海上風(fēng)電工程安全管理創(chuàng)新研究

如東和風(fēng)海上風(fēng)力發(fā)電有限公司 葛中原 和慶冬 張 成 單程程

海上風(fēng)電場遠離陸地，復(fù)雜的氣象和貧瘠的通訊，使得海上風(fēng)電項目施工安全管理難度急劇增加。針對上述痛點，引入“互聯(lián)網(wǎng)+”理念，依托遠距離自組網(wǎng)的通訊技術(shù)，建立強勁可靠的海上通訊環(huán)境，研究利用先進的信息化手段，特別是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將傳感技術(shù)、移動通訊技術(shù)等手段設(shè)計植入到海上風(fēng)電基建項目現(xiàn)場的建筑、機械、人員穿戴、上下船進出關(guān)口、手持終端等管理對象中，綜合實現(xiàn)對現(xiàn)場人員、機械、設(shè)備以及施工作業(yè)各個環(huán)節(jié)的數(shù)字化管理，實現(xiàn)海上風(fēng)電工程安全管理創(chuàng)新。

國外海上風(fēng)電建設(shè)運維技術(shù)已經(jīng)相對成熟，各發(fā)電公司和大型海上風(fēng)電場均建設(shè)有自己的智慧管理調(diào)度系統(tǒng)，比如瑞典電力公司Vattenfall 針對海上風(fēng)電場的管理和調(diào)度打造了新一代的數(shù)字運維資跟蹤管理系統(tǒng)；西門子引入了丹麥ConWX 公司的精細化氣象海洋預(yù)報系統(tǒng)、為風(fēng)電場提供精細化氣象海洋預(yù)報。國內(nèi)海上風(fēng)電建設(shè)起步較晚，在基建期大都采用分散式的功能性軟件，如氣象預(yù)報系統(tǒng)、GPS 人員海上定位、利用船訊網(wǎng)數(shù)據(jù)進行船舶信息查詢等，然而這些功能性軟件并未解決遠海風(fēng)電場通訊信號差、遠程監(jiān)控管理難等問題。

1 系統(tǒng)設(shè)計功能

根據(jù)海上風(fēng)電工程特點，系統(tǒng)引入“互聯(lián)網(wǎng)+”理念，依托自組網(wǎng)的通訊技術(shù)，將海上人員船舶管理系統(tǒng)、可視化管理系統(tǒng)、智能監(jiān)控系統(tǒng)、準(zhǔn)入控制系統(tǒng)、安全培訓(xùn)系統(tǒng)和實時處理等相關(guān)安全管理軟件整合成一體化的海上風(fēng)電工程安全管理支持系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計功能如下：

基于Smesh 無線組網(wǎng)技術(shù)，在海上施工作業(yè)面和岸上升壓站施工區(qū)域分別部署一套網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)陸海遠距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊螅焕迷朴嬎慵夹g(shù)實時精準(zhǔn)獲取施工作業(yè)區(qū)域氣象數(shù)據(jù)預(yù)報、預(yù)警信息，為人員出海提供氣象保障服務(wù)；使用AIS 船舶自動識別技術(shù)，實現(xiàn)海上船舶的識別管理、船舶的軌跡查詢、船舶的定位查詢，并通過設(shè)定施工區(qū)域的電子圍欄技術(shù)，實現(xiàn)外來船只進入施工區(qū)域的報警和實時管控；引入數(shù)字電子地圖系統(tǒng)，基于海圖實現(xiàn)施工區(qū)域的可視化、船只識別的可視化、工程進度的可視化、海上人員的可視化、外來船舶闖入的可視化及報警等功能，實現(xiàn)海上施工作業(yè)區(qū)域可視化、精細化管理。

