基于立體感知技術(shù)的海上風場水域交通安全監(jiān)管系統(tǒng)

曾建平， 郭建新， 蔣光道， 黃 興， 洪 波， 連 波

(1.長江三峽集團福建能源投資有限公司， 福州 350000； 2.福建省新能海上風電研發(fā)中心有限公司， 福州 350000； 3.長航(武漢)綠色航運科技服務有限公司， 武漢 430000)

0 引 言

海上風電具有風能資源豐富、對環(huán)境的負面影響較小和易規(guī)?；_發(fā)等優(yōu)點[1-3]，具有廣闊的發(fā)展前景，很多國家正在加速推進海上風場的開發(fā)建設[4]。截至2018 年底，我國的海上風電累計并網(wǎng)容量達到3.58 GW，已核準項目容量達到17.10 GW，在建項目容量達到6.00 GW，海上風電產(chǎn)業(yè)鏈已逐步建設和發(fā)展起來。

確保海上交通安全是保證海上風場開發(fā)建設正常推進的基礎(chǔ)。本文以福清興化灣正在建設的海上風場項目為例，對其附近水域的交通安全問題進行分析。該風場二期項目附近部分水域為適宜船舶航行的水域，存在商船通航和小型漁船活動?？紤]到工程施工會改變工程附近水域的通航環(huán)境和通航條件，對附近水域的通航安全和相關(guān)水工設施造成一定的影響，有必要建立一套較為完善的海上風場海域交通安全管理系統(tǒng)，保證海上風場開發(fā)建設和運營順利推進。

1 海上風場水域安全監(jiān)管系統(tǒng)總體方案

發(fā)展海洋經(jīng)濟，保護海洋環(huán)境，建設海洋強國，是我國海洋事業(yè)發(fā)展的方向。本文以國家提出的“智慧海洋”工程建設為理念，提出建立基于立體感知技術(shù)的海上風場水域交通安全監(jiān)管系統(tǒng)。開展海上風場主動交通引導、主動防御和風場環(huán)境立體感知體系研究，實現(xiàn)風場交通環(huán)境實時監(jiān)測、區(qū)域船舶動態(tài)監(jiān)控、區(qū)域船舶信息溯源和應急事故動態(tài)響應，全面提升海上風場海域交通安全監(jiān)管的可靠性和科學性。

該系統(tǒng)綜合利用視頻監(jiān)控技術(shù)、船舶聯(lián)動跟蹤技術(shù)、自動識別系統(tǒng)(Automatic Identification System，AIS) 及雷達定位跟蹤技術(shù)、熱成像和透霧等高科技手段，實現(xiàn)對其附近5 km水域內(nèi)船舶的全天候動態(tài)監(jiān)控，為保證海上風場的安全提供有利手段。

該系統(tǒng)綜合利用 AIS、雷達和光電設備對接近海上風場的船舶進行探測和跟蹤，將監(jiān)測目標疊加在電子海圖上，生成實時態(tài)勢。此外，根據(jù)目標與監(jiān)控點之間的距離，通過用不同顏色對目標進行標記來表示事件的緊急程度，以提醒值班人員進行相應操作。

根據(jù)距離中心點的長度，將防區(qū)劃分為不同顏色區(qū)域(見圖 1)，對闖入特定區(qū)域的船舶進行自動預警和處置，記錄事件的全部過程，同時實現(xiàn)與上級指揮中心的互通。

1) 當目標與監(jiān)控點之間的距離在[3.0,5.0] km 時，將目標標記為藍色，值班人員可通過雙擊目標引導云臺查看目標，確認目標是否為船舶。

2) 當目標與監(jiān)控點之間的距離在[1.5,3.0) km 時，將目標標記為黃色，值班人員可通過雙擊目標引導云臺查看目標，確認目標是否為船舶，若確認為船舶，值班人員可通過甚高頻(Very High Frequency，VHF)系統(tǒng)與船舶進行通話。

3) 當目標與監(jiān)控點之間的距離小于 1.5 km 時，將目標標記為紅色，系統(tǒng)自動引導云臺跟蹤目標，進行抓拍和錄像取證，同時發(fā)出聲光報警，提醒值班人員進行處理。此時，值班人員可通過 VHF語音警告手段驅(qū)離入侵目標。在警告未果的情況下，值班人員可通過掃海燈強光掃射進行驅(qū)逐。

熱成像多光譜一體化攝像機具有全天候監(jiān)控的功能。激光可見光在晝夜環(huán)境下可遠距離觀測目標的細節(jié)，輔助人工確認目標的屬性和特征。紅外熱成像用于目標探測和跟蹤，解決霧天、霾天、夜間、逆光和雨天等惡劣環(huán)境條件下水面監(jiān)測應用的需要。

