赵爱博，奚子惠，朱学习
（江苏省海涂研究中心，南京 210013）
海上风电是我国实现“30·60”双碳目标的重要技术手段之一。“十四五”期间，全国海上风电总装机规划超100 GW，我国将迎来新的建设高峰[1-2]。随着我国海上风电工程的迅速发展，尤其是2019—2021 年国内“抢装潮”的大背景下，很多项目加速建设，施工安全风险倍增，海上风电工程的安全施工问题日益突出，给安全施工管理带来了巨大压力和挑战[3-4]。
海上风电工程与其他工程项目不同，其各分部、单元工程多在海上作业，如工程地质踏勘、桩基础施工、海上升压站施工和海缆敷设等[5]。海上工程施工具有作业海域范围大、施工技术复杂、装配精度要求高和有效施工窗口期短等特点，施工过程中受浮冰、潮汐、风、浪和流等因素影响较大，潜在安全风险因素较多[6-7]。
针对海上风电工程建设存在的问题，设计出海上风电工程施工气象实时监测预警大数据平台，为海上风电工程建设、运维阶段提供针对性、集约式、一体化的海洋气象环境监测预警信息，实现海洋气象环境数据、船舶数据、人员数据和施工气象四位一体的高效结合及数据可视化，为确保海上风电工程施工生产安全、提高建设效率和降低运维成本提供有效保障[8-10]。
1 建设目标
海上风电工程施工气象实时监测预警大数据平台主要包括海上气象数据在线监测和施工区域人员信息统计、各类重要天气、施工指数和项目进展等信息可视化展示，施工单位可以根据中长期气候预测和历史数据，制订施工计划，降低天气对施工进度的影响；根据短期预报信息，制定调整施工工序，提升施工质量，降低施工成本，全面掌握项目的气象风险，及时根据相关信息采取措施，减少损失。
2 系统结构
海上风电工程施工气象实时监测预警大数据平台系统架构如图1 所示，系统数据来源包含观测设备/站点、外部数据资源、业务值班人员等，即所需数据的源头。数据源的数据进入大数据平台和业务数据库。数据中台对收集到的数据进行处理整合，转换为服务层可使用的数据。服务层对用户系统提供各种服务，并对外提供API 接口。展示层包含PC 端大屏、手机APP 端。
图1 海上风电工程施工气象实时监测预警大数据平台系统结构
3 系统功能
针对传统海上风电工程施工监测成果管理与上报形式的局限性，融合气象大数据，为实现集约化管理、优化资源配置和业务流程，促进业务现代化与产业结构化发展，提升管理部门的决策能力，开发了海上风电工程施工气象实时监测预警大数据平台。
本平台基于机器学习、大数据等技术手段，依托数字化管理、数据可视化理念，将气象信息大数据与海上风电工程施工相结合，重点考虑海上气象数据和工程业务信息的可视化查询、搜索、计算及空间分析，生成各监测数据的时间序列分析结果。能快速有效地分析处理监测数据，并实现海洋气象环境监测预警可视化。同时实时预警信息也能及时推送至APP 端，实现海上风电工程施工监测信息化的动态指挥与监控。
3.1 海上风电工程施工基础信息可视化统计分析
综合气象信息数据、地理信息数据、施工数据等基础信息，进行一系列的统计分析可视化展示，有助于管理人员多维度掌握施工全貌，有效提升施工风险管控信息化能力。帮助项目人员及时了解气象环境变化、关注人员安全状态、评定施工地点风险，从而高效进行施工决策，动态管理项目进度。
3.1.1 监测数据可视化展示模块
监测数据可视化展示模块能够将所有监测数据，如气象信息数据、地理信息数据、项目相关数据等，以对应的表格或图表形式在海上风电工程施工气象实时监测预警大数据平台中直观展示。
1）气象信息。针对海上风电工程施工区域定制气象可视化服务，提供施工作业点的气象实况和预报信息。天气雷达数据、卫星数据、台风数据、未来10 天的风速风向预报数据、海浪数据、能见度数据、沿海区域的气象及海洋历史数据均能在监测预警大数据平台进行展示。
针对海上风电工程施工区域精细化气象的可视化服务，主要包括：①海浪预报数据的资源整合。收集官方海浪预报数据和产品，进行解码译码、质量控制、加工处理。②精细化海洋预报。提供精细化海洋预报数据，包含平均波向、风向、风速、有效波高和平均波周期等要素。③未来7 天精细化预报。包含气温、气压、相对湿度、降水量、风向和风速等要素，预报时效分为逐3 小时、逐6小时（最细可达逐小时）。
