李丕范，劉中國，曹童杰（中訊郵電咨詢設(shè)計院有限公司，北京 100048）

1 概述

過去10 年，我國風(fēng)電市場迅速擴容，催生了越來越多的風(fēng)電運維需求。相較本就不易運維的陸上風(fēng)電場，海上風(fēng)電場的運維工作還存在難到達、長作業(yè)、高危險等難點。同時，由于過分暴露在鹽霧、潮濕等環(huán)境中，海上風(fēng)電場的故障率也要高于陸上風(fēng)電場。在這種背景下，我國華南沿海的某海上風(fēng)電場提出進行智慧運維技術(shù)探索，該風(fēng)電場位于某海島南部海域，距離大陸大約25 km，其運維工作依賴人工現(xiàn)場進行，運維方式較為傳統(tǒng)。當(dāng)前5G、北斗、人工智能等技術(shù)日趨成熟，本文結(jié)合該電場在日常巡檢、人員培訓(xùn)、運維船安全輔助、現(xiàn)場作業(yè)輔助等多方面需求，研究海上風(fēng)電場的智慧運維方案。

2 風(fēng)場專網(wǎng)

所謂專網(wǎng)是為特定用戶提供網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)的專用網(wǎng)絡(luò)，而專網(wǎng)是海上風(fēng)電場實踐智慧運維的基礎(chǔ)。和其他行業(yè)應(yīng)用類似，海上風(fēng)電場的智慧運維對專網(wǎng)的覆蓋場景多樣化、網(wǎng)絡(luò)部署局域化、網(wǎng)元資源定制化、網(wǎng)絡(luò)性能可配置、網(wǎng)絡(luò)運維可管可控等方面的支持能力都有要求，而5G專網(wǎng)可以給企業(yè)定制化提供一定的自由度，可以根據(jù)使用場所、工作類型提供不同的配置，在隱私和安全方面都有明顯優(yōu)勢，因此組建以5G 網(wǎng)絡(luò)為主、4G 網(wǎng)絡(luò)為輔的專網(wǎng)可滿足海上風(fēng)電場智慧運維的相關(guān)要求。

本次預(yù)規(guī)劃7 個站點，其中規(guī)劃部署1 個站點用于運維航道覆蓋，6 個站點用于海上風(fēng)場覆蓋，為海上風(fēng)電場智慧運維提供高效可靠的網(wǎng)絡(luò)保障。

3 智慧運維

本文依托規(guī)劃建設(shè)的5G+4G 混合專網(wǎng)，按無人風(fēng)場巡檢、離岸現(xiàn)場維護2 個維度對海上風(fēng)電場的智慧運維應(yīng)用進行探討。

3.1 無人風(fēng)場巡檢

海上風(fēng)電場由于環(huán)境特殊，運維人員無法長期駐守，需借助視頻和傳感器實現(xiàn)日常的遠程運行監(jiān)控；海上風(fēng)電場的風(fēng)機分布較為離散不易達到、且水下情況難以監(jiān)測，也需要無人機和無人艇來輔助巡檢；加之風(fēng)機內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜，一些區(qū)域人工到達不易甚至難以到達，這時可以通過特種作業(yè)機器人代替人工完成相關(guān)作業(yè)任務(wù)。

3.1.1 風(fēng)電機組及升壓站智慧監(jiān)控

風(fēng)電機組及升壓站智慧監(jiān)控是基于4K 視頻監(jiān)控設(shè)備、傳感器數(shù)據(jù)采集等手段實現(xiàn)的，是最基礎(chǔ)的海上風(fēng)場智慧運維手段，主要滿足風(fēng)電場遠程巡檢場景下“能看”“可感”的直接需求。具體實現(xiàn)上，4K攝像頭可部署在風(fēng)電機組及升壓站等區(qū)域，通過導(dǎo)軌移動，實現(xiàn)對部署區(qū)域的全面監(jiān)控，視頻數(shù)據(jù)通過5G網(wǎng)絡(luò)實時回傳；同時數(shù)據(jù)采集主機收集回傳風(fēng)機的相關(guān)運行數(shù)據(jù)，具體如圖1所示。

