海上风电场防入侵感知预警系统设计研究

　　韩烨

　　【摘 要】针对海上风电场设备和船舶通航安全问题，提出了基于多源数据融合的防入侵感知预警系统解决方案。该系统利用小目标雷达、网络AIS 基站和光电系统，获取监控水域的动态和静态目标信息。通过多源数据融合技术，系统能够自动探测、跟踪和识别海上目标，为小型渔船和休闲船舶划定警戒线，感知偏航和穿越航道等危险行为。研究结果表明，该系统能够高效实现海上船舶轨迹和环境信息的主动获取与实时预警，有效提高海上风电场的安全性和监控效率。

　　【关键词】海上风电场；防入侵感知预警；多源数据融合

　　引言

　　随着全球能源、资源和环境问题日益凸显，尤其是全球气候变化不断加剧，风能作为一种清洁、可再生的能源备受各国关注。在这一背景下，海上风电成为当前世界上发展最快的可再生能源之一，引起了我国的高度重视并展开了大规模开发。随着我国海上风电场逐步进入大规模运营阶段，确保风电设备、海底电缆的安全运营，以及维护周边水域的船舶通航安全，已成为亟待解决的重要问题[1-3]。

　　本研究从风电场以及附近船舶通航安全的角度出发，采用智能化、信息化手段进行风电场水域的安全监管与保障，研发一种具有自主知识产权的基于小目标雷达、AIS、光电等多源数据融合技术的海上风电场防入侵感知预警系统，实现海上风电场周边船舶航行态势感知、实时预警及电子围栏等各种功能。

　　一、防入侵感知预警系统

　　本研究聚焦于风电场及其周边水域的通航安全，应用智能化技术对风电场进行全面监控。为此，设计了一套具有自主知识产权的海上风电场防入侵预警系统。首先，集成了先进的小目标雷达、AIS（自动识别）基站和光电监控设备，这些设备共同构成了多源数据融合处理平台。然后，通过多源数据融合技术，系统能够将雷达信号、AIS数据和光电监控信息进行综合分析，从而监测并识别预定警戒线内的船只，自动跟踪其航行轨迹。最后，通过无线网络将监控数据上传到海上风电场管理平台。管理平台提供Visual的电子海图界面，操作者可以在界面上查看船舶的动态信息、历史轨迹以及预警状态，从而快速做出决策，确保风电场管理平台的正常运行[4]。

　　此外，防入侵感知预警系统还借助智能化技术，实现了对海上风电场及其周边水域的全面监控。这一系统不仅能够及时发现潜在的安全威胁，还能够快速做出预警响应，减少了事故发生的可能性，为海上风电场的安全运行提供了可靠的保障。

　　（一）关键技术

　　1.基于小目标雷达的目标监测跟踪

　　研究基于小目标雷达的海面小目标船舶监测跟踪技术。首先，通过对小目标雷达接收机输出信号进行数字化处理和杂波抑制，减少噪声和干扰，生成高分辨率的数字雷达回波视频信号。然后，对这些高分辨率信号进行计算分析，提取目标点迹，建立目标跟踪，并进行多源数据融合处理。接着，设置雷达遮蔽区以减少海面回波、停泊设施和其他不需要监控目标的干扰。根据不断录取的目标点迹，分析其速度和方向等运动规律，将新标绘点迹与已知的跟踪目标关联，实现目标的对遇跟踪、追越跟踪及交叉跟踪。最后，给已知跟踪目标编号，并通过无线传输模块将数据上传到海上风电场入侵感知预警系统平台，实现海图显示，为小目标船舶的感知预警提供稳定的监测数据。

　　通过高效的目标检测和跟踪技术，能够提升对海上小目标船舶的监测和预警能力，确保海上风电场的安全运行。有效防范船舶入侵对风电设备和海底电缆的潜在威胁，提高整体监控系统的可靠性和准确性。这种技术的应用有助于保障海上风电场设施和船舶通航的安全，为海上能源开发提供了重要支持。

　　2. 多源传感器数据融合

　　本文采用了小目标雷达、AIS等传感器的多源数据融合处理技术。首先，基于多源数据融合处理技术，将每个传感器（如雷达和AIS）提供的目标运动模型进行融合，从而整合各个传感器的信息。然后，对多源信号提供的船舶经纬度位置、航速、航向、船舶加速度及船舶转向率等数据进行详细对比，以建立一个统一且精确的运动轨迹。接着，应用多区域目标融合技术，实现AIS基站和雷达在重叠覆盖区域及穿越区域内的船舶目标跟踪。这种技术确保了在不同传感器覆盖范围内的目标船舶能够被持续监控和精确跟踪。最后，系统能够在此基础上高效整合所有相关数据，从而实现对船舶目标的全面监控和精确跟踪，提升了整体监控的精确性和可靠性。

