摘 要：鑒于傳統(tǒng)方法在海上風(fēng)電場安全保障方面的不足，通過研讀國內(nèi)外文獻(xiàn)并實(shí)地考察的基礎(chǔ)上，提出一種電子圍欄及聲光預(yù)警系統(tǒng)方法，實(shí)現(xiàn)低能見度下對風(fēng)電場附近船舶進(jìn)行跟蹤并預(yù)警報(bào)警，與傳統(tǒng)導(dǎo)助航航標(biāo)相輔相成，共同提高以海上風(fēng)電場為核心的沿海與近海航運(yùn)安全保障水平。
關(guān)鍵詞：海上風(fēng)電場;安全保障;電子圍欄;聲光預(yù)警
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1 引言
隨著我國海上風(fēng)電場建設(shè)項(xiàng)目的快速推進(jìn)和發(fā)展，海上風(fēng)電建設(shè)與生產(chǎn)過程中暴露出來的安全保障、海事監(jiān)管等問題逐漸增多。海上風(fēng)電項(xiàng)目建設(shè)和營運(yùn)的周期都比較長，對風(fēng)電水域及其周邊區(qū)域船舶的通航都有明顯的影響。
海上風(fēng)電場作為海上面積較大的礙航物，對附近航道、錨地、航線、碼頭、航路規(guī)劃以及船舶航行、漁船捕魚等均產(chǎn)生一定影響[1]，且海上風(fēng)電場在運(yùn)行過程中，會產(chǎn)生電磁波，對船舶導(dǎo)助航設(shè)施也會產(chǎn)生一定影響。
關(guān)于風(fēng)電場安全和管理問題，李道科等[2]應(yīng)用專家調(diào)查與預(yù)先危險(xiǎn)性分析法(PHA)相結(jié)合的方法，對福建海上風(fēng)電場規(guī)劃場址和儲備場址與航運(yùn)現(xiàn)狀、規(guī)劃發(fā)展適應(yīng)性進(jìn)行了分析研究;元國凱等[3]應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)管理理論，針對海上風(fēng)電場建設(shè)中的基礎(chǔ)施工、風(fēng)機(jī)安裝、海纜敷設(shè)、升壓站施工等主體工程，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)的識別、分析并提出相應(yīng)的控制措施;紀(jì)寧毅等[4]通過HAZID/HAZOP分析的方式，對海上風(fēng)電建設(shè)施工期中各個環(huán)節(jié)進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的識別與控制;沈思曦等[5]設(shè)計(jì)一種基于船舶自動識別系統(tǒng)(AIS)和地理信息系統(tǒng)(GIS)的海上風(fēng)電場船舶監(jiān)控系統(tǒng)，將目標(biāo)船舶顯示在GIS地圖上，對其進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控;孫菲等[6]基于實(shí)際擬建的海上風(fēng)電項(xiàng)目和現(xiàn)役海軍雷達(dá)裝備，通過電磁仿真建模定量分析雷達(dá)天線輻射場及海上目標(biāo)散射場通過風(fēng)電場后，其分布特性受風(fēng)電場的影響程度;由此看來，目前國內(nèi)外大多數(shù)學(xué)者從海上風(fēng)電場施工期和運(yùn)維期角度進(jìn)行安全方面的研究，多數(shù)都是側(cè)重于影響風(fēng)電場的風(fēng)險(xiǎn)因素[7]，而在風(fēng)電場周邊船舶航行安全保障方面的研究較少，特別是如何解決大霧等低能見度條件下風(fēng)電場施工船舶及周邊船舶的通航安全，以及如何從被動預(yù)警轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃忧矣心康男缘念A(yù)警方面，尚且研究不足。
