海上風(fēng)電工程施工氣象實時監(jiān)測預(yù)警大數(shù)據(jù)平臺設(shè)計

趙愛博，奚子惠，朱學(xué)習(xí)

（江蘇省海涂研究中心，南京 210013）

海上風(fēng)電是我國實現(xiàn)“30·60”雙碳目標的重要技術(shù)手段之一。“十四五”期間，全國海上風(fēng)電總裝機規(guī)劃超100 GW，我國將迎來新的建設(shè)高峰[1-2]。隨著我國海上風(fēng)電工程的迅速發(fā)展，尤其是2019—2021 年國內(nèi)“搶裝潮”的大背景下，很多項目加速建設(shè)，施工安全風(fēng)險倍增，海上風(fēng)電工程的安全施工問題日益突出，給安全施工管理帶來了巨大壓力和挑戰(zhàn)[3-4]。

海上風(fēng)電工程與其他工程項目不同，其各分部、單元工程多在海上作業(yè)，如工程地質(zhì)踏勘、樁基礎(chǔ)施工、海上升壓站施工和海纜敷設(shè)等[5]。海上工程施工具有作業(yè)海域范圍大、施工技術(shù)復(fù)雜、裝配精度要求高和有效施工窗口期短等特點，施工過程中受浮冰、潮汐、風(fēng)、浪和流等因素影響較大，潛在安全風(fēng)險因素較多[6-7]。

針對海上風(fēng)電工程建設(shè)存在的問題，設(shè)計出海上風(fēng)電工程施工氣象實時監(jiān)測預(yù)警大數(shù)據(jù)平臺，為海上風(fēng)電工程建設(shè)、運維階段提供針對性、集約式、一體化的海洋氣象環(huán)境監(jiān)測預(yù)警信息，實現(xiàn)海洋氣象環(huán)境數(shù)據(jù)、船舶數(shù)據(jù)、人員數(shù)據(jù)和施工氣象四位一體的高效結(jié)合及數(shù)據(jù)可視化，為確保海上風(fēng)電工程施工生產(chǎn)安全、提高建設(shè)效率和降低運維成本提供有效保障[8-10]。

1 建設(shè)目標

海上風(fēng)電工程施工氣象實時監(jiān)測預(yù)警大數(shù)據(jù)平臺主要包括海上氣象數(shù)據(jù)在線監(jiān)測和施工區(qū)域人員信息統(tǒng)計、各類重要天氣、施工指數(shù)和項目進展等信息可視化展示，施工單位可以根據(jù)中長期氣候預(yù)測和歷史數(shù)據(jù)，制訂施工計劃，降低天氣對施工進度的影響；根據(jù)短期預(yù)報信息，制定調(diào)整施工工序，提升施工質(zhì)量，降低施工成本，全面掌握項目的氣象風(fēng)險，及時根據(jù)相關(guān)信息采取措施，減少損失。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

海上風(fēng)電工程施工氣象實時監(jiān)測預(yù)警大數(shù)據(jù)平臺系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示，系統(tǒng)數(shù)據(jù)來源包含觀測設(shè)備/站點、外部數(shù)據(jù)資源、業(yè)務(wù)值班人員等，即所需數(shù)據(jù)的源頭。數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)進入大數(shù)據(jù)平臺和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)中臺對收集到的數(shù)據(jù)進行處理整合，轉(zhuǎn)換為服務(wù)層可使用的數(shù)據(jù)。服務(wù)層對用戶系統(tǒng)提供各種服務(wù)，并對外提供API 接口。展示層包含PC 端大屏、手機APP 端。

圖1 海上風(fēng)電工程施工氣象實時監(jiān)測預(yù)警大數(shù)據(jù)平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)功能

針對傳統(tǒng)海上風(fēng)電工程施工監(jiān)測成果管理與上報形式的局限性，融合氣象大數(shù)據(jù)，為實現(xiàn)集約化管理、優(yōu)化資源配置和業(yè)務(wù)流程，促進業(yè)務(wù)現(xiàn)代化與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)化發(fā)展，提升管理部門的決策能力，開發(fā)了海上風(fēng)電工程施工氣象實時監(jiān)測預(yù)警大數(shù)據(jù)平臺。

