基于E航海的海上風電場監護方案設計

陳衛文 吳維棉 林樹超 交通運輸部南海航海保障中心汕頭通信中心

1.海上風電場概況

1.1 海上風電場發展趨勢

海上風電具有資源豐富、發電利用小時數相對較高、技術相對高端的特點，是新能源發展的前沿領域。國家積極推動海上風電發展，實施試點示范項目建設。目前，廣東省規劃海上風電場址23個，總裝機容量6685萬千瓦。粵東海域作為我省風能資源最為豐富的地區，發展海上風電潛力巨大，是我省海上風電重點規劃發展區域。

1.2 海上風電場面臨風險

粵東海上風電場固然具備良好的建設條件與市場前景，但項目落地后能否應對面臨的種種風險挑戰，是檢驗風電項目能否可持續發展的試金石。從當前來看，存在幾種可預見的風險與挑戰，如風電設施碰撞事故與輸電管斷纜事故風險、事前預判機制與事中干預機制不完善、海事部門監管范圍有限等。

因此，需要一種集標準性、先進性、實時性、預早性與共享性于一體的監護方案，升級、改造原有管理模式，切實保障海上風電場設施的安全，彌補海事部門對風電場水域監管力度薄弱的不足。

2.海上風電場監護方案整體思路

利用海事航海保障的公益資源，為社會提供開放助航大數據服務。對外開放使用公益性數據，例如AIS數據，VHF信道資源等。

航海保障中心對海岸電臺業務實施日常監控、安全信息提醒、應急值守和后續通信等統一值守工作，實行24小時值班制度，應急反應方面擁有成熟完善的機制、規范的運行流程、專業的值守隊伍。可以借助航海保障豐富的海事級實時監控經驗與專業化值守，為風電場自動化監控服務與緊急情況下的船舶干預服務。

3.基于E航海的海上風電場監護系統建設方案

3.1 系統框架

如圖1所示。

圖1 基于E航海的海上風電場監護系統

本方案將在E航海平臺的基礎上開展海上風電場監護系統建設工作，其總體設計主要體現在以下幾個方面。

水上服務平臺總體分為“一個地圖服務發布中心，一個企業級WEB服務，一個數據中心和交換中心，兩個客戶端應用”來建設。

一個地圖服務發布中心：系統可發布電子海圖數據；可接入國家測繪局天地圖數據，接入部電子海圖，接入南保中心電子海圖。

一個企業級WEB服務：完成水上服務平臺各功能應用，以及提供移動app應用功能接口，實現海上風電場監管防護業務管理。

一個數據中心和數據交換中心：建設水上服務平臺風電場數據，AIS船舶靠近風電場航行軌跡數據、風電場監測設備數據，用戶數據、日志記錄等數據，以及與第三方系統實現數據交互的數據交換中心,包括接入視頻監控數據、VHF語音數據、DSC數據、雷達數據等。

兩個客戶端應用：一個客戶端用戶可通過PC端終端打開運行瀏覽器輸入地址訪問系統，在用戶登錄成功后根據用戶權限使用系統功能。另一個通過安卓系統的手機app運行。

海上風電E監管系統運行原理為當檢測到進入監管區的船舶后，相應設備通過局域網將信號傳回中控系統進行數據轉化分析，并通過控制網、電信號啟動現場預警設備，同時通過以太網將預警信息傳至風電場監管值班人員，完成整個現場數據采集及預警過程無需人工介入，達到“技防”的目的，值班人員收到預警信息后屬于現場事故確認，技防為主，人防為輔，各個子系統存在較強的關聯性。

3.2 系統功能設計

（1）現場感知。全域多元聯合感知。通過AIS、雷達、CCTV、水文能見度檢測等前端設備，北斗、GPS等定位設備，對靠近風電場水域的船舶進行感知，收集前端信息，獲取船舶航行動態，實現風電場全天候、全天時的船舶目標感知、通航環境感知，以及預警信息監測。

船舶目標感知——AIS船舶狀態自動識別：對風電場特定范圍設置電子圍欄，根據AIS數據識別越線船舶靜態和動態數據，自動觸發預警消息，通過平臺監控終端通知值守，實現動態監控；自動發送報文提醒消息至船載顯示器，發送VHF語音提醒消息至甚高頻終端，告知區域內船舶繞道航行。

