海上風(fēng)電場(chǎng)智能安全監(jiān)控平臺(tái)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

潘天國(guó) 王維公 李東起 黎禎祥 陳文 范嵩 李俊立

1.中廣核陽(yáng)江海上風(fēng)力發(fā)電有限公司；2.廣東海安水運(yùn)技術(shù)服務(wù)有限公司；3.廣州市勤思網(wǎng)絡(luò)科技有限公司

海上風(fēng)電近年來(lái)呈現(xiàn)迅猛的發(fā)展勢(shì)頭，《“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃》顯示，到2025年，我國(guó)可再生能源年發(fā)電量應(yīng)達(dá)到3.3萬(wàn)億千瓦時(shí)左右，風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電量實(shí)現(xiàn)翻倍[1]。海上風(fēng)電場(chǎng)有諸多優(yōu)勢(shì)，但因其在海上形成了固定或漂浮的礙航物，占用大片通航水域，對(duì)通航環(huán)境構(gòu)成影響，容易造成船舶碰撞風(fēng)機(jī)事故[2]。另外，風(fēng)電場(chǎng)水域面積廣闊，設(shè)備龐大，給風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)運(yùn)維的船舶和人員安全帶來(lái)了挑戰(zhàn)。海上天氣變化快、環(huán)境復(fù)雜，不同海域差異性也較大，作業(yè)窗口期相對(duì)較短，這些也給海上風(fēng)電設(shè)備后期運(yùn)維安全帶來(lái)了困難。在風(fēng)電產(chǎn)業(yè)進(jìn)入發(fā)展快車(chē)道之際，風(fēng)電場(chǎng)及相鄰水域安全管理成為一個(gè)重中之重的問(wèn)題。

1.海上風(fēng)電的安全監(jiān)控需求

（1）風(fēng)電場(chǎng)動(dòng)態(tài)感知需求。海上風(fēng)電場(chǎng)面積廣闊，存在多個(gè)需要進(jìn)行安全監(jiān)控的對(duì)象，如何進(jìn)行覆蓋全域范圍的信息采集是首先需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

（2）風(fēng)險(xiǎn)事件感知需求。針對(duì)已知的海量數(shù)據(jù)，如何進(jìn)行存儲(chǔ)和分析，及時(shí)識(shí)別其中與人、船、物相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)事件是海上風(fēng)電安全監(jiān)控的另一大需求。

（3）風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)急需求。安全事件的量化、感知和處理，需要建設(shè)配套的處理、展示與應(yīng)急處理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)隱患的自動(dòng)判別、捕捉與報(bào)警，做到即時(shí)發(fā)現(xiàn)、即時(shí)處理，提前預(yù)防，保障企業(yè)安全生產(chǎn)。

2.智能化海上風(fēng)電監(jiān)控平臺(tái)系統(tǒng)

2.1 平臺(tái)設(shè)計(jì)思路

針對(duì)目前海上風(fēng)電安全監(jiān)控的需求，結(jié)合大數(shù)據(jù)、人工智能和信息化手段，建設(shè)基于海上風(fēng)電安全監(jiān)控的軟硬件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域內(nèi)的人、船、物的安全監(jiān)控。首先建設(shè)和聯(lián)通基礎(chǔ)傳感器，采集風(fēng)電場(chǎng)域內(nèi)多種不同維度的數(shù)據(jù)；其次，利用大數(shù)據(jù)和人工智能手段，對(duì)各類(lèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與融合；再次，以電子海圖為基礎(chǔ)，結(jié)合可視化技術(shù)提供數(shù)據(jù)的查詢(xún)、分析和決策功能；最后，結(jié)合風(fēng)電和海事監(jiān)控要求，構(gòu)建一體化決策平臺(tái)。

2.2 平臺(tái)架構(gòu)

智慧海上風(fēng)電安全監(jiān)控平臺(tái)架構(gòu)見(jiàn)圖1。

2.3 基礎(chǔ)平臺(tái)建設(shè)