本平臺基于機器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)手段，依托數(shù)字化管理、數(shù)據(jù)可視化理念，將氣象信息大數(shù)據(jù)與海上風(fēng)電工程施工相結(jié)合，重點考慮海上氣象數(shù)據(jù)和工程業(yè)務(wù)信息的可視化查詢、搜索、計算及空間分析，生成各監(jiān)測數(shù)據(jù)的時間序列分析結(jié)果。能快速有效地分析處理監(jiān)測數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)海洋氣象環(huán)境監(jiān)測預(yù)警可視化。同時實時預(yù)警信息也能及時推送至APP 端，實現(xiàn)海上風(fēng)電工程施工監(jiān)測信息化的動態(tài)指揮與監(jiān)控。

3.1 海上風(fēng)電工程施工基礎(chǔ)信息可視化統(tǒng)計分析

綜合氣象信息數(shù)據(jù)、地理信息數(shù)據(jù)、施工數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)信息，進行一系列的統(tǒng)計分析可視化展示，有助于管理人員多維度掌握施工全貌，有效提升施工風(fēng)險管控信息化能力。幫助項目人員及時了解氣象環(huán)境變化、關(guān)注人員安全狀態(tài)、評定施工地點風(fēng)險，從而高效進行施工決策，動態(tài)管理項目進度。

3.1.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)可視化展示模塊

監(jiān)測數(shù)據(jù)可視化展示模塊能夠?qū)⑺斜O(jiān)測數(shù)據(jù)，如氣象信息數(shù)據(jù)、地理信息數(shù)據(jù)、項目相關(guān)數(shù)據(jù)等，以對應(yīng)的表格或圖表形式在海上風(fēng)電工程施工氣象實時監(jiān)測預(yù)警大數(shù)據(jù)平臺中直觀展示。

1）氣象信息。針對海上風(fēng)電工程施工區(qū)域定制氣象可視化服務(wù)，提供施工作業(yè)點的氣象實況和預(yù)報信息。天氣雷達數(shù)據(jù)、衛(wèi)星數(shù)據(jù)、臺風(fēng)數(shù)據(jù)、未來10 天的風(fēng)速風(fēng)向預(yù)報數(shù)據(jù)、海浪數(shù)據(jù)、能見度數(shù)據(jù)、沿海區(qū)域的氣象及海洋歷史數(shù)據(jù)均能在監(jiān)測預(yù)警大數(shù)據(jù)平臺進行展示。

針對海上風(fēng)電工程施工區(qū)域精細化氣象的可視化服務(wù)，主要包括：①海浪預(yù)報數(shù)據(jù)的資源整合。收集官方海浪預(yù)報數(shù)據(jù)和產(chǎn)品，進行解碼譯碼、質(zhì)量控制、加工處理。②精細化海洋預(yù)報。提供精細化海洋預(yù)報數(shù)據(jù)，包含平均波向、風(fēng)向、風(fēng)速、有效波高和平均波周期等要素。③未來7 天精細化預(yù)報。包含氣溫、氣壓、相對濕度、降水量、風(fēng)向和風(fēng)速等要素，預(yù)報時效分為逐3 小時、逐6小時（最細可達逐小時）。

2）施工項目統(tǒng)計信息。基于GIS 展示全國所有項目的施工情況，為決策管理者提供整體視角上的管控能力。該模塊主要分為實時統(tǒng)計展示功能與歷史統(tǒng)計展示功能，實時統(tǒng)計展示功能展示當前項目總數(shù)、項目施工區(qū)域分布情況、施工人員總體情況等信息；歷史統(tǒng)計展示功能展示總風(fēng)場數(shù)量、發(fā)電量等。

