一种常驻式海上风电场安防系统及方法

1.本发明属于海上风电领域，尤其是涉及一种常驻式海上风电场安防系统及方法。


背景技术：

2.近十年来，随着风电需求的快速增长和土地资源的饱和，海上风电已成为可再生能源领域的发展重点。但是目前海上风电场的桩基和海底电缆面临容易遭受非作业船只入侵破坏等安防问题，传统的巡查需要频繁地靠人力更换，导致人力资源消耗大，而且作业存在窗口期等缺陷，无法实现全天候的保护海上风电场不受非作业船只入侵而造成破坏。
3.公开号为cn102722147a的中国专利文献公开了用于海上风力发电机组的智能化远程安防监控系统，该系统在单台风机上装5台摄像机，在主控室对整个海上风电项目实现视频实时监控控制，提高海上风电机组的安全保护和监测水平。
4.公开号为cn114283622a的中国专利文献公开了一种海域安全防范方法及系统，获取海上设施数据信息，综合监控海上设施及船舶状态，并依据需求分图层展示监控界面，实现综合监控；将风场设施、船舶等实时情况展示，方便人员进行查看和管理，对于船舶还进一步分图层筛选，方便人员快速进行船舶状况的查看和查找。
5.可以看出，现有的海上风电场安防主要以监测为主，当非作业船只入侵时，最终还是需要人力进行拦截。