AI 識別技術(shù)，利用大數(shù)據(jù)和云計算技術(shù)實現(xiàn)視頻流與特征模型的對比分析，實現(xiàn)人員行為違章（如未戴安全帽識別，未穿戴救生衣識別）的智能抓拍及推送，以及煙火的智能分析抓拍、推送，實現(xiàn)安全隱患的AI 分析識別，自動實現(xiàn)施工區(qū)域存在安全隱患的識別與報警；建設(shè)準(zhǔn)入控制管理系統(tǒng)，并實現(xiàn)與安全管理支持系統(tǒng)的數(shù)據(jù)聯(lián)動和無縫對接，規(guī)范施工人員上下船只的管理，強化安全管控手段；建立豐富的海上風(fēng)電工程安全培訓(xùn)平臺，利用二維碼技術(shù)，通過移動端掃碼學(xué)習(xí)提高施工人員安全知識學(xué)習(xí)的便利性和主觀性，實現(xiàn)安全知識學(xué)習(xí)的創(chuàng)新；收集海上安全過程管控的相關(guān)數(shù)據(jù)并進行匯總、分析，有效控制現(xiàn)場施工安全風(fēng)險，實現(xiàn)趨勢分析與安全預(yù)警。

圖1 系統(tǒng)功能

2 系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)

為實現(xiàn)項目施工現(xiàn)場安全管理“防、管、控”三大業(yè)務(wù)功能，系統(tǒng)主要應(yīng)用了二維碼、RFID 電子標(biāo)簽、數(shù)字地圖、無線WIFI 組網(wǎng)、AI 智能識別等技術(shù)。利用二維碼給項目施工現(xiàn)場被管理對象打上數(shù)字化標(biāo)簽，數(shù)字地圖與無線WIFI 組網(wǎng)的結(jié)合則形成了項目現(xiàn)場的數(shù)字網(wǎng)格系統(tǒng)。數(shù)字化標(biāo)簽記錄了被管理對象的基礎(chǔ)信息和管理要素信息，是對象唯一標(biāo)識。數(shù)字網(wǎng)格系統(tǒng)動態(tài)地定義了施工現(xiàn)場地理信息和各被管理對象的地理位置和活動狀態(tài)，兩者結(jié)合應(yīng)用是現(xiàn)場管理物聯(lián)網(wǎng)化的基礎(chǔ)。通過數(shù)字化標(biāo)簽和數(shù)字網(wǎng)格系統(tǒng)的相互作用，能夠有效地對施工現(xiàn)場的人員、設(shè)備、施工機械以及危險源等管理對象進行全面、及時的安全監(jiān)控。

2.1 數(shù)字化標(biāo)簽

數(shù)字化標(biāo)簽在本項目中定義為人員、設(shè)備或機械的唯一標(biāo)識，實現(xiàn)對管控對象的數(shù)字化。在本項目中，數(shù)字標(biāo)簽信息由二維碼、RFID 電子標(biāo)簽、后臺數(shù)字信息三部分共同構(gòu)成被監(jiān)控管理對象的完整定義，三者結(jié)合形成該管控對象的唯一數(shù)字標(biāo)簽，可適應(yīng)本項目的各種環(huán)境和場景。通過讀取標(biāo)簽，可方便、快速地查詢?nèi)藛T、設(shè)備或機械的詳細信息，便于管理，它是工地現(xiàn)場物聯(lián)網(wǎng)化的基礎(chǔ)。

二維碼（2-dimensional bar code）技術(shù)是用某種特定的幾何圖形按一定規(guī)律在平面（二維方向上）分布的黑白相間的圖形記錄數(shù)據(jù)符號信息。利用系統(tǒng)的掃碼功能可方便地將這種二維布局的幾何圖形迅速翻譯成可識別的文字或其他信息；RFID（射頻識別Radio Frequency Identification）技術(shù)利用無線射頻方式在讀寫器和電子標(biāo)簽之間進行非接觸雙向數(shù)據(jù)傳輸，以達到目標(biāo)識別和數(shù)據(jù)交換的目的。RFID 系統(tǒng)的組成一般包括電子標(biāo)簽、讀寫器兩個部分。

2.2 數(shù)字網(wǎng)格系統(tǒng)

在海上基建期現(xiàn)場各個區(qū)域的作業(yè)特點和施工要求各不相同，借助信息化手段對各個區(qū)域的管控進行區(qū)分，實行網(wǎng)格化管理，形成數(shù)字網(wǎng)格系統(tǒng)。實現(xiàn)對管理區(qū)域、管理對象、管理過程和工作評價的數(shù)字化。