2 系統(tǒng)功能架構(gòu)

海上風場水域安全監(jiān)管系統(tǒng)功能架構(gòu)見圖2，主要由設施層、支撐平臺層、數(shù)據(jù)層、應用層、展現(xiàn)層和服務對象層組成。

圖1 海上風場水域交通安全監(jiān)管系統(tǒng)部署示意

圖2 海上風場水域安全監(jiān)管系統(tǒng)功能架構(gòu)

1) 設施層包括多傳感器設備終端、基礎(chǔ)通信網(wǎng)絡、計算存儲服務器和防火墻等，其中：多傳感器設備終端包括雷達、AIS、CCTV(Closed-Circuit Television)、VHF和探照燈等設備；通信網(wǎng)絡是承載數(shù)據(jù)傳輸和交換的基礎(chǔ)，包括行業(yè)專網(wǎng)、無線通信網(wǎng)絡、虛擬專用網(wǎng)絡(Virtual Private Network，VPN)、因特網(wǎng)、路由器和交換機等；計算存儲服務器包括數(shù)據(jù)庫服務器和應用服務器等；存儲系統(tǒng)包括磁盤陣列和磁帶庫等。

2) 支撐平臺層是建立在網(wǎng)絡設施層之上，對數(shù)據(jù)資源層和應用層進行支撐的軟件平臺，主要包括SOA(Service-Oriented Architecture)運行環(huán)境平臺、電子海圖平臺、AIS服務平臺、VHF服務平臺、CCTV服務平臺和監(jiān)控預警服務平臺等。支撐平臺層依據(jù)數(shù)據(jù)標準體系和安全認證體系對支撐平臺軟件進行安全保障和標準加持，同時采用主流的IT技術(shù)和框架作為技術(shù)支撐，包括企業(yè)服務總線(Enterprise Service Bus,ESB)技術(shù)、消息隊列(Message Queue,MQ)技術(shù)、SRC(Sparse Representation-based Classifier)技術(shù)和SOA面向服務框架等。

3) 數(shù)據(jù)采集層是系統(tǒng)最底層的基礎(chǔ)支撐層，在邏輯上分為記錄存儲文件數(shù)據(jù)庫和應用數(shù)據(jù)庫。記錄存儲庫屬于穩(wěn)文件型數(shù)據(jù)庫，主要通過時間顆粒建立文件索引機制，存儲雷達視頻數(shù)據(jù)、目標軌跡數(shù)據(jù)、VHF語音數(shù)據(jù)、報警信息數(shù)據(jù)和CCTV視頻數(shù)據(jù)等。應用數(shù)據(jù)庫屬于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，主要存儲船舶靜態(tài)信息和系統(tǒng)業(yè)務管理數(shù)據(jù)，如用戶角色權(quán)限數(shù)據(jù)和違法違規(guī)數(shù)據(jù)等。

4) 應用層主要包括多類應用程序模塊，具有多信源數(shù)據(jù)解析、多信源數(shù)據(jù)融合、目標識別跟蹤處理、雷達圖像處理、記錄存儲回放處理、海圖視頻一體化顯示處理、監(jiān)控預警處理 、目標聯(lián)動跟蹤處理、海圖漫游處理、CCTV聯(lián)動跟蹤、探照燈聯(lián)動跟蹤、氣象信息顯示、風險識別、風險應對措施處理、目標信息查詢、違規(guī)信息查詢、預警信息發(fā)布和記錄信息查詢等應用功能。

5) 展現(xiàn)層。該系統(tǒng)主要以安全監(jiān)控系統(tǒng)Windows桌面監(jiān)控程序、安全監(jiān)控系統(tǒng)WEB端和安全監(jiān)控系統(tǒng)移動APP端對外提供應用和服務。服務對象通過展現(xiàn)層與系統(tǒng)互動，獲取系統(tǒng)提供的功能和服務。展現(xiàn)層的內(nèi)容會充分考慮行業(yè)用戶的習慣，盡量提升用戶的友好性。

6) 服務對象層。服務對象是系統(tǒng)的涉眾，系統(tǒng)為其提供有針對性的高效服務，按照涉眾類別主要分為專用碼頭安全監(jiān)控中心值班室、發(fā)電公司遠程監(jiān)控室和維護工作船等。

圖3 系統(tǒng)組成

3 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)組成見圖3，系統(tǒng)前端包括雷達、AIS、CCTV、VHF和掃海燈等設備。各設備的功能如下：

