曾建平， 郭建新， 蔣光道， 黃 興， 洪 波， 連 波

(1.長江三峽集團福建能源投資有限公司， 福州 350000； 2.福建省新能海上風(fēng)電研發(fā)中心有限公司， 福州 350000； 3.長航(武漢)綠色航運科技服務(wù)有限公司， 武漢 430000)

0 引 言

海上風(fēng)電具有風(fēng)能資源豐富、對環(huán)境的負面影響較小和易規(guī)?；_發(fā)等優(yōu)點[1-3]，具有廣闊的發(fā)展前景，很多國家正在加速推進海上風(fēng)場的開發(fā)建設(shè)[4]。截至2018 年底，我國的海上風(fēng)電累計并網(wǎng)容量達到3.58 GW，已核準項目容量達到17.10 GW，在建項目容量達到6.00 GW，海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)鏈已逐步建設(shè)和發(fā)展起來。

確保海上交通安全是保證海上風(fēng)場開發(fā)建設(shè)正常推進的基礎(chǔ)。本文以福清興化灣正在建設(shè)的海上風(fēng)場項目為例，對其附近水域的交通安全問題進行分析。該風(fēng)場二期項目附近部分水域為適宜船舶航行的水域，存在商船通航和小型漁船活動?？紤]到工程施工會改變工程附近水域的通航環(huán)境和通航條件，對附近水域的通航安全和相關(guān)水工設(shè)施造成一定的影響，有必要建立一套較為完善的海上風(fēng)場海域交通安全管理系統(tǒng)，保證海上風(fēng)場開發(fā)建設(shè)和運營順利推進。

1 海上風(fēng)場水域安全監(jiān)管系統(tǒng)總體方案

發(fā)展海洋經(jīng)濟，保護海洋環(huán)境，建設(shè)海洋強國，是我國海洋事業(yè)發(fā)展的方向。本文以國家提出的“智慧海洋”工程建設(shè)為理念，提出建立基于立體感知技術(shù)的海上風(fēng)場水域交通安全監(jiān)管系統(tǒng)。開展海上風(fēng)場主動交通引導(dǎo)、主動防御和風(fēng)場環(huán)境立體感知體系研究，實現(xiàn)風(fēng)場交通環(huán)境實時監(jiān)測、區(qū)域船舶動態(tài)監(jiān)控、區(qū)域船舶信息溯源和應(yīng)急事故動態(tài)響應(yīng)，全面提升海上風(fēng)場海域交通安全監(jiān)管的可靠性和科學(xué)性。

該系統(tǒng)綜合利用視頻監(jiān)控技術(shù)、船舶聯(lián)動跟蹤技術(shù)、自動識別系統(tǒng)(Automatic Identification System，AIS) 及雷達定位跟蹤技術(shù)、熱成像和透霧等高科技手段，實現(xiàn)對其附近5 km水域內(nèi)船舶的全天候動態(tài)監(jiān)控，為保證海上風(fēng)場的安全提供有利手段。

該系統(tǒng)綜合利用 AIS、雷達和光電設(shè)備對接近海上風(fēng)場的船舶進行探測和跟蹤，將監(jiān)測目標疊加在電子海圖上，生成實時態(tài)勢。此外，根據(jù)目標與監(jiān)控點之間的距離，通過用不同顏色對目標進行標記來表示事件的緊急程度，以提醒值班人員進行相應(yīng)操作。

根據(jù)距離中心點的長度，將防區(qū)劃分為不同顏色區(qū)域(見圖 1)，對闖入特定區(qū)域的船舶進行自動預(yù)警和處置，記錄事件的全部過程，同時實現(xiàn)與上級指揮中心的互通。

1) 當目標與監(jiān)控點之間的距離在[3.0,5.0] km 時，將目標標記為藍色，值班人員可通過雙擊目標引導(dǎo)云臺查看目標，確認目標是否為船舶。

2) 當目標與監(jiān)控點之間的距離在[1.5,3.0) km 時，將目標標記為黃色，值班人員可通過雙擊目標引導(dǎo)云臺查看目標，確認目標是否為船舶，若確認為船舶，值班人員可通過甚高頻(Very High Frequency，VHF)系統(tǒng)與船舶進行通話。

3) 當目標與監(jiān)控點之間的距離小于 1.5 km 時，將目標標記為紅色，系統(tǒng)自動引導(dǎo)云臺跟蹤目標，進行抓拍和錄像取證，同時發(fā)出聲光報警，提醒值班人員進行處理。此時，值班人員可通過 VHF語音警告手段驅(qū)離入侵目標。在警告未果的情況下，值班人員可通過掃海燈強光掃射進行驅(qū)逐。

熱成像多光譜一體化攝像機具有全天候監(jiān)控的功能。激光可見光在晝夜環(huán)境下可遠距離觀測目標的細節(jié)，輔助人工確認目標的屬性和特征。紅外熱成像用于目標探測和跟蹤，解決霧天、霾天、夜間、逆光和雨天等惡劣環(huán)境條件下水面監(jiān)測應(yīng)用的需要。