雷達監測定位：以“小雷達，多布點”的方式，在風電場四周分別布點雷達前端設備，實現全方位的掃描。將雷達數據與AIS數據相融合，使船位數據更及時準確，提供更加精準的預警信息。

CCTV抓拍跟蹤：在AIS和雷達監控技術基礎上，結合CCTV系統，對進入該區域的船舶進行重點跟蹤抓拍。當檢測到船舶信息不全或無AIS信號的船舶（如小型漁船等），進行特別標識與跟蹤，此時觸發高音喇叭進行預警提醒。利用高清攝像機，采集風電場周邊水域現場的視頻數據，供監管人員實時預覽、回放，便于直觀、便捷地掌握現場狀況。

通航環境感知：利用風電設施上安裝水文氣象傳感設備，現場實時監測水域能見度、海流、風速風向等。當現場能見度低于1000米、風速超過9級時，利用風速、大霧、水位傳感器感應，觸發系統通過VHF對船主進行風電場范圍能見度、風速風力、水位等信息提醒，并啟動霧笛等聲光電設備通知警示船舶，防止船舶誤撞設施，減小惡劣天氣的影響。

預警信息監測：預警信息監測包括VHF無線電廣播接收監測、播音傳感感測、光學警示監測。利用船舶終端設備以及在前端加裝監測設備，對于VHF無線電廣播、現場播音，以及光學警示的接收情況進行實時的檢測反饋，確保預警信息發送到位。

（2）遠程通信。前端設備感知獲取信息后，各種信息數據將通過多種通信方式回傳。數據可通過海底線纜、甚高頻數據交換網絡VDES、衛星進行傳輸。所有信息將轉化為數字信號，通過特定數據標準進行打包封裝，回傳各處理終端，以供后續數據分析，判斷指令。在各顯示控制終端將回傳的數字信號轉化為直觀的圖文信息。

海纜光纖傳輸：利用粵東沿海海域風電場與岸端之間的海纜光纖進行數據傳送，實現前端設備收集的數據與后端數據中心之間的數據交換。

甚高頻數據交換網絡VDES：荷載實時CCTV、雷達、AIS、以及光學+紅外預警觸發信息、通航環境監測信息等數據。使用專用報文的方式可把關鍵核心的實時數據從海上傳輸至岸端系統。

衛星通信：使用北斗等衛星將短報文等數據傳輸至岸端系統。

（3）疏導預警。系統將通過設置電子圍欄、虛擬航標的方式劃定三級虛擬警戒區，對靠近的船舶進行預警。

虛擬警戒區是基于船舶自動識別系統（AIS）、衛星定位系統（GPS、北斗），電子海圖/航道圖系統等現代科技產生的新興導助航應用技術，具有設置簡單，維護方便，成本經濟的優勢。在風電場區域設置虛擬警戒區，分別劃定監管水域，根據風電場形狀，由內向外分別劃定三個層級區域進行分級管理。上述三個管理區域分別實現如下功能:

提醒區：提醒區為次重點管制區域，船舶進入距離風電場中心2海里范圍時，監控機制啟動，系統根據風電場形狀形成的電子包圍線，發送提醒信息到船載AIS顯示器，并為過往船舶設計推薦航道，主動引導進入該區域內的船舶通行，同時發出禁止違規作業并避開航行的提醒。

警戒區：警戒區為重點管制區域，船舶進入距離風電場中心1.5海里范圍時，警戒機制啟動，系統根據風電場形狀形成的電子包圍線，發送禁止駛入消息到船載AIS顯示器，同時對船舶發送甚高頻（VHF）語音廣播信息，從而對船舶上駕駛員進行二次提醒。警戒保護系統持續跟蹤船舶軌跡、航速、航向等各項參數，并提醒值班人員通過CCTV及監控平臺重點關注船舶動態。

