郭培軍, 遲宏偉, 何 明, 柳洪勝, 呂 濤, 李云峰

(1.山東海洋工程裝備研究院有限公司，山東 青島 266555；2.山東藍(lán)鯤海洋工程有限公司，山東 煙臺 264006；3.山東海洋集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250102)

0 引 言

當(dāng)前全球海上風(fēng)電行業(yè)高速發(fā)展，截至2021年末，全球海上風(fēng)電累計(jì)投產(chǎn)規(guī)模達(dá)50.5 GW，同比大幅增長58%，其中，中國海上風(fēng)電累計(jì)投產(chǎn)規(guī)模達(dá)23.4 GW，成為全球最大的海上風(fēng)電市場。為保證海上風(fēng)電場的正常營運(yùn)，海上風(fēng)電機(jī)組日常維護(hù)保養(yǎng)和故障維修必不可少。根據(jù)挪威船級社(DNV)的數(shù)據(jù)記錄，平均每年1臺海上風(fēng)電機(jī)組停機(jī)故障均會(huì)高達(dá)40次以上，整體出現(xiàn)故障的概率維持在3%[1-2]，而海上風(fēng)電的運(yùn)維成本占項(xiàng)目全生命周期總成本的20%～35%[3]，運(yùn)維成為影響海上風(fēng)電發(fā)展的關(guān)鍵因素。運(yùn)維船是海上風(fēng)電場運(yùn)維的主要交通工具，高效合理的運(yùn)維船配備直接關(guān)系運(yùn)維效率和運(yùn)維成本。

歐洲在整個(gè)海上風(fēng)電場運(yùn)維系統(tǒng)包括運(yùn)維船的配備研發(fā)與應(yīng)用方面一直處于領(lǐng)先地位，而我國海上風(fēng)電行業(yè)發(fā)展時(shí)間相對較短，海上風(fēng)電場運(yùn)維尚處于起步和探索階段。陳釔西等[4]、萬遠(yuǎn)琛等[5]對我國海上風(fēng)電場運(yùn)維船發(fā)展的現(xiàn)狀進(jìn)行論述，并對運(yùn)維船的不同船型和適應(yīng)水域進(jìn)行分析。DALGIC等[6]將海上風(fēng)電場運(yùn)維船分為小型維護(hù)運(yùn)維船和大型維護(hù)運(yùn)維船，單體船、小型雙體船和小水線面雙體船通常用于小型維護(hù)作業(yè)，對于大型維護(hù)，如葉片、發(fā)電機(jī)、齒輪箱或風(fēng)塔發(fā)生故障，則需要自升式船舶。林爍[2]提出基于大數(shù)據(jù)的海上風(fēng)電場運(yùn)維船舶智能管理系統(tǒng)概念，但在船舶調(diào)度管理方面需要依靠船舶調(diào)度員人工經(jīng)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)。目前海上風(fēng)電場的運(yùn)維管理系統(tǒng)相對落后，只有少數(shù)企業(yè)或高校開發(fā)一些海上風(fēng)電場運(yùn)維管理系統(tǒng)，史香錕等[3]對國內(nèi)外海上風(fēng)電場運(yùn)維管理系統(tǒng)研究情況進(jìn)行調(diào)研，并將其中7個(gè)系統(tǒng)方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對比。

對于運(yùn)維船類型的選擇和數(shù)量等的配備，主要依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行確定，顯然不能適應(yīng)當(dāng)前海上風(fēng)機(jī)大型化、深水遠(yuǎn)岸的布局和海上風(fēng)電場運(yùn)維智能化管理的發(fā)展趨勢，而且海上風(fēng)電在平價(jià)電價(jià)情況下，如何對運(yùn)維船舶進(jìn)行配備、提升運(yùn)維效率、降低日常運(yùn)維成本顯得尤為重要。在對海上風(fēng)電場運(yùn)維船配備的影響因素進(jìn)行詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上，提出海上風(fēng)電場運(yùn)維船配備數(shù)學(xué)模型的建立和求解方法。

