一种基于海洋气象的风电场检修航线计算方法及系统与流程

1.本发明涉及航海检修风电场技术领域，具体涉及一种基于海洋气象的风电场检修航线计算方法及系统。


背景技术：

2.海上风能资源丰富，具有陆上风能无可比拟的优势，因此发展出了海上风电场，海上风电场多指水深10米左右的近海风电。海上风电场与陆上风电场相比，海上风电场需要不断的出海运维，但是运维过程中极易受到海上台风、雷电、海雾、风暴潮和强对流等灾害性天气影响，出现船只出海图中，因遇到灾害性天气而返航的情况，严重降低风电场运维效率低，同时增加了运维成本。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明要解决的问题是提供一种基于海洋气象的风电场检修航线计算方法及系统，能够提前制定绕灾害性天气的航行路线，并及时显示航线前方天气情况并提供绕行航线，降低船只因遇到灾害性天气的情况而返航的概率，提高运维效率并降低成本。
4.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
5.一种基于海洋气象的风电场检修航线计算方法及系统，通过风电场位置数据、港口位置生成航海区域，依据航洋地貌数据在航海区域内生成航线库地图，航线库地图通过大量历史海洋气象数据补充生成基础航线地图，基础航线地图结合当前航洋的气象数据进一步补正生成适合当时使用的前航线地图；
6.用户通过提供出航数据，通过出航数据在前航线地图上生成若干条初始航线并反馈给用户端，用户端选取一初始航线并相应调整初始航线生成最终规划航线，处理模块校验最终规划航线生成实际航线，并实时监测实际航线直至出海；
7.实时监测航海区域内气象数据来预测未来时段内气象变化情况，并更新前航线地图，取船只在海上的航行数据，通过航行数据实时分享实际航线的前方航点区域的气象数据并给用户，便于用户端依据前方气象数据提前调整航线。
8.进一步的，所述航线库地图生成方法：获取地貌数据内的经纬度数据和对应海平面的深度数据，提取深度数据高于深度阀值的经纬度数据范围生成初始航域；
9.通过正多边形网格均匀划分初始航域生成若干航点区域，航点区域的中心处计为航点。
10.进一步的，所述当前航线地图的生成方法包括有：获取大量历史海洋气象数据中的灾害性天气的分布位置、产生时间和持续时常，计算出灾害性天气产生在不同航点区域内的时间规律和位置规律；
11.通过位置规律标记对应航点的危险等级，并依据时间规律限定危险等级的适用范围生成基础航线地图，通过当前海洋的气象数据预测后七天内不同航点区域的气象情况，并相应补正航点的危险等级和适用范围生成当前航线地图。
12.进一步的，所述航点包括有表示航点区域内安全航点、低风险航点、中风险航点和高风险航点。
13.进一步的，每个月均对应有不同的时间规律和位置规律，并对应生成适用于不同月份的当前航线地图。
14.进一步的，所述出航数据包括有出航航时间、风电场位置数据、检修时长和船只类型，通过出航时间和航速预估船只进入航点区域的时段；
15.以港口位置为起点，靠近风电场为原则，在当前航线地图内依次选取对应时段信息内的安全航点或低风险航点进行连接，生成若干条初始航线。
16.进一步的，所述出航数据包括有出航航时间、风电场位置数据、检修时长和船只类型，通过出航时间和航速预估船只进入航点区域的时段；
17.以港口位置为起点，靠近风电场为原则，在当前航线地图内依次选取对应时段信息内的安全航点或低风险航点进行连接，生成若干条初始航线。
18.进一步的，所述采集模块持续获取气象数据并更新前航线地图，定时通过服务器更新并通过服务器发送至给用户端。
19.进一步的，所述气象数据包括有用于监测海上大风和大雨情况的气象雷达数据、用于预测海上气象发展情况的卫星云图数据和用于监测海上雷电情况的闪电定位仪数据。
20.进一步的，包括有用于获取风电场、港口位和船只位置信息的定位模块，所述定位模块连接有用于数据处理的处理模块，所述处理模块连接有用于存储大量历史海洋气象数据和海底的地貌数据的存储模块，用于与用户端连接的服务器模块，用于获取航洋的当前气象数据的气象模块。
