海上風(fēng)電安全監(jiān)測(cè)水下監(jiān)測(cè)儀器防撞技術(shù)探討

中國電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 陳 曉 江 南 崔偉強(qiáng)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和能源需求量不斷增加，風(fēng)能作為一種清潔、可再生的新型能源逐漸受到人們重視。然而，風(fēng)速不穩(wěn)定以及海上環(huán)境復(fù)雜等因素，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電存在一定的風(fēng)險(xiǎn)性。其中，最主要的問題就是風(fēng)機(jī)倒塌事故。因此，對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行有效的安全檢測(cè)具有重要意義[1]。

目前，國內(nèi)外已經(jīng)有很多關(guān)于海洋工程結(jié)構(gòu)物的安全監(jiān)測(cè)方面的研究工作，而針對(duì)海底電纜及風(fēng)機(jī)設(shè)備的安全監(jiān)測(cè)研究相對(duì)較少。本文將重點(diǎn)探討基于聲波測(cè)距原理設(shè)計(jì)的水下監(jiān)測(cè)儀器在實(shí)際應(yīng)用中可能會(huì)遇到的碰撞問題及其解決方案[2]。通過分析現(xiàn)有的防撞措施并結(jié)合具體情況提出改進(jìn)建議，以期提高水下監(jiān)測(cè)儀器在惡劣海況下的抗干擾能力，保障其正常運(yùn)行[3]。

1 海上風(fēng)電安全監(jiān)測(cè)水下監(jiān)測(cè)儀器防撞系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)需求分析

在進(jìn)行本次研究之前，需要對(duì)該系統(tǒng)的需求進(jìn)行詳細(xì)地分析。首先是功能方面的要求：該系統(tǒng)首先應(yīng)當(dāng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)目標(biāo)物體的識(shí)別與跟蹤，同時(shí)還要具備一定的報(bào)警能力和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、查詢等基本功能；其次要求具有較高的可靠性和穩(wěn)定性能，以保證在長(zhǎng)時(shí)間使用過程中不會(huì)出現(xiàn)故障或異常情況；再次為了滿足不同用戶的實(shí)際需求，系統(tǒng)還需支持多種操作系統(tǒng)和平臺(tái)，并且易于安裝和維護(hù)[3]。基于以上幾點(diǎn)要求，將該系統(tǒng)分為三個(gè)主要部分：前端采集設(shè)備、中間傳輸模塊以及后端數(shù)據(jù)處理中心。其中，前端采集設(shè)備負(fù)責(zé)對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行探測(cè)和信號(hào)采集，包括聲學(xué)傳感器、光學(xué)攝像頭等裝置；中間傳輸模塊則將來自前端采集設(shè)備的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和打包發(fā)送至后端數(shù)據(jù)處理中心；最后由后端數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和計(jì)算，最終生成相應(yīng)的報(bào)告和警報(bào)信息并發(fā)送給相關(guān)人員[4]。

1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)主要由傳感器模塊、信號(hào)處理模塊和控制中心組成。其中，傳感器模塊負(fù)責(zé)采集水下數(shù)據(jù)；信號(hào)處理模塊對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理并將其傳輸至控制中心；控制中心則通過數(shù)據(jù)處理分析實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控與保護(hù)功能（如圖1所示）。具體而言，該系統(tǒng)包括以下幾個(gè)部分。

傳感器模塊：用于采集水下環(huán)境參數(shù)信息，如水溫、水壓等。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合不同類型的傳感器，可進(jìn)一步獲取其他相關(guān)信息[5]，如流速、流向、波浪高度等。信號(hào)調(diào)理電路：用于對(duì)接收到的微弱信號(hào)進(jìn)行放大濾波等處理，以提高信噪比，使后續(xù)信號(hào)處理更加準(zhǔn)確可靠。同時(shí)，還需考慮抗干擾能力，保證整個(gè)系統(tǒng)能夠穩(wěn)定工作。數(shù)字信號(hào)處理單元：采用高速單片機(jī)作為主控芯片，配合外圍元器件完成信號(hào)的數(shù)字化處理及通信協(xié)議轉(zhuǎn)換。

1.3 系統(tǒng)工作原理

本系統(tǒng)采用聲波測(cè)距的方法進(jìn)行目標(biāo)距離測(cè)量。當(dāng)有障礙物靠近時(shí)，超聲波發(fā)射器發(fā)出聲波信號(hào)并通過耦合裝置將其發(fā)送到接收器中，接收器收到反射波后記錄下時(shí)間戳和相位差，進(jìn)而計(jì)算出障礙物與之間的距離。具體實(shí)現(xiàn)過程如下所述。

第一，需要確定發(fā)射端和接收端的位置以及相對(duì)角度。在實(shí)際應(yīng)用中，可以使用GPS 等定位設(shè)備對(duì)兩者進(jìn)行精確定位；同時(shí)也可利用聲吶、激光等傳感器實(shí)時(shí)獲取自身所在方位角信息。此外，為了保證測(cè)量精度，應(yīng)盡量減小發(fā)射端和接收端之間距離，一般情況下應(yīng)小于50m。