報警區：報警區為嚴格管制區域，若船舶進一步靠近風電場中心至1海里以內，報警機制啟動，系統根據風電場形狀形成的電子包圍線，觸發緊急告警通知，進入重點跟蹤階段。一方面，系統通過值守終端界面提醒值守人員進行人工干預，同時彈出窗口顯示闖入船舶的詳細信息；另一方面，值守人員收悉后通過甚高頻（VHF）語音、DSC通信系統和現場高音喇叭緊急干預闖入禁區的船舶，或協調周圍船舶和應急搶險隊伍力量現場阻止作業船舶。期間甚高頻自動播發語音告警消息不間斷，以引起違規船舶或附近船舶的密切關注。

（4）共享值守。系統數據和監管界面將共享給各個需求部門。

服務使用：共享給風電場業主。給風電場方提供網頁及手機APP終端，方便其隨時掌握動態。業主能通過終端實時查看風電場周邊情況，確保設備安全完好。如發生船舶碰撞事故致設備損失，業主可將AIS信息、CCTV抓拍數據等作為保留證據進行追責，另外日常也可及時發現故障，報障維修，從而大大減少經濟損失。

信息共享：共享給海事監管部門。本系統給海事監管部門提供VTS系統的數據接口，使其能在緊急時刻人工介入管理。E航海監護系統的自動化監管，將在很大程度上減少海事監管部門對風電場海域船舶指揮的工作量，使交通指揮人員及早地了解情況、發現問題、采取相應的補救措施，有效防止和避免通航環境資源被破壞，讓海上環境資源得以保護和合理利用。

值守服務：共享給系統管理員及值守人員。一方面，航海保障部門值班人員進行24小時不間斷的值守監控，及時進行干預和反饋，以保障船舶航行安全；另一方面，值班人員可通過查看各項后臺數據，分析判斷系統及設備的運行情況，根據需要通知運維人員做好維護檢修。

（5）警示干預。智能語音合成甚高頻VHF警示。當系統識別到船只靠近風電場警戒區，觸發VHF 智能語音信息，以廣播的方式對特定船舶進行預警，警告其偏離航線信息，進入風電場威脅區域。

智能語音合成高音喇叭、霧笛警示。在風電設備上將加裝高音喇叭和霧笛，對進入風電場重點監護水域的船舶，系統在觸發VHF語音信號的同時，通過高音喇叭和霧笛通過自動語音廣播的方式進行警示干預。

船載AIS顯示器報文提醒。系統發送報文給船載AIS顯示器，提醒進入該區域內的船舶繞道航行。

E航海船載導航終端報警。E航海導航系統會根據海上交通情況進行路線規劃和通行指引，當靠近風電場監護區時發出語音提醒。

人工干預。后臺監控中心和海事監管部門通過共享數據實現對風電場海域的同步監控，當看到船舶靠近風電場監護區域，通過VHF進行語音警告，DSC單獨呼叫，提醒船舶規范行駛。

4.傳統監管方式與海上風電場E航海監護方案的比較

傳統監管方式：以往風電場主要通過人工巡檢的方式進行管理，防止船舶在風電場區域內作業及拋錨，以保障風電場的安全。但上述方式存在明顯弊端，一方面需要現場巡檢，既要投入大量船員的人力成本，又要花費昂貴的船舶租賃費用，浪費了大量人力物力和財力；另一方面，所獲取的數據缺乏連續性和實時性，一旦有船舶進入預警區域，巡查工人往往來不及及時提醒駕駛員，無法真正發揮監管效能。面對日益嚴峻的水上交通監管形勢，被動的傳統監管方式無法應對多船會遇等復雜情景，且容易遺漏重要預警，進而可能導致水上交通事故的發生。

基于E航海的海上風電場監護方案：采用基于E航海的海上風電場監護方案，是綜合利用各種通信技術，通過大數據的運用，實現部分或者完全取代人力分析判斷的智能化決策，能為過往船舶提供提醒預警，使之提前規劃好安全航線，避開風電場區域航行，這將大幅度規范海上交通秩序，促進航行便捷度，大幅度提升通航效率。

5.結束語

航海保障中心承擔著為轄區水上交通安全提供信息化技術支持和保障的職責。本文提出的海上風電場監護方案是基于E航海并依托于航海保障部門的職能，結合新一代的通信技術，整合各業務平臺。其實用性與經濟性使之可被推廣應用到今后的各類海上設施的監控與維護，為海區的發展提供信息化支撐。