2.3.1 全域要素采集

利用各類(lèi)傳感器、終端采集設(shè)備，通過(guò)有線、無(wú)線、物聯(lián)網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)，對(duì)風(fēng)電海域周邊的關(guān)鍵要素進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并匯聚于平臺(tái)。通過(guò)各類(lèi)模型算法對(duì)匯聚數(shù)據(jù)進(jìn)行整合、挖掘，最終實(shí)現(xiàn)應(yīng)急管理的大數(shù)據(jù)應(yīng)用，在此基礎(chǔ)上為監(jiān)督管理、監(jiān)測(cè)預(yù)警、指揮救援、決策支持等基礎(chǔ)業(yè)務(wù)提供有力支撐保障。

采集數(shù)據(jù)的硬件包括CCTV、AIS、雷達(dá)、VHF、水文、氣象等終端設(shè)備，采集的數(shù)據(jù)為終端設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)以及通過(guò)數(shù)據(jù)同步方式獲取的有關(guān)海上通航要素?cái)?shù)據(jù)，如船舶、船員、航道等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.3.2 大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)

為了滿足智慧風(fēng)電運(yùn)維管理和安全應(yīng)急指揮等應(yīng)用需求，實(shí)現(xiàn)智慧風(fēng)電全局通信的互聯(lián)互通，需完成對(duì)包括CCTV、AIS、雷達(dá)、VHF等設(shè)備形成的數(shù)據(jù)資源進(jìn)行存儲(chǔ)與有效整合。由于采集的數(shù)據(jù)為格式不同異構(gòu)數(shù)據(jù)，需要經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)有效的數(shù)據(jù)處理，才能形成有效的決策數(shù)據(jù)，因而需要建立相應(yīng)的大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)采集數(shù)據(jù)的清洗、預(yù)處理和分析決策。

2.3.3 深度學(xué)習(xí)平臺(tái)

數(shù)據(jù)的決策分析基于模型，而大數(shù)據(jù)的建模必須依靠精確的數(shù)據(jù)特征抽取。面對(duì)海量的風(fēng)電場(chǎng)異構(gòu)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)特征分析是一個(gè)挑戰(zhàn)。深度學(xué)習(xí)是近年來(lái)廣泛用于數(shù)據(jù)分析建模的主流技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)視頻、音頻和文本等多種異構(gòu)數(shù)據(jù)的處理?；谏疃葘W(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)特征分析是實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)大數(shù)據(jù)分析決策的關(guān)鍵。

2.3.4 定位系統(tǒng)

北斗定位。采用北斗定位作為人員定位終端信號(hào)。人員定位終端佩戴在作業(yè)人員身上，實(shí)時(shí)接收北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)地面差分站播發(fā)的差分改正信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)人員的分米級(jí)精準(zhǔn)定位，并將定位結(jié)果實(shí)時(shí)發(fā)送給平臺(tái)。平臺(tái)通過(guò)對(duì)終端傳送數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到人員的具體位置，并將位置信息在海圖上顯示，同時(shí)判斷人員是否在已設(shè)定好的施工作業(yè)區(qū)域內(nèi)，根據(jù)判斷結(jié)果進(jìn)行安全區(qū)域報(bào)警，實(shí)現(xiàn)對(duì)人員的精準(zhǔn)安全管控。

AIS定位。為全面掌握風(fēng)電場(chǎng)域內(nèi)船舶動(dòng)態(tài)，通過(guò)場(chǎng)域的AIS設(shè)備接收過(guò)往船舶發(fā)出的AIS信號(hào)，采集船舶航行路線定位數(shù)據(jù)。通過(guò)船舶AIS數(shù)據(jù)的采集能夠?qū)崿F(xiàn)：1）識(shí)別船舶身份；2）及時(shí)掌握船舶路線并判斷是否進(jìn)入核心控制區(qū)狀態(tài)；3）預(yù)判船舶航速航向，判斷船舶是否有碰撞風(fēng)機(jī)和拖拽海纜的風(fēng)險(xiǎn)。

2.3.5 海圖系統(tǒng)

電子海圖服務(wù)平臺(tái)支持對(duì)風(fēng)電應(yīng)用圖層的接入服務(wù)，可以對(duì)包括通航要素、AIS實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、VTS實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、行政區(qū)域、運(yùn)維管控區(qū)域等風(fēng)電業(yè)務(wù)應(yīng)用圖層提供接入服務(wù)，并可以實(shí)現(xiàn)不同圖層的疊加及切換顯示。可接入符合OGC標(biāo)準(zhǔn)的Web地圖資源。