1 海上風(fēng)電場運(yùn)維船配備影響因素

1.1 海上風(fēng)電場運(yùn)維船類型

建立海上風(fēng)電場運(yùn)維船配備數(shù)學(xué)模型的目的是獲得維護(hù)需要的運(yùn)維船類型和數(shù)量。常見的海上風(fēng)電場運(yùn)維船舶主要分為4種類型：普通運(yùn)維船、專業(yè)運(yùn)維船、運(yùn)維母船和自升式運(yùn)維船。普通運(yùn)維船通常為單體交通船或漁船，是我國海上風(fēng)電場建設(shè)初期的主要運(yùn)維船型，一般采用頂靠或旁靠登乘。專業(yè)運(yùn)維船是為海上風(fēng)電場運(yùn)維專門設(shè)計(jì)制造的船型，一般為雙體船型，航速為20 kn，配備具有主動(dòng)補(bǔ)償功能的登乘裝置或采用船首頂靠方式登乘。運(yùn)維母船為大型專業(yè)運(yùn)維船，配備具有運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償功能的登乘裝置、海洋工程折臂式起重機(jī)和子艇，通常可提供一定數(shù)量工作人員的住宿，且具有一個(gè)月以上的自持力。自升式運(yùn)維船主要用于風(fēng)機(jī)大型組件維修更換，如齒輪箱、發(fā)電機(jī)和葉片等，規(guī)模較海上風(fēng)電安裝船小，可由樁腿和升降系統(tǒng)將船體抬升，并通過自身的重型起重機(jī)進(jìn)行維修作業(yè)。

1.2 海上風(fēng)電場運(yùn)維工作量

海上風(fēng)電場運(yùn)維工作分為日常維護(hù)保養(yǎng)、小型故障維修和大型故障維修。日常維護(hù)保養(yǎng)是指運(yùn)維人員對平臺的定期檢修和保養(yǎng)。小型故障維修是指僅依靠運(yùn)維人員攜帶的維修工具更換小型零部件即可完成的故障維修。大型故障維修是指需要借助自升式運(yùn)維船等大型裝備完成的大型風(fēng)機(jī)部件更換等故障維修。海上風(fēng)電場運(yùn)維工作量與海上風(fēng)電場海域面積、裝機(jī)容量、單臺風(fēng)機(jī)大小和風(fēng)機(jī)數(shù)量、海上升壓站的能力和數(shù)量等因素相關(guān)，目前常見的海上風(fēng)電場規(guī)模均在300～1 000 MW。

1.3 離岸距離

離岸距離是指海上風(fēng)電場與運(yùn)維船碼頭之間的距離，其遠(yuǎn)近決定海上風(fēng)電場運(yùn)維船往返海上風(fēng)電場的航行時(shí)間。目前我國開發(fā)的海上風(fēng)電場大多離岸50 km以內(nèi)，但隨著近海資源的減少，遠(yuǎn)海風(fēng)電場的建設(shè)將成為海上風(fēng)電的發(fā)展趨勢。通常對于近海風(fēng)電場，采用運(yùn)維人員往返海上風(fēng)電場和陸地的工作方式；而遠(yuǎn)海風(fēng)電場的維護(hù)則需要運(yùn)維母船，運(yùn)維人員在工作時(shí)間乘坐運(yùn)維船在海上風(fēng)電場作業(yè)，下班回到風(fēng)電場附近的運(yùn)維母船上。為在作業(yè)窗口期內(nèi)快速往返，運(yùn)維船航行時(shí)間一般不超過80 min，這樣不僅可保證充足的作業(yè)時(shí)間，而且可減輕運(yùn)維人員航行中的不適感。

1.4 作業(yè)窗口期

海上風(fēng)電場運(yùn)維船作業(yè)窗口期是指在風(fēng)浪等聯(lián)合作用下運(yùn)維船仍可進(jìn)行登乘作業(yè)的時(shí)間周期。作業(yè)窗口期通常用可作業(yè)時(shí)間占比表示。海上風(fēng)電場運(yùn)維船作業(yè)窗口期主要與環(huán)境條件(包括風(fēng)、浪、流、潮汐)、運(yùn)維船類型和性能、海上風(fēng)電場離岸距離等有關(guān)。鄒康等[7]在考慮人員安全和設(shè)備安全的情況下，對不同運(yùn)維船設(shè)置安全登乘所允許的運(yùn)動(dòng)衡準(zhǔn)，并基于海上風(fēng)電場海域波浪的長期分布概率數(shù)據(jù)庫，采用三維線性時(shí)域勢流理論對運(yùn)維船運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行分析，得到海上風(fēng)電場安全登乘作業(yè)窗口期，其中，江蘇某海上風(fēng)電場安全登乘作業(yè)窗口期如圖1所示。由圖1可知：配備具有主動(dòng)補(bǔ)償功能的登乘裝置的運(yùn)維船作業(yè)窗口期更長。

