海上風(fēng)電場(chǎng)防入侵感知預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

【關(guān)鍵詞】海上風(fēng)電場(chǎng)；防入侵感知預(yù)警；多源數(shù)據(jù)融合

引言

隨著全球能源、資源和環(huán)境問(wèn)題日益凸顯，尤其是全球氣候變化不斷加劇，風(fēng)能作為一種清潔、可再生的能源備受各國(guó)關(guān)注。在這一背景下，海上風(fēng)電成為當(dāng)前世界上發(fā)展最快的可再生能源之一，引起了我國(guó)的高度重視并展開(kāi)了大規(guī)模開(kāi)發(fā)。隨著我國(guó)海上風(fēng)電場(chǎng)逐步進(jìn)入大規(guī)模運(yùn)營(yíng)階段，確保風(fēng)電設(shè)備、海底電纜的安全運(yùn)營(yíng)，以及維護(hù)周邊水域的船舶通航安全，已成為亟待解決的重要問(wèn)題[1-3]。

本研究從風(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，研發(fā)一種具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的基于小目標(biāo)雷達(dá)、AIS、光電等多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)的海上風(fēng)電場(chǎng)防入侵感知預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)海上風(fēng)電場(chǎng)周邊船舶航行態(tài)勢(shì)感知、實(shí)時(shí)預(yù)警及電子圍欄等各種功能。

一、防入侵感知預(yù)警系統(tǒng)

本研究聚焦于風(fēng)電場(chǎng)及其周邊水域的通航安全，應(yīng)用智能化技術(shù)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行全面監(jiān)控。為此，設(shè)計(jì)了一套具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的海上風(fēng)電場(chǎng)防入侵預(yù)警系統(tǒng)。首先，集成了先進(jìn)的小目標(biāo)雷達(dá)、AIS（自動(dòng)識(shí)別）基站和光電監(jiān)控設(shè)備，這些設(shè)備共同構(gòu)成了多源數(shù)據(jù)融合處理平臺(tái)。然后，通過(guò)多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)，系統(tǒng)能夠?qū)⒗走_(dá)信號(hào)、AIS數(shù)據(jù)和光電監(jiān)控信息進(jìn)行綜合分析，從而監(jiān)測(cè)并識(shí)別預(yù)定警戒線內(nèi)的船只，自動(dòng)跟蹤其航行軌跡。最后，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)上傳到海上風(fēng)電場(chǎng)管理平臺(tái)。管理平臺(tái)提供Visual的電子海圖界面，操作者可以在界面上查看船舶的動(dòng)態(tài)信息、歷史軌跡以及預(yù)警狀態(tài)，從而快速做出決策，確保風(fēng)電場(chǎng)管理平臺(tái)的正常運(yùn)行[4]。

此外，防入侵感知預(yù)警系統(tǒng)還借助智能化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)及其周邊水域的全面監(jiān)控。這一系統(tǒng)不僅能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的安全威脅，還能夠快速做出預(yù)警響應(yīng)，減少了事故發(fā)生的可能性，為海上風(fēng)電場(chǎng)的安全運(yùn)行提供了可靠的保障。

（一）關(guān)鍵技術(shù)

1.基于小目標(biāo)雷達(dá)的目標(biāo)監(jiān)測(cè)跟蹤

研究基于小目標(biāo)雷達(dá)的海面小目標(biāo)船舶監(jiān)測(cè)跟蹤技術(shù)。

首先，通過(guò)對(duì)小目標(biāo)雷達(dá)接收機(jī)輸出信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理和雜波抑制，減少噪聲和干擾，生成高分辨率的數(shù)字雷達(dá)回波視頻信號(hào)。然后，對(duì)這些高分辨率信號(hào)進(jìn)行計(jì)算分析，提取目標(biāo)點(diǎn)跡，建立目標(biāo)跟蹤，并進(jìn)行多源數(shù)據(jù)融合處理。接著，設(shè)置雷達(dá)遮蔽區(qū)以減少海面回波、停泊設(shè)施和其他不需要監(jiān)控目標(biāo)的干擾。根據(jù)不斷錄取的目標(biāo)點(diǎn)跡，分析其速度和方向等運(yùn)動(dòng)規(guī)律，將新標(biāo)繪點(diǎn)跡與已知的跟蹤目標(biāo)關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的對(duì)遇跟蹤、追越跟蹤及交叉跟蹤。最后，給已知跟蹤目標(biāo)編號(hào)，并通過(guò)無(wú)線傳輸模塊將數(shù)據(jù)上傳到海上風(fēng)電場(chǎng)入侵感知預(yù)警系統(tǒng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)海圖顯示，為小目標(biāo)船舶的感知預(yù)警提供穩(wěn)定的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