技术实现要素：

6.本发明提供了一种常驻式海上风电场安防系统及方法，可以全天候地对非作业船只进行拦截，阻止其航行至风电场水域，有效的解决了海上风电场安防所面临的问题，减少了人力资源的投入，实现了海上风电场安防作业真正意义上无人化。
7.一种常驻式海上风电场安防方法，包括：
8.(1)获取海上风电场的区域，并根据海上风电场的区域生成多个不同等级的海上风电场安防区域；
9.(2)获取进入最低等级安防区域内的船只ais信息，根据ais信息将船只的评估指标分为静态指标和动态指标；
10.其中，静态指标为船只的类型；动态指标包含船只的速度v、与风电场最内警戒区域的距离d、与风电场中心点连线的航向角偏差θ；
11.(3)根据静态指标对船只进行初次风险评估，如果评估为作业船只，则标记为无风险；若评估为非作业船只，则利用动态指标对船只进行二次风险评估；
12.二次风险评估时，将船只速度变快v、航向角偏差θ变小、距离d变短均定位风险机动，如果船只在连续四个ais更新周期内存在连续两次风险机动行为，则判断船只存在入侵风险；
13.(4)获取存在入侵风险船只的ais信息，无人艇收放系统释放无人艇，采用改进快速行进平的算法对无人艇进行拦截路径规划，具体为：
14.构建多目标评估框架，分别构建路径安全评价函数、路径平滑评价函数和路径距离评价函数对规划的路径进行评价打分，并采用多目标优化的方式对路径进行优化，从而选择出最优的sat值，使得无人艇能选择最高效的路径进行拦截；
15.(5)坐标拦截任务完成后，无人艇自动返航至无人艇收放系统内，并进行电能补给。
16.步骤(3)中，初次风险评估的算法模型为：
[0017][0018]
其中，s
static
为船只的静态指标，r
static
为初次风险评估指标。
[0019]
二次风险评估的算法模型具体为：
[0020]
如果船只存在速度v变大、与风电场最内警戒区域的距离d减小，与风电场中心点连线的航向角偏差θ减小三类情况中任意两种情况则判定船只在t时刻存在风险机动c
t
＝1；
[0021]
将l
t
记作t时刻的风险机动判定，当l
t
为1时则船只存在风险机动
[0022][0023]rdynamic
为二次风险评估指标，如果连续两个时刻船只存在风险机动(l
t+2
＝l
t+1
＝1)，则r
dynamic
为1，判定船只存在入侵风险，公式如下：
[0024][0025]
步骤(4)中，路径安全评价函数为：
[0026][0027]
其中，pi(x,y)是第i个路径点，oj(x,y))为第i个障碍点。
[0028]
路径平滑评价函数为：
[0029][0030]
其中，pix为第i个规划路径点的x坐标，piy为第i个规划路径点的y。
[0031]
路径距离评价函数为：
[0032][0033]
其中，pi(x,y)为第i个规划的路径点；||2表示欧式距离。
[0034]
采用多目标优化的方式对路径进行优化的目标为：
[0035]
在sat值范围内使上述路径安全评价函数、路径平滑评价函数、路径距离评价函数的和最小，sat∈(0,1]；采用加权和求解的形式，利用权重将多评价函数变为单一解，将路
径规划多目标优化问题改写为:
[0036][0037]
其中，wg，ws，wd分别为安全评价函数、路径平滑评价函数、路径距离评价函数的权重；
[0038]
通过上述的方式即可找到当前情况下快速行进平算法的最优sat值，使得无人艇路径达到最优。
[0039]
本发明还提供了一种常驻式海上风电场安防系统，包括：
[0040]
安防区域设定系统，用于读取风电场的信息，将风电场的信息与雷达信息融合，设定风电场安防区域并将安防的区域范围传递给船只风险评估系统；
[0041]
船只风险评估系统，用于判断周围船只的风险，根据安防区域内船只的ais信息判断是否有入侵海上风电场的风险，如果船只存在入侵风险，则将信息传递给无人艇收放系统；
[0042]
无人艇收放系统，用于对无人艇进行收放和补给，使得无人艇能够常驻在海上风场内；
[0043]
无人艇拦截路径规划系统，用于根据所收到的风险船只ais信息对无人艇进行路径规划，从而完成对入侵船只的拦截。
[0044]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0045]
1、针对海上风电场容易遭到外来船只入侵破坏的问题，本发明采用常驻式无人艇来开展海上风电场的安防工作，不仅有效减少了人力资源的投入，而且能够全天候实时得避免海上风电场遭到破坏。
[0046]
2、针对现有已公开的海上风电场船舶监控技术，本发明提出了一种基于船舶机动的风险评估算法，可以根据船舶的机动行为提前判断出船舶是否有入侵海上风电场的风险。
[0047]
