基于立体感知技术的海上风场水域交通安全监管系统

2020-05-08曾建平郭建新蒋光道

上海船舶运输科学研究所学报 2020年1期

曾建平，郭建新，蒋光道，黄兴，洪波，连波

(1.长江三峡集团福建能源投资有限公司，福州 350000； 2.福建省新能海上风电研发中心有限公司，福州 350000； 3.长航(武汉)绿色航运科技服务有限公司，武汉 430000)

0 引言

海上风电具有风能资源丰富、对环境的负面影响较小和易规模化开发等优点[1-3]，具有广阔的发展前景，很多国家正在加速推进海上风场的开发建设[4]。截至2018 年底，我国的海上风电累计并网容量达到3.58 GW，已核准项目容量达到17.10 GW，在建项目容量达到6.00 GW，海上风电产业链已逐步建设和发展起来。

确保海上交通安全是保证海上风场开发建设正常推进的基础。本文以福清兴化湾正在建设的海上风场项目为例，对其附近水域的交通安全问题进行分析。该风场二期项目附近部分水域为适宜船舶航行的水域，存在商船通航和小型渔船活动。考虑到工程施工会改变工程附近水域的通航环境和通航条件，对附近水域的通航安全和相关水工设施造成一定的影响，有必要建立一套较为完善的海上风场海域交通安全管理系统，保证海上风场开发建设和运营顺利推进。

1 海上风场水域安全监管系统总体方案

发展海洋经济，保护海洋环境，建设海洋强国，是我国海洋事业发展的方向。本文以国家提出的“智慧海洋”工程建设为理念，提出建立基于立体感知技术的海上风场水域交通安全监管系统。开展海上风场主动交通引导、主动防御和风场环境立体感知体系研究，实现风场交通环境实时监测、区域船舶动态监控、区域船舶信息溯源和应急事故动态响应，全面提升海上风场海域交通安全监管的可靠性和科学性。

该系统综合利用视频监控技术、船舶联动跟踪技术、自动识别系统(Automatic Identification System，AIS) 及雷达定位跟踪技术、热成像和透雾等高科技手段，实现对其附近5 km水域内船舶的全天候动态监控，为保证海上风场的安全提供有利手段。

该系统综合利用 AIS、雷达和光电设备对接近海上风场的船舶进行探测和跟踪，将监测目标叠加在电子海图上，生成实时态势。此外，根据目标与监控点之间的距离，通过用不同颜色对目标进行标记来表示事件的紧急程度，以提醒值班人员进行相应操作。

根据距离中心点的长度，将防区划分为不同颜色区域(见图 1)，对闯入特定区域的船舶进行自动预警和处置，记录事件的全部过程，同时实现与上级指挥中心的互通。

1) 当目标与监控点之间的距离在[3.0,5.0] km 时，将目标标记为蓝色，值班人员可通过双击目标引导云台查看目标，确认目标是否为船舶。

2) 当目标与监控点之间的距离在[1.5,3.0) km 时，将目标标记为黄色，值班人员可通过双击目标引导云台查看目标，确认目标是否为船舶，若确认为船舶，值班人员可通过甚高频(Very High Frequency，VHF)系统与船舶进行通话。

3) 当目标与监控点之间的距离小于 1.5 km 时，将目标标记为红色，系统自动引导云台跟踪目标，进行抓拍和录像取证，同时发出声光报警，提醒值班人员进行处理。此时，值班人员可通过 VHF语音警告手段驱离入侵目标。在警告未果的情况下，值班人员可通过扫海灯强光扫射进行驱逐。

热成像多光谱一体化摄像机具有全天候监控的功能。激光可见光在昼夜环境下可远距离观测目标的细节，辅助人工确认目标的属性和特征。红外热成像用于目标探测和跟踪，解决雾天、霾天、夜间、逆光和雨天等恶劣环境条件下水面监测应用的需要。

2 系统功能架构

海上风场水域安全监管系统功能架构见图2，主要由设施层、支撑平台层、数据层、应用层、展现层和服务对象层组成。

图1 海上风场水域交通安全监管系统部署示意

图2 海上风场水域安全监管系统功能架构

1) 设施层包括多传感器设备终端、基础通信网络、计算存储服务器和防火墙等，其中：多传感器设备终端包括雷达、AIS、CCTV(Closed-Circuit Television)、VHF和探照灯等设备；通信网络是承载数据传输和交换的基础，包括行业专网、无线通信网络、虚拟专用网络(Virtual Private Network，VPN)、因特网、路由器和交换机等；计算存储服务器包括数据库服务器和应用服务器等；存储系统包括磁盘阵列和磁带库等。

2) 支撑平台层是建立在网络设施层之上，对数据资源层和应用层进行支撑的软件平台，主要包括SOA(Service-Oriented Architecture)运行环境平台、电子海图平台、AIS服务平台、VHF服务平台、CCTV服务平台和监控预警服务平台等。支撑平台层依据数据标准体系和安全认证体系对支撑平台软件进行安全保障和标准加持，同时采用主流的IT技术和框架作为技术支撑，包括企业服务总线(Enterprise Service Bus,ESB)技术、消息队列(Message Queue,MQ)技术、SRC(Sparse Representation-based Classifier)技术和SOA面向服务框架等。