1) 雷達用于捕獲目標實時信息，并與AIS信息相融合，生成具體的船舶實時位置、航速和航向等信息。

2) AIS用來獲取船舶的基本信息，并與雷達信息相融合，生成目標船的運動軌跡。

3) CCTV由多光譜跟蹤高精度云臺、熱成像、高清可見光和激光構(gòu)成。高精度云臺用來進行目標快速定位、目標跟蹤和聯(lián)動；高清可見光用來對目標進行特寫和查看其細節(jié)；熱成像和激光用來在夜間進行探測，提升系統(tǒng)的夜視功能。

4) VHF用來對目標船進行語音通話或語音警告驅(qū)離。

5) 掃海燈用來對語音警告未果的船舶進行強光驅(qū)離。

6) 氣象系統(tǒng)用來獲取氣象信息。

海上風場指揮中心布置有電子海圖服務器、智能視頻檢測服務器、業(yè)務服務器、數(shù)據(jù)庫服務器、顯示屏和值班客戶端，各組成部分的具體工作如下：

1) 電子地圖服務器用于提供相關(guān)海域的電子海圖服務和應用；

2) 智能視頻檢測服務器用于進行智能算法分析、識別和報警等；

3) 業(yè)務服務器用于實現(xiàn)前端所有設備和外部系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信，完成AIS數(shù)據(jù)與雷達數(shù)據(jù)的融合，根據(jù)時間計劃完成任務調(diào)度等；

4) 值班客戶端用于實現(xiàn)船舶實時動態(tài)監(jiān)控和海上風場海域交通安全防范管理，可根據(jù)實際需要，在海洋、海事部門安裝客戶端。

4 系統(tǒng)主要功能

以海上風場全方位立體可視化感知創(chuàng)新為手段，進行差異化海上風場交通安全管理，對場外船舶采取主動引導、防御的措施，為場內(nèi)船舶按作業(yè)計劃排班提供技術(shù)支持，提升海上風場的安全防御能力和交通安全管理能力。通過在風場周圍和風機內(nèi)部布設先進的傳感設備，對風場周圍和進入風場的目標進行實時監(jiān)控，主要包括：

1) 在風場區(qū)域架設雷達設備和AIS基站設備，在運維船上架設考勤設備，實現(xiàn)對進出風場區(qū)域的船舶和運維人員的實時監(jiān)測定位；

2) 在風機附近配備視頻監(jiān)控設備，有效識別靠近風機的目標，實現(xiàn)對風場海域的可視化監(jiān)控；

3) 在風機上裝設高分貝音頻廣播，實現(xiàn)對入侵危險目標的驅(qū)離；

4) 在風場區(qū)域布設海洋感知觀測系統(tǒng)，實現(xiàn)對風、氣溫、濕度、海區(qū)波浪和海洋環(huán)境要素的實時監(jiān)測；

5) 引入海洋、海事等相關(guān)主管部門的信息系統(tǒng)，實現(xiàn)信息的有效共享。

綜上，通過不同數(shù)據(jù)源的有效融合，實現(xiàn)對海上風場的立體感知和實時有效監(jiān)控，提供輔助決策、風場安全監(jiān)管和風險預測等功能，對事故致因分析和可靠性分析進行研究，同時提供相關(guān)的社會服務。

5 系統(tǒng)應用案例

圖4 雷達、AIS和云臺系統(tǒng)的聯(lián)動

福清興化灣海上風場項目一期共有 14 個風塔需要監(jiān)管。本文所述研究成果目前正在福清興化灣海上風場一期項目中進行應用，雷達、AIS和云臺系統(tǒng)的聯(lián)動見圖4。通過在現(xiàn)場布設雷達、光電設備、AIS、VHF系統(tǒng)和掃海燈硬件設備，利用軟件系統(tǒng)對這些設備進行融合，形成立體防護手段，對風塔區(qū)域及風塔5 km以內(nèi)的海域進行綜合監(jiān)控，分級預警。

目前福清興化灣海上風場項目正在有序推進，未來將形成一定規(guī)模的風場。該系統(tǒng)的應用將有效解決在建風場的安全防范問題。

6 結(jié) 語

隨著海上風電快速發(fā)展，海上風場建設和附近水域安全監(jiān)管越來越重要。對于剛剛起步的我國海上風場建設而言，需建立一套安全有效的監(jiān)管系統(tǒng)，以保障風場建設的安全。本文提出基于立體感知技術(shù)的海上風場水域安全監(jiān)管系統(tǒng)，為確保海上風場的安全奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，為海上風場海域交通安全責任劃分和認定提供了有效的數(shù)據(jù)支持。