海上風(fēng)電場虛擬電子圍欄技術(shù)的研究與應(yīng)用

崔 凱

（中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

0 引言

隨著風(fēng)電行業(yè)的不斷發(fā)展，海上風(fēng)電場的優(yōu)勢將是不可替代的，近海風(fēng)電將是我國東部沿海地區(qū)風(fēng)電發(fā)展的重點。但是，海上風(fēng)電場建立在離岸數(shù)千米～幾十千米之外，環(huán)境惡劣，天氣狀況復(fù)雜，人員出海受到各類因素的制約，給風(fēng)電場的運行管理、安全、通航及并網(wǎng)控制等帶來很多管理和技術(shù)困難。海上風(fēng)電場的基建期與運維期，各類船舶來往不斷，隨意的拋錨對風(fēng)機、海纜的安全造成極大隱患。

虛擬電子圍欄技術(shù)在城市停車、船舶進出港口方面都有應(yīng)用案例，實現(xiàn)了對船舶、汽車在一定固定區(qū)域的監(jiān)控識別，一旦船舶、汽車駛離此區(qū)域即可提醒管理人員。但此前研究案例都在通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)發(fā)達地區(qū)，在離岸較遠(yuǎn)海上風(fēng)電場等通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)較弱地區(qū)鮮有研究案例，也沒有使用數(shù)字化模型立體展示。為此，在借鑒前人研究成果的基礎(chǔ)上[1–2]，對海上風(fēng)電場應(yīng)用虛擬電子圍欄技術(shù)進行深入研究。

1 海上虛擬電子圍欄研究

虛擬電子圍欄顧名思義就是此圍欄無物理實體，僅在軟件系統(tǒng)上可見?；陲L(fēng)電場的風(fēng)機 GIS坐標(biāo)數(shù)據(jù)，將所有風(fēng)機坐標(biāo)連成多邊形，并根據(jù)風(fēng)電場風(fēng)機的坐標(biāo)形狀外輪廓線，將輪廓線適當(dāng)外擴一定距離，此輪廓線即定義為海上虛擬電子圍欄。

借助船舶 AIS（自動識別系統(tǒng)）技術(shù)實現(xiàn)船舶定位，通過計算船舶在海上的坐標(biāo)與風(fēng)電場電子圍欄相對邊界關(guān)系，實現(xiàn)一旦外部船舶在風(fēng)電場虛擬電子圍欄范圍內(nèi)闖入、拋錨，系統(tǒng)實時計算風(fēng)電場周邊所有船舶位置關(guān)系，實時預(yù)警，全天候保證風(fēng)電場周界安全。

1.1 算法原理

海上風(fēng)電場區(qū)域形狀在規(guī)劃上是規(guī)則多邊形，在海上風(fēng)電場區(qū)域外圍和海纜兩側(cè)一定范圍搭建虛擬電子圍欄，當(dāng)外部船舶闖入虛擬電子圍欄時及時發(fā)出報警信息。

判斷船舶是否位于虛擬電子圍欄內(nèi)，首先根據(jù)多邊形的最大最小經(jīng)緯度坐標(biāo)做出 1 個矩形，過濾掉不在矩形內(nèi)的船舶。

過濾掉不在矩形內(nèi)的船舶后，再根據(jù)以下方法判斷矩形內(nèi)的船舶是否在多邊形內(nèi)：1）計算射線與多邊形邊界相交的次數(shù)，任一射線穿過多邊形，奇數(shù)段位于多邊形內(nèi)，偶數(shù)段位于多邊形外。2）檢查一點是否在多邊形內(nèi)，可以作一射線往任意方向投射：若射線與多邊形邊的相交次數(shù)n為奇數(shù)，則點位于多邊形內(nèi)；若射線與多邊形相交次數(shù)為偶數(shù)，則點位于多邊形外。算法原理圖如圖 1 所示。