3.1.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)報預(yù)警模塊

基于大數(shù)據(jù)分析的預(yù)警機制及主動信息上報反饋機制，全方位實現(xiàn)集約化、信息化、智能化的監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)報預(yù)警功能，能夠?qū)Ｉ巷L(fēng)電工程施工的各項監(jiān)測數(shù)據(jù)進行實時預(yù)警展示。主要模塊包括氣象信息閾值預(yù)警、項目風(fēng)險等級預(yù)警、施工人員監(jiān)測預(yù)警3 個方面。

1）氣象信息閾值預(yù)警。通過實時監(jiān)測施工區(qū)域氣象信息，將相應(yīng)點位數(shù)據(jù)與該監(jiān)測點所設(shè)定的預(yù)警閾值進行比較，如果該監(jiān)測點有監(jiān)測數(shù)據(jù)超過預(yù)警閾值，系統(tǒng)就會將該監(jiān)測點超過預(yù)警閾值的各期監(jiān)測數(shù)據(jù)以表格形式顯示在系統(tǒng)界面上，并重點提示該監(jiān)測點已經(jīng)報警；如果該監(jiān)測點監(jiān)測數(shù)據(jù)未超過預(yù)警閾值，系統(tǒng)也會提醒用戶該監(jiān)測點位暫時安全。界面如圖2 所示。

圖2 海上風(fēng)電工程施工氣象預(yù)警列表

海上風(fēng)電工程施工作業(yè)受海浪及大風(fēng)等天氣因素影響，需要依賴海洋氣象預(yù)報計劃安排施工窗口，并針對性地發(fā)布告警、預(yù)警。需要提供精細化海洋氣象預(yù)報預(yù)警信息，主要包括：海上風(fēng)電工程施工區(qū)域概況及周邊未來12 h 有效波高、10 m 風(fēng)速逐小時預(yù)報結(jié)果，并依據(jù)預(yù)報結(jié)果結(jié)合施工作業(yè)船舶等級標準自動生成施工建議，為相關(guān)人員海上作業(yè)安排提供清晰明了的參考；提供未來7 天逐小時多要素海洋氣象預(yù)報信息，包括10、50、100 m 各層次風(fēng)速、浪高、能見度等。當海上風(fēng)電工程施工區(qū)域及周邊海域出現(xiàn)強風(fēng)、大浪等危險海洋氣象情況時，及時發(fā)布預(yù)警，通知建設(shè)船舶及時返航、施工人員及時撤離，保障建設(shè)人員施工安全。

2）施工風(fēng)險等級預(yù)警。施工風(fēng)險等級預(yù)警對管理部門和施工單位具有重要意義。對于管理部門，可以全面掌握項目的海洋氣象風(fēng)險情況和歷史風(fēng)險統(tǒng)計分析信息，抓住重點，根據(jù)不同氣象預(yù)警級別對施工項目進行有效監(jiān)控。對于施工單位，可根據(jù)中長期海洋氣候預(yù)測和歷史數(shù)據(jù)來制訂施工計劃，降低天氣對施工進度的影響。根據(jù)短期預(yù)報信息，制定和調(diào)整施工工序，提升施工質(zhì)量，降低施工成本。

本平臺根據(jù)施工作業(yè)點的天氣情況綜合分析在該作業(yè)點進行施工工序的風(fēng)險情況，對各施工區(qū)域進行風(fēng)險評級，為施工質(zhì)量和安全管理提供合理化的建議，保障施工安全。通過系統(tǒng)綜合分析氣象數(shù)據(jù)與海上風(fēng)電工程施工任務(wù)的具體工藝工序要求，得出實時施工風(fēng)險等級和風(fēng)險統(tǒng)計排行（圖3）。

圖3 工程風(fēng)險等級可視化圖

3）施工人員監(jiān)測預(yù)警。施工人員監(jiān)測預(yù)警模塊主要實現(xiàn)對施工人員的定位與動態(tài)管理，將每位員工的信息接入系統(tǒng)，保證施工人員的人身安全（圖4）。