3) 数据采集层是系统最底层的基础支撑层，在逻辑上分为记录存储文件数据库和应用数据库。记录存储库属于稳文件型数据库，主要通过时间颗粒建立文件索引机制，存储雷达视频数据、目标轨迹数据、VHF语音数据、报警信息数据和CCTV视频数据等。应用数据库属于关系型数据库，主要存储船舶静态信息和系统业务管理数据，如用户角色权限数据和违法违规数据等。

4) 应用层主要包括多类应用程序模块，具有多信源数据解析、多信源数据融合、目标识别跟踪处理、雷达图像处理、记录存储回放处理、海图视频一体化显示处理、监控预警处理、目标联动跟踪处理、海图漫游处理、CCTV联动跟踪、探照灯联动跟踪、气象信息显示、风险识别、风险应对措施处理、目标信息查询、违规信息查询、预警信息发布和记录信息查询等应用功能。

5) 展现层。该系统主要以安全监控系统Windows桌面监控程序、安全监控系统WEB端和安全监控系统移动APP端对外提供应用和服务。服务对象通过展现层与系统互动，获取系统提供的功能和服务。展现层的内容会充分考虑行业用户的习惯，尽量提升用户的友好性。

6) 服务对象层。服务对象是系统的涉众，系统为其提供有针对性的高效服务，按照涉众类别主要分为专用码头安全监控中心值班室、发电公司远程监控室和维护工作船等。

图3 系统组成

3 系统组成

系统组成见图3，系统前端包括雷达、AIS、CCTV、VHF和扫海灯等设备。各设备的功能如下：

1) 雷达用于捕获目标实时信息，并与AIS信息相融合，生成具体的船舶实时位置、航速和航向等信息。

2) AIS用来获取船舶的基本信息，并与雷达信息相融合，生成目标船的运动轨迹。

3) CCTV由多光谱跟踪高精度云台、热成像、高清可见光和激光构成。高精度云台用来进行目标快速定位、目标跟踪和联动；高清可见光用来对目标进行特写和查看其细节；热成像和激光用来在夜间进行探测，提升系统的夜视功能。

4) VHF用来对目标船进行语音通话或语音警告驱离。

5) 扫海灯用来对语音警告未果的船舶进行强光驱离。

6) 气象系统用来获取气象信息。

海上风场指挥中心布置有电子海图服务器、智能视频检测服务器、业务服务器、数据库服务器、显示屏和值班客户端，各组成部分的具体工作如下：

1) 电子地图服务器用于提供相关海域的电子海图服务和应用；

2) 智能视频检测服务器用于进行智能算法分析、识别和报警等；

3) 业务服务器用于实现前端所有设备和外部系统的数据通信，完成AIS数据与雷达数据的融合，根据时间计划完成任务调度等；

4) 值班客户端用于实现船舶实时动态监控和海上风场海域交通安全防范管理，可根据实际需要，在海洋、海事部门安装客户端。

4 系统主要功能

以海上风场全方位立体可视化感知创新为手段，进行差异化海上风场交通安全管理，对场外船舶采取主动引导、防御的措施，为场内船舶按作业计划排班提供技术支持，提升海上风场的安全防御能力和交通安全管理能力。通过在风场周围和风机内部布设先进的传感设备，对风场周围和进入风场的目标进行实时监控，主要包括：

1) 在风场区域架设雷达设备和AIS基站设备，在运维船上架设考勤设备，实现对进出风场区域的船舶和运维人员的实时监测定位；

2) 在风机附近配备视频监控设备，有效识别靠近风机的目标，实现对风场海域的可视化监控；

3) 在风机上装设高分贝音频广播，实现对入侵危险目标的驱离；

4) 在风场区域布设海洋感知观测系统，实现对风、气温、湿度、海区波浪和海洋环境要素的实时监测；

5) 引入海洋、海事等相关主管部门的信息系统，实现信息的有效共享。

综上，通过不同数据源的有效融合，实现对海上风场的立体感知和实时有效监控，提供辅助决策、风场安全监管和风险预测等功能，对事故致因分析和可靠性分析进行研究，同时提供相关的社会服务。

5 系统应用案例

图4 雷达、AIS和云台系统的联动

福清兴化湾海上风场项目一期共有 14 个风塔需要监管。本文所述研究成果目前正在福清兴化湾海上风场一期项目中进行应用，雷达、AIS和云台系统的联动见图4。通过在现场布设雷达、光电设备、AIS、VHF系统和扫海灯硬件设备，利用软件系统对这些设备进行融合，形成立体防护手段，对风塔区域及风塔5 km以内的海域进行综合监控，分级预警。

目前福清兴化湾海上风场项目正在有序推进，未来将形成一定规模的风场。该系统的应用将有效解决在建风场的安全防范问题。