基于電子圍欄及聲光預(yù)警系統(tǒng)的海上風(fēng)電場(chǎng)安全保障方法研究

孫敬東 鐘慶云 鄧巍

摘 要：鑒于傳統(tǒng)方法在海上風(fēng)電場(chǎng)安全保障方面的不足，通過(guò)研讀國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)并實(shí)地考察的基礎(chǔ)上，提出一種電子圍欄及聲光預(yù)警系統(tǒng)方法，實(shí)現(xiàn)低能見(jiàn)度下對(duì)風(fēng)電場(chǎng)附近船舶進(jìn)行跟蹤并預(yù)警報(bào)警，與傳統(tǒng)導(dǎo)助航航標(biāo)相輔相成，共同提高以海上風(fēng)電場(chǎng)為核心的沿海與近海航運(yùn)安全保障水平。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)電場(chǎng);安全保障;電子圍欄;聲光預(yù)警

1 引言

隨著我國(guó)海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)項(xiàng)目的快速推進(jìn)和發(fā)展，海上風(fēng)電建設(shè)與生產(chǎn)過(guò)程中暴露出來(lái)的安全保障、海事監(jiān)管等問(wèn)題逐漸增多。海上風(fēng)電項(xiàng)目建設(shè)和營(yíng)運(yùn)的周期都比較長(zhǎng)，對(duì)風(fēng)電水域及其周邊區(qū)域船舶的通航都有明顯的影響。

海上風(fēng)電場(chǎng)作為海上面積較大的礙航物，對(duì)附近航道、錨地、航線、碼頭、航路規(guī)劃以及船舶航行、漁船捕魚(yú)等均產(chǎn)生一定影響[1]，且海上風(fēng)電場(chǎng)在運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生電磁波，對(duì)船舶導(dǎo)助航設(shè)施也會(huì)產(chǎn)生一定影響。

關(guān)于風(fēng)電場(chǎng)安全和管理問(wèn)題，李道科等[2]應(yīng)用專(zhuān)家調(diào)查與預(yù)先危險(xiǎn)性分析法（PHA）相結(jié)合的方法，對(duì)福建海上風(fēng)電場(chǎng)規(guī)劃場(chǎng)址和儲(chǔ)備場(chǎng)址與航運(yùn)現(xiàn)狀、規(guī)劃發(fā)展適應(yīng)性進(jìn)行了分析研究;元國(guó)凱等[3]應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)管理理論，針對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)中的基礎(chǔ)施工、風(fēng)機(jī)安裝、海纜敷設(shè)、升壓站施工等主體工程，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)的識(shí)別、分析并提出相應(yīng)的控制措施;紀(jì)寧毅等[4]通過(guò)HAZID/HAZOP分析的方式，對(duì)海上風(fēng)電建設(shè)施工期中各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的識(shí)別與控制;沈思曦等[5]設(shè)計(jì)一種基于船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（AIS）和地理信息系統(tǒng)（GIS）的海上風(fēng)電場(chǎng)船舶監(jiān)控系統(tǒng)，將目標(biāo)船舶顯示在GIS地圖上，對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控;孫菲等[6]基于實(shí)際擬建的海上風(fēng)電項(xiàng)目和現(xiàn)役海軍雷達(dá)裝備，通過(guò)電磁仿真建模定量分析雷達(dá)天線輻射場(chǎng)及海上目標(biāo)散射場(chǎng)通過(guò)風(fēng)電場(chǎng)后，其分布特性受風(fēng)電場(chǎng)的影響程度;由此看來(lái)，目前國(guó)內(nèi)外大多數(shù)學(xué)者從海上風(fēng)電場(chǎng)施工期和運(yùn)維期角度進(jìn)行安全方面的研究，多數(shù)都是側(cè)重于影響風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)險(xiǎn)因素[7]，而在風(fēng)電場(chǎng)周邊船舶航行安全保障方面的研究較少，特別是如何解決大霧等低能見(jiàn)度條件下風(fēng)電場(chǎng)施工船舶及周邊船舶的通航安全，以及如何從被動(dòng)預(yù)警轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)且有目的性的預(yù)警方面，尚且研究不足。