利用數(shù)字地圖技術(shù)和無線WIFI 組網(wǎng)技術(shù)將被管理對象呈現(xiàn)在數(shù)字網(wǎng)格系統(tǒng)中，并利用信息化手段對項目施工現(xiàn)場管理對象進行數(shù)字化管理，可將項目現(xiàn)場施工平面、重點區(qū)域數(shù)字化、網(wǎng)格化，以地圖的形態(tài)直觀地反映在信息系統(tǒng)中；并結(jié)合現(xiàn)場重點區(qū)域的無線WIFI，將打上數(shù)字化標(biāo)簽的被管控對象接入網(wǎng)絡(luò)與后臺系統(tǒng)通信，納入數(shù)字地圖中進行監(jiān)控與管理。

數(shù)字地圖技術(shù)。是將平面物理信息與空間物理信息的數(shù)字化，在一定范圍的坐標(biāo)系統(tǒng)內(nèi)確定的坐標(biāo)和屬性的地面要素和對象，并在計算機中虛擬呈現(xiàn)。本項目中利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，將海上風(fēng)電工程的施工現(xiàn)場進行平面信息數(shù)字化與空間信息可視化，構(gòu)建成為一個直觀的項目現(xiàn)場數(shù)字電子地圖，作為施工現(xiàn)場智能監(jiān)控的可視化管理平臺。

無線WIFI 組網(wǎng)技術(shù)。是指在不添加有線基礎(chǔ)設(shè)施的情況下，基于IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)，利用無線傳輸設(shè)備部署架設(shè)局域網(wǎng)。本項目中，海上工程施工現(xiàn)場的復(fù)雜性、可變性、不易布設(shè)有線鏈路等特點，選用運營商4G 網(wǎng)絡(luò)結(jié)合4G 轉(zhuǎn)WIFI 設(shè)備，可簡單快速地架設(shè)一套針對施工現(xiàn)場重點區(qū)域的WIFI網(wǎng)絡(luò)覆蓋，實現(xiàn)現(xiàn)場實時和有效的信息化管理。

2.3 虛擬化技術(shù)

通過服務(wù)器虛擬化技術(shù)，充分發(fā)揮硬件資源、提高利用率，在支撐應(yīng)用系統(tǒng)靈活擴展的同時，也大大降低了系統(tǒng)運維、管理成本。基于服務(wù)組件框 架SCA（Service Component Architecture，SCA）、服務(wù)數(shù)據(jù)對象SDO（Service Data Object，SDO）等技術(shù)組件式開發(fā)的管控一體化系統(tǒng)，系統(tǒng)功能模塊易拆分、易組合，具有靈活的部署方式，滿足各項目的多級應(yīng)用。

3 海上風(fēng)電安全管理支持系統(tǒng)的構(gòu)建

圖2 系統(tǒng)可視化界面

海上風(fēng)電安全管理支持系統(tǒng)主要包括可視化管理系統(tǒng)、海上人員船舶管理系統(tǒng)、智能監(jiān)控系統(tǒng)、安全培訓(xùn)系統(tǒng)、實時處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、準(zhǔn)入系統(tǒng)共7大子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)構(gòu)建如下。

3.1 可視化管理系統(tǒng)

將工程現(xiàn)場進行平面信息數(shù)字化與空間信息可視化，構(gòu)建成為一個直觀的項目現(xiàn)場數(shù)字電子地圖，實現(xiàn)區(qū)域管控功能，提升海上風(fēng)電安全管理的監(jiān)督管理手段。可視化管理系統(tǒng)主要內(nèi)容如下。

基于實時處理系統(tǒng)的日常檢查、專項檢查數(shù)據(jù)，實現(xiàn)安全隱患的檢查和整改的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析與展示；基于船舶管理的功能數(shù)據(jù)實現(xiàn)作業(yè)船只識別、外來船只識別、外來船只闖入報警的可視化展示功能；基于AI 遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)，將施工區(qū)域作業(yè)情況實時進行展示，并對AI 監(jiān)控識別的安全問題實時進行曝光；與應(yīng)急處置系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)接口，實時將應(yīng)急處置發(fā)布的（煙火報警、人員落水報警、氣象臺風(fēng)報警等）進行可視化展示；獲取船只人員準(zhǔn)入控制數(shù)據(jù)，實時將施工船只人員信息進行可視化展示。

3.2 海上人員船舶管理系統(tǒng)