　　多源数据融合处理技术不仅提升了系统对船舶目标的检测和跟踪能力，还有效减少了数据的冗余和误差，确保了监控系统的高效运行和准确预警。通过整合不同传感器提供的信息，系统能够综合考虑各个方面的数据，提高了目标识别的准确性和系统的整体性能。为海上安全监控系统的发展提供了重要支持，有助于提升海上安全管理的效率和可靠性，保障海上设施和船舶的安全运行。

　　3.雷达、AIS与光电联动跟踪

　　通过开发雷达与AIS指控光电联动跟踪算法，系统实现了自动识别并跟踪的船舶目标与光电视频监控系统的有效关联。首先，系统会根据船舶的当前位置，自动选择最近的联动摄像头进行追踪，并实时显示以该船舶为中心的视频画面。然后，当目标船舶移动到当前摄像头的覆盖范围之外时，系统会自动选择下一个摄像头继续跟踪该船舶，确保监控的连续性。接着，系统通过多个摄像头的无缝切换，实现对目标船舶的持续监控，确保其始终处于监控范围内。最后，系统通过联动跟踪与接力跟踪的方式，确保对船舶目标的全程监控，提高了监控的连续性和准确性[5]。

　　通过技术手段提高海上安全管理的效率和可靠性。精确且持续的监控能够有效防止船舶目标脱离监视范围，从而及时发现潜在的安全隐患，为海上风电场及周边水域的安全提供保障。通过实时预警和干预，系统有助于预防可能威胁风电场安全的船舶活动，为应对突发事件提供了重要的技术支持。在实际运用中，该系统不仅可以提高监控效率，还能够节省人力资源，减少人为错误带来的风险。其持续不断的监控能力，使其成为保障海上风电设备和航行安全的重要工具。同时，系统的智能化设计，也为未来海上安全管理的发展提供了可借鉴的经验和技术基础。

　　综上所述，通过开发雷达与AIS指控光电联动跟踪算法，实现对船舶目标的精准监控，对提升海上安全管理的效率和可靠性具有重要意义。

　　4.海上风电场防入侵感知预警系统

　　基于中国海事局发布的标准海图等主流电子海图，开发了一套海上风电场防入侵感知预警系统。该系统旨在展现防入侵感知预警系统的人机交互界面，显示电子海图、雷达视频图像、船舶轨迹和船舶报警等信息。首先，系统通过调用业务层的接口，实现人机交互界面的展现和控制。其次，系统利用电子海图技术，提供电子围栏设置和船舶入侵报警的智能监控功能。同时，系统的功能还涵盖了电子海图的加载和更新、海图信息的显示与控制、船舶实时标绘、船舶状态显示、船舶航行监控、航行记录、报警与指示、AIS信息和雷达信息的集成显示等。通过这些功能，系统能够实时反映海上风电场及其周边水域的动态情况。

　　通过综合运用上述功能，系统确保了对海上风电场的全方位监控与预警，有效提高了风电场的安全性和监控效率。

　　（二）系统模块设计与实现

　　海上风电场防入侵感知预警系统开发包括：（1）显控终端模块的设计与实现，包括显示功能、数据库功能、海图功能、航迹显示功能以及电子围栏功能的设计与实现。（2）基于小目标雷达的目标监测与追踪模块设计与实现，包括雷达性能、目标监测系统平台。（3）基于雷达、AIS和光电联动的设计与实现，包括AIS船舶数据、雷达数据的集成显示，监测到目标后对光电的指控追踪与拍摄记录。

　　1.显控终端模块

　　基于中国海事局发布的标准海图和主流电子海图，展示海上风电场防入侵感知预警系统的人机交互界面，其中包括电子海图、雷达视频图像、船舶AIS轨迹、无关船舶进入风电场报警等信息。海图系统的主界面分成五个主要区域，分别是菜单栏、工具栏、状态栏、海图条以及海图显示区。