結(jié)合上述分析可知，目前海上風(fēng)電場(chǎng)施工建設(shè)階段及營(yíng)運(yùn)階段均存在一定的安全保障問(wèn)題，包括風(fēng)電場(chǎng)及施工運(yùn)維人員的安全保障、施工及運(yùn)維船舶的安全保障以及風(fēng)電場(chǎng)附近水域通航船舶的安全保障。傳統(tǒng)的安全保障方法，即在風(fēng)電場(chǎng)水域配布航標(biāo)、燈樁等難以對(duì)靠近風(fēng)電場(chǎng)或穿越風(fēng)電場(chǎng)區(qū)的部分船舶起到有效警示及驅(qū)離作用，且傳統(tǒng)的保障方法只能被動(dòng)地警示，難以主動(dòng)地預(yù)警。因此，從風(fēng)電場(chǎng)以及附近船舶通航安全的角度出發(fā)，采用智能化、信息化手段進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)水域的安全監(jiān)管與保障，可以與風(fēng)電場(chǎng)航標(biāo)相輔相成，也是對(duì)傳統(tǒng)航標(biāo)在警示和驅(qū)離誤入船舶領(lǐng)域的補(bǔ)充，起到共同保障風(fēng)電場(chǎng)施工及船舶通航安全的作用。

2 海上風(fēng)電場(chǎng)概況

2.1 海上風(fēng)電場(chǎng)構(gòu)成

海上風(fēng)電場(chǎng)是一個(gè)系統(tǒng)的工程。一個(gè)典型的海上風(fēng)電場(chǎng)一般包括如下的組成部分：

（1）海上測(cè)風(fēng)塔設(shè)施;

（2）海上風(fēng)力發(fā)電單元：包括海上發(fā)電機(jī)組、配套設(shè)施（塔筒、支撐結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)）;

（3）海上升壓站;

（4）海底電力傳輸系統(tǒng);主要包括海底電纜及相應(yīng)的電纜保護(hù)（跨院）裝置;

（5）陸上終端：主要包括陸上岸基的變電站或者集控中心。

海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及海上升壓站作為海上風(fēng)電場(chǎng)最核心的構(gòu)成要素，其組成如圖2所示：

2.2 海上風(fēng)電場(chǎng)分類(lèi)

海上風(fēng)電場(chǎng)根據(jù)所在水域特點(diǎn)一般分為三類(lèi)：潮間帶和潮下帶灘涂風(fēng)電場(chǎng)、近海風(fēng)電場(chǎng)、深海風(fēng)電場(chǎng)。