圖4 施工人員監(jiān)測預(yù)警

3.2 海上風(fēng)電工程施工過程監(jiān)控

3.2.1 施工進度信息

可錄入海上風(fēng)電工程施工工程項目進行進度管理和工效評估。基于GIS 展示全國所有項目的施工情況、施工船只、施工人員的位置及信息。

3.2.2 施工人員整理信息可視化

通過后臺數(shù)據(jù)庫錄入海上風(fēng)電工程施工區(qū)域建設(shè)相關(guān)各單位、組織的施工人員信息，按單位、工作屬性等維度編組管理，施工人員通過移動端APP 在指定船舶、作業(yè)點位置進行二維碼掃碼打卡，實現(xiàn)人員工單數(shù)據(jù)全流程記錄與上報，實時顯示人員所處位置、歷史軌跡。當海上風(fēng)電工程施工區(qū)域及周邊海域出現(xiàn)海洋氣象災(zāi)害并發(fā)布預(yù)警時，監(jiān)測平臺顯示整體范圍預(yù)警，并針對性地推送至各施工人員APP 端，為保障人員安全提供有效手段。

3.3 氣象因素與施工進程疊加分析結(jié)果

3.3.1 窗口期

海上風(fēng)電工程建設(shè)內(nèi)容主要包含風(fēng)機的基礎(chǔ)施工、安裝施工、海纜的敷設(shè)施工及海上升壓站施工等，各項施工內(nèi)容涉及不同種類的船舶和施工設(shè)備。不同施工船舶的穩(wěn)性、浮性及耐波性等性能各有不同，船舶的工作工況、抗風(fēng)能力等也各有差別，因此海上風(fēng)電工程的施工工況與海洋氣候情況密切相關(guān)。影響海上風(fēng)電工程施工的自然因素主要包括雨、霧、雷暴、潮位、海流、強風(fēng)、波浪和臺風(fēng)等，其中海流和潮位等屬于較為穩(wěn)定的影響因素，其規(guī)律相對容易掌握；而雷暴、臺風(fēng)、雨和霧等屬于短期影響因素，可預(yù)報性也相對較高；但海上風(fēng)電工程施工最大的影響因素是波浪和強風(fēng)，且強風(fēng)往往伴隨強風(fēng)浪。海上風(fēng)電工程施工受到海洋氣候影響巨大，合理利用施工的窗口期對于節(jié)約施工成本、提高施工效率、降低施工風(fēng)險具有重要意義。

海上風(fēng)電工程施工氣象實時監(jiān)測預(yù)警大數(shù)據(jù)平臺可根據(jù)預(yù)設(shè)閾值浪高、風(fēng)速等，篩選海上作業(yè)窗口期，利用可視化方法對窗口期進行直觀展示（圖5），方便管理決策，最大化保障出海作業(yè)效率與安全。

圖5 施工窗口期

3.3.2 施工指數(shù)

根據(jù)作業(yè)點位的天氣情況綜合分析各種施工工序指數(shù)，為安排施工計劃提供數(shù)據(jù)支撐，如圖6 所示。

圖6 施工指數(shù)

4 關(guān)鍵技術(shù)支撐

4.1 高分辨率智能網(wǎng)格預(yù)報技術(shù)

依托數(shù)值預(yù)測、集合預(yù)報、高分辨率模式的解釋應(yīng)用等氣象現(xiàn)代化技術(shù)成果，利用智能化的大數(shù)據(jù)技術(shù)和云計算服務(wù)，自主研發(fā)了一套針對氣象6 要素的高分辨率智能網(wǎng)格預(yù)報數(shù)據(jù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有更高的時空分辨率、更長的預(yù)報時長、更穩(wěn)定的計算條件和更準確的預(yù)報結(jié)果。時空分辨率更精細地預(yù)測網(wǎng)格可以為用戶提供更詳細、更有針對性的服務(wù)和產(chǎn)品。

