风电项目鹰类识别保护技术研究

罗明清，何时有，陈 琛，童 灏

(中国电建集团海外投资有限公司，北京 100048)

0 引 言

在气候变暖和全球能源转型背景下，大力发展风电是绿色低碳经济发展需要，风电通过替代化石燃料减缓气候变化，可以改善鸟类的整体生存环境，但也带来了鸟类保护问题，尤其是鸟类撞机风险。目前鸟类保护以驱赶技术为主，针对某一珍稀野外飞禽，开展主动避让技术研究非常少[1-2]。可视化鹰类识别保护系统通过360°全景摄像头以及中央分析单元，瞬时完成飞行物图像捕捉、识别、预警等一系列动作，对处于鹰类活动范围内的运行机组进行停机，避免鹰类撞机事件发生，有利于实现人与自然的和谐发展。

1 项目简介

牧牛山风电项目位于塔斯马尼亚州中央高地，总装机148.4 MW，共48台机组，通过长4 km的220 kV输电线路与澳大利亚国家电网连接，年均上网发电量约4.4亿kW·h，为塔州提供5%的电力，为6万户家庭提供优质的清洁能源，被塔州能源部长誉为“改变州运”的重大基础设施项目。项目于2020年5月12日进入商业运营，2020年8月3日实现全容量并网。

澳大利亚各级政府对生态环境保护的要求十分严格，其中塔斯马尼亚州尤为突出。牧牛山项目现场自然环境优美，是濒危动物楔尾鹰和白腹鹰的栖息地，澳大利亚政府对每年因风场运行受伤或被杀害的楔尾鹰数量提出明确要求。为保护野生飞禽安全，降低对风电站的不利影响，实现风机高效利用，实现生态效益和经济效益的最佳平衡，需开展针对性地鹰类识别保护研究。

2 防鸟技术介绍

2.1 鸟类探测技术

遥测技术。在受保护的鸟类身上直接安装无线电信号发射装置，通过定位系统追踪和记录野生动物的活动情况，在地图上记录其飞行轨迹和活动范围等相关信息。本方法需抓获目标鹰类，诱捕或安装装置可能导致受伤，不适用于稀有、濒危或脆弱物种。

雷达探测。通过使用无线电波获取物体的距离、角度和速度信息，探鸟雷达能检测到夜间和远距离的鸟类，可形成全方位的探测，并提供飞鸟运动高分辨图像，但尚有一定局限性[3-5]：①可能存在检测不到目标的盲区，需部署多部雷达以实现全覆盖；②地面、降水、昆虫、植被都可能产生杂波，难以在抑制杂波的同时保持鸟类目标完整性；③难以识别具体的物种或鸟群中确切的个体数，无法动态跟踪鸟群中的单只鸟；④不同频段的雷达对鸟群目标的探测能力不同，鸟类飞行时的翅膀扇动会对雷达波产生调制效应；⑤成本较高，可能需要专业人员参与。

红外探测技术。根据传感器不同分为热释电传感器和热电堆传感器。用菲涅尔透镜制成的热释电红外传感器更适合探测飞行中的鸟。对于鸟栖停在防范区域的问题，热电堆红外传感器通过形成锥状的探测空间可以有效解决，但针对复杂的现场环境，需要形成全方位的探测时，存在不足[6]。

成像技术。目前最适宜于风电项目的方法是摄像机成像技术，它的主要优势是具有识别物种的潜力、记录碰撞事件的可能性以及触发停机保护，但摄像机的视野有限，需要多台设备实现全覆盖。目前，比较成熟的成像技术有DT Bird和IdentiFlight两种，均已在全球十几个风电场进行了成功应用。

2.2 防鹰撞击规避措施

用于降低飞禽类撞机风险的主要方法有2种，一是主要采用防鸟刺阻挡或者声、光、电等措施惊吓或刺激鸟类，来实现防鸟驱鸟的目的[7-8]，这些方法具有一定的盲目性，不能主动探测飞鸟目标，只是被动驱赶鸟类；二是对处于野生动物活动范围内的运行机组进行自动停机，以大幅降低野生动物撞击叶片的概率。由于大部分野生动物对声响警告不敏感，因此停机避让成为了避免野生动物撞机的首选。