潮間帶和潮下帶灘涂風(fēng)電場(chǎng)：多年平均大潮高潮平均線以下至理論值最低潮位以下5m深內(nèi)的海域。

近海風(fēng)電場(chǎng)：理論最低潮位以下5—50m水深內(nèi)的海域含無(wú)人島以及海礁。

深海風(fēng)電場(chǎng)：理論最低潮位以下50m水深的海域，含無(wú)人島以及海礁。

3 海上風(fēng)電場(chǎng)安全保障需求分析

江蘇作為沿海地區(qū)風(fēng)能資源最為突出的省市，風(fēng)功率密度高，發(fā)電量多，是建設(shè)風(fēng)電場(chǎng)的優(yōu)良地區(qū)[8]。本文在編寫(xiě)之前，實(shí)地走訪江蘇沿海多家風(fēng)電企業(yè)，實(shí)地考察后發(fā)現(xiàn)，江蘇沿海主要風(fēng)電建設(shè)企業(yè)都有一整套監(jiān)控風(fēng)機(jī)和海底電纜運(yùn)轉(zhuǎn)的系統(tǒng)，部分風(fēng)機(jī)上安裝了CCTV和AIS，但CCTV主要用來(lái)監(jiān)控風(fēng)機(jī)內(nèi)部設(shè)施，而一般不會(huì)用來(lái)監(jiān)控過(guò)往船舶，AIS僅安裝在風(fēng)電場(chǎng)四個(gè)角點(diǎn)的風(fēng)機(jī)塔筒平臺(tái)上，對(duì)于較大范圍的風(fēng)電場(chǎng)而言，安全保障效果有限。在此背景條件下，海上風(fēng)電場(chǎng)安全監(jiān)管及保障需求總結(jié)如下：

（1）風(fēng)機(jī)、海上升壓站上需配備一定數(shù)量的AIS、CCTV、雷達(dá)以及VHF等設(shè)施設(shè)備，其信號(hào)應(yīng)能傳輸至岸上值班室以及主管機(jī)關(guān)，并保持有效開(kāi)啟和正常使用。

（2）風(fēng)機(jī)（特別是外圍風(fēng)機(jī)）、海上升壓站、海底電纜缺少對(duì)附近船舶（包括施工船舶、運(yùn)維船舶、附近航行船舶（漁船、靠近風(fēng)電場(chǎng)船舶））的有效監(jiān)控和預(yù)警。例如：能夠監(jiān)控到靠近風(fēng)電場(chǎng)船舶的航行動(dòng)態(tài)，若相對(duì)距離過(guò)近，進(jìn)行警示或報(bào)警，提醒過(guò)往船舶繞行或駛離。

（3）在施工建設(shè)階段和運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段缺少有效的通訊聯(lián)絡(luò)設(shè)施或系統(tǒng)，單憑現(xiàn)有的VHF、手機(jī)設(shè)備不能保障船-船，船-岸之間的有效溝通。

（4）風(fēng)機(jī)（特別是外圍風(fēng)機(jī)）、海上升壓站上可配備一定數(shù)量的遠(yuǎn)程強(qiáng)聲擴(kuò)音設(shè)備，以提醒或驅(qū)離附近無(wú)關(guān)船舶。在海上風(fēng)電場(chǎng)施工建設(shè)階段，若施工船舶VHF、手機(jī)等無(wú)法有效使用，對(duì)于近距離的船舶也可通過(guò)遠(yuǎn)程強(qiáng)聲擴(kuò)音設(shè)備進(jìn)行溝通。

海上風(fēng)電場(chǎng)的電子圍欄及聲光預(yù)警系統(tǒng)，恰恰利用雷達(dá)、AIS、CCTV等傳感器采集現(xiàn)場(chǎng)信息，實(shí)現(xiàn)全方位監(jiān)控，并利用聲光報(bào)警設(shè)備實(shí)現(xiàn)有船舶闖入風(fēng)電預(yù)警區(qū)域時(shí)及時(shí)預(yù)警，實(shí)現(xiàn)電子海圖顯示平臺(tái)、三維視景顯示平臺(tái)、風(fēng)電水域智能監(jiān)控和輔助決策等功能，與目前海上風(fēng)電場(chǎng)安全保障需求不謀而合。2019年12月，《連云港海事局海上風(fēng)電海事監(jiān)管暫行辦法》[9]公布施行，也首次提出將電子圍欄在海上風(fēng)電安全監(jiān)管廣泛應(yīng)用的思想。

4 電子圍欄及聲光預(yù)警系統(tǒng)方法

風(fēng)電水域電子圍欄及聲光預(yù)警系統(tǒng)是為風(fēng)電水域的船舶交通安全監(jiān)控、預(yù)警和維護(hù)提供解決方案。該系統(tǒng)旨在通過(guò)采用信息化手段，為風(fēng)電場(chǎng)施工及營(yíng)運(yùn)進(jìn)行安全保障，在保障風(fēng)電場(chǎng)安全的同時(shí)保障航行于風(fēng)電場(chǎng)附近水域船舶的通航安全。