圖1 風(fēng)電機組及升壓站智慧監(jiān)控方案

3.1.2 風(fēng)場無人機巡檢

風(fēng)場巡檢無人機系統(tǒng)是一套軟硬件結(jié)合的全自動飛行系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)用戶可以在海上風(fēng)電場的升壓站部署自動機庫和無人機，連接風(fēng)電場專網(wǎng)即可遠程控制無人機全自動起降、自動更換電池、連續(xù)執(zhí)行任務(wù)，實現(xiàn)全自動化和真正“無人化”。

風(fēng)場無人機巡檢流程主要包括3 個步驟：一是無人機任務(wù)路徑規(guī)劃，二是無人機巡檢任務(wù)執(zhí)行，三是巡檢任務(wù)報表生成。整體方案如圖2所示。

圖2 無人機風(fēng)場巡檢方案組成

3.1.3 海上風(fēng)電場特種作業(yè)機器人

3.1.3.1 風(fēng)機葉片檢測機器人

風(fēng)機葉片是風(fēng)機的重要組成部分，也是風(fēng)機巡檢的盲點之一，風(fēng)機葉片巡檢包括葉片內(nèi)腔和表面檢測2 個方面。依靠人員爬進內(nèi)腔觀察、判斷，是葉片內(nèi)腔檢測的傳統(tǒng)方式，這種方式既存在高空作業(yè)風(fēng)險，又因葉腔內(nèi)部空間有限導(dǎo)致部分區(qū)域難以到達；風(fēng)機葉片表面的檢測雖然已經(jīng)出現(xiàn)了無人機檢測的方式，但大部分仍以人工為主，在海上環(huán)境中存在更大的高空作業(yè)安全隱患。

針對風(fēng)機葉片內(nèi)腔檢測已經(jīng)有專用的內(nèi)窺檢測機器人出現(xiàn)。機器人采用雙電機、六輪驅(qū)動、搭載200萬像素高清攝像頭，工作時由爬行器攜帶攝像頭進入風(fēng)電葉片內(nèi)部，在葉片的前緣、后緣、大梁腹板之間的空間內(nèi)行進，可深入葉片內(nèi)腔達葉片長度的85%以上，對前梁、后梁與殼體之間的粘接膠及腹板內(nèi)補強膠的空膠、裂紋、開裂，腹板內(nèi)側(cè)蒙皮及中間主梁帽的裂紋、泛白、褶皺等缺陷進行檢測。

針對風(fēng)機葉片表面的檢測，日前在蘇格蘭某海上風(fēng)電場的一臺7 兆瓦海上風(fēng)機葉片上，一只專門為維護和檢查海上風(fēng)機葉片而設(shè)計的智慧運維六足履帶式爬行機器人，完成了全球首次行走測試。研發(fā)人員將真空粘合裝置安裝在機器人的每只足末端，用于完成在風(fēng)機葉片表面的吸附和靈活爬行；同時通過搭載的傳感器對表面的裂縫和變形進行掃描，地面技術(shù)人員通過現(xiàn)場專網(wǎng)接收掃描數(shù)據(jù)和實時視頻流，從而完成海上風(fēng)機的全自動檢查和維修。

3.1.3.2 風(fēng)機塔筒清洗機器人

塔筒是風(fēng)機的主要支撐部件，表面會粘附灰塵和酸腐物質(zhì)，嚴(yán)重時甚至?xí){風(fēng)機整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，因此經(jīng)多年運行后需要清洗維護。而目前的運維作業(yè)仍然采用傳統(tǒng)的人工方式清洗和維護塔筒，隱患大、強度高、周期長、成本高，亟需進行改造提升。

塔筒清洗機器人由左右履帶和中間連接結(jié)構(gòu)組成。履帶由多個強磁鐵排列而成，通過強磁吸附在金屬塔筒表面。通過網(wǎng)絡(luò)控制遙控器操作人員可控制左右履帶進行上下移動或是拐彎，配合機器清洗工具，完成塔筒表面的清洗作業(yè)。

