jìn)行全程模擬，提前預(yù)知風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 基于GIS平臺(tái)的青海省某市宏觀選址

圖3 基于某區(qū)域的分散式項(xiàng)目人工智能識(shí)別規(guī)劃

革新與融合

隨著國家能源局發(fā)布的《2018年度風(fēng)電建設(shè)管理有關(guān)要求通知》中相關(guān)內(nèi)容進(jìn)一步落實(shí)，競價(jià)核準(zhǔn)對風(fēng)電場風(fēng)資源評估精度提出了更高要求。同時(shí)，分散式項(xiàng)目的開發(fā)，也給環(huán)境友好性、并網(wǎng)穩(wěn)定性方面帶來了眾多挑戰(zhàn)。

金風(fēng)科技在不斷研發(fā)提高直驅(qū)機(jī)組并網(wǎng)性能的同時(shí)，全面使用WRF虛擬測風(fēng)塔技術(shù)、雷達(dá)測風(fēng)手段，彌補(bǔ)分散式風(fēng)電場測風(fēng)方面的不足；依靠GIS數(shù)據(jù)開展的智能道路規(guī)劃、線路設(shè)計(jì)技術(shù)，為包括分散式在內(nèi)的風(fēng)電場建設(shè)疏通脈絡(luò)；與此同時(shí)，金風(fēng)科技將地理信息與BIM結(jié)合，打造少人值守/無人值守升壓站，在分散式風(fēng)電運(yùn)維過程中大顯身手。結(jié)合GIS景觀透視+AI技術(shù)，在設(shè)計(jì)階段全程仿真運(yùn)行風(fēng)電場給生態(tài)等方面產(chǎn)生的影響，消除投資者后顧之憂。

具體來說，GIS和AI技術(shù)的結(jié)合，可快速準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)高分?jǐn)?shù)據(jù)和無人機(jī)航拍數(shù)據(jù)的地物識(shí)別。現(xiàn)階段由于高分辨數(shù)據(jù)精度較高，因此，像元較為細(xì)碎，同時(shí)地物的光譜信息復(fù)雜，造成地物識(shí)別困難。金風(fēng)科技以典型高分辨率遙感影像目標(biāo)機(jī)器樣本庫與特征庫建設(shè)為基礎(chǔ)，開發(fā)了面向道路、房屋、水域等敏感區(qū)的檢測與識(shí)別，可快速實(shí)現(xiàn)地物識(shí)別，其識(shí)別準(zhǔn)確率高達(dá)85%左右，節(jié)省60%左右的時(shí)間。從無人機(jī)航拍到地物識(shí)別的自動(dòng)化流程，提升了自動(dòng)化水平和工作效率，為后續(xù)數(shù)字化風(fēng)電場的自動(dòng)識(shí)別奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

風(fēng)能的未來發(fā)展離不開現(xiàn)代化的技術(shù)，“3S（GIS：地理信息、RS：遙感、GPS：全球定位）”技術(shù)的發(fā)展為風(fēng)能的開發(fā)利用提供了新的快速、有效的解決方案。

金風(fēng)科技追本溯源，利用互聯(lián)網(wǎng)+大數(shù)據(jù)+AI的思維，通過3D建模、人工智能、遙感技術(shù)、無人機(jī)航拍技術(shù)，為風(fēng)電場開發(fā)和利用提供精確的數(shù)據(jù)源，并利用GIS技術(shù)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場快速、準(zhǔn)確、高效的運(yùn)轉(zhuǎn)和評估，迎接分散式和競價(jià)核準(zhǔn)的挑戰(zhàn)。