2）施工项目统计信息。基于GIS 展示全国所有项目的施工情况，为决策管理者提供整体视角上的管控能力。该模块主要分为实时统计展示功能与历史统计展示功能，实时统计展示功能展示当前项目总数、项目施工区域分布情况、施工人员总体情况等信息；历史统计展示功能展示总风场数量、发电量等。
3.1.2 监测数据预报预警模块
基于大数据分析的预警机制及主动信息上报反馈机制，全方位实现集约化、信息化、智能化的监测数据预报预警功能，能够对海上风电工程施工的各项监测数据进行实时预警展示。主要模块包括气象信息阈值预警、项目风险等级预警、施工人员监测预警3 个方面。
1）气象信息阈值预警。通过实时监测施工区域气象信息，将相应点位数据与该监测点所设定的预警阈值进行比较，如果该监测点有监测数据超过预警阈值，系统就会将该监测点超过预警阈值的各期监测数据以表格形式显示在系统界面上，并重点提示该监测点已经报警；如果该监测点监测数据未超过预警阈值，系统也会提醒用户该监测点位暂时安全。界面如图2 所示。
图2 海上风电工程施工气象预警列表
海上风电工程施工作业受海浪及大风等天气因素影响，需要依赖海洋气象预报计划安排施工窗口，并针对性地发布告警、预警。需要提供精细化海洋气象预报预警信息，主要包括：海上风电工程施工区域概况及周边未来12 h 有效波高、10 m 风速逐小时预报结果，并依据预报结果结合施工作业船舶等级标准自动生成施工建议，为相关人员海上作业安排提供清晰明了的参考；提供未来7 天逐小时多要素海洋气象预报信息，包括10、50、100 m 各层次风速、浪高、能见度等。当海上风电工程施工区域及周边海域出现强风、大浪等危险海洋气象情况时，及时发布预警，通知建设船舶及时返航、施工人员及时撤离，保障建设人员施工安全。
2）施工风险等级预警。施工风险等级预警对管理部门和施工单位具有重要意义。对于管理部门，可以全面掌握项目的海洋气象风险情况和历史风险统计分析信息，抓住重点，根据不同气象预警级别对施工项目进行有效监控。对于施工单位，可根据中长期海洋气候预测和历史数据来制订施工计划，降低天气对施工进度的影响。根据短期预报信息，制定和调整施工工序，提升施工质量，降低施工成本。
本平台根据施工作业点的天气情况综合分析在该作业点进行施工工序的风险情况，对各施工区域进行风险评级，为施工质量和安全管理提供合理化的建议，保障施工安全。通过系统综合分析气象数据与海上风电工程施工任务的具体工艺工序要求，得出实时施工风险等级和风险统计排行（图3）。
图3 工程风险等级可视化图
3）施工人员监测预警。施工人员监测预警模块主要实现对施工人员的定位与动态管理，将每位员工的信息接入系统，保证施工人员的人身安全（图4）。
图4 施工人员监测预警
3.2 海上风电工程施工过程监控
3.2.1 施工进度信息
可录入海上风电工程施工工程项目进行进度管理和工效评估。基于GIS 展示全国所有项目的施工情况、施工船只、施工人员的位置及信息。
3.2.2 施工人员整理信息可视化
通过后台数据库录入海上风电工程施工区域建设相关各单位、组织的施工人员信息，按单位、工作属性等维度编组管理，施工人员通过移动端APP 在指定船舶、作业点位置进行二维码扫码打卡，实现人员工单数据全流程记录与上报，实时显示人员所处位置、历史轨迹。当海上风电工程施工区域及周边海域出现海洋气象灾害并发布预警时，监测平台显示整体范围预警，并针对性地推送至各施工人员APP 端，为保障人员安全提供有效手段。
3.3 气象因素与施工进程叠加分析结果
3.3.1 窗口期
海上风电工程建设内容主要包含风机的基础施工、安装施工、海缆的敷设施工及海上升压站施工等，各项施工内容涉及不同种类的船舶和施工设备。不同施工船舶的稳性、浮性及耐波性等性能各有不同，船舶的工作工况、抗风能力等也各有差别，因此海上风电工程的施工工况与海洋气候情况密切相关。影响海上风电工程施工的自然因素主要包括雨、雾、雷暴、潮位、海流、强风、波浪和台风等，其中海流和潮位等属于较为稳定的影响因素，其规律相对容易掌握；而雷暴、台风、雨和雾等属于短期影响因素，可预报性也相对较高；但海上风电工程施工最大的影响因素是波浪和强风，且强风往往伴随强风浪。海上风电工程施工受到海洋气候影响巨大，合理利用施工的窗口期对于节约施工成本、提高施工效率、降低施工风险具有重要意义。