3、为了提高无人艇拦截的效率，本发明提出了一种改进快速行进平的算法，通过路径评价函数构建多目标框架进行优化求解，使得快速行进平算法选择出最优的sat值，从而使得无人艇路径规划达到最优。
附图说明
[0048]
图1为本发明一种常驻式海上风电场安防系统的架构图；
[0049]
图2为本发明一种常驻式海上风电场安防方法的流程图。
具体实施方式
[0050]
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
[0051]
如图1所示，一种常驻式海上风电场安防系统，包括：
[0052]
安防区域设定系统，用于读取风电场的信息，将风电场的信息与雷达信息融合，设定风电场安防区域并将安防的区域范围传递给船只风险评估系统；
[0053]
船只风险评估系统，用于判断周围船只的风险，根据安防区域内船只的ais信息判
断是否有入侵海上风电场的风险，如果船只存在入侵风险，则将信息传递给无人艇收放系统；
[0054]
无人艇收放系统，用于对无人艇进行收放和补给，使得无人艇能够常驻在海上风场内；
[0055]
无人艇拦截路径规划系统，用于根据所收到的风险船只ais信息对无人艇进行路径规划，从而完成对入侵船只的拦截。
[0056]
其中，本发明的系统中，必要硬件包括ais设备，雷达设备以及存储风电场信息的设备等。
[0057]
如图2所示，一种常驻式海上风电场安防方法，包括如下步骤：
[0058]
步骤1、获取海上风电场的区域，并根据海上风电场的区域生成多个不同等级海上风电场安防区域。
[0059]
步骤2、获取进入最低等级安防区域内的船只ais信息，根据ais信息将船只的评估指标分为静态指标和动态指标。静态指标为船只的类型，动态指标包含船只的速度v，与风电场最内警戒区域的距离d，与风电场中心点连线的航向角偏差θ。
[0060]
首先，对船舶的种类进行初步判断，如果属于海上风电场作业船只，则标记为无风险，若为非作业船只，则根据船只的连续四个周期内(ais更新周期)的速度，与风电场中心区域点的航行角和距离变化情况进行二次判断，其中，将船只速度变快，航向角变小，距离变短定位风险机动，如果船只在连续四个周期内存在连续两次风险机动行为，则判断船只存在入侵风险。
[0061]
具体的，初次风险评估算法模型如下所示：
[0062][0063]
其中，s
static
为船只的静态属性，r
static
为初次风险评估指标。
[0064]
二次评估算法模型如下所示：
[0065]
如果船只存在速度v变大，与风电场最内警戒区域的距离d减小，与风电场中心点连线的航向角偏差θ减小三类情况中任意两种情况则判定船只在t时刻存在风险机动c
t
＝1。
[0066]
将l
t
记作t时刻的风险机动判定，当l
t
为1时则船只存在风险机动。
[0067][0068]rdynamic
为二次风险评估指标，如果连续两个时刻船只存在风险机动(l
t+2
＝l
t+1
＝1)，则r
dynamic
为1判定船只存在入侵风险。
[0069][0070]
步骤3、获取风险船只ais信息，无人艇收放系统释放无人艇，无人艇进行拦截路径规划，为了使得无人艇拦截的所规划的路径既安全又高效，采用一种改进快速行进平的算法，对于传统快速行进平算法无法选择最优的sat值进行路径规划的缺陷，构建多目标评估框架，分别构建安全评价函数，路径长度评价函数，路径平滑评价函数对规划的路径进行评
价打分，并采用多目标优化的方式对路径进行优化，从而选择出最优的sat值，使得无人艇能选择最高效的路径进行拦截。
[0071]
多目标优化框架的构建如下所示：
[0072]
1.路径安全评价函数：
[0073][0074]
其中，pi(x,y)是第i个路径点，oj(x,y))为第i个障碍点。
[0075]
2.路径平滑评价函数：
[0076][0077]
其中，pix为第i个规划路径点的x坐标，piy为第i个规划路径点的y。
[0078]
3.路径距离评价函数：
[0079][0080]
其中，pi(x,y)为第i个规划的路径点。
[0081]
决策变量及约束
[0082]
sat∈(0,1]
[0083]
总的来说，该优化框架的目标是在sat值范围内使上述三个评价函数的和最小。因此，采用加权和求解的形式，利用权重将多评价函数变为单一解。因此，路径规划多目标优化问题可以改写为:
[0084][0085]
其中，wg，ws，wd分别为评价函数的权重。
[0086]
通过上述的方式即可找到当前情况下快速行进平算法的最优sat值，使得无人艇路径达到最优。
[0087]
步骤4，坐标拦截任务完成，无人艇自动返航至无人艇收放系统内，无人艇系统对其进行回收，并进行电能补给。
[0088]