4.2 基于Spring Cloud 微服務(wù)架構(gòu)

本系統(tǒng)采用微服務(wù)架構(gòu)（圖7），更好地利用當前多臺服務(wù)器進行分布式部署，提高系統(tǒng)整體穩(wěn)定性和使用效率，減少單點應(yīng)用帶來的各類問題。

圖7 Spring Cloud 關(guān)鍵技術(shù)分布圖

Spring Cloud 是一系列框架的有序集合。其利用Spring Boot 的開發(fā)便利性巧妙地簡化了分布式系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施的開發(fā)，如服務(wù)發(fā)現(xiàn)配置中心、注冊、負載均衡、斷路器、數(shù)據(jù)監(jiān)控和消息總線等，都可用Spring Boot 的開發(fā)風(fēng)格做到一鍵啟動和部署，是一套簡單易懂、易部署、易維護的分布式系統(tǒng)開發(fā)工具包。

Spring Cloud Netflix 是Netflix 開發(fā)的一套分布式服務(wù)框架的封裝，包括服務(wù)的發(fā)現(xiàn)和注冊，斷路器、REST客戶端、負載均衡和請求路由等。

Spring Cloud Eureka 是Netflix 開發(fā)的服務(wù)發(fā)現(xiàn)框架，用于提供服務(wù)的注冊與發(fā)現(xiàn)，其通過心跳機制和全/增量更新來維護所有的服務(wù)和客戶端列表，同時也默認提供高可用集群方案。

Spring Cloud OpenFeign 是基于Netflix Feign 實現(xiàn)的，并且實現(xiàn)了聲明式的Web 服務(wù)客戶端定義方式，配合Eureka 和Ribbon 可以很方便地實現(xiàn)客戶端負載均衡。

Spring Cloud Ribbon 是一個客戶端負載均衡器，通過Eureka 注冊中心的Application 名稱來獲取服務(wù)器列表，然后在調(diào)用時通過負載策略來訪問具體的服務(wù)器地址。

Spring Cloud Hystrix 實現(xiàn)了斷路器模式。斷路器的作用是當發(fā)現(xiàn)某一服務(wù)調(diào)用失敗后，告知調(diào)用者該接口失敗，從而避免調(diào)用者服務(wù)資源消耗。

Spring Cloud Config 是分布式統(tǒng)一配置中心解決方案。通過自動化運維及統(tǒng)一配置中心等概念，能夠讓開發(fā)者更加快速地與運維人員合作并保證發(fā)布的流程環(huán)境切換的便利性。

Spring Cloud Zuul 是一套邊緣服務(wù)，其能實現(xiàn)動態(tài)路由、監(jiān)控、負載和流量管理等功能。簡單來說，Zuul 就是服務(wù)應(yīng)用端的一套負載均衡器，由一個核心ZuulServlet和一系列的過濾器組成。

Spring Cloud Bus 是分布式消息隊列，管理和傳播所有分布式項目中的消息，本質(zhì)是利用了MQ 的廣播機制在分布式的系統(tǒng)中傳播消息，目前常用的有Kafka 和RabbitMQ。

Spring Cloud Security 用于構(gòu)建安全的應(yīng)用程序和服務(wù)，操作簡便。在Spring Boot 和Spring Security OAuth2 的基礎(chǔ)上，可以快速創(chuàng)建實現(xiàn)常見模式的系統(tǒng)，如單點登錄，令牌中繼和令牌交換。

5 結(jié)論

通過海上風(fēng)電工程施工氣象實時監(jiān)測預(yù)警大數(shù)據(jù)平臺加強了海上風(fēng)電工程施工項目建設(shè)的事前、事中、事后的監(jiān)管，實現(xiàn)海洋氣象環(huán)境數(shù)據(jù)、船舶數(shù)據(jù)、人員數(shù)據(jù)和施工氣象四位一體的高效結(jié)合及數(shù)據(jù)可視化，有效支持了海上風(fēng)電工程的高效監(jiān)控和安全運行。