3 可视化鹰类识别保护系统的应用

3.1 技术原理

牧牛山项目在澳洲风电行业首次引入全球技术领先的鹰类识别保护系统IdentiFlight。该系统是由美国RES公司(Renewable Energy Systems)和巨石成像公司(Boulder Imaging)共同研发的一款先进的可视化鹰类识别保护系统，采用高性能光学系统与视觉软件结合，由最先进的图像传感器阵列(用于半球空间探测)、高放大率立体传感器(用于位置、轨迹和物种识别)和高性能人工智能算法(用于完全自主的实时图像处理)组成。

可视化鹰类识别保护设备安装在观测塔上，塔高一般7～10 m，主要由顶部探测头、塔身、服务器柜等部件组成，如图1所示。探测头包括8台广角摄像机(WFOV)和1套高分辨率立体摄像机(HRSC)，如图2所示。

图1 观测塔及顶端探测头

图2 鹰类识别保护设备

广角摄像机负责探测发现移动的物体，根据机器视觉技术对转动的风机叶片、晃动的树木等非鸟类目标进行筛选排除。高分辨率立体摄像机锁定跟踪并拍摄捕捉疑似楔尾鹰鸟类的高清图像，对尺寸、颜色、羽毛等物理特征进行分析，与收集的图像数据库精确比对，最终确定该目标为楔尾鹰，并将相关数据发送到本地基站。基站将相关数据分别发送到现场运维楼监视屏和停机保护模块，供运维人员进行实时监控，以及供停机保护模块进行数据分析；停机保护模块通过分析楔尾鹰飞行路径、飞行速度以及其与风机的距离，评估楔尾鹰与风机相撞的风险，并确定是否需要采取停机保护措施；如有楔尾鹰碰撞风险，系统立即向数据采集与监视控制系统(SCADA)系统发送风机降低转速或停机信号，风机实施保护停机动作。当濒危鹰类撞机风险解除后，系统将向SCADA系统发出风机重启信号，风机恢复正常运行。系统通过360°全景摄像头以及中央分析单元，可连续24 h不间断探测，瞬时完成飞行物图像捕捉、识别、预警等一系列动作，对处于鹰类活动范围内的运行机组进行停机，避免鹰类撞机事件发生。

3.2 技术应用

3.2.1 楔尾鹰分布调查和保育期监控

根据鹰类的栖息分布和行为特点，制定科学的调研方案，对现场及周边一定范围区域开展全面的实地巡查，对巢穴分布位置、周边环境、种群数量等进行全面记录，并每隔一段时间进行复查。根据前期鹰巢调查，风电场区域内有3个塔斯马尼亚楔形尾鹰巢穴，部分巢穴不活跃，在风电场周围2 km范围内，有2个楔形尾鹰巢穴。将进一步跟踪巢穴的活动迹象，研究场区内楔尾鹰的种群数量、活动范围等，更好地提高保护措施的针对性。每年野生动物保育期(通常为当地8月份前后)期间，通过安装隐蔽摄像装置等方式记录楔尾鹰巢内及附近野生动物活动。

3.2.2 可视化鹰类识别保护设备选址

为满足全场覆盖无死角监控濒危鹰类的环保要求，首先利用地理信息系统(ArcGIS)对项目地形进行视域分析，尽量远离楔尾鹰活动范围，初步确定设备安装的备选位置；研究现场的植被勘察数据(LiDAR Data)以及现场植被照片，尽可能减设备安装对现场植被和地形的破坏和影响；使用谷歌地球(Google Earth)、KML(Keyhole Markup Language)等软件对设备安装位置进行精选，实现全覆盖并尽可能扩大设备的监控重叠区域，提高识别濒危鹰类的准确性和及时性；开展实地勘察，科学论证并最终确定16台设备的安装位置，如图3所示。