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种常驻式海上风电场安防方法，其特征在于，包括：(1)获取海上风电场的区域，并根据海上风电场的区域生成多个不同等级的海上风电场安防区域；(2)获取进入最低等级安防区域内的船只ais信息，根据ais信息将船只的评估指标分为静态指标和动态指标；其中，静态指标为船只的类型；动态指标包含船只的速度v、与风电场最内警戒区域的距离d、与风电场中心点连线的航向角偏差θ；(3)根据静态指标对船只进行初次风险评估，如果评估为作业船只，则标记为无风险；若评估为非作业船只，则利用动态指标对船只进行二次风险评估；二次风险评估时，将船只速度变快v、航向角偏差θ变小、距离d变短均定位风险机动，如果船只在连续四个ais更新周期内存在连续两次风险机动行为，则判断船只存在入侵风险；(4)获取存在入侵风险船只的ais信息，无人艇收放系统释放无人艇，采用改进快速行进平的算法对无人艇进行拦截路径规划，具体为：构建多目标评估框架，分别构建路径安全评价函数、路径平滑评价函数和路径距离评价函数对规划的路径进行评价打分，并采用多目标优化的方式对路径进行优化，从而选择出最优的sat值，使得无人艇能选择最高效的路径进行拦截；(5)坐标拦截任务完成后，无人艇自动返航至无人艇收放系统内，并进行电能补给。2.根据权利要求1所述的常驻式海上风电场安防方法，其特征在于，步骤(3)中，初次风险评估的算法模型为：其中，s
static
为船只的静态指标，r
static
为初次风险评估指标。3.根据权利要求1所述的常驻式海上风电场安防方法，其特征在于，步骤(3)中，二次风险评估的算法模型具体为：如果船只存在速度v变大、与风电场最内警戒区域的距离d减小，与风电场中心点连线的航向角偏差θ减小三类情况中任意两种情况则判定船只在t时刻存在风险机动c
t
＝1；将l
t
记作t时刻的风险机动判定，当l
t
为1时则船只存在风险机动r
dynam
为二次风险评估指标，如果连续两个时刻船只存在风险机动(l
t+2
＝l
t+1
＝1)，则r
dynamic
为1，判定船只存在入侵风险，公式如下：4.根据权利要求1所述的常驻式海上风电场安防方法，其特征在于，步骤(4)中，路径安全评价函数为：
其中，p
i
(x，y)是第i个路径点，o
j
(x，y))为第i个障碍点。5.根据权利要求4所述的常驻式海上风电场安防方法，其特征在于，步骤(4)中，路径平滑评价函数为：其中，p
i
x为第i个规划路径点的x坐标，p
i
y为第i个规划路径点的y。6.根据权利要求5所述的常驻式海上风电场安防方法，其特征在于，步骤(4)中，路径距离评价函数为：其中，p
i
(x，y)为第i个规划的路径点，||2表示欧式距离。7.根据权利要求6所述的常驻式海上风电场安防方法，其特征在于，步骤(4)中，采用多目标优化的方式对路径进行优化的目标为：在sat值范围内使上述路径安全评价函数、路径平滑评价函数、路径距离评价函数的和最小，sat∈(0，1]；采用加权和求解的形式，利用权重将多评价函数变为单一解，将路径规划多目标优化问题改写为：其中，w
g
，w
s
，w
d
分别为安全评价函数、路径平滑评价函数、路径距离评价函数的权重；通过上述的方式即可找到当前情况下快速行进平算法的最优sat值，使得无人艇路径达到最优。8.一种常驻式海上风电场安防系统，其特征在于，包括：安防区域设定系统，用于读取风电场的信息，将风电场的信息与雷达信息融合，设定风电场安防区域并将安防的区域范围传递给船只风险评估系统；船只风险评估系统，用于判断周围船只的风险，根据安防区域内船只的ais信息判断是否有入侵海上风电场的风险，如果船只存在入侵风险，则将信息传递给无人艇收放系统；无人艇收放系统，用于对无人艇进行收放和补给，使得无人艇能够常驻在海上风场内；无人艇拦截路径规划系统，用于根据所收到的风险船只ais信息对无人艇进行路径规划，从而完成对入侵船只的拦截。

技术总结
本发明公开了一种常驻式海上风电场安防系统及方法，包括：安防区域设定系统，用于读取风电场的信息，将风电场的信息与雷达信息融合，设定风电场安防区域并将安防的区域范围传递给船只风险评估系统；船只风险评估系统，用于判断周围船只的风险，根据安防区域内船只的AIS信息判断是否有入侵海上风电场的风险，如果船只存在入侵风险，则将信息传递给无人艇收放系统；无人艇收放系统，用于对无人艇进行收放和补给，使得无人艇能够常驻在海上风场内；无人艇拦截路径规划系统，用于根据所收到的风险船只AIS信息对无人艇进行路径规划，从而完成对入侵船只的拦截。利用本发明，可以全天候地对非作业船只进行拦截，阻止其航行至风电场水域。水域。水域。


技术研发人员：司玉林 顾阳 魏浩 荣振威 钱鹏 张大海
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2023.04.11
技术公布日：2023/7/12