通過(guò)高效的目標(biāo)檢測(cè)和跟蹤技術(shù)，能夠提升對(duì)海上小目標(biāo)船舶的監(jiān)測(cè)和預(yù)警能力，確保海上風(fēng)電場(chǎng)的安全運(yùn)行。有效防范船舶入侵對(duì)風(fēng)電設(shè)備和海底電纜的潛在威脅，提高整體監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性。這種技術(shù)的應(yīng)用有助于保障海上風(fēng)電場(chǎng)設(shè)施和船舶通航的安全，為海上能源開(kāi)發(fā)提供了重要支持。

2. 多源傳感器數(shù)據(jù)融合

本文采用了小目標(biāo)雷達(dá)、AIS等傳感器的多源數(shù)據(jù)融合處理技術(shù)。首先，基于多源數(shù)據(jù)融合處理技術(shù)，將每個(gè)傳感器（如雷達(dá)和AIS）提供的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行融合，從而整合各個(gè)傳感器的信息。然后，對(duì)多源信號(hào)提供的船舶經(jīng)緯度位置、航速、航向、船舶加速度及船舶轉(zhuǎn)向率等數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比，以建立一個(gè)統(tǒng)一且精確的運(yùn)動(dòng)軌跡。接著，應(yīng)用多區(qū)域目標(biāo)融合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)AIS基站和雷達(dá)在重疊覆蓋區(qū)域及穿越區(qū)域內(nèi)的船舶目標(biāo)跟蹤。這種技術(shù)確保了在不同傳感器覆蓋范圍內(nèi)的目標(biāo)船舶能夠被持續(xù)監(jiān)控和精確跟蹤。最后，系統(tǒng)能夠在此基礎(chǔ)上高效整合所有相關(guān)數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶目標(biāo)的全面監(jiān)控和精確跟蹤，提升了整體監(jiān)控的精確性和可靠性。

多源數(shù)據(jù)融合處理技術(shù)不僅提升了系統(tǒng)對(duì)船舶目標(biāo)的檢測(cè)和跟蹤能力，還有效減少了數(shù)據(jù)的冗余和誤差，確保了監(jiān)控系統(tǒng)的高效運(yùn)行和準(zhǔn)確預(yù)警。通過(guò)整合不同傳感器提供的信息，系統(tǒng)能夠綜合考慮各個(gè)方面的數(shù)據(jù)，提高了目標(biāo)識(shí)別的準(zhǔn)確性和系統(tǒng)的整體性能。為海上安全監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展提供了重要支持，有助于提升海上安全管理的效率和可靠性，保障海上設(shè)施和船舶的安全運(yùn)行。

3.雷達(dá)、AIS與光電聯(lián)動(dòng)跟蹤

通過(guò)開(kāi)發(fā)雷達(dá)與AIS指控光電聯(lián)動(dòng)跟蹤算法，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)識(shí)別并跟蹤的船舶目標(biāo)與光電視頻監(jiān)控系統(tǒng)的有效關(guān)聯(lián)。首先，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)船舶的當(dāng)前位置，自動(dòng)選擇最近的聯(lián)動(dòng)攝像頭進(jìn)行追蹤，并實(shí)時(shí)顯示以該船舶為中心的視頻畫面。然后，當(dāng)目標(biāo)船舶移動(dòng)到當(dāng)前攝像頭的覆蓋范圍之外時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)選擇下一個(gè)攝像頭繼續(xù)跟蹤該船舶，確保監(jiān)控的連續(xù)性。接著，系統(tǒng)通過(guò)多個(gè)攝像頭的無(wú)縫切換，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)船舶的持續(xù)監(jiān)控，確保其始終處于監(jiān)控范圍內(nèi)。最后，系統(tǒng)通過(guò)聯(lián)動(dòng)跟蹤與接力跟蹤的方式，確保對(duì)船舶目標(biāo)的全程監(jiān)控，提高了監(jiān)控的連續(xù)性和準(zhǔn)確性[5]。

通過(guò)技術(shù)手段提高海上安全管理的效率和可靠性。精確且持續(xù)的監(jiān)控能夠有效防止船舶目標(biāo)脫離監(jiān)視范圍，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患，為海上風(fēng)電場(chǎng)及周邊水域的安全提供保障。通過(guò)實(shí)時(shí)預(yù)警和干預(yù)，系統(tǒng)有助于預(yù)防可能威脅風(fēng)電場(chǎng)安全的船舶活動(dòng)，為應(yīng)對(duì)突發(fā)事件提供了重要的技術(shù)支持。在實(shí)際運(yùn)用中，該系統(tǒng)不僅可以提高監(jiān)控效率，還能夠節(jié)省人力資源，減少人為錯(cuò)誤帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。其持續(xù)不斷的監(jiān)控能力，使其成為保障海上風(fēng)電設(shè)備和航行安全的重要工具。同時(shí)，系統(tǒng)的智能化設(shè)計(jì)，也為未來(lái)海上安全管理的發(fā)展提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)基礎(chǔ)。