2 系統(tǒng)功能架構(gòu)

海上風(fēng)場水域安全監(jiān)管系統(tǒng)功能架構(gòu)見圖2，主要由設(shè)施層、支撐平臺層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層、展現(xiàn)層和服務(wù)對象層組成。

圖1 海上風(fēng)場水域交通安全監(jiān)管系統(tǒng)部署示意

圖2 海上風(fēng)場水域安全監(jiān)管系統(tǒng)功能架構(gòu)

1) 設(shè)施層包括多傳感器設(shè)備終端、基礎(chǔ)通信網(wǎng)絡(luò)、計算存儲服務(wù)器和防火墻等，其中：多傳感器設(shè)備終端包括雷達、AIS、CCTV(Closed-Circuit Television)、VHF和探照燈等設(shè)備；通信網(wǎng)絡(luò)是承載數(shù)據(jù)傳輸和交換的基礎(chǔ)，包括行業(yè)專網(wǎng)、無線通信網(wǎng)絡(luò)、虛擬專用網(wǎng)絡(luò)(Virtual Private Network，VPN)、因特網(wǎng)、路由器和交換機等；計算存儲服務(wù)器包括數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器等；存儲系統(tǒng)包括磁盤陣列和磁帶庫等。

2) 支撐平臺層是建立在網(wǎng)絡(luò)設(shè)施層之上，對數(shù)據(jù)資源層和應(yīng)用層進行支撐的軟件平臺，主要包括SOA(Service-Oriented Architecture)運行環(huán)境平臺、電子海圖平臺、AIS服務(wù)平臺、VHF服務(wù)平臺、CCTV服務(wù)平臺和監(jiān)控預(yù)警服務(wù)平臺等。支撐平臺層依據(jù)數(shù)據(jù)標準體系和安全認證體系對支撐平臺軟件進行安全保障和標準加持，同時采用主流的IT技術(shù)和框架作為技術(shù)支撐，包括企業(yè)服務(wù)總線(Enterprise Service Bus,ESB)技術(shù)、消息隊列(Message Queue,MQ)技術(shù)、SRC(Sparse Representation-based Classifier)技術(shù)和SOA面向服務(wù)框架等。

3) 數(shù)據(jù)采集層是系統(tǒng)最底層的基礎(chǔ)支撐層，在邏輯上分為記錄存儲文件數(shù)據(jù)庫和應(yīng)用數(shù)據(jù)庫。記錄存儲庫屬于穩(wěn)文件型數(shù)據(jù)庫，主要通過時間顆粒建立文件索引機制，存儲雷達視頻數(shù)據(jù)、目標軌跡數(shù)據(jù)、VHF語音數(shù)據(jù)、報警信息數(shù)據(jù)和CCTV視頻數(shù)據(jù)等。應(yīng)用數(shù)據(jù)庫屬于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，主要存儲船舶靜態(tài)信息和系統(tǒng)業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)，如用戶角色權(quán)限數(shù)據(jù)和違法違規(guī)數(shù)據(jù)等。

4) 應(yīng)用層主要包括多類應(yīng)用程序模塊，具有多信源數(shù)據(jù)解析、多信源數(shù)據(jù)融合、目標識別跟蹤處理、雷達圖像處理、記錄存儲回放處理、海圖視頻一體化顯示處理、監(jiān)控預(yù)警處理 、目標聯(lián)動跟蹤處理、海圖漫游處理、CCTV聯(lián)動跟蹤、探照燈聯(lián)動跟蹤、氣象信息顯示、風(fēng)險識別、風(fēng)險應(yīng)對措施處理、目標信息查詢、違規(guī)信息查詢、預(yù)警信息發(fā)布和記錄信息查詢等應(yīng)用功能。

5) 展現(xiàn)層。該系統(tǒng)主要以安全監(jiān)控系統(tǒng)Windows桌面監(jiān)控程序、安全監(jiān)控系統(tǒng)WEB端和安全監(jiān)控系統(tǒng)移動APP端對外提供應(yīng)用和服務(wù)。服務(wù)對象通過展現(xiàn)層與系統(tǒng)互動，獲取系統(tǒng)提供的功能和服務(wù)。展現(xiàn)層的內(nèi)容會充分考慮行業(yè)用戶的習(xí)慣，盡量提升用戶的友好性。

6) 服務(wù)對象層。服務(wù)對象是系統(tǒng)的涉眾，系統(tǒng)為其提供有針對性的高效服務(wù)，按照涉眾類別主要分為專用碼頭安全監(jiān)控中心值班室、發(fā)電公司遠程監(jiān)控室和維護工作船等。

圖3 系統(tǒng)組成

3 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)組成見圖3，系統(tǒng)前端包括雷達、AIS、CCTV、VHF和掃海燈等設(shè)備。各設(shè)備的功能如下：

1) 雷達用于捕獲目標實時信息，并與AIS信息相融合，生成具體的船舶實時位置、航速和航向等信息。

2) AIS用來獲取船舶的基本信息，并與雷達信息相融合，生成目標船的運動軌跡。

3) CCTV由多光譜跟蹤高精度云臺、熱成像、高清可見光和激光構(gòu)成。高精度云臺用來進行目標快速定位、目標跟蹤和聯(lián)動；高清可見光用來對目標進行特寫和查看其細節(jié)；熱成像和激光用來在夜間進行探測，提升系統(tǒng)的夜視功能。