21.本发明具有的优点和积极效果是：
22.通过风电场位置和港口位置框选出适合航行的航海区域，并在航海区域内框选出适合船只航行的区域生成航线库地图，通过大量历史海洋气象数据生成适合不同月份使用的基础航线地图，在结合当前气象数据预测未来几天的突起情况生成当前航线地图，通过用户提供的出航数据，并结合当前航线地图内航点区域的危险等级，自行生成出航路线供用户选择。检测到航行前方有出现灾害性天气，可根据出海航线邻近航点区域的危险等级自行生成绕行路线，降低船只因遇到灾害性天气的情况而返航的概率，提高运维效率并降低成本。
附图说明
23.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
24.图1是本发明的一种基于海洋气象的风电场检修支撑系统的整体结构图；
具体实施方式
25.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
26.需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
27.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
28.本发明提供一种基于海洋气象的风电场检修航线计算方法及系统，如图1所示，包括有用于获取航行时船舶的位置信息、海上风电场位置信息和港口位置信息的定位模块，定位模块连接有处理模块，处理模块通过风电场位置信息和港口位置信息划分出与风场匹配的航海区域。以一个风电场为例：处理模块获取该风电场经纬度数据，通过风电场经纬度数据，调取邻近直线距离最近的两个港口的经纬度数据(实用中不一定是两个，可依据实际地理位置自行确定)，风电场经纬度与若干港口经纬度围成的区域设定为航海区域。使每个风电场均对应有一个航海区域，便于单独监测和预测航海区域内的天气情况。
29.处理模块连接连接有存储模块，存储模块用于存储海底的地貌数据和大量历史海洋气象数据(近三十年内的海洋气象数据)。通过地貌数据计算出对应海平面的深度数据，获得与包含经纬度数据和深度数据的深度坐标信息。
30.处理模块调取与航海区域对应的深度坐标信息，并选取深度数据高于深度阀值的深度坐标信息区域构成初始航域，深度阀值表示船舶刚好能够航行的深度值，船只可以在初始航域内任意航行。初始航域的表现形式为：海底地貌地图上依据经纬度坐标信息框选出初始航域范围。
31.为方便快速制定航线来指导船只避开灾害性天气波及范围，使用正多边形网格均匀划分初始航域，并生成若干航点区域(位于初始航域边界处不完整网格也定义为一个航点区域)。定义网格的几何中心作为该网格区域内的航点位置，将航点区域中心处定义为航点位置，将航点位置标记在海底地貌地图的对应坐标处生成航线库地图。
32.处理模块读取该航行区域内近三十年的海洋气象数据，生成适合不同时段使用的基础航线地图。海洋气象数据包括有该区域内发生的所有灾害性天气数据，和灾害性天气的形成位置、形成种类、形成时间、波及范围、持续时间等数据，通过记录的形成时间计算出灾害性天气产生的时间规律，通过记录的形成位置计算出灾害性天气产生的位置规律，依据位置规律记标记对应的航点，依据时间规律控制标记的时间，生成基础航线地图。
33.以三月份为例，规律周期为一个月：处理模块读取近三十年内所有三月份产生的灾害性天气数据，根据灾害性天气数据计算出该三月份的时间规律和位置规律。计算出在航海区域的第一航点区域内，三月份的中旬近三十年都有雷暴雨产生，且雷暴雨波及到了相邻的第二航点，因此将第一航点标记为中风险航点，第二航点标记为低风险航点，没有产生雷暴雨区域标记为安全区域，适用时间为三月中旬。
34.基础航线地图所有航点的风险等级仅仅包括有中风险航点、低风险航点和安全区域。获取灾害性天气数据内的降雨量数据和降雨范围数据，降雨范围覆盖航点区域的面积
占比高于百分之七十，定义该航点区域产生了灾害性天气；降雨范围覆盖航点区域占比低于百分之七十但高于百分之三十，结合降雨量数据和覆盖区域面积计算该航点区域内整体降雨量，若整体降雨量高于设定阀值，定义该航点区域为灾害性区域；若低于设定阀值，定义该航点区域为波及区域，并定义为低风险航点；降雨范围覆盖航点区域占比低于百分之三十，定义为安全航点。通过相同的方法标记航海区域内所有航点区域内的风险等级和适用时间范围，生成基础航线地图。