图3 鹰类活动与风机布置

3.2.3 建立鹰类图像库

广泛收集野生飞禽图像，分析颜色、羽毛、翅膀形状和飞行轮廓等特征，建立楔尾鹰识别规则。通过可视化鹰类识别保护系统对场内楔尾鹰情况进行跟踪大量拍摄，对楔尾鹰的范围、出现时间、频率、飞行轨迹、飞行速度、飞行姿态等信息进行统计分析，开展楔尾鹰活动行为调研研究。基于机器视觉技术，依据建立的识别规则分析图像，确定拍摄的图片与鸟类图像库的匹配情况，还利用卷积神经网络技术，通过大量鸟类样本训练，提取出不同鸟类的特征文件，深度学习识别物种，提升识别可靠度和效率。2019年11月19日～2020年5月17日，共追踪超过5.5万次楔尾鹰和白腹鹰的飞行路线，捕捉处理超过800万张楔尾鹰和白腹鹰图片，建立了基本图像库并不断完善。

3.2.4 系统参数和风机预警规则

可视化鹰类识别保护系统的工作原理是在发现楔尾鹰后控制相关风机降低叶片转速或停机避让，将不可避免的造成发电量损失，如增大发送停机信号的范围半径，或延长撞击预警时间，将出现鹰类活动时机组损失电量大幅增加；反之则鹰类保护效果将大大折扣。因此需要结合风电项目客观条件，科学制定设备参数和停机规则，实现发电效益和环保效益的最大化平衡。根据环保法律法规要求、现场地形地貌、鸟类活动特点、发电量损失的可接受范围、对项目日常运行维护的影响等因素综合考虑，重点考虑金风3S机型的制动时间，经专业软件多次模拟和优化，确定项目相关参数。

牧牛山项目可视化鹰类识别保护系统以风机为中心构建了外圆柱体和内圆柱体两个虚拟的野生动物识别保护空间体系，如图4所示。该系统可在900 m外对楔尾鹰进行自动探测识别，在该范围以外发现任何野生飞禽，系统都不会发出停机信号；一旦发现楔尾鹰进入外圆柱体(半径900 m，高度900 m)和内圆柱体(半径675 m，高度450 m)之间的空间，系统将根据楔尾鹰的飞行速度和飞行轨迹，预测撞击时间；当发现楔尾鹰进入内圆柱体区域，预测撞机时间小于预警时间(55 s)时，系统就会立即向SCADA系统发出停机避让信号；楔尾鹰飞离时间超过风险解除时间(90 s)，系统将会向SCADA系统发出风机重启信号。

图4 圆柱体虚拟鹰类识别保护空间体系

3.2.5 鹰类、其他鸟类与风机碰撞调查

由搜寻人员牵领受过专业训练的搜寻犬，以周为时间单位对每台风电机组周边一定距离半径区域范围内的鸟类尸体进行搜寻，并对搜寻记录进行统计分析。

3.2.6 应用成效

2019年11月，项目首台鹰类保护设备与首台并网风机同步投入使用；2020年5月，全部16台鹰类保护设备完成安装调试投入使用，运行界面如图5所示，至今未发生一起因楔尾鹰与运行风机相撞受伤和死亡环保事件。

图5 IdentiFlight系统运行界面

牧牛山项目实现全容量并网发电后两个月左右，因可视化鹰类识别保护系统控制停机导致的弃风率约为6.90%，经调取和分析停机记录，对相应参数进行了优化。2020年底将因可视化鹰类识别保护系统控制停机导致的弃风率降至3.45%，2021年控制到了1%左右，在确保鹰类保护要求的前提下，实现风电项目经济效益最大化。

4 结 语

牧牛山风电项目积极应对楔尾鹰濒危物种保护的苛刻要求，引进世界上最先进的鸟类识别保护系统，并持续学习优化，实现了在几秒钟内完成楔尾鹰图像捕捉、识别、预警和避让，凭借该系统的技术创新性以及投运后的良好表现，获得澳洲清洁能源署(CEC)颁发的2021年“可再生能源创新奖”。该技术在牧牛山项目的成功应用，树立了“建设清洁能源，营造绿色环境”的积极形象，为环境优化型风电场建设提供了经验和借鉴，具有广阔的推广应用前景。