第二，由于聲波傳播速度約為340m/s，因此從發(fā)射端到達(dá)接收端的時(shí)間t=c＊s/f。其中c 表示聲波在空氣中的傳播速度，取值范圍為340～740m/s；s表示聲波傳播路徑長(zhǎng)度，即從發(fā)射端至障礙物的直線距離，可取值為50m；f 表示頻率，通常為20kHz或8m/Hz。

第三，根據(jù)上述參數(shù)，結(jié)合聲波衰減模型，可以得到聲波從發(fā)射端到達(dá)接收端的理論傳輸時(shí)間T=C＊f^2/2ρ（s-x）。其中：ρ 表示海水密度，可取值為1025kg/m3；C 表示聲波在水中的傳輸速率，取決于介質(zhì)特性及聲波頻率等因素，一般情況下為常數(shù)。

第四，考慮到實(shí)際環(huán)境噪聲干擾等因素影響，需要對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行濾波處理以提高信噪比。

1.4 系統(tǒng)主要功能模塊

本系統(tǒng)的主要功能包括：實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)和分析數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行全面監(jiān)控；通過聲光報(bào)警提示工作人員及時(shí)處理異常情況；具有自檢和故障診斷能力，能夠快速準(zhǔn)確地定位故障點(diǎn)并排除故障。下文將分別介紹各個(gè)模塊的具體功能。

1.4.1 數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)模塊

該模塊是整個(gè)防撞系統(tǒng)中最核心的部分之一，其主要任務(wù)是完成對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)采集和存儲(chǔ)。為了確保數(shù)據(jù)的可靠性和完整性，采用高精度傳感器進(jìn)行信號(hào)采集，同時(shí)在硬件上增加了多路復(fù)用器以提高數(shù)據(jù)傳輸速率。此外，針對(duì)海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)問題，還引入了分布式數(shù)據(jù)庫來管理數(shù)據(jù)，從而有效降低了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間需求。

1.4.2 數(shù)據(jù)處理與分析模塊

該模塊負(fù)責(zé)對(duì)接收到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、去噪等預(yù)處理操作，然后利用多種算法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，提取有用信息并存儲(chǔ)于本地?cái)?shù)據(jù)庫中。當(dāng)有需要時(shí)，用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程訪問這些數(shù)據(jù)，進(jìn)一步挖掘潛在價(jià)值。

1.4.3 聲光報(bào)警模塊

一旦發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)異常情況，該模塊會(huì)立即發(fā)出警報(bào)提醒相關(guān)人員采取相應(yīng)措施。為了增強(qiáng)報(bào)警效果，特別設(shè)置了聲音和燈光兩種報(bào)警方式，其中聲音報(bào)警方法基于預(yù)先錄制好的風(fēng)機(jī)運(yùn)行聲音文件，燈光報(bào)警方法則是通過LED 燈陣列模擬閃爍效果。無論哪種方法都能夠讓值班人員迅速感知異常情況并做出響應(yīng)。

1.4.4 自檢及故障診斷模塊

該模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)各部件進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)和故障診斷。由于水下環(huán)境復(fù)雜惡劣，很多傳統(tǒng)的故障檢測(cè)手段往往無法正常使用，因此采用了先進(jìn)的智能化檢測(cè)手段，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊推理等。通過不斷學(xué)習(xí)和積累經(jīng)驗(yàn)，系統(tǒng)能夠自主判斷和解決大部分常見故障，大幅提升運(yùn)維效率，降低維護(hù)成本。

2 海上風(fēng)電安全監(jiān)測(cè)水下監(jiān)測(cè)儀器防撞系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

本系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：傳感器數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理與傳輸、聲光報(bào)警以及通信等。其中，傳感器數(shù)據(jù)采集是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)和核心部分，其準(zhǔn)確性直接影響到后續(xù)處理結(jié)果的可靠性；信號(hào)處理與傳輸則負(fù)責(zé)對(duì)采集到的原始信號(hào)進(jìn)行濾波、去噪、增益放大等預(yù)處理操作，以提高信噪比并方便后續(xù)分析處理；聲光報(bào)警模塊通過聲音或燈光方式向用戶發(fā)出警報(bào)信息，提醒用戶及時(shí)采取措施避免危險(xiǎn)發(fā)生；通信模塊則為上位機(jī)提供了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接口，使數(shù)據(jù)處理及顯示能夠在上位機(jī)上完成。這些關(guān)鍵技術(shù)相互配合，共同實(shí)現(xiàn)了本系統(tǒng)的功能需求。下文將分別介紹各個(gè)環(huán)節(jié)中采用的具體技術(shù)方法及其優(yōu)缺點(diǎn)。

2.1 傳感器數(shù)據(jù)采集技術(shù)

本系統(tǒng)所選用的壓力傳感器具有響應(yīng)速度快、靈敏度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，適用于海洋環(huán)境下各種水壓測(cè)量場(chǎng)合。但同時(shí)也存在一些缺點(diǎn)，如易受電磁干擾、溫度漂移大等問題。因此，需要針對(duì)這些不足之處進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)優(yōu)化。例如，可以增加濾波電路來減少噪聲干擾，使用更高精度的ADC 芯片來提高采樣頻率從而降低溫漂誤差，等等。此外，還需注意硬件保護(hù)，定期檢查維護(hù)傳感器，保證其正常工作。