35.处理模块连接有气象模块，气象模块用于获取当前的海洋气象数据，海洋气象数据包括有气象雷达数据、闪电定位仪数据和卫星云图数据等。气象雷达包括有测云雷达、测雨雷达、测风雷达，测云雷达用于获取探测未形成降水的云层高度、厚度以及云内物理特性；测雨雷达用于获取大气中的降水或云中大滴水的浓度、分布、移动和演变，测风雷达用于获取高空不同大气层的水平风向、风速以及气压、温度、湿度等气象要素，
36.通过云层高度、厚度以及云内物理特性、大滴水浓度和分布数据监测航海区域内是否发生灾害性天气的范围，通过大滴水移动和演变数据、水平风向、风速以及气压、温度、湿度数据预测灾害性天气未来时段的走向和波及范围。闪电定位仪数据用于监测航海区域内是否产生雷电并确定雷电参审固定位置。
37.合卫星云图数据获取的大气运动系统，将天气系统与气象雷达数据向结合，精准的预测空中云层厚度情况，依据大气运动系统中云的外形特征，和演变情况，精准的预测云层的轴向，预测未来时段天气的变化情况(是否有灾害性天气产生)和航海区域内灾害性天气波及的范围。若会产生大风或暴雨，获取其波及范围、产生时间和持续时间(依据云层厚度和大滴水的浓度预测持续时间)，相应的补正基础航线地图生成当前航线地图。闪电定位仪数据用于监测海上雷电情况，不船只避开雷暴区域。
38.航点的危险等级包括有安全航点、低风险航点、中风险航点和高风险航点。以预测未来七天的天气情况为例：安全航点表示该区域内的当月份的这七天内，该航海区域内近三十年都没有规律的产生灾害性天气，且预测未来七天内该航海区域没有灾害性气候产生。低风险航点表示近三十年没有规律的产生灾害性天气或为受到波及区域，或预测未来七天内该区域受到其他区域其灾害性天气的波及区域(判定方法：通过波及范围和降雨量计算总体降雨量，与基础航线地图中波及区域的判定方法相同)。
39.中风险航点表示该区域内的当月份，近三十年有规律的产生灾害性天气，但预测未来七天内该区域没有灾害性天气产生或仅为波及区域。高风险航点表示，无论近三十年是否有规律的产生灾害性天气，只要预测未来七天内该航点区域为有灾害性气候区域(高风险航点的判定方法与基础航线地图中灾害性区域的判定方法相同)，均定义为高风险航点。基础航线地图依据预测的航点危险等级和持续的时间，相应的调整航点的危险等级和完善适用时间区间，生成当前航线地图。
40.处理模块将当前航线地图和预测的未来七天的天气演变情况发送给服务器模块，用户端可使用船舶接收设备或手机设备来访问服务器模块。用户端查看当前航线地图和未来七天的天气演变情况。用户端通过服务器模块给处理模块发送出航时间、风电场位置数据、检修停留时间和船只类型，处理模块通过风电场位置数据调取对应航海区域的基础航线地图和预测天气演变数据，依据出航时间、检修停留时间和船只类型(依据船只类型预知的航行速度)预估此次检修需要的出航时间和返航时间。
41.处理模块根据船只的航行速度计算处船只穿过所有航点区域花费固定时间，因为航点区域为正多边形玩个进行划分(接近圆形)，预设船只经过所有航点区域花费的时间相同，通过读取当前航线地图不同航点区域的危险等级和适用时间，选取安全航点或低风险航点进行连接，以靠近风电场为原则(即优选选取距离风电场最近的航点)，连接生成若干条避开灾害性天气的初始航线。航行区域内不同港口均对应生成有若干条初始航线。
42.预估初始航线的航行的总时长，将若干初始航线和对应的出航总时长通过服务器模块发送给用户端，用户端选取合适的出海航线，并根据服务器模块发布的天气演变数据相应调整出海航线生成最终规划航线，用户端将最终航线和随行船员数量携带物品重量上传给处理模块。
43.处理模块对最终规划航线作进一步校验和安全监测，处理模块依据船只型号和航行路预估携带燃油重量，并结合船员数量预估船只的最终航速。依据最终航速和最终航线，优化最终规划航线路径生成接近真实显示路径的实际航线(最终规划航线中，船只会经过所有航点区域的中心位置，实际航行时，船只不一定经过中心位置)。通过实际航线和最终航速计算出船只的经过每个航点区域花费的时间，进而预估船只进入和驶出航点区域的时间，处理模块依据航点区域对应的时段，针对性的预测时段内的天气情况，进一步校验实际航线的安全性。