結(jié)合上述分析可知，目前海上風(fēng)電場施工建設(shè)階段及營運(yùn)階段均存在一定的安全保障問題，包括風(fēng)電場及施工運(yùn)維人員的安全保障、施工及運(yùn)維船舶的安全保障以及風(fēng)電場附近水域通航船舶的安全保障。傳統(tǒng)的安全保障方法，即在風(fēng)電場水域配布航標(biāo)、燈樁等難以對靠近風(fēng)電場或穿越風(fēng)電場區(qū)的部分船舶起到有效警示及驅(qū)離作用，且傳統(tǒng)的保障方法只能被動地警示，難以主動地預(yù)警。因此，從風(fēng)電場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)電場水域的安全監(jiān)管與保障，可以與風(fēng)電場航標(biāo)相輔相成，也是對傳統(tǒng)航標(biāo)在警示和驅(qū)離誤入船舶領(lǐng)域的補(bǔ)充，起到共同保障風(fēng)電場施工及船舶通航安全的作用。
2 海上風(fēng)電場概況
2.1 海上風(fēng)電場構(gòu)成
海上風(fēng)電場是一個系統(tǒng)的工程。一個典型的海上風(fēng)電場一般包括如下的組成部分：
(1)海上測風(fēng)塔設(shè)施;
(2)海上風(fēng)力發(fā)電單元：包括海上發(fā)電機(jī)組、配套設(shè)施(塔筒、支撐結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ));
(3)海上升壓站;
(4)海底電力傳輸系統(tǒng);主要包括海底電纜及相應(yīng)的電纜保護(hù)(跨院)裝置;
(5)陸上終端：主要包括陸上岸基的變電站或者集控中心。
海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及海上升壓站作為海上風(fēng)電場最核心的構(gòu)成要素，其組成如圖2所示：
2.2 海上風(fēng)電場分類
海上風(fēng)電場根據(jù)所在水域特點(diǎn)一般分為三類：潮間帶和潮下帶灘涂風(fēng)電場、近海風(fēng)電場、深海風(fēng)電場。
潮間帶和潮下帶灘涂風(fēng)電場：多年平均大潮高潮平均線以下至理論值最低潮位以下5m深內(nèi)的海域。
近海風(fēng)電場：理論最低潮位以下5—50m水深內(nèi)的海域含無人島以及海礁。
深海風(fēng)電場：理論最低潮位以下50m水深的海域，含無人島以及海礁。
3 海上風(fēng)電場安全保障需求分析
江蘇作為沿海地區(qū)風(fēng)能資源最為突出的省市，風(fēng)功率密度高，發(fā)電量多，是建設(shè)風(fēng)電場的優(yōu)良地區(qū)[8]。本文在編寫之前，實(shí)地走訪江蘇沿海多家風(fēng)電企業(yè)，實(shí)地考察后發(fā)現(xiàn)，江蘇沿海主要風(fēng)電建設(shè)企業(yè)都有一整套監(jiān)控風(fēng)機(jī)和海底電纜運(yùn)轉(zhuǎn)的系統(tǒng)，部分風(fēng)機(jī)上安裝了CCTV和AIS，但CCTV主要用來監(jiān)控風(fēng)機(jī)內(nèi)部設(shè)施，而一般不會用來監(jiān)控過往船舶，AIS僅安裝在風(fēng)電場四個角點(diǎn)的風(fēng)機(jī)塔筒平臺上，對于較大范圍的風(fēng)電場而言，安全保障效果有限。在此背景條件下，海上風(fēng)電場安全監(jiān)管及保障需求總結(jié)如下：
(1)風(fēng)機(jī)、海上升壓站上需配備一定數(shù)量的AIS、CCTV、雷達(dá)以及VHF等設(shè)施設(shè)備，其信號應(yīng)能傳輸至岸上值班室以及主管機(jī)關(guān)，并保持有效開啟和正常使用。
(2)風(fēng)機(jī)(特別是外圍風(fēng)機(jī))、海上升壓站、海底電纜缺少對附近船舶(包括施工船舶、運(yùn)維船舶、附近航行船舶(漁船、靠近風(fēng)電場船舶))的有效監(jiān)控和預(yù)警。例如：能夠監(jiān)控到靠近風(fēng)電場船舶的航行動態(tài)，若相對距離過近，進(jìn)行警示或報(bào)警，提醒過往船舶繞行或駛離。
(3)在施工建設(shè)階段和運(yùn)營維護(hù)階段缺少有效的通訊聯(lián)絡(luò)設(shè)施或系統(tǒng)，單憑現(xiàn)有的VHF、手機(jī)設(shè)備不能保障船-船，船-岸之間的有效溝通。