2.4 應(yīng)用平臺(tái)建設(shè)

2.4.1 人員監(jiān)控

①位置監(jiān)控。風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的施工作業(yè)人員都需要佩戴定位識(shí)別裝置，以便實(shí)時(shí)采集人員位置信息。通過(guò)人員位置信息的采集一方面可以記錄人員工作打卡的工作地點(diǎn)和時(shí)間，另外對(duì)高危作業(yè)的人員來(lái)說(shuō)，一旦發(fā)生落水或者傷害事件，通過(guò)設(shè)備可以及時(shí)發(fā)出響應(yīng)并提示救援，降低因事故帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。

②行為監(jiān)控。近年來(lái)隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，基于視頻圖像開(kāi)展人員異常行為監(jiān)控已成為可能。在人員行為監(jiān)控中，最重要的問(wèn)題是人體關(guān)鍵點(diǎn)分析，這類(lèi)問(wèn)題可以利用深度學(xué)習(xí)中的人體姿態(tài)估計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。風(fēng)電場(chǎng)域內(nèi)人員的監(jiān)控重點(diǎn)是安全行為監(jiān)控，如施工人員是否超越警戒區(qū)域、人員密度、人員統(tǒng)計(jì)、機(jī)械操作規(guī)范與否等。

2.4.2 船舶監(jiān)控

①船舶識(shí)別與跟蹤。利用AI智能識(shí)別技術(shù)，集視頻圖像智能分析和監(jiān)測(cè)預(yù)警于一體，對(duì)進(jìn)入安全管控區(qū)域的船舶進(jìn)行識(shí)別并對(duì)其行為進(jìn)行分析，如識(shí)別船名、錨泊行為等。對(duì)未開(kāi)啟AIS船舶，可實(shí)現(xiàn)對(duì)隱患船舶的自動(dòng)判別、捕捉與報(bào)警，做到即時(shí)發(fā)現(xiàn)、即時(shí)處理。實(shí)時(shí)監(jiān)控過(guò)往船舶細(xì)節(jié)，尤其是船名船號(hào)，保存為圖片，并結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)。基于視頻實(shí)現(xiàn)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)船舶流量且每艘船均有照片為證，提升流量數(shù)據(jù)采集質(zhì)量和頻度，提高統(tǒng)計(jì)工作的準(zhǔn)確度。對(duì)于航行在風(fēng)電場(chǎng)域內(nèi)的船舶，通過(guò)AI視頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)船舶的識(shí)別與跟蹤，能夠掌握船舶的航行動(dòng)態(tài)。

②船舶異常行為監(jiān)控。利用AIS大數(shù)據(jù)，結(jié)合AI視頻分析，對(duì)根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)多級(jí)預(yù)警的情況設(shè)置不同針對(duì)船舶的電子圍欄規(guī)則：禁止進(jìn)入、限制進(jìn)入、禁止錨泊、限制錨泊、禁止掉頭、區(qū)域防走錨、區(qū)域限速、關(guān)機(jī)監(jiān)控等，同時(shí)系統(tǒng)可配置多級(jí)管控電子圍欄的智能分析算法。對(duì)于識(shí)別到的行為異常的船舶，可及時(shí)通過(guò)VHF設(shè)備或者AIS短信通知船主，及時(shí)駛出風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控區(qū)域。

2.4.3 風(fēng)機(jī)監(jiān)控

①風(fēng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)控。將風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的參數(shù)采集到系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)：一是風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的可視化展示，通過(guò)3D模型疊加風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)，讓用戶(hù)直觀了解風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)；二是通過(guò)對(duì)歷史運(yùn)行參數(shù)的收集與處理，實(shí)現(xiàn)參數(shù)統(tǒng)計(jì)以供決策，另外通過(guò)對(duì)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行建模，可實(shí)現(xiàn)對(duì)異常狀態(tài)的預(yù)測(cè)和預(yù)警，及早處置風(fēng)險(xiǎn)。