海上人員船舶管理系統(tǒng)包括出海人員管理系統(tǒng)、氣象服務(wù)保障系統(tǒng)和船舶識別管理系統(tǒng)三項功能。

出海人員管理系統(tǒng)。通過建立出海人員跟蹤管理制度，實現(xiàn)出海人員表單化、流程化和規(guī)范化管理，根據(jù)出海管理要求，自動判斷出海作業(yè)日期是否滿足作業(yè)條件，實時提供氣象預(yù)報和預(yù)警信息。為保證現(xiàn)場項目負責(zé)人、專職安全管理人員和特種作業(yè)人員的從業(yè)資質(zhì)滿足現(xiàn)場安全生產(chǎn)的需要，實現(xiàn)對上述人員基礎(chǔ)信息、資質(zhì)信息的收集和審查工作，同時為準(zhǔn)入控制系統(tǒng)提供人員準(zhǔn)入判斷依據(jù)。

氣象服務(wù)保障系統(tǒng)。依托氣象局風(fēng)場區(qū)域衛(wèi)星及鄰近氣象站觀測大數(shù)據(jù)信息（天氣、溫度、10M 風(fēng)、10M 陣風(fēng)、100M 風(fēng)、浪高、能見度、降水量、相對濕度、雷電概率），系統(tǒng)實時精準(zhǔn)獲取施工作業(yè)區(qū)域氣象數(shù)據(jù)信息，并根據(jù)海上作業(yè)出海管理的氣象條件要求，自動實現(xiàn)氣象分析預(yù)報、預(yù)警功能，為人員出海提供氣象保障服務(wù)。

船舶識別管理系統(tǒng)。使用AIS 船舶自動識別技術(shù)，實現(xiàn)海上船舶的識別管理、船舶的軌跡查詢、船舶的定位查詢，并通過設(shè)定施工區(qū)域的電子圍欄技術(shù)，實現(xiàn)外來船只進入施工區(qū)域的報警和實時管控。

3.3 其他系統(tǒng)

智能監(jiān)控系統(tǒng)。利用AI 識別技術(shù)，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)實現(xiàn)視頻流與特征模型的對比分析，實現(xiàn)人員行為違章（如未戴安全帽識別，未穿戴救生衣識別）的智能抓拍及推送，以及煙火報警的智能分析抓拍、推送，實現(xiàn)安全隱患的AI 分析識別，自動實現(xiàn)施工區(qū)域存在安全隱患的識別與報警，實時將已識別的安全隱患推送到手機端、PC 端進行報警展示。彌補了傳統(tǒng)安全管理方法在監(jiān)管中的缺陷，實現(xiàn)了海上復(fù)雜作業(yè)環(huán)境的智慧化管理創(chuàng)新，同時提高了安全管理的效率。

安全培訓(xùn)系統(tǒng)。提供內(nèi)容豐富的針對海上作業(yè)安全的培訓(xùn)課程，涵蓋動漫視頻安全教育片、集團公司安全質(zhì)量管理導(dǎo)則等內(nèi)容，并配備相應(yīng)考試題庫；數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行采集分析，通過分析人力資源數(shù)據(jù)、施工機械數(shù)據(jù)和違章數(shù)據(jù)，判斷項目是否安全可控，為管理提供進一步?jīng)Q策支撐；準(zhǔn)入系統(tǒng)。人員進場前施工單位需上報人員基礎(chǔ)信息，經(jīng)管理單位審核后，進行入場安全教育培訓(xùn)及考試，考試合格后方可制卡及發(fā)卡。船只建設(shè)人臉生物識別驗證設(shè)備，實現(xiàn)對各人員進出海上作業(yè)船只管控。使系統(tǒng)直接調(diào)取到該人員的人臉圖像庫進行比對，加快比對速度，以便人員快速登船。

綜上，海上風(fēng)電安全管理支持系統(tǒng)解決了現(xiàn)階段海上風(fēng)電場建設(shè)期存在的痛點難點，重點突破基建期海上通訊瓶頸，研究利用先進的信息化手段實現(xiàn)對現(xiàn)場人員、機械、施工的全方位、全過程實時監(jiān)控，將海上風(fēng)電基建現(xiàn)場安全管理從被動“監(jiān)督”變?yōu)橹鲃印氨O(jiān)控”，該系統(tǒng)于2019年應(yīng)用在國家電投集團濱海南H3海上風(fēng)電項目建設(shè)上，應(yīng)用效果良好，有效提升海上風(fēng)電工程管理本質(zhì)安全水平。