圖1 算法原理圖

根據(jù)以上基本原理，在已知船舶 AIS 定位的情況下，根據(jù)船舶與虛擬圍欄區(qū)域多邊形相交次數(shù)，可以判斷外部船舶是否闖入虛擬電子圍欄。

1.2 船舶監(jiān)控

風(fēng)電場項目位置距離海岸較遠(yuǎn)，岸基 AIS 基站覆蓋范圍有限，為了獲得船舶的 AIS 數(shù)據(jù)，接入第三方公司的衛(wèi)星 AIS 數(shù)據(jù)，融合岸基和衛(wèi)星的 AIS數(shù)據(jù)，形成更高精度、更廣范圍的 AIS 數(shù)據(jù)。同時，疊加和融合雷達實時圖像[3]，對船舶進行實時跟蹤和監(jiān)管。

運維期間，在海上升壓站投入運營后，考慮將AIS 基站移至海上升壓站，距離更近，可更為有效地監(jiān)控風(fēng)電場區(qū)域外部船舶。

1.3 人員監(jiān)控

風(fēng)電場施工運維期間，在固定點位安裝定位基站，出海人員佩戴定位手環(huán)或個人信標(biāo)，當(dāng)出海人員進入定位基站接收范圍內(nèi)，基于 UWB（超寬帶）技術(shù)實現(xiàn)人員定位功能[4]。當(dāng)人員在船上時，通過船舶的 AIS 位置信息指代人員的位置。

人員監(jiān)控，主要針對的是人員落水情況。當(dāng)出現(xiàn)人員落水情況時，佩戴在救生衣上的個人信標(biāo)遇水會自動發(fā)送信號，信號通過 AIS 和北斗衛(wèi)星RDSS（Radio Determination Satellite Service）等通信設(shè)備實現(xiàn)衛(wèi)星精確定位、自動報警、位置持續(xù)跟蹤、落水人員歷史軌跡查詢功能[5]。

2 海上虛擬電子圍欄應(yīng)用

江蘇某海上風(fēng)電場位于黃海近海海域，場區(qū)中心點離海岸距離約為 44 km，海底地形有一定起伏，海底高程為 -2～-14 m。風(fēng)電場近似呈梯形，東西方向平均長度約為 6.5 km，南北寬度約為 5.7 km，規(guī)劃海域面積約為 37 km2。

2.1 海面超視距通信

2.1.1 超視距通信原理

在滿足一定的氣象條件的情況下，靠近海面的水蒸氣由于蒸發(fā)效果，使得大氣濕度隨高度增加而逐漸降低，而電磁波非常容易受到大氣折射的影響使得傳播折射軌跡彎曲向水面。近地表層波導(dǎo)強度能力以蒸發(fā)波導(dǎo)高度表征。蒸發(fā)波導(dǎo)對電磁波傳播的影響主要表現(xiàn)在對電磁波的陷獲作用上，這種效應(yīng)對應(yīng)了微波信號在蒸發(fā)波導(dǎo)環(huán)境下所具有的異常傳輸能力——超視距傳播。海面蒸發(fā)波導(dǎo)對電磁波傳播的影響示意圖如圖 2 所示。

圖2 蒸發(fā)波導(dǎo)對電磁波傳播的影響示意圖

微波通信若利用海面蒸發(fā)波導(dǎo)形成超視距傳播需要滿足以下基本條件[6]：

1）海面必須存在一定高度的蒸發(fā)波導(dǎo)。根據(jù)統(tǒng)計，全球海域蒸發(fā)波導(dǎo)平均高度在 13～16 m 之間。低緯度出現(xiàn)可利用波導(dǎo)高度的概率為 60%～80%，我國大部分海域處于低緯度，充分利用這種信道資源，則微波通信系統(tǒng)可望實現(xiàn)較高可靠度的超視距傳輸。

