許 強，劉 楊，賈瑩超

（中國能源建設(shè)集團科技發(fā)展有限公司，天津 南開300091）

我國海上風(fēng)電即將進(jìn)入大規(guī)模發(fā)展階段，越來越多的海上風(fēng)電場投入運行，海上風(fēng)電智慧運維管理是我們即將面對的挑戰(zhàn)。與陸上風(fēng)電相比，海上風(fēng)電運維運維難度較大，一方面是海上風(fēng)電特殊的工作環(huán)境影響（如海上高鹽霧、高濕度環(huán)境對設(shè)備性能的影響，水文氣象因素對出海窗口期的影響）造成設(shè)備可靠性差、故障率高、維護周期長、維修工藝復(fù)雜；另一方面由于新機組應(yīng)用后的性能未得到充分的驗證、缺乏專業(yè)維護團隊、遠(yuǎn)程故障診斷和處理水平偏低等因素影響。所以，亟須研究構(gòu)建綜合海上風(fēng)電智慧運維平臺。隨著通信技術(shù)的不斷進(jìn)步，基于數(shù)字化技術(shù)開發(fā)海上風(fēng)電智慧運維管理系統(tǒng)，可實現(xiàn)運維模式和策略的智能優(yōu)化，統(tǒng)籌區(qū)域內(nèi)海上風(fēng)電運維資源，有效降低運維成本，提高發(fā)電量，提升安全生產(chǎn)管理水平。

1 海上風(fēng)電運維的技術(shù)需求

近年來風(fēng)力發(fā)電機組廠商以及海上風(fēng)電投資運營單位都在積極建設(shè)故障診斷和遠(yuǎn)程預(yù)警系統(tǒng)，但受限于海上風(fēng)力發(fā)電機組運行時間段、故障數(shù)據(jù)積累匱乏等因素影響，當(dāng)前的故障診斷和遠(yuǎn)程預(yù)警體系和水平尚不足以支撐海上風(fēng)力發(fā)電機組運維成本的大幅降低。目前，海上風(fēng)電運維面臨以下亟待研究解決的難題。

在距離海岸較近的地方，小型運維船具本成本優(yōu)勢，但是，在遠(yuǎn)海風(fēng)電場，由于海上風(fēng)電運維船舶受天氣、海況等不確定因素影響，故障缺陷不能像陸上風(fēng)電那樣及時處理，造成風(fēng)機因故障停運的情況時有發(fā)生。

專業(yè)運維船舶使用或租用成本較高，考慮運維船舶出行成本，單一故障處理、維護產(chǎn)生的經(jīng)濟成本巨大，僅為了維修某臺風(fēng)力發(fā)電機組動用大型運維船舶對風(fēng)電場的效益產(chǎn)生極大的影響。

由于海上風(fēng)電起步較晚，運維管理缺乏先進(jìn)的管理方法和信息化的技術(shù)手段支撐，生產(chǎn)管理比較粗放，亟待提升運維管理智能化、智慧化水平。

2 海上風(fēng)電船舶調(diào)度策略

2.1 海上風(fēng)電智慧運維數(shù)據(jù)模型

海上風(fēng)電運維受到海洋水文氣象條件、設(shè)備狀態(tài)及故障率、停機損失、運維人員配置、船舶狀態(tài)、備件管理、海洋生態(tài)環(huán)境等諸多因素影響，海上風(fēng)電智慧運維管理平臺開發(fā)需采集大量數(shù)據(jù)，如水文氣象、區(qū)域環(huán)境、船舶、人員、設(shè)備等數(shù)據(jù)基于各類數(shù)據(jù)提出數(shù)據(jù)分析、處理模型，確定所有可能影響運維工作的評價維度，建立多個維度統(tǒng)一的，以一定時間窗口期內(nèi)運維成本最低為目標(biāo)的海上風(fēng)電智慧運維調(diào)度策略模型。

2.2 運維船舶調(diào)度策略分析

通過建立海洋、水文氣象條件與運維船舶大小、吃水深度、排水量等關(guān)系模型，獲取不同條件下的船舶出海影響模型，結(jié)合風(fēng)電場數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)制定基于大數(shù)據(jù)分析的海上風(fēng)電運維船舶智能調(diào)度策略。根據(jù)大數(shù)據(jù)計算提供的區(qū)域內(nèi)運維船舶情況、碼頭資源、水文氣象條件、設(shè)備參數(shù)及故障情況、備件庫存、運維人員配置等條件，最優(yōu)化配置運維船舶資源，制定船舶出海計劃。