4) VHF用來對目標船進行語音通話或語音警告驅(qū)離。

5) 掃海燈用來對語音警告未果的船舶進行強光驅(qū)離。

6) 氣象系統(tǒng)用來獲取氣象信息。

海上風(fēng)場指揮中心布置有電子海圖服務(wù)器、智能視頻檢測服務(wù)器、業(yè)務(wù)服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、顯示屏和值班客戶端，各組成部分的具體工作如下：

1) 電子地圖服務(wù)器用于提供相關(guān)海域的電子海圖服務(wù)和應(yīng)用；

2) 智能視頻檢測服務(wù)器用于進行智能算法分析、識別和報警等；

3) 業(yè)務(wù)服務(wù)器用于實現(xiàn)前端所有設(shè)備和外部系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信，完成AIS數(shù)據(jù)與雷達數(shù)據(jù)的融合，根據(jù)時間計劃完成任務(wù)調(diào)度等；

4) 值班客戶端用于實現(xiàn)船舶實時動態(tài)監(jiān)控和海上風(fēng)場海域交通安全防范管理，可根據(jù)實際需要，在海洋、海事部門安裝客戶端。

4 系統(tǒng)主要功能

以海上風(fēng)場全方位立體可視化感知創(chuàng)新為手段，進行差異化海上風(fēng)場交通安全管理，對場外船舶采取主動引導(dǎo)、防御的措施，為場內(nèi)船舶按作業(yè)計劃排班提供技術(shù)支持，提升海上風(fēng)場的安全防御能力和交通安全管理能力。通過在風(fēng)場周圍和風(fēng)機內(nèi)部布設(shè)先進的傳感設(shè)備，對風(fēng)場周圍和進入風(fēng)場的目標進行實時監(jiān)控，主要包括：

1) 在風(fēng)場區(qū)域架設(shè)雷達設(shè)備和AIS基站設(shè)備，在運維船上架設(shè)考勤設(shè)備，實現(xiàn)對進出風(fēng)場區(qū)域的船舶和運維人員的實時監(jiān)測定位；

2) 在風(fēng)機附近配備視頻監(jiān)控設(shè)備，有效識別靠近風(fēng)機的目標，實現(xiàn)對風(fēng)場海域的可視化監(jiān)控；

3) 在風(fēng)機上裝設(shè)高分貝音頻廣播，實現(xiàn)對入侵危險目標的驅(qū)離；

4) 在風(fēng)場區(qū)域布設(shè)海洋感知觀測系統(tǒng)，實現(xiàn)對風(fēng)、氣溫、濕度、海區(qū)波浪和海洋環(huán)境要素的實時監(jiān)測；

5) 引入海洋、海事等相關(guān)主管部門的信息系統(tǒng)，實現(xiàn)信息的有效共享。

綜上，通過不同數(shù)據(jù)源的有效融合，實現(xiàn)對海上風(fēng)場的立體感知和實時有效監(jiān)控，提供輔助決策、風(fēng)場安全監(jiān)管和風(fēng)險預(yù)測等功能，對事故致因分析和可靠性分析進行研究，同時提供相關(guān)的社會服務(wù)。

5 系統(tǒng)應(yīng)用案例

圖4 雷達、AIS和云臺系統(tǒng)的聯(lián)動

福清興化灣海上風(fēng)場項目一期共有 14 個風(fēng)塔需要監(jiān)管。本文所述研究成果目前正在福清興化灣海上風(fēng)場一期項目中進行應(yīng)用，雷達、AIS和云臺系統(tǒng)的聯(lián)動見圖4。通過在現(xiàn)場布設(shè)雷達、光電設(shè)備、AIS、VHF系統(tǒng)和掃海燈硬件設(shè)備，利用軟件系統(tǒng)對這些設(shè)備進行融合，形成立體防護手段，對風(fēng)塔區(qū)域及風(fēng)塔5 km以內(nèi)的海域進行綜合監(jiān)控，分級預(yù)警。

目前福清興化灣海上風(fēng)場項目正在有序推進，未來將形成一定規(guī)模的風(fēng)場。該系統(tǒng)的應(yīng)用將有效解決在建風(fēng)場的安全防范問題。

6 結(jié) 語

隨著海上風(fēng)電快速發(fā)展，海上風(fēng)場建設(shè)和附近水域安全監(jiān)管越來越重要。對于剛剛起步的我國海上風(fēng)場建設(shè)而言，需建立一套安全有效的監(jiān)管系統(tǒng)，以保障風(fēng)場建設(shè)的安全。本文提出基于立體感知技術(shù)的海上風(fēng)場水域安全監(jiān)管系統(tǒng)，為確保海上風(fēng)場的安全奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，為海上風(fēng)場海域交通安全責任劃分和認定提供了有效的數(shù)據(jù)支持。