圖1 江蘇某海上風(fēng)電場安全登乘作業(yè)窗口期

1.5 海上風(fēng)電場運(yùn)維船配備原則

海上風(fēng)電場運(yùn)維船配備的一般原則：①大型故障維修，選用作業(yè)能力滿足要求的自升式運(yùn)維船；②近海風(fēng)電場的日常維護(hù)保養(yǎng)和小型故障維修，選用普通運(yùn)維船或?qū)I(yè)運(yùn)維船；③遠(yuǎn)海風(fēng)電場的日常維護(hù)保養(yǎng)和小型故障維修，選用運(yùn)維母船+普通運(yùn)維船或?qū)I(yè)運(yùn)維船；④運(yùn)維船配備數(shù)量，需要根據(jù)海上風(fēng)電場規(guī)模、作業(yè)窗口期和離岸距離等多個(gè)因素共同確定。

2 海上風(fēng)電場運(yùn)維船配備優(yōu)化數(shù)學(xué)模型

海上風(fēng)電場運(yùn)維船配備優(yōu)化數(shù)學(xué)模型是以運(yùn)維船的類型和需求數(shù)量為求解目標(biāo)的函數(shù)優(yōu)化問題，可表達(dá)為

Vn=f(Dis，EP)(Wl，Win)

(1)

式中：Vn為運(yùn)維船配備數(shù)量；Dis為近?；蜻h(yuǎn)海風(fēng)電場判別參數(shù)；EP為海上風(fēng)電場運(yùn)維船故障類型判別參數(shù)；Wl為海上風(fēng)電場每月運(yùn)維工作量；Win為運(yùn)維船作業(yè)窗口期。

(2)

式中：t為運(yùn)維人員每天在海上風(fēng)電場的工作時(shí)數(shù)，即以8 h工作制，減去往返海上風(fēng)電場與碼頭的航行時(shí)間，t=8-2s/v，其中，s為海上風(fēng)電場與碼頭之間的距離，v為海上風(fēng)電場運(yùn)維船的航速；ts為在確保運(yùn)營盈利情況下運(yùn)維人員每天在海上風(fēng)電場最少工作時(shí)數(shù)。

在Dis=0時(shí)，海上風(fēng)電場定義為近海風(fēng)電場，采用普通運(yùn)維船或?qū)I(yè)運(yùn)維船每天往返風(fēng)電場與陸地的工作方式；在Dis=1時(shí)，海上風(fēng)電場定義為遠(yuǎn)海風(fēng)電場，采用運(yùn)維母船+普通運(yùn)維船或?qū)I(yè)運(yùn)維船的工作方式，即運(yùn)維人員在風(fēng)電場連續(xù)工作數(shù)周后換班返回陸地。

(3)

在EP=0時(shí)，需要配備自升式運(yùn)維船；在EP=1時(shí)，需要配備普通運(yùn)維船或?qū)I(yè)運(yùn)維船；在EP=2時(shí)，需要配備運(yùn)維母船+普通運(yùn)維船或?qū)I(yè)運(yùn)維船。

判別參數(shù)Dis與EP之間的關(guān)系如表1所示：(0，0)表示近海風(fēng)電場，采用自升式運(yùn)維船作業(yè)模式；不存在(0，2)和(1，1)兩種作業(yè)模式；在EP=0時(shí)，海上風(fēng)電場運(yùn)維船配備自升式運(yùn)維船，數(shù)量為1，即為降低成本，不管多少臺風(fēng)機(jī)出現(xiàn)大型故障，均選用1艘滿足維修性能要求的自升式運(yùn)維船；在EP=2時(shí)，海上風(fēng)電場運(yùn)維船配備運(yùn)維母船，由于每艘運(yùn)維母船可同時(shí)為多艘運(yùn)維船服務(wù)，因此其配備數(shù)量取1。

基于上述分析，海上風(fēng)電場運(yùn)維船配備數(shù)學(xué)模型可簡化為對海上風(fēng)電場運(yùn)維船配備數(shù)量的求解：

(4)

式中：k為修正因數(shù)，取1.1；Wlv為單艘海上風(fēng)電場運(yùn)維船在100%作業(yè)窗口期情況下每月可完成的工作量，可根據(jù)運(yùn)維船的能力和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)確定。

3 海上風(fēng)電場運(yùn)維船配備優(yōu)化數(shù)學(xué)模型運(yùn)算流程

3.1 Wl的確定

Wl可表示為如下函數(shù)形式：

Wl=Wl(Cf，Cs，Cn，Nw，Ns)

(5)

式中：Cf為海上風(fēng)電場裝機(jī)容量；Cs為單臺風(fēng)機(jī)發(fā)電能力；Cn為海上升壓站能力；Nw為風(fēng)機(jī)數(shù)量；Ns為海上升壓站數(shù)量。