綜上所述，通過(guò)開(kāi)發(fā)雷達(dá)與AIS指控光電聯(lián)動(dòng)跟蹤算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶目標(biāo)的精準(zhǔn)監(jiān)控，對(duì)提升海上安全管理的效率和可靠性具有重要意義。

4.海上風(fēng)電場(chǎng)防入侵感知預(yù)警系統(tǒng)

基于中國(guó)海事局發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)海圖等主流電子海圖，開(kāi)發(fā)了一套海上風(fēng)電場(chǎng)防入侵感知預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)旨在展現(xiàn)防入侵感知預(yù)警系統(tǒng)的人機(jī)交互界面，顯示電子海圖、雷達(dá)視頻圖像、船舶軌跡和船舶報(bào)警等信息。首先，系統(tǒng)通過(guò)調(diào)用業(yè)務(wù)層的接口，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面的展現(xiàn)和控制。其次，系統(tǒng)利用電子海圖技術(shù)，提供電子圍欄設(shè)置和船舶入侵報(bào)警的智能監(jiān)控功能。同時(shí)，系統(tǒng)的功能還涵蓋了電子海圖的加載和更新、海圖信息的顯示與控制、船舶實(shí)時(shí)標(biāo)繪、船舶狀態(tài)顯示、船舶航行監(jiān)控、航行記錄、報(bào)警與指示、AIS信息和雷達(dá)信息的集成顯示等。通過(guò)這些功能，系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)反映海上風(fēng)電場(chǎng)及其周邊水域的動(dòng)態(tài)情況。

通過(guò)綜合運(yùn)用上述功能，系統(tǒng)確保了對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)的全方位監(jiān)控與預(yù)警，有效提高了風(fēng)電場(chǎng)的安全性和監(jiān)控效率。

（二）系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

海上風(fēng)電場(chǎng)防入侵感知預(yù)警系統(tǒng)開(kāi)發(fā)包括：（1）顯控終端模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，包括顯示功能、數(shù)據(jù)庫(kù)功能、海圖功能、航跡顯示功能以及電子圍欄功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。（2）基于小目標(biāo)雷達(dá)的目標(biāo)監(jiān)測(cè)與追蹤模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，包括雷達(dá)性能、目標(biāo)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)。（3）基于雷達(dá)、AIS和光電聯(lián)動(dòng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，包括AIS船舶數(shù)據(jù)、雷達(dá)數(shù)據(jù)的集成顯示，監(jiān)測(cè)到目標(biāo)后對(duì)光電的指控追蹤與拍攝記錄。

1.顯控終端模塊

基于中國(guó)海事局發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)海圖和主流電子海圖，展示海上風(fēng)電場(chǎng)防入侵感知預(yù)警系統(tǒng)的人機(jī)交互界面，其中包括電子海圖、雷達(dá)視頻圖像、船舶AIS軌跡、無(wú)關(guān)船舶進(jìn)入風(fēng)電場(chǎng)報(bào)警等信息。海圖系統(tǒng)的主界面分成五個(gè)主要區(qū)域，分別是菜單欄、工具欄、狀態(tài)欄、海圖條以及海圖顯示區(qū)。

設(shè)計(jì)的人機(jī)交互界面不僅能夠使用戶直觀地了解海上情況，還能夠提高對(duì)潛在威脅的感知能力，從而更好地保障海上風(fēng)電場(chǎng)設(shè)施和周邊水域的安全運(yùn)行。通過(guò)簡(jiǎn)潔清晰的界面設(shè)計(jì)和直觀明了的信息展示，用戶可以迅速獲取海上船舶的位置、航行狀態(tài)以及其他關(guān)鍵信息。這樣的設(shè)計(jì)不僅提高了用戶對(duì)海上情況的感知能力，還能夠幫助用戶及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患，并采取相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。因此，設(shè)計(jì)的人機(jī)交互界面在提升海上風(fēng)電場(chǎng)安全管理水平和保障設(shè)施運(yùn)行安全方面具有重要意義。

2.目標(biāo)監(jiān)測(cè)與追蹤模塊

基于風(fēng)電場(chǎng)特點(diǎn)開(kāi)發(fā)的小目標(biāo)雷達(dá)，作為海事監(jiān)視偵查設(shè)備。該雷達(dá)工作頻段在KU波段，具備高靈敏度、穩(wěn)定性以及抗干擾性等特點(diǎn)，解決了對(duì)速度較慢、船型小、非鋼制海船等目標(biāo)的監(jiān)測(cè)難題。