3 海上風(fēng)電智慧運維管理平臺

目前海上風(fēng)電場均采用遠(yuǎn)程對風(fēng)機及相關(guān)設(shè)備的運行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)監(jiān)盤人員發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常、故障報警或停機時，會派遣運維人員去現(xiàn)場解決。風(fēng)機及相關(guān)設(shè)備定期工作，預(yù)防試驗或故障檢修時，運維人員會根據(jù)實際情況制定技術(shù)方案，建立運維策略，所以合理的維護人員數(shù)量、能滿足不同情景的運維船舶、所能攜帶的工具、備件、海洋水文氣象條件、故障檢修時間、可進(jìn)入方式的選擇等都是運維策略所需考慮的問題。擁有合理可靠的運維策略和資源，不僅可以事半功倍而且可以帶來更大的效益。

為保證智慧運維方案合理有效，精準(zhǔn)調(diào)度，需要逐步構(gòu)建不同層次的數(shù)學(xué)模型：海上潮汐、海浪、海流、水深、海冰等不同海洋水文條件的輸入對海上風(fēng)電海上運維作業(yè)的調(diào)度影響；風(fēng)速、風(fēng)向、海霧、雷暴、熱帶氣流等不同氣象條件對海上運維作業(yè)的影響；海洋水文、氣象條件與運維船舶大小、吃水深度、排水量等關(guān)系模型，海上風(fēng)電場各風(fēng)機、設(shè)備運行狀態(tài)、維護保養(yǎng)計劃、缺陷情況、故障情況、備品備件情況、現(xiàn)場人員情況、船舶使用情況等對運維調(diào)度的影響，根據(jù)不同場景構(gòu)建不同條件下的船舶出海影響模型，確定海洋水文、氣象與作業(yè)環(huán)境、工作時間、人員安排、工具及備品材料、船舶調(diào)度等條件對運維工作的綜合影響模型。

3.1 海上風(fēng)電運維成本模型

影響海上風(fēng)電運維成本因素包括：氣象、海況、風(fēng)機平臺登陸限制、運維人員數(shù)量、值班制度、因故障或定檢停機導(dǎo)致的發(fā)電量損失、船舶和運輸限制、碼頭選擇、風(fēng)場設(shè)備停運、備品、備件數(shù)量等因素。通過采用多任務(wù)組合出海的運維策略模型，以及基于海上水文氣象因素的運維船舶航線優(yōu)化選擇，可以降低總體運維成本?？紤]到運維船舶的可用率、海洋氣象條件等限制性條件的影響，需要構(gòu)建基于船舶、人員、備件消耗成本最優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型，以運維工作時間作為目標(biāo)優(yōu)化決策變量，并引入松弛因子作為運維船舶可用率、氣象海況、人員安排、備件消耗等費用靈敏度分析的量化指標(biāo)。從運維船舶選擇角度出發(fā)，考慮船舶費用、風(fēng)速、浪高、發(fā)電量損失作為約束條件，以此構(gòu)建運維成本模型。

3.2 海上風(fēng)電智慧運維模型

統(tǒng)籌考慮可能影響運維成本的因子，如風(fēng)機位置、港口位置、氣象條件、海況條件、船舶類型和人員分布等條件，以運維的直接成本最低、損失的發(fā)電量最少、安全可靠性最高作為海上風(fēng)電運維最優(yōu)策略，可以得到最優(yōu)運行維護策略流程如圖1所示。

圖1 海上風(fēng)電最優(yōu)運維策略流程

3.2.1 水文、氣象變量因素

海上風(fēng)電運維工作面臨著風(fēng)浪、海流、海霧、臺風(fēng)、潮汐、雷暴等水文氣象條件的影響，這些因素直接影響著運維船只的選擇和出海時間窗口期的確定，其中，風(fēng)浪是影響制定日常運維工作計劃的主要因素。

浪高和風(fēng)速是影響日常運維船舶出海的主要因素，運維工作要根據(jù)當(dāng)前浪高和風(fēng)速條件確定是否能夠出?；蜻x擇何種運維船舶才可能開展運維工作。由于預(yù)測的水文氣象數(shù)據(jù)可能和實際有所偏差，為了降低出海運維階段的安全風(fēng)險，模型要設(shè)置選取最苛刻的限制條件，作為滿足運維船舶出海的基本條件。不同等級運維船舶出海允許條件均應(yīng)滿足保障安全航行的最低要求。