　　设计的人机交互界面不仅能够使用户直观地了解海上情况，还能够提高对潜在威胁的感知能力，从而更好地保障海上风电场设施和周边水域的安全运行。通过简洁清晰的界面设计和直观明了的信息展示，用户可以迅速获取海上船舶的位置、航行状态以及其他关键信息。这样的设计不仅提高了用户对海上情况的感知能力，还能够帮助用户及时发现潜在的安全隐患，并采取相应的应对措施。因此，设计的人机交互界面在提升海上风电场安全管理水平和保障设施运行安全方面具有重要意义。

　　2.目标监测与追踪模块

　　基于风电场特点开发的小目标雷达，作为海事监视侦查设备。该雷达工作频段在KU波段，具备高灵敏度、稳定性以及抗干扰性等特点，解决了对速度较慢、船型小、非钢制海船等目标的监测难题。

　　雷达系统主要由天线、发射/接收、信号处理、终端显示、定位测向模块等几部分组成。其中，采用线性调频脉冲体制、宽角度频扫波导天线以及俯仰维频率扫描，提高了系统的性价比和适用性。通过软件界面设计，将海事监视雷达的主要功能进行了展示和整合。主界面包括了地图扫描圈、状态栏、信息栏和工具栏等部分，为用户提供了方便的操作和信息查看方式。通过海事监视雷达软件的数据处理过程，能够实时解析雷达数据，进行扇形扫描，并将扫描结果呈现给用户。同时，用户还可以通过软件界面进行伺服控制、信处控制、高级设置、船舶目标监视区域设置和航迹回放等操作，提高了系统的灵活性和用户体验。

　　设计和开发的海事监视雷达系统，可以有效监测风电场有限区域内的船舶目标，提高了海事监视的效率和准确性，保障了风电场设施和周边水域的安全运行。

　　3.基于雷达、AIS和光电联动设计

　　通过雷达、AIS和光电联动技术，建立了一套全面的海上风电场防入侵感知预警系统。

　　首先，通过雷达、AIS和光电联动，能够实现对水域内船舶目标的全方位感知探测，从而及时发现潜在的入侵行为。接着，结合雷达和AIS数据，系统可以准确计算船舶的位置、航向和航速等关键信息，为进一步的监控和预警提供准确的数据支持。然后，系统能够持续跟踪进入区域的船舶，并记录其轨迹，通过分析船舶的运动轨迹，可以识别异常行为并及时作出反应。同时，将雷达和AIS数据进行动态和静态信息融合，可以更全面地了解船舶的情况，为后续的监控和管理提供更多参考。此外，利用雷达引导光电设备对船舶进行跟踪识别，光电设备可以自动抓拍和录制船舶的视频，提供有效的证据支持。系统还支持多级警戒区的设置，一旦发现异常情况，系统将自动报警，并将信息记录、存储、回放，为事件的调查和处理提供依据。

　　通过将AIS和雷达数据同时传输到海上风电场防入侵感知预警系统平台，实现了数据的集成和共享，使得整个监控系统能够更加高效地运行，提高了风电场的安全性和监控效率。

　　结语

　　本文通过对海上风电场周边船舶航行态势感知实时预报技术、基于多源数据融合技术的海上风电场防入侵感知技术及海上风电场预警报警技术的探讨，实现了以小目标雷达、网络AIS基站、光电系统为主要感知设备的监控系统。通过远程数据采集，能够获取监控水域动态和静态目标信息，并利用先进的矢量海图技术建立了可视化监控与预警平台。在海图上实时呈现监控水域的动态和静态目标信息，并能够根据监控需要编辑预警区域、警戒线和虚拟航标区域。系统根据预设的预警规则，能够及时提醒和警告存在安全威胁的目标，实现了全天候智能安全预警。

　　参考文献：

　　[1] 曾建平, 郭建新, 李达, 等. 提升海上风场交通安全技术手段研究[J]. 交通企业管理,2021,36(1):78-80.

　　[2] 叶军, 仲雅娟. 海上风能利用及其成本分析综述[J]. 太阳能,2018(6):19-25.

　　[3] 张华伟. 唐山港海上风电场通航安全风险评价与海事监管研究[D]. 辽宁: 大连海事大学,2017.

　　[4] 孙敬东, 钟庆云, 邓巍. 基于电子围栏及声光预警系统的海上风电场安全保障方法研究[J]. 中国水运（上半月）,2020(5):60-63.

　　[5] 蔡浩, 杨光伟, 王丹丹, 等. 内河航道电子卡口智能监管系统解决方案[J]. 中国水运（上半月）,2020(4):61-64.