2.2 信號(hào)處理與傳輸技術(shù)

由于傳感器采集到的原始信號(hào)往往含有大量的高頻噪聲和雜波，因此需要對(duì)其進(jìn)行濾波、去噪、增益放大等預(yù)處理操作。常用的數(shù)字信號(hào)處理算法有線性插值法、多項(xiàng)式擬合法、小波變換法等。

2.3 防撞系統(tǒng)硬件電路技術(shù)

本節(jié)主要介紹防撞系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)。在進(jìn)行防撞系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮到其工作原理、功能需求，以及實(shí)際應(yīng)用環(huán)境等因素。為了保證該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地識(shí)別目標(biāo)并及時(shí)做出響應(yīng)，本文采用了以下幾種方案來實(shí)現(xiàn)對(duì)障礙物的有效檢測(cè)和預(yù)警。

2.3.1 基于超聲波測(cè)距的避障模塊設(shè)計(jì)

由于水下環(huán)境復(fù)雜多變，存在大量的障礙物以及水流等干擾因素，因此在設(shè)計(jì)防撞系統(tǒng)硬件電路時(shí)，首先要考慮如何避免這些干擾因素對(duì)測(cè)量結(jié)果造成影響。為此，選擇使用高精度數(shù)字式溫度傳感器DS18B20作為主控芯片的溫度補(bǔ)償模塊，通過實(shí)時(shí)采集水體溫度數(shù)據(jù)，可以精確計(jì)算出水下不同位置的水溫情況，從而減小因水溫變化引起的誤差；其次，針對(duì)可能出現(xiàn)的障礙物遮擋問題，還選用了透明亞克力板材料制作的遮光罩將探頭部分完全覆蓋住，以確保光線無法進(jìn)入探測(cè)范圍內(nèi)，進(jìn)一步提高了測(cè)量的可靠性。最后，為了防止異物卡死或損壞主控芯片，還添加了自動(dòng)保護(hù)機(jī)制，即當(dāng)探頭被堵塞或者是因?yàn)槠渌驅(qū)е滦盘?hào)異常時(shí)，會(huì)立即切斷電源并發(fā)出警報(bào)提示。

2.3.2 多路并行信號(hào)處理模塊設(shè)計(jì)

在實(shí)際應(yīng)用中，往往需要對(duì)多個(gè)方向上的障礙物產(chǎn)生反應(yīng)，因此在設(shè)計(jì)防撞系統(tǒng)硬件電路時(shí)，需要充分考慮這一點(diǎn)。為此，采用了高速A/D 轉(zhuǎn)換器MCP51F49作為主控芯片的多路并行信號(hào)處理模塊，其支持高達(dá)6通道同步采樣，可滿足多方向障礙物的快速識(shí)別與定位要求。具體來說，該模塊內(nèi)部集成了多種濾波算法和控制邏輯單元，如自適應(yīng)陷波濾波算法和多級(jí)放大電路等，可以有效濾除噪聲和雜波，提取有用信息并輸出給相應(yīng)的處理器進(jìn)行后續(xù)處理。值得一提的是，該模塊還具備一定的抗干擾能力，即使在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下也能正常運(yùn)行。

2.4 防撞系統(tǒng)軟件

基于STM32F407ZG 的防撞系統(tǒng)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。該軟件主要包括以下幾個(gè)模塊：通信模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、控制模塊和顯示模塊等。其中，通信模塊是整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮诵牟糠?；?shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)對(duì)采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并提取有用信息；控制模塊則通過串口與硬件設(shè)備相連接來實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的控制；而顯示模塊則用于實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前系統(tǒng)工作狀態(tài)以及獲取傳感器測(cè)量結(jié)果等相關(guān)參數(shù)。具體來說，通信模塊采用了UART 串行接口協(xié)議與水下監(jiān)測(cè)儀器進(jìn)行連接，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的可靠傳輸。數(shù)據(jù)處理模塊首先對(duì)接收到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波和平滑處理以提高信噪比，然后利用卡爾曼濾波算法對(duì)信號(hào)進(jìn)行去噪處理，最后再使用均值濾波法對(duì)信號(hào)進(jìn)行平滑處理。此外，還可以通過自適應(yīng)閾值分割方法來提取有效目標(biāo)信息，進(jìn)一步提高信號(hào)處理效果。

3 總結(jié)

本文提出的基于聲吶圖像處理的海上風(fēng)電防碰撞預(yù)警方法，將多種不同類型、不同精度的傳感器信息進(jìn)行了有效融合。這比目前主流的船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（AIS）和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在一定程度上有更強(qiáng)的預(yù)測(cè)碰撞的能力，并且能更多地減少誤報(bào)。隨著科技不斷發(fā)展進(jìn)步，相信會(huì)有更多更先進(jìn)的技術(shù)被應(yīng)用到海上風(fēng)電安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中，為保障海上風(fēng)電設(shè)備運(yùn)行提供更為可靠的支持。