2）系統(tǒng)工作頻率必須高于最低陷獲頻率。蒸發(fā)波導(dǎo)陷獲電磁波的能力依賴于系統(tǒng)的頻率，根據(jù)波導(dǎo)模式理論，中性層結(jié)條件下波導(dǎo)所能捕獲的最低電磁波頻率為fmin= 360.33z–1.5GHz（z為蒸發(fā)波導(dǎo)高度）。國外研究表明，海面蒸發(fā)波導(dǎo)通常只對頻率高于 3 GHz 的系統(tǒng)具有陷獲電磁波的能力，但頻率如果高于 20 GHz 則不再以海面蒸發(fā)波導(dǎo)傳播為主，因此，微波通信系統(tǒng)的工作頻率應(yīng)在 3～20 GHz 之間。對距離海岸較遠(yuǎn)的風(fēng)電場區(qū)域，需要實時獲取船舶 AIS 位置數(shù)據(jù)及人員的實時位置，通過微波通信技術(shù)可實現(xiàn)海上風(fēng)電場與集控中心的實時網(wǎng)絡(luò)通信。

2.1.2 超視距通信解決方案

根據(jù)海域環(huán)境在沿岸制高點架設(shè) 5 GHz 伺服微波基站（高于最低陷獲頻率）?？紤]到海岸邊建筑物的高度及接入網(wǎng)絡(luò)運營商的便利性，一般選擇將伺服微波基站掛在運營商的基站鐵塔上。

利用高增益扇區(qū)天線覆蓋風(fēng)電場區(qū)海域（46 km）范圍，以其中 1 條海上固定大船作為主船安裝鏈路回傳終端，形成骨干鏈路，鏈路帶寬約為 20 Mbit/s。微波基站工程按 4 個作業(yè)面考慮，同時在主船上設(shè)置 5.8 GHz 無線基站，在其余 3 條施工船上安裝船載終端，形成分支鏈路，分支鏈路可以覆蓋主船周邊 8 km 海域，鏈路帶寬約為 30 Mbit/s。考慮到通信設(shè)備投資，其余 3 條施工船均以主船作為通信中繼，借助骨干鏈路將信號回傳至陸地，解決方案示意圖如圖 3 所示。根據(jù)實際海況測試，當(dāng)風(fēng)機海域最遠(yuǎn)端距離岸上基站超過 60 km 時，此解決方案提供的通信網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量不再滿足通信要求。

圖3 超視距通信解決方案示意圖

為滿足基建期管理要求，在每艘施工船的艙內(nèi)安裝覆蓋 AP（無線接入點），可實時將高清攝像機視頻傳輸至陸上集控中心，并且達到船上人員實時與陸上人員利用手機軟件（微信等工具軟件）實現(xiàn)視頻及語音通話的目的。

基建期結(jié)束后，將主船上的終端站移至海上升壓站，并將其余幾個船載終端站移至適當(dāng)風(fēng)機上，形成岸基中心站至海上升壓站的骨干主鏈路，以及風(fēng)機與海上升壓站之間的分支鏈路。借助此通信鏈路的搭建，在運維期提供光纖通信與衛(wèi)星電話以外的備用通信網(wǎng)絡(luò)。

2.2 虛擬電子圍欄技術(shù)

2.2.1 海上風(fēng)電場數(shù)字化模型的建立

海上風(fēng)電場數(shù)字化模型建設(shè)時考慮到海上風(fēng)電場涉及的專業(yè)較多（包含結(jié)構(gòu)、土建、電氣一次、電氣二次等專業(yè)），在對多家三維建模軟件 Revit，MicroStation，Catia 等進行比較后，針對 Bentley 軟件在專業(yè)覆蓋規(guī)模上的全面性，最終采用 Bentley 公司基于 MicroStation 平臺的建模軟件進行海上風(fēng)電場的全專業(yè)數(shù)字化模型建立。海上風(fēng)電場數(shù)字化模型包括升壓站、風(fēng)機、陸上集控中心等模型，數(shù)字化模型壓縮后發(fā)布至網(wǎng)頁端，可以形象立體地展示模型與電子圍欄的位置關(guān)系。建立的海上升壓站模型如圖 4所示。