雷達(dá)系統(tǒng)主要由天線、發(fā)射/接收、信號(hào)處理、終端顯示、定位測(cè)向模塊等幾部分組成。其中，采用線性調(diào)頻脈沖體制、寬角度頻掃波導(dǎo)天線以及俯仰維頻率掃描，提高了系統(tǒng)的性價(jià)比和適用性。通過(guò)軟件界面設(shè)計(jì)，將海事監(jiān)視雷達(dá)的主要功能進(jìn)行了展示和整合。主界面包括了地圖掃描圈、狀態(tài)欄、信息欄和工具欄等部分，為用戶提供了方便的操作和信息查看方式。通過(guò)海事監(jiān)視雷達(dá)軟件的數(shù)據(jù)處理過(guò)程，能夠?qū)崟r(shí)解析雷達(dá)數(shù)據(jù)，進(jìn)行扇形掃描，并將掃描結(jié)果呈現(xiàn)給用戶。同時(shí)，用戶還可以通過(guò)軟件界面進(jìn)行伺服控制、信處控制、高級(jí)設(shè)置、船舶目標(biāo)監(jiān)視區(qū)域設(shè)置和航跡回放等操作，提高了系統(tǒng)的靈活性和用戶體驗(yàn)。

設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的海事監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)，可以有效監(jiān)測(cè)風(fēng)電場(chǎng)有限區(qū)域內(nèi)的船舶目標(biāo)，提高了海事監(jiān)視的效率和準(zhǔn)確性，保障了風(fēng)電場(chǎng)設(shè)施和周邊水域的安全運(yùn)行。

3.基于雷達(dá)、AIS和光電聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)

通過(guò)雷達(dá)、AIS和光電聯(lián)動(dòng)技術(shù)，建立了一套全面的海上風(fēng)電場(chǎng)防入侵感知預(yù)警系統(tǒng)。

首先，通過(guò)雷達(dá)、AIS和光電聯(lián)動(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)水域內(nèi)船舶目標(biāo)的全方位感知探測(cè)，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的入侵行為。接著，結(jié)合雷達(dá)和AIS數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可以準(zhǔn)確計(jì)算船舶的位置、航向和航速等關(guān)鍵信息，為進(jìn)一步的監(jiān)控和預(yù)警提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。然后，系統(tǒng)能夠持續(xù)跟蹤進(jìn)入?yún)^(qū)域的船舶，并記錄其軌跡，通過(guò)分析船舶的運(yùn)動(dòng)軌跡，可以識(shí)別異常行為并及時(shí)作出反應(yīng)。同時(shí)，將雷達(dá)和AIS數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)和靜態(tài)信息融合，可以更全面地了解船舶的情況，為后續(xù)的監(jiān)控和管理提供更多參考。此外，利用雷達(dá)引導(dǎo)光電設(shè)備對(duì)船舶進(jìn)行跟蹤識(shí)別，光電設(shè)備可以自動(dòng)抓拍和錄制船舶的視頻，提供有效的證據(jù)支持。系統(tǒng)還支持多級(jí)警戒區(qū)的設(shè)置，一旦發(fā)現(xiàn)異常情況，系統(tǒng)將自動(dòng)報(bào)警，并將信息記錄、存儲(chǔ)、回放，為事件的調(diào)查和處理提供依據(jù)。

通過(guò)將AIS和雷達(dá)數(shù)據(jù)同時(shí)傳輸?shù)胶Ｉ巷L(fēng)電場(chǎng)防入侵感知預(yù)警系統(tǒng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的集成和共享，使得整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)能夠更加高效地運(yùn)行，提高了風(fēng)電場(chǎng)的安全性和監(jiān)控效率。

結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)周邊船舶航行態(tài)勢(shì)感知實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)技術(shù)、基于多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)的海上風(fēng)電場(chǎng)防入侵感知技術(shù)及海上風(fēng)電場(chǎng)預(yù)警報(bào)警技術(shù)的探討，實(shí)現(xiàn)了以小目標(biāo)雷達(dá)、網(wǎng)絡(luò)AIS基站、光電系統(tǒng)為主要感知設(shè)備的監(jiān)控系統(tǒng)。通過(guò)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集，能夠獲取監(jiān)控水域動(dòng)態(tài)和靜態(tài)目標(biāo)信息，并利用先進(jìn)的矢量海圖技術(shù)建立了可視化監(jiān)控與預(yù)警平臺(tái)。在海圖上實(shí)時(shí)呈現(xiàn)監(jiān)控水域的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)目標(biāo)信息，并能夠根據(jù)監(jiān)控需要編輯預(yù)警區(qū)域、警戒線和虛擬航標(biāo)區(qū)域。系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)的預(yù)警規(guī)則，能夠及時(shí)提醒和警告存在安全威脅的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了全天候智能安全預(yù)警。