3.2.2 環(huán)境地理因素

環(huán)境地理因素也是影響海上風(fēng)電運維策略的重要因素，包括：海上風(fēng)電場區(qū)域內(nèi)風(fēng)機、升壓站、海纜等設(shè)備的數(shù)量及分布情況，區(qū)域內(nèi)島嶼、暗礁和其他影響航行的障礙物情況，出海碼頭及船舶的位置，物資倉庫及運維人員基地位置，海事管理部門對本區(qū)域內(nèi)船舶航行的特殊要求等。

3.2.3 運行維護資源

包括管理制度，運維人員配置方式，值班安排，各類型運維船舶數(shù)量，備件管理模式等。管理制度應(yīng)結(jié)合海上風(fēng)電特殊性，運維模式應(yīng)以確保出海運維期完成相關(guān)機組和設(shè)備所有檢查和維護項目為目標(biāo)，在一定周期內(nèi)全覆蓋完成所有設(shè)備檢查和維護。所以合理安排運維船舶航線和運維人員數(shù)量是提高運維可以有效工作效率?？紤]到場內(nèi)設(shè)備故障偶發(fā)性和出海窗口期的不確定性，風(fēng)電場的日常維護所需材料及各種備件應(yīng)提前準(zhǔn)備充足。

3.2.4 海上風(fēng)電智慧運維模型

智慧運維模型設(shè)計原則為充分利用船舶出海時間窗口完成盡量多的運維任務(wù)，使得每次出海運維工作效率最高，總體運維成本最低。模型通過綜合判斷各種因素影響的分析結(jié)果，根據(jù)下一步運維工作計劃和臨時故障檢修任務(wù)確定出可以在本次窗口期內(nèi)完成的運維任務(wù)，并確定使用的運維船舶、運維人員、備件及材料等要素，按照多任務(wù)出海運維模式如圖2所示，完成既定的運維任務(wù)，從而達(dá)到智慧運維的目的。

圖2 海上風(fēng)電多任務(wù)出海運維模式

出海窗口期多任務(wù)運維模式是把運維人員按照設(shè)計路線依次送到指定風(fēng)電機組上，直至最后第n臺機組，待最后一臺機組運維任務(wù)完成后，船舶開始返程，并依次把n臺機組的運維人員逐步接回來，假設(shè)出海準(zhǔn)備時間為tzb，碼頭到第一臺風(fēng)機的時間為tgo，登陸到機組時間為tzy，回程登船時間為thc，機組間航行時間為tzj，第i臺機組運維工作時間為Ai，那么完成n項運維工作的最短出海時間tmin算法如下。

計算n個運維任務(wù)需要時間

將tyw.i按照升序進(jìn)行排序。

若n個運維任務(wù)中，運維需用時間最短的任務(wù)是n，則按照下式計算n組運維人員的最短返程時間tmin.n：

若n個運維任務(wù)中，運維需用時間最短的任務(wù)不是n，則按照下式計算n組運維人員的最短返程時間tbest.n：

利用tmin.n計算最短出海運維時間：

通過以上算法?？梢缘贸鰊個運維任務(wù)的最短運維時間和船舶調(diào)度策略。最終得出總的出海運維時間如下：

為了充分利用出海窗口時間完成最多運維工作，合理安排運維任務(wù)順序和數(shù)量是主要決策因素，當(dāng)存在出海時間均小于出海窗口時間且數(shù)量相同的兩組運維任務(wù)時，優(yōu)先選擇出海運維需用時間較長的組合，當(dāng)運維工作內(nèi)容相同時，應(yīng)先處理先發(fā)故障的機組，一般系統(tǒng)故障監(jiān)測會設(shè)置故障序號字段，先發(fā)故障序號小，因此可用故障序號代表時間順序。

假設(shè)當(dāng)前有m組不同運維任務(wù)組合，第i組運維任務(wù)數(shù)量為ni，出海運維時間為ti，第i組故障序號之和為di，則選擇目標(biāo)函數(shù)可定義為：

式中：nmax為全部運維任務(wù)組合中最大運維任務(wù)數(shù)量；tmax為最長運維需用時間；dmax為最大故障序號之和；nmin為全部運維任務(wù)組合中最大運維任務(wù)數(shù)量；tmin為最短運維需用時間；dmin為最小故障序號之和；M1和M2為正整數(shù)，且滿足M1≥M2。

3.2.5 出海約束條件

由于船舶出海受水文氣象條件、地理環(huán)境、運維工作內(nèi)容、船舶資源、運維人員配置等各類因素的限制，因此需要確定相應(yīng)的約束條件，本模型設(shè)計約束條件劃分為3類，即出海時間窗口約束、船舶載重量約束、運維人員配置約束。