海上风电工程施工气象实时监测预警大数据平台可根据预设阈值浪高、风速等，筛选海上作业窗口期，利用可视化方法对窗口期进行直观展示（图5），方便管理决策，最大化保障出海作业效率与安全。
图5 施工窗口期
3.3.2 施工指数
根据作业点位的天气情况综合分析各种施工工序指数，为安排施工计划提供数据支撑，如图6 所示。
图6 施工指数
4 关键技术支撑
4.1 高分辨率智能网格预报技术
依托数值预测、集合预报、高分辨率模式的解释应用等气象现代化技术成果，利用智能化的大数据技术和云计算服务，自主研发了一套针对气象6 要素的高分辨率智能网格预报数据系统。该系统具有更高的时空分辨率、更长的预报时长、更稳定的计算条件和更准确的预报结果。时空分辨率更精细地预测网格可以为用户提供更详细、更有针对性的服务和产品。
4.2 基于Spring Cloud 微服务架构
本系统采用微服务架构（图7），更好地利用当前多台服务器进行分布式部署，提高系统整体稳定性和使用效率，减少单点应用带来的各类问题。
图7 Spring Cloud 关键技术分布图
Spring Cloud 是一系列框架的有序集合。其利用Spring Boot 的开发便利性巧妙地简化了分布式系统基础设施的开发，如服务发现配置中心、注册、负载均衡、断路器、数据监控和消息总线等，都可用Spring Boot 的开发风格做到一键启动和部署，是一套简单易懂、易部署、易维护的分布式系统开发工具包。
Spring Cloud Netflix 是Netflix 开发的一套分布式服务框架的封装，包括服务的发现和注册，断路器、REST客户端、负载均衡和请求路由等。
Spring Cloud Eureka 是Netflix 开发的服务发现框架，用于提供服务的注册与发现，其通过心跳机制和全/增量更新来维护所有的服务和客户端列表，同时也默认提供高可用集群方案。
Spring Cloud OpenFeign 是基于Netflix Feign 实现的，并且实现了声明式的Web 服务客户端定义方式，配合Eureka 和Ribbon 可以很方便地实现客户端负载均衡。
Spring Cloud Ribbon 是一个客户端负载均衡器，通过Eureka 注册中心的Application 名称来获取服务器列表，然后在调用时通过负载策略来访问具体的服务器地址。
Spring Cloud Hystrix 实现了断路器模式。断路器的作用是当发现某一服务调用失败后，告知调用者该接口失败，从而避免调用者服务资源消耗。
Spring Cloud Config 是分布式统一配置中心解决方案。通过自动化运维及统一配置中心等概念，能够让开发者更加快速地与运维人员合作并保证发布的流程环境切换的便利性。
Spring Cloud Zuul 是一套边缘服务，其能实现动态路由、监控、负载和流量管理等功能。简单来说，Zuul 就是服务应用端的一套负载均衡器，由一个核心ZuulServlet和一系列的过滤器组成。
Spring Cloud Bus 是分布式消息队列，管理和传播所有分布式项目中的消息，本质是利用了MQ 的广播机制在分布式的系统中传播消息，目前常用的有Kafka 和RabbitMQ。
Spring Cloud Security 用于构建安全的应用程序和服务，操作简便。在Spring Boot 和Spring Security OAuth2 的基础上，可以快速创建实现常见模式的系统，如单点登录，令牌中继和令牌交换。
5 结论
通过海上风电工程施工气象实时监测预警大数据平台加强了海上风电工程施工项目建设的事前、事中、事后的监管，实现海洋气象环境数据、船舶数据、人员数据和施工气象四位一体的高效结合及数据可视化，有效支持了海上风电工程的高效监控和安全运行。