4.1該系統(tǒng)包括

（1）海上風(fēng)電場(chǎng)多功能電子圍欄和警戒方法;

（2）海上風(fēng)電場(chǎng)施工/維護(hù)船舶一體化安全保障方法。

4.2其中海上風(fēng)電場(chǎng)多功能電子圍欄和警戒方法包括

（1）虛擬電子圍欄和施工船舶警戒區(qū)的建立

（2）AIS，雷達(dá)，CCTV數(shù)據(jù)源的融合

（3）預(yù)警方法

4.3海上風(fēng)電場(chǎng)施工/維護(hù)船舶一體化安全保障方法包括

（1）地圖可視化顯示

（2）船舶動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)跟蹤及交通組織系統(tǒng)

（3）虛擬警示引導(dǎo)系統(tǒng)

（4）CCTV系統(tǒng)

（5）雷達(dá)目標(biāo)跟蹤和預(yù)警系統(tǒng)

（6）人員動(dòng)態(tài)跟蹤、顯示與失蹤預(yù)警系統(tǒng)

4.4風(fēng)電水域電子圍欄及聲光預(yù)警系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

（1）綜合數(shù)據(jù)采集：利用雷達(dá)、AIS、CCTV等傳感器采集現(xiàn)場(chǎng)信息，實(shí)現(xiàn)全方位監(jiān)控;

（2）及時(shí)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)進(jìn)行預(yù)警：利用聲光報(bào)警設(shè)備實(shí)現(xiàn)有船舶闖入風(fēng)電預(yù)警區(qū)域時(shí)及時(shí)預(yù)警;

（3）網(wǎng)絡(luò)通信：在風(fēng)電已有光纖通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，建立自主的覆蓋整個(gè)監(jiān)控區(qū)域的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，并能利用運(yùn)營(yíng)商的商用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行補(bǔ)充通信;

（4）統(tǒng)一調(diào)度：融合VHF、單邊帶短波電臺(tái)、IP 話機(jī)、移動(dòng)電話等通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心、巡邏船、辦公網(wǎng)絡(luò)等各個(gè)工作崗位基于 IP 的無(wú)縫調(diào)度和統(tǒng)一通信，并能實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)警船舶的自動(dòng)呼叫;

（5）綜合展現(xiàn)：實(shí)現(xiàn)電子海圖顯示平臺(tái)、三維視景顯示平臺(tái)、風(fēng)電水域智能監(jiān)控和輔助決策等功能，為風(fēng)電水域監(jiān)控和遇險(xiǎn)應(yīng)急指揮提供一個(gè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺(tái)，形成一個(gè)高度直 觀、智能化的監(jiān)控三維地理信息系統(tǒng);

（6）數(shù)據(jù)交換：實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)等在風(fēng)電智慧大平臺(tái)、第三方應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)過(guò)濾、接口和交換。

4.5 三級(jí)預(yù)警報(bào)警功能實(shí)現(xiàn)