假設(shè)第i組運維任務(wù)出海時間為tyw.i，所需人員數(shù)量為nry，備品及工具重量為wwz，時間窗口長度為twindow，船舶載人量為nzr，船舶載重量為wzz，運維人員數(shù)量為nzrs，運維人員體重系數(shù)為k，則約束條件如下：

綜合考慮保障船舶安全航行的各類因素（如區(qū)域內(nèi)船舶狀況、碼頭資源、海洋水文氣象條件、船舶數(shù)據(jù)、燃油成本、船舶吃水和排水量等），轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的數(shù)學(xué)約束條件，結(jié)合風(fēng)電場設(shè)備實時監(jiān)測信息、備件材料信息、船舶信息、海面航行信息、人員配置信息等，構(gòu)建基于船舶物聯(lián)網(wǎng)的船舶智能優(yōu)化航行方案，在給定優(yōu)化目標(biāo)下，通過算法給出最優(yōu)或較優(yōu)的出行航線方案，最終確定包含船舶的出海計劃，人員配置，運維工作順序安排與備件調(diào)配計劃等內(nèi)容的總體智慧運維方案。

3.3 全生命周期運維成本優(yōu)化

建立全生命周期的運維成本統(tǒng)計模型，將設(shè)備管理、備品備件管理、人力管理、生產(chǎn)管理中的運維成本進(jìn)行系統(tǒng)的研究與整合，便于對運維成本進(jìn)行分析和優(yōu)化。通過海上風(fēng)電運維成本控制，可以對于海上風(fēng)電運維成本的資本性支出和經(jīng)營性支出進(jìn)行全生命周期的細(xì)化分析及結(jié)合各項影響因素的關(guān)聯(lián)分析，進(jìn)而評估運維資源分配及后期設(shè)備維護計劃對于整體運維成本的影響情況。

3.4 智慧運維管理系統(tǒng)功能設(shè)計

通過搭建智慧運維管理平臺來實現(xiàn)數(shù)字海上風(fēng)電智慧運維策略的實際應(yīng)用，通過各功能模塊細(xì)化保證海上風(fēng)電安全生產(chǎn)管理標(biāo)準(zhǔn)化，具體分為11個功能模塊。

首頁，此功能由2個功能模塊組成，用戶首頁模塊用于根據(jù)用戶角色區(qū)分顯示歡迎信息；管理大屏模塊用于管理監(jiān)測大屏，全方位展示數(shù)字化海上風(fēng)電場成果。

監(jiān)測管理。此功能由4個功能模塊組成，系統(tǒng)監(jiān)測模塊用于監(jiān)測風(fēng)場總體概況，風(fēng)機監(jiān)測模塊用于監(jiān)測風(fēng)機運行情況，升壓站監(jiān)測模塊用于監(jiān)測升壓站運行情況，箱變監(jiān)測用于監(jiān)測箱變運行情況。

運維管理。此功能由10個功能模塊組成，操作票模塊用于對操作票進(jìn)行管理；工作票管理模塊用于對工作票進(jìn)行管理；檢修管理模塊用于對檢修工作進(jìn)行管理；培訓(xùn)管理模塊用于對運行培訓(xùn)工作進(jìn)行管理；巡視管理模塊用于對巡視檢查工作進(jìn)行管理；交接班管理模塊用于對交接班工作進(jìn)行管理；值長日志模塊主要用于值長工作記錄；考核事項管理模塊主要作為考核評分記錄；設(shè)備輪換模塊主要用于對設(shè)備定期輪換工作進(jìn)行管理；督辦信息模塊，主要用于對當(dāng)前督辦事務(wù)的管理。

設(shè)備管理。此功能由5個功能模塊組成，物資管理模塊用于對物資入庫、出庫、儲存、使用的管理；缺陷管理模塊用于對設(shè)備缺陷全過程進(jìn)行管理；故障解決方案模塊用于為主要設(shè)備提供故障快速解決方案；告警監(jiān)測模塊用于風(fēng)電場內(nèi)設(shè)備告警監(jiān)測的管理；設(shè)備位置模塊用于設(shè)備所屬具體位置分布記錄。

調(diào)度管理。此功能由5個功能模塊組成，調(diào)度計劃模塊用于對生產(chǎn)調(diào)度計劃進(jìn)行管理；船舶管理模塊用于對船舶調(diào)度計劃進(jìn)行管理；策略管理模塊用于對調(diào)度策略進(jìn)行設(shè)置；氣象監(jiān)測模塊用于對氣象信息進(jìn)行監(jiān)測預(yù)警；海況監(jiān)測模塊用于對海況信息進(jìn)行監(jiān)測預(yù)警。