44.若预测实际航线内出现中风险航点区域或高风险航点区域，处理模块依据航点区域内的危险等级自行调整实际航线，并通过服务器模块向用户端发送更新实际航线提醒，若没有出现中风险航点区域或高风险航点区域，处理模块持续监测实际航线包含区域内航点区域的风险情况，并自行调整实际航线直到到达出海时间停止监测。
45.因为提前设定好了实际航线的大体航线方向，实际航线上小范围的出现中风险或高风险航点区域，但有只需要修改实际航线的局部路线，大致航线和航行时间不会改变，可保证出海效率。若出现大规模灾害性天气，需要大范围修改实际航线的情况时(更改航线包含的航点数量超过设定数量)，处理模块通过服务器模块向用户端发出取消出海提示。用户端可更换出海港口选择新的初始航线，并重复上述过程。
46.出海前，船舶上安装有全球定位系统，每个船员携带定位装置，定位模块获取船舶的ais信息和船员位置信息发送给处理模块，处理模块通过船舶的ais信息初步定位船只位置、航行速度和航行方向，并通过船员位置信息校准船只位置，方便航线时精准定位船只位置、航行速度和航行方向。
47.船只航行时，气象模块实时获取该航行区域内的当前气象数据并发送给处理模块，处理模块依据当前气象数据预测未来三天内，航海区域内的天气情况，并更新当前航线地图。天气情况包括有每个航点区域的降雨量、风速、风向、空气含水量等数据。定位模块实时监测船只的航行情况并发送给处理模块，处理模块依据船只位置信息实时监测船只前方航线(前方每个航点区域内的天气情况)以及距离船只的距离，通过服务器模块直接发送给用户端，方便用户端及时了解航线前方的天气情况。
48.处理模块监测的将航海区域内每个航点区域的降雨量、风速、风向、空气含水量等数据，以表格的形式在服务器模块上显示，且每小时更新一次。方便用户端发现航线前方出现灾害性天气需要调整航线时，用户端进入服务器模块查看邻近的航点区域内的降雨量、风速、风向、空气含水量等数据，以便快速调整航线方向和航行速度，及时避开灾害性天气
的波及范围。
49.若气象模块检测到有突发海上暴雨、暴雨波及范围和持续时间，同时定位模块接收到有船只位置，处理模块获取船只的实际航线和航行速度，预测船只继续沿着实际航线航行，很快会受海上暴雨影响，处理模块通过服务器模块与用户端连接(此处的设备账户在出海前，需提前在服务器模块内报备，设为紧急联系账户)，处理模块依据更新后当前航线地图上海上暴雨波及范围外侧航点的危险等级(更新后的前航线地图上的应航点区域的风险等级变为高风险航点)，船只位置数据、暴雨范围数据和风向数据，快速生成若干条绕行路线，绕行路线用于绕开突然产生的高风险航点，并计算出尽快航出暴雨范围的若干航向和对应航行速，并依据船只航向、船只位置和航行速生成若干条紧急航线。
50.绕行路线生成过程：通过船只位置计算出船只航行到邻近低风险、安全航点进而中风险航点区域的距离(中风险航点表示大概率会遇到灾害性天气，或紧紧收到波及，紧急绕行时看投入使用)，通过紧贴绕行原则，选取紧贴高风险航点的低风险、安全航点进而中风险航点区域进行连接。处理模块通过服务器模块将若干条紧急航线发送给用户端，用户端依据实际情况(船只的实际航速)选择合适的紧急航线快速安全的行驶出出暴雨范围。
51.以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。

技术特征：