4.5.1三級(jí)預(yù)警報(bào)警流程

風(fēng)電場(chǎng)三級(jí)預(yù)警報(bào)警流程如圖5所示。

4.5.2 三級(jí)預(yù)警報(bào)警機(jī)制

三級(jí)預(yù)警報(bào)警機(jī)制如下：當(dāng)有船舶穿過(guò)藍(lán)色預(yù)警線時(shí)，雷達(dá)和AIS系統(tǒng)捕捉到船舶信息，VHF甚高頻電臺(tái)發(fā)出“某某船舶闖入施工水域”的語(yǔ)音播報(bào)信息，提醒船舶盡快駛離施工水域;當(dāng)船舶繼續(xù)航行穿過(guò)黃色預(yù)警線時(shí)，自動(dòng)觸發(fā)預(yù)警系統(tǒng)，警示船舶駛離施工水域;當(dāng)船舶未聽(tīng)勸阻，繼續(xù)航行穿過(guò)紅色預(yù)警線時(shí)，需人為干預(yù)驅(qū)離船舶，同時(shí)，CCTV系統(tǒng)開(kāi)啟，跟蹤監(jiān)控船舶航行動(dòng)態(tài)。紅黃藍(lán)三級(jí)預(yù)警線間距設(shè)置以及觸發(fā)形式，可根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行調(diào)整，如圖6所示。

面向海上風(fēng)電場(chǎng)的電子圍欄及聲光預(yù)警系統(tǒng)，與現(xiàn)有技術(shù)相比具備以下有益效果：

（1）利用雷達(dá)、AIS、CCTV等傳感器采集現(xiàn)場(chǎng)信息，實(shí)現(xiàn)全方位監(jiān)控，并利用聲光報(bào)警設(shè)備實(shí)現(xiàn)有船舶闖入風(fēng)電預(yù)警區(qū)域時(shí)及時(shí)預(yù)警，與實(shí)物風(fēng)電水域警示標(biāo)志相比較，不占用通航水域，不影響視覺(jué)瞭望，避免了實(shí)物警示標(biāo)志安裝施工難度大、費(fèi)用高和維護(hù)困難等問(wèn)題。

（2）傳統(tǒng)的航標(biāo)配布方案難以對(duì)靠近風(fēng)電場(chǎng)或穿越風(fēng)電場(chǎng)區(qū)的部分船舶難以起到有效警示及驅(qū)離作用，從風(fēng)電企業(yè)運(yùn)營(yíng)安全、便于監(jiān)管以及減少水上交通事故的角度出發(fā)，配備帶有多級(jí)預(yù)警的電子圍欄及聲光預(yù)警系統(tǒng)可以與風(fēng)電場(chǎng)航標(biāo)工程相輔相成，也是對(duì)傳統(tǒng)航標(biāo)工程在警示和驅(qū)離誤入船舶領(lǐng)域的補(bǔ)充，起到共同保障風(fēng)電場(chǎng)施工及船舶安全的作用。

（3）海上風(fēng)電場(chǎng)周邊交通環(huán)境復(fù)雜，附近通航船舶存在誤入風(fēng)電場(chǎng)，發(fā)生損壞海纜以及與風(fēng)機(jī)、施工船舶、運(yùn)維船舶等發(fā)生碰撞的安全隱患，特別是“三無(wú)”船舶及部分未開(kāi)啟AIS船舶，僅憑AIS系統(tǒng)很難捕捉，電子圍欄及聲光預(yù)警系統(tǒng)將AIS、雷達(dá)、CCTV、VHF、聲光預(yù)警設(shè)備等進(jìn)行融合，其設(shè)置可以有效捕捉、預(yù)警、呼叫、驅(qū)離所有誤入船舶，有效地保障船舶通航安全以及風(fēng)電場(chǎng)施工及營(yíng)運(yùn)安全。

5? 結(jié)語(yǔ)

本文提出一種電子圍欄及聲光預(yù)警系統(tǒng)方法，作為在海上風(fēng)電場(chǎng)安全保障方面應(yīng)用的探索。

一方面，可將AIS，雷達(dá)，CCTV、VHF、聲光報(bào)警器等融合于一體，彌補(bǔ)了海上風(fēng)電場(chǎng)傳統(tǒng)安全保障方法在低能見(jiàn)度下安全保障效果較差以及主動(dòng)預(yù)警報(bào)警方面的不足;

另一方面，電子圍欄及聲光預(yù)警系統(tǒng)是對(duì)已有成熟技術(shù)與設(shè)備的融合，技術(shù)層面沒(méi)有壁壘，可以達(dá)到預(yù)期保障效果，值得推廣。

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