(4)風(fēng)機(jī)(特別是外圍風(fēng)機(jī))、海上升壓站上可配備一定數(shù)量的遠(yuǎn)程強(qiáng)聲擴(kuò)音設(shè)備，以提醒或驅(qū)離附近無關(guān)船舶。在海上風(fēng)電場施工建設(shè)階段，若施工船舶VHF、手機(jī)等無法有效使用，對于近距離的船舶也可通過遠(yuǎn)程強(qiáng)聲擴(kuò)音設(shè)備進(jìn)行溝通。
海上風(fēng)電場的電子圍欄及聲光預(yù)警系統(tǒng)，恰恰利用雷達(dá)、AIS、CCTV等傳感器采集現(xiàn)場信息，實(shí)現(xiàn)全方位監(jiān)控，并利用聲光報(bào)警設(shè)備實(shí)現(xiàn)有船舶闖入風(fēng)電預(yù)警區(qū)域時及時預(yù)警，實(shí)現(xiàn)電子海圖顯示平臺、三維視景顯示平臺、風(fēng)電水域智能監(jiān)控和輔助決策等功能，與目前海上風(fēng)電場安全保障需求不謀而合。2019年12月，《連云港海事局海上風(fēng)電海事監(jiān)管暫行辦法》[9]公布施行，也首次提出將電子圍欄在海上風(fēng)電安全監(jiān)管廣泛應(yīng)用的思想。
4 電子圍欄及聲光預(yù)警系統(tǒng)方法
風(fēng)電水域電子圍欄及聲光預(yù)警系統(tǒng)是為風(fēng)電水域的船舶交通安全監(jiān)控、預(yù)警和維護(hù)提供解決方案。該系統(tǒng)旨在通過采用信息化手段，為風(fēng)電場施工及營運(yùn)進(jìn)行安全保障，在保障風(fēng)電場安全的同時保障航行于風(fēng)電場附近水域船舶的通航安全。
4.1該系統(tǒng)包括
(1)海上風(fēng)電場多功能電子圍欄和警戒方法;
(2)海上風(fēng)電場施工/維護(hù)船舶一體化安全保障方法。
4.2其中海上風(fēng)電場多功能電子圍欄和警戒方法包括
(1)虛擬電子圍欄和施工船舶警戒區(qū)的建立
(2)AIS，雷達(dá)，CCTV數(shù)據(jù)源的融合
(3)預(yù)警方法
4.3海上風(fēng)電場施工/維護(hù)船舶一體化安全保障方法包括
(1)地圖可視化顯示
(2)船舶動態(tài)實(shí)時跟蹤及交通組織系統(tǒng)
(3)虛擬警示引導(dǎo)系統(tǒng)
(4)CCTV系統(tǒng)
(5)雷達(dá)目標(biāo)跟蹤和預(yù)警系統(tǒng)
(6)人員動態(tài)跟蹤、顯示與失蹤預(yù)警系統(tǒng)
4.4風(fēng)電水域電子圍欄及聲光預(yù)警系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)
(1)綜合數(shù)據(jù)采集：利用雷達(dá)、AIS、CCTV等傳感器采集現(xiàn)場信息，實(shí)現(xiàn)全方位監(jiān)控;
(2)及時發(fā)現(xiàn)目標(biāo)進(jìn)行預(yù)警：利用聲光報(bào)警設(shè)備實(shí)現(xiàn)有船舶闖入風(fēng)電預(yù)警區(qū)域時及時預(yù)警;
(3)網(wǎng)絡(luò)通信：在風(fēng)電已有光纖通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，建立自主的覆蓋整個監(jiān)控區(qū)域的無線網(wǎng)絡(luò)，并能利用運(yùn)營商的商用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行補(bǔ)充通信;
(4)統(tǒng)一調(diào)度：融合VHF、單邊帶短波電臺、IP 話機(jī)、移動電話等通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心、巡邏船、辦公網(wǎng)絡(luò)等各個工作崗位基于 IP 的無縫調(diào)度和統(tǒng)一通信，并能實(shí)現(xiàn)對預(yù)警船舶的自動呼叫;
(5)綜合展現(xiàn)：實(shí)現(xiàn)電子海圖顯示平臺、三維視景顯示平臺、風(fēng)電水域智能監(jiān)控和輔助決策等功能，為風(fēng)電水域監(jiān)控和遇險(xiǎn)應(yīng)急指揮提供一個基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺，形成一個高度直 觀、智能化的監(jiān)控三維地理信息系統(tǒng);