1.一种基于海洋气象的风电场检修航线计算方法，其特征在于，通过风电场位置数据、港口位置生成航海区域，依据航洋地貌数据在航海区域内生成航线库地图，航线库地图通过大量历史海洋气象数据补充生成基础航线地图，基础航线地图通过当前航洋气象数据做补正生成适合当时使用的当前航线地图；用户提供出航数据，通过出航数据在当前航线地图上生成若干条初始航线并反馈给用户，用户选取初始航线并相应调整初始航线生成最终规划航线，校验最终规划航线生成实际航线，并实时监测调整实际航线直至出海；实时监测航海区域内的当前气象数据，同时取船只在海上的航行数据实时分享实际航线的前方航点区域的气象数据并给用户，依据当前气象数据预测未来时段内气象变化情况并更新前航线地图，分享给用户。2.根据权利要求1所述的一种基于海洋气象的风电场检修航线计算方法，其特征在于，所述航线库地图生成方法：获取航海区域内的地貌数据，提取地貌数据内的经纬度数据和对应海平面的深度数据，依据深度数据框取高于深度阀值的经纬度数据范围生成初始航域；通过正多边形网格均匀划分初始航域生成若干航点区域，航点区域的中心处计为航点。3.根据权利要求2所述的一种基于海洋气象的风电场检修航线计算方法，其特征在于，所述当前航线地图的生成方法包括有：获取大量历史海洋气象数据中的灾害性天气的分布位置、产生时间和持续时常，计算出灾害性天气产生在不同航点区域内的时间规律和位置规律；通过位置规律标记对应航点的危险等级，依据时间规律限定危险等级的适用之间范围后生成基础航线地图，通过当前海洋的气象数据预测未来若干天内不同航点区域的气象情况，并相应补正航点的危险等级和适用范围生成当前航线地图。4.根据权利要求3所述的一种基于海洋气象的风电场检修航线计算方法，其特征在于，所述航点包括有表示航点区域内安全航点、低风险航点、中风险航点和高风险航点。5.根据权利要求3所述的一种基于海洋气象的风电场检修航线计算方法，其特征在于，每个月均对应有不同的时间规律和位置规律，并对应生成适用于不同月份的当前航线地图。6.根据权利要求3所述的一种基于海洋气象的风电场检修航线计算方法，其特征在于，所述出航数据包括有出航航时间、风电场位置数据、检修时长和船只类型，通过出航时间和航速预估船只进入航点区域的时段；以港口位置为起点，靠近风电场为原则，在当前航线地图内依次选取对应时段信息内的安全航点或低风险航点进行连接，生成若干条初始航线。7.根据权利要求1所述的一种基于海洋气象的风电场检修航线计算方法，其特征在于，所述航行数据包括有船只位置、航行速度和航行方向，所述船舶上安装全球定位系统，船员携带有定位装置，通过同时获取船舶的ais信息和船员位置信息获取航行数据。8.根据权利要求1所述的一种基于海洋气象的风电场检修航线计算方法，其特征在于，所述实时获取气象数据并预测未来几天内的天气情况，通过预测天气情况更新当前航线地图，并定时发送航线前方巷道区域的气象情况和更新后的当前航线地图至用户。
9.根据权利要求1所述的一种基于海洋气象的风电场检修航线计算方法，其特征在于，所述气象数据包括有用于监测海上大风和大雨情况的气象雷达数据、用于预测海上气象发展情况的卫星云图数据和用于监测海上雷电情况的闪电定位仪数据。10.一种使用权利要求1至9任意一项权力要求所述的风电场检修航线计算系统，其特征在于，包括有用于获取风电场、港口位和船只位置信息的定位模块，所述定位模块连接有用于数据处理的处理模块，所述处理模块连接有用于存储大量历史海洋气象数据和海底的地貌数据的存储模块，用于与用户端连接的服务器模块，用于获取航洋的当前气象数据的气象模块。

技术总结
本发明提供一种基于海洋气象的风电场检修航线计算方法及系统，通过风电场位置数据、港口位置生成航海区域，依据航洋地貌数据在航海区域内生成航线库地图，通过大量历史海洋气象数据补充生成基础航线地图，通过当前航洋气象数据生成当前航线地图；用户提供出航数据在当前航线地图上生成初始航线并反馈给用户，选取初始航线并调整生成最终规划航线，校验最终规划航线生成实际航线，并实时监测调整实际航线直至出海；监测当前气象数据并获取航行数据，实时分享实际航线的前方航点区域的气象数据给用户，依据当前气象数据预测未来时段内气象变化情况更新前航线地图，分享给用户。本发明能够快速生成出海航线并实时监测，并分区域显示航线前方天气情况，以便提前制定绕行路线，降低船只因遇到灾害性天气而返航的概率。降低船只因遇到灾害性天气而返航的概率。降低船只因遇到灾害性天气而返航的概率。


技术研发人员：霍焰 邢倩
受保护的技术使用者：北京比福特科技发展有限公司
技术研发日：2021.11.29
技术公布日：2022/3/8