3.1.3.3 海上升壓站巡檢機器人

作為海上風(fēng)電場的電能匯集中心，海上升壓站是其輸變電的關(guān)鍵設(shè)施。海上升壓站電氣設(shè)備如果出現(xiàn)問題，小則一條回路上的風(fēng)力機停運，嚴(yán)重時整個風(fēng)電場將面臨癱瘓。由于運維人員到達升壓站現(xiàn)場的次數(shù)有限，因此通過視頻和傳感器對升壓站進行監(jiān)測被認為是一種有效的手段，但是由于這些終端都是固定安裝或者只能通過導(dǎo)軌覆蓋升壓站的小范圍場所，存在監(jiān)測盲區(qū)。而活動的巡檢機器人則可以有效增大巡檢覆蓋范圍，進一步降低海上升壓站發(fā)生故障的風(fēng)險。

海上升壓站的巡檢機器人主要有輪式和四足式2種。輪式巡檢機器人可實現(xiàn)升壓站內(nèi)全自動智能巡檢，支持搭載智能圖像云處理系統(tǒng)精準(zhǔn)識別各類儀表，支持異常情況自動預(yù)警、歷史數(shù)據(jù)分析、遠程視頻聯(lián)動等。而四足式巡檢機器人，又稱“機器狗”絞輪式巡檢機器人則具備更出色的運動能力和環(huán)境適應(yīng)能力，可在陡坡、階梯、狹小管道等輪式巡檢機器人無法進入的區(qū)域完成巡檢任務(wù)，進一步擴大機器人在海上升壓站的巡檢范圍。

3.1.4 風(fēng)場水下無人艇監(jiān)測

位于海洋環(huán)境中的海上風(fēng)電場，其水下環(huán)境的監(jiān)測是運維工作的重要內(nèi)容。傳統(tǒng)的水下環(huán)境監(jiān)測一般只包括海底線纜排查，而且需要依靠人工探摸，風(fēng)險高、周期長。搭載高精度實時三維聲吶和淺地層剖面儀等儀器的無人艇能夠避開人工巡檢的弊端，自動對風(fēng)電機組周邊水下區(qū)域進行探測，檢測風(fēng)電機組樁基沖刷情況、風(fēng)電機組周邊水下地形地貌、風(fēng)電海底電纜沖刷與掩埋狀況、海上升壓站基礎(chǔ)沖刷情況等，根據(jù)調(diào)查結(jié)果評估樁基與線纜安全性和可靠性，為海上風(fēng)場后續(xù)的檢測作業(yè)和維護性施工提供依據(jù)，為海上風(fēng)電日常運維提供可靠支撐。

作業(yè)時，無人艇可從碼頭出航或隨母船（運維船）作業(yè)，可通過公網(wǎng)、5G專網(wǎng)、衛(wèi)通或借助升壓站與陸地部分通信鏈路實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)傳輸，工作人員在岸端或母船上即能實現(xiàn)海上風(fēng)電檢測運維工作。流程如圖3所示。

圖3 海上風(fēng)電場無人艇水下監(jiān)測作業(yè)流程

3.2 離岸現(xiàn)場維護

海上風(fēng)電場智慧運維的最終目標(biāo)是要實現(xiàn)風(fēng)電場“無人化”運行，但是在目前技術(shù)條件下，仍然需要人工離岸到達風(fēng)電場進行現(xiàn)場維護。這就需要對整個人工維護作業(yè)流程進行全鏈條的智慧運維技術(shù)賦能，包括離岸前的人員培訓(xùn)和作業(yè)模擬、航行中的安全保障和作業(yè)中的智能輔助等。

3.2.1 風(fēng)電VR實訓(xùn)系統(tǒng)