(6)數(shù)據(jù)交換：實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)等在風(fēng)電智慧大平臺、第三方應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)過濾、接口和交換。
4.5 三級預(yù)警報(bào)警功能實(shí)現(xiàn)
4.5.1三級預(yù)警報(bào)警流程
風(fēng)電場三級預(yù)警報(bào)警流程如圖5所示。
4.5.2 三級預(yù)警報(bào)警機(jī)制
三級預(yù)警報(bào)警機(jī)制如下：當(dāng)有船舶穿過藍(lán)色預(yù)警線時，雷達(dá)和AIS系統(tǒng)捕捉到船舶信息，VHF甚高頻電臺發(fā)出“某某船舶闖入施工水域”的語音播報(bào)信息，提醒船舶盡快駛離施工水域;當(dāng)船舶繼續(xù)航行穿過黃色預(yù)警線時，自動觸發(fā)預(yù)警系統(tǒng)，警示船舶駛離施工水域;當(dāng)船舶未聽勸阻，繼續(xù)航行穿過紅色預(yù)警線時，需人為干預(yù)驅(qū)離船舶，同時，CCTV系統(tǒng)開啟，跟蹤監(jiān)控船舶航行動態(tài)。紅黃藍(lán)三級預(yù)警線間距設(shè)置以及觸發(fā)形式，可根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行調(diào)整，如圖6所示。
面向海上風(fēng)電場的電子圍欄及聲光預(yù)警系統(tǒng)，與現(xiàn)有技術(shù)相比具備以下有益效果：
(1)利用雷達(dá)、AIS、CCTV等傳感器采集現(xiàn)場信息，實(shí)現(xiàn)全方位監(jiān)控，并利用聲光報(bào)警設(shè)備實(shí)現(xiàn)有船舶闖入風(fēng)電預(yù)警區(qū)域時及時預(yù)警，與實(shí)物風(fēng)電水域警示標(biāo)志相比較，不占用通航水域，不影響視覺瞭望，避免了實(shí)物警示標(biāo)志安裝施工難度大、費(fèi)用高和維護(hù)困難等問題。
(2)傳統(tǒng)的航標(biāo)配布方案難以對靠近風(fēng)電場或穿越風(fēng)電場區(qū)的部分船舶難以起到有效警示及驅(qū)離作用，從風(fēng)電企業(yè)運(yùn)營安全、便于監(jiān)管以及減少水上交通事故的角度出發(fā)，配備帶有多級預(yù)警的電子圍欄及聲光預(yù)警系統(tǒng)可以與風(fēng)電場航標(biāo)工程相輔相成，也是對傳統(tǒng)航標(biāo)工程在警示和驅(qū)離誤入船舶領(lǐng)域的補(bǔ)充，起到共同保障風(fēng)電場施工及船舶安全的作用。
(3)海上風(fēng)電場周邊交通環(huán)境復(fù)雜，附近通航船舶存在誤入風(fēng)電場，發(fā)生損壞海纜以及與風(fēng)機(jī)、施工船舶、運(yùn)維船舶等發(fā)生碰撞的安全隱患，特別是“三無”船舶及部分未開啟AIS船舶，僅憑AIS系統(tǒng)很難捕捉，電子圍欄及聲光預(yù)警系統(tǒng)將AIS、雷達(dá)、CCTV、VHF、聲光預(yù)警設(shè)備等進(jìn)行融合，其設(shè)置可以有效捕捉、預(yù)警、呼叫、驅(qū)離所有誤入船舶，有效地保障船舶通航安全以及風(fēng)電場施工及營運(yùn)安全。
5 結(jié)語
本文提出一種電子圍欄及聲光預(yù)警系統(tǒng)方法，作為在海上風(fēng)電場安全保障方面應(yīng)用的探索。
一方面，可將AIS，雷達(dá)，CCTV、VHF、聲光報(bào)警器等融合于一體，彌補(bǔ)了海上風(fēng)電場傳統(tǒng)安全保障方法在低能見度下安全保障效果較差以及主動預(yù)警報(bào)警方面的不足;
另一方面，電子圍欄及聲光預(yù)警系統(tǒng)是對已有成熟技術(shù)與設(shè)備的融合，技術(shù)層面沒有壁壘，可以達(dá)到預(yù)期保障效果，值得推廣。
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文章名稱：基于電子圍欄及聲光預(yù)警系統(tǒng)的海上風(fēng)電場安全保障方法研究