圖4 海上升壓站模型

2.2.2 虛擬電子圍欄的實踐應(yīng)用

利用船舶 AIS 和GIS 及三維建筑信息模型（BIM）技術(shù)，構(gòu)建風(fēng)電場虛擬電子圍欄。運用 BIM 技術(shù)搭建完善的風(fēng)電場全專業(yè)數(shù)字化模型，把物理風(fēng)電場完全以數(shù)字化形態(tài)展現(xiàn)，同時利用虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)建立虛擬海上風(fēng)電場 3D 演示系統(tǒng)。虛擬電子圍欄與風(fēng)電場全專業(yè)數(shù)字化模型結(jié)合，以立體形象的數(shù)字化方式保障海上風(fēng)電場安全[7]，如圖 5 所示。

圖5 海上虛擬電子圍欄

江蘇某海上風(fēng)電場的風(fēng)機 GIS 坐標(biāo)形成一個規(guī)則的梯形，將風(fēng)電場的梯形輪廓線外擴 200 m，此擴大的梯形定義為風(fēng)電場的虛擬電子圍欄。

虛擬電子圍欄設(shè)置如下：內(nèi)部船舶默認(rèn)可以在風(fēng)電場內(nèi)任意航行；外部船舶進入、停留都可以根據(jù) AIS 信息獲取船舶具體 MMSI（海上移動業(yè)務(wù)識別）碼，并可跟蹤船舶軌跡[8]。從實際風(fēng)電場中闖入電子圍欄的外部船舶報警信息中，可以看到闖入船舶的名稱、時間、位置等信息。對于在風(fēng)電場區(qū)域范圍內(nèi)的船舶，可以根據(jù)需要定位船舶位置，并查詢一定時間范圍內(nèi)船舶的行駛軌跡。

基于虛擬電子圍欄技術(shù)開發(fā)的識別監(jiān)控軟件安裝于陸上集控中心中控室內(nèi)主機上，當(dāng)有外部船舶闖入風(fēng)電場電子圍欄內(nèi)，系統(tǒng)會有報警聲音提示風(fēng)電場維護人員處理。

3 結(jié)語

本研究通過在江蘇某風(fēng)電場的實踐應(yīng)用，所有外部船舶在管控風(fēng)電場的拋錨、穿越都會及時提醒風(fēng)電場管理人員，并提供外部船舶拋錨穿越軌跡路線，充分展示了虛擬電子圍欄技術(shù)在風(fēng)電場安全管控方面的作用。對于深遠(yuǎn)海區(qū)域的風(fēng)電場，由于目前海上超視距通信限制，無法完美解決深遠(yuǎn)海區(qū)域風(fēng)電場網(wǎng)絡(luò)通信問題，本研究軟件系統(tǒng)暫無深遠(yuǎn)海風(fēng)電場測試效果。與目前已有的成果相較而言，研究的海上虛擬電子圍欄技術(shù)應(yīng)用于海上通信網(wǎng)絡(luò)信號不發(fā)達區(qū)域，解決了通信問題，并拓展研究深度，對船舶的軌跡進行跟蹤，滿足風(fēng)電場業(yè)主實際需求。在目前已能追蹤外部船舶闖入風(fēng)電場過程的基礎(chǔ)上，進一步的研究方向是在外部船舶闖入時直接干預(yù)，可接入遠(yuǎn)程喊話系統(tǒng)直接通知有外部船舶的闖入，避免事故的發(fā)生。研究的虛擬電子圍欄技術(shù)，對各個風(fēng)電場特性不存在依賴關(guān)系，技術(shù)通用性強，可為國內(nèi)其他風(fēng)電場建設(shè)運維期的安全管控起到示范作用。虛擬電子圍欄技術(shù)可幫助項目管理人員實時了解風(fēng)電場運行及異常情況，動態(tài)跟蹤作業(yè)人員安全，提高海上風(fēng)電場運行管理水平。