安全管理。此功能由7個功能模塊組成，應(yīng)急預(yù)案模塊用于對海上風(fēng)電場各項應(yīng)急預(yù)案進(jìn)行管理；事故預(yù)想模塊用于記錄事故預(yù)想工作完成情況；安全檢查模塊用于記錄風(fēng)電場各項安全檢查工作情況；安全管理體系模塊用于三級安全網(wǎng)絡(luò)及各崗位安全職責(zé)；安全活動模塊用于風(fēng)電場開展安全活動記錄；事故分析模塊用于事故分析記錄；安全演練模塊用于安全及反事故演練記錄。

計劃管理。此功能由5個功能模塊組成，電量計劃模塊用于顯示下達(dá)的電量計劃；巡檢計劃模塊用于規(guī)定風(fēng)電場各崗位巡檢計劃；設(shè)備檢修計劃模塊用于主要設(shè)備檢修計劃安排；培訓(xùn)計劃模塊用于制定月度、年度各類培訓(xùn)計劃；物資采購計劃用于制定月度、年度采購計劃。

策略管理。此功能由3個功能模塊組成，最小成本模塊用于設(shè)置運維方案最小成本邊界條件；最少設(shè)備模塊用于設(shè)置運維方案最少用設(shè)備邊界條件；最快時間模塊用于設(shè)置運維方案最快時間邊界條件。

建模管理。此功能由4個功能模塊組成，主要應(yīng)用于建立數(shù)學(xué)模型，風(fēng)場分布模塊用于建模風(fēng)場位置、區(qū)域情況；風(fēng)機分布模型用于風(fēng)機機位分布情況；船舶分布模塊用于建模運維船舶分布情況；人員分布模塊用于建模人會員分布情況。

用戶管理。此功能由4個功能模塊組成，部門管理模塊用于對組織機構(gòu)進(jìn)行維護；人員管理模塊用于對人員基本信息進(jìn)行維護；角色管理模塊用于對角色信息進(jìn)行維護；權(quán)限管理模塊用于對權(quán)限信息進(jìn)行維護。

系統(tǒng)管理。此功能由3個功能模塊組成，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模塊用于對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化和設(shè)置；系統(tǒng)監(jiān)測模塊用于對系統(tǒng)運行情況進(jìn)行監(jiān)測；密碼管理模塊用于對用戶密碼進(jìn)行統(tǒng)一管理。

3.5 海上風(fēng)電智慧運維管理系統(tǒng)

通過分析海上運維管理各項要素，構(gòu)建智慧運維管理模型，結(jié)合大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和智能技術(shù)來進(jìn)行開發(fā)海上風(fēng)電智慧運維管理平臺開發(fā)，系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。系統(tǒng)主要包括用戶層、應(yīng)用層、平臺層、組件層、數(shù)據(jù)層、基礎(chǔ)層等功能模塊。用戶層、應(yīng)用層主要實現(xiàn)用戶需求與系統(tǒng)輸入輸出間的交互，平臺層、組件層、數(shù)據(jù)層主要實現(xiàn)需求分析、數(shù)據(jù)處理、策略優(yōu)化計算等核心功能，基礎(chǔ)層主要實現(xiàn)海量大數(shù)據(jù)儲存。

圖3 海上風(fēng)電智慧運維平臺系統(tǒng)架構(gòu)

4 結(jié)束語

本文主要分析了海上風(fēng)電場運維管理存在的問題及技術(shù)需求，結(jié)合海上風(fēng)電場區(qū)域內(nèi)水文、氣象、環(huán)境特點，運維工作實際特點及安全生產(chǎn)工作要求等約束條件，提出了海上風(fēng)電船舶調(diào)度策略及智慧運維模型的構(gòu)建方法，研究形成了海上風(fēng)電智慧運維管理平臺系統(tǒng)架構(gòu)。海上風(fēng)電智慧運維管理平臺通過對海上風(fēng)電場日常運維進(jìn)行科學(xué)的規(guī)劃，解決了海上風(fēng)電運維管理安全與效率，成本與效益的平衡問題。海上風(fēng)電智慧管理平臺的推廣應(yīng)用可以有效提升海上風(fēng)電日常運維管理、設(shè)備健康管理水平，確保海上風(fēng)電場的安全穩(wěn)定運行并創(chuàng)造最大經(jīng)濟效益。