②風(fēng)機(jī)葉片監(jiān)控。風(fēng)機(jī)葉片是風(fēng)機(jī)設(shè)施的重要組成部分，由于長(zhǎng)時(shí)間高強(qiáng)度惡劣環(huán)境情況下的運(yùn)行，可能會(huì)出現(xiàn)損壞。系統(tǒng)在風(fēng)機(jī)停機(jī)時(shí)，使用高清攝像頭拍攝的照片，結(jié)合AI智能分析技術(shù)，對(duì)風(fēng)機(jī)葉片情況進(jìn)行自動(dòng)分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)葉片存在的問(wèn)題。風(fēng)機(jī)葉片的智能監(jiān)控減少了人工現(xiàn)場(chǎng)操作的風(fēng)險(xiǎn)，可以提高運(yùn)維頻次和運(yùn)維效率。

2.4.4 風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)急處置

風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部和周邊的人、船、物、環(huán)境等信號(hào)經(jīng)過(guò)采集和處理后，形成了信息化數(shù)據(jù)，為快速感知風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行狀態(tài)提供了基礎(chǔ)，同時(shí)，也為應(yīng)急決策響應(yīng)提供了依據(jù)。例如：船舶進(jìn)入風(fēng)電場(chǎng)周邊領(lǐng)域，值班人員可以根據(jù)船舶的識(shí)別情況對(duì)其發(fā)出提醒；船舶進(jìn)入風(fēng)電場(chǎng)核心區(qū)域時(shí)，如果識(shí)別存在異常行為，可以發(fā)出驅(qū)離信號(hào)；風(fēng)電設(shè)備運(yùn)行參數(shù)存在預(yù)警，系統(tǒng)生成檢修任務(wù)，提示維修；檢測(cè)到人員落水時(shí)，可以及時(shí)將信息同步給搜救機(jī)構(gòu)，同時(shí)創(chuàng)建緊急救援程序并下發(fā)到相關(guān)人員組織現(xiàn)場(chǎng)救援。通過(guò)安全監(jiān)控基礎(chǔ)硬件的建設(shè)和應(yīng)用平臺(tái)的建設(shè)，能夠?qū)L(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)險(xiǎn)因素在第一時(shí)間發(fā)掘出來(lái)，為安全風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)急響應(yīng)提供了依據(jù)。

2.4.5 綜合展示與查詢(xún)分析

①查詢(xún)功能。滿足對(duì)船舶、人員、風(fēng)機(jī)、通航要素、敏感資源、應(yīng)急力量、歷史信息這些數(shù)據(jù)提供快速查詢(xún)的要求，數(shù)據(jù)整合后在系統(tǒng)建立數(shù)據(jù)索引，對(duì)不同數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)篩查，提供高效的高速查詢(xún)檢索的速度。

②統(tǒng)計(jì)分析功能。基于靜態(tài)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，按照數(shù)據(jù)的維度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并形成表格、柱狀圖、餅狀圖、折線圖等各種類(lèi)型的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。提供對(duì)大數(shù)據(jù)的分析加工能力，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)、分類(lèi)、關(guān)聯(lián)分析等各種模式分析。

③展示功能。建立風(fēng)電場(chǎng)域一張圖，綜合展示風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)?；谀_本、三維動(dòng)畫(huà)、圖表建立各主題數(shù)據(jù)的展示模塊，結(jié)合業(yè)務(wù)特性，以靜態(tài)或者動(dòng)態(tài)的方式渲染數(shù)據(jù)結(jié)果，形成有效的感知決策基礎(chǔ)。

綜合展示與查詢(xún)分析效果如圖2所示。

圖2 綜合展示與查詢(xún)分析

3.結(jié)束語(yǔ)

海上風(fēng)電的自身特性決定了安全因素是風(fēng)電生命周期中必須關(guān)注的重要因素?；诤Ｉ蠌?fù)雜環(huán)境特點(diǎn)，結(jié)合風(fēng)電安全監(jiān)控業(yè)務(wù)的需求和痛點(diǎn)，本文提出了智能化海上風(fēng)電監(jiān)控平臺(tái)的解決方案。借助人工智能和大數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)域綜合數(shù)據(jù)進(jìn)行感知、處理和分析，形成對(duì)風(fēng)險(xiǎn)因素有效感知和風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)智能決策的重要平臺(tái)。海上風(fēng)電智能監(jiān)控平臺(tái)的建設(shè)和應(yīng)用，能有效降提升風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的能力，對(duì)保障人民的財(cái)產(chǎn)和生命安全具有重要意義。