運維作業(yè)前的培訓(xùn)質(zhì)量會直接影響海上風(fēng)電場運維的成效。目前，風(fēng)電行業(yè)的人才培訓(xùn)及教育，主要采取圖文、視頻、參觀、實訓(xùn)等方式，圖文視頻略為枯燥，參觀只是走馬觀花，很多場所無法進入，而實訓(xùn)又無法在正常運行的設(shè)備上進行操作，限制眾多，培訓(xùn)效果大打折扣。VR 虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以還原現(xiàn)實場景，模擬實際操作，體驗者可以置身虛擬環(huán)境中，進行高仿真的虛擬培訓(xùn)，運維人員不離岸即可模擬海上風(fēng)電場環(huán)境，從而提高每次現(xiàn)場運維的效果。

3.2.2 運維船舶安全輔助駕駛系統(tǒng)

運維人員需搭乘運維船舶前往海上風(fēng)電場進行作業(yè)。海上航行環(huán)境復(fù)雜，運維船舶駕駛員對船舶自身狀態(tài)、周圍航行環(huán)境、碰撞風(fēng)險預(yù)警等有天然需求，引入船舶安全輔助駕駛系統(tǒng)可以使駕駛員更好地感知船舶自身狀態(tài)，了解周圍航行態(tài)勢，消除駕駛員的感知不足，補充駕駛員的判斷不足，避免因視野盲區(qū)或者能見度較低出現(xiàn)船舶碰撞風(fēng)機基礎(chǔ)的情況。一套船舶安全駕駛輔助系統(tǒng)一般包括監(jiān)控測距模塊、遠距離監(jiān)控聲光模塊、紅外在線測溫模塊和控制系統(tǒng)，監(jiān)控測距模塊設(shè)置在船舶的船身四周，遠距離監(jiān)控聲光模塊設(shè)置在船舶的船頂位置，紅外在線測溫模塊設(shè)置在船舶的船艙內(nèi)部，監(jiān)控測距模塊、遠距離監(jiān)控聲光模塊和紅外在線測溫模塊均與控制系統(tǒng)連接。

3.2.3 北斗海上人員落水安全救援系統(tǒng)

為進一步保障運維傳輸人員安全，可通過部署北斗海上人員落水安全救援系統(tǒng)，確保人員落水后能得到及時救援。系統(tǒng)可實時獲取船舶位置和落水人員位置，船上人員一旦落水，北斗個人救生示位標(biāo)立即自動開始向監(jiān)控中心上報人員位置，保證及時救援。本系統(tǒng)使用快速穩(wěn)定的5G網(wǎng)絡(luò)和寬帶衛(wèi)星通信鏈路，保證數(shù)據(jù)互聯(lián)互通的及時性和可靠性。

3.2.4 運維人員智能穿戴設(shè)備

海上風(fēng)電場作業(yè)環(huán)境較為艱險，許多運維工作需要雙手操作，在進行復(fù)雜作業(yè)時，作業(yè)人員無法隨時查閱作業(yè)手冊，影響運維作業(yè)效果。智能安全帽、AR眼鏡等智能穿戴可以通過內(nèi)置語音助手解放作業(yè)人員雙手，調(diào)閱作業(yè)手冊輔助作業(yè)人員按規(guī)定流程完成相關(guān)運維作業(yè)，甚至可以發(fā)起遠程求助，請求未到達現(xiàn)場的專家協(xié)助，有效解決運維過程中的難點。

4 結(jié)束語

當(dāng)前，伴隨著5G、人工智能、機器人等技術(shù)的逐漸成熟，部分產(chǎn)品已經(jīng)在海上風(fēng)電場的日常運維工作中得到應(yīng)用，使海上風(fēng)電場日常運維工作實現(xiàn)“少人化”甚至在部分工作中已經(jīng)能夠達到“無人化”。但是要全面實現(xiàn)真正的“無人化”還需要相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)的不斷發(fā)展，并針對海上風(fēng)電場的場景進行優(yōu)化，比如，5G專網(wǎng)組建能否更便捷，能否搭建一個綜合位置服務(wù)平臺對這些智慧運維裝置進行統(tǒng)一管理以及各類作業(yè)機器人能否再進行針對性的定制等，這些都是后續(xù)工作中需要考慮的。筆者相信隨著相關(guān)技術(shù)的不斷迭代升級，在不遠的將來，一定能夠?qū)崿F(xiàn)海上風(fēng)電場運維“無人化”。