Wl各參數(shù)之間的關(guān)系非常復(fù)雜，難以采用算式準(zhǔn)確表達(dá)，可采用反向傳播(Back Propagation，BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法求解[8]。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)際上是一個(gè)多層感知器的前饋網(wǎng)絡(luò)，其完成的信息處理工作在數(shù)學(xué)意義上是利用映射訓(xùn)練樣本，實(shí)現(xiàn)從n維歐氏空間子集A到m維歐氏空間子集f(A)的映射，即A∈Rn→Rm。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在有教師學(xué)習(xí)方式下，根據(jù)BP誤差學(xué)習(xí)準(zhǔn)則，尋求最佳權(quán)集實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的正確輸出。3層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 3層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示例

采用含有1個(gè)隱層的3層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對Wl進(jìn)行預(yù)測，網(wǎng)絡(luò)的輸入層取Cf、Cs、Cn、Nw和Ns，即5個(gè)神經(jīng)元；輸出層取Wl，即1個(gè)神經(jīng)元。

對于隱層神經(jīng)元數(shù)，目前理論上確定比較困難，實(shí)際上大多數(shù)以經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際運(yùn)算結(jié)果判斷。網(wǎng)絡(luò)選擇一般原則：在可解決問題的前提下，再加上1～2個(gè)神經(jīng)元以加快誤差的下降速度即可。參考如下的隱層單元數(shù)計(jì)算公式：

(6)

式中：n1為隱層神經(jīng)元數(shù)；n為輸入層的神經(jīng)元數(shù)；m為輸出層的神經(jīng)元數(shù)；a為常數(shù)，1≤a≤10。

對于Wl的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，隱層神經(jīng)元數(shù)為3≤n1≤13，取n1=5。

在設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練過程中，期望誤差值應(yīng)通過對比訓(xùn)練后確定一個(gè)合適的值，相對于所需要的隱層神經(jīng)元數(shù)進(jìn)行確定，因?yàn)檩^小的期望誤差值需要依靠增加隱層神經(jīng)元數(shù)和訓(xùn)練時(shí)間獲得。Wl的期望誤差值取0.1。

選取多個(gè)海上風(fēng)電場運(yùn)維數(shù)據(jù)Cf、Cs、Cn、Nw、Ns和Wl作為訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)，樣本數(shù)量建議不少于10個(gè)，通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法即可求得待確定風(fēng)電場的運(yùn)維工作量。由于缺少樣本數(shù)據(jù)，且主要研究海上風(fēng)電場運(yùn)維船配備數(shù)學(xué)模型建立方法，因此沒有給出Wl的預(yù)測算例。

3.2 Win的確定

Win可表示為如下函數(shù)形式：

Win=Win[Ltd(Wind，Wave，Current，Tide)，Ty(i)，St(dv，a，gv，gt)]

(7)

式中：Ltd(Wind，Wave，Current，Tide)為海上風(fēng)電場海域波浪的長期分布函數(shù)，與風(fēng)、浪、流和潮汐等相關(guān)，需要由當(dāng)?shù)貧庀蟛块T獲得該類數(shù)據(jù)；St(dv，a，gv，gt)為安全登乘耐波性衡準(zhǔn)，其中，dv為登乘點(diǎn)最大單幅垂向位移允許值，a為棧橋允許最大俯仰角，gv為登乘點(diǎn)垂向加速度最大允許值，gt為登乘點(diǎn)橫向加速度最大允許值，dv、a、gv和gt可根據(jù)海上風(fēng)電場運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)設(shè)定；Ty(i)為船型，可分為單體、雙體和大型專業(yè)運(yùn)維船。

通過Win可得到不同海上風(fēng)電場各類運(yùn)維船在不同月份的可作業(yè)時(shí)間(作業(yè)窗口期)占比，并擬合為運(yùn)維船作業(yè)窗口期曲線(見圖1)?；谶\(yùn)維船作業(yè)窗口期曲線可生成多個(gè)海上風(fēng)電場的運(yùn)維船作業(yè)窗口期曲線族，建立運(yùn)維船作業(yè)窗口期4維圖譜，如圖3所示。海上風(fēng)電場運(yùn)維船配備數(shù)學(xué)模型求解所采用的作業(yè)窗口期數(shù)據(jù)由運(yùn)維船作業(yè)窗口期4維圖譜獲取。該圖譜的建立為查看各類運(yùn)維船作業(yè)窗口期提供方便，并可作為海上風(fēng)電場運(yùn)維船配備管理系統(tǒng)中的作業(yè)窗口期數(shù)據(jù)輸入模塊。

圖3 海上風(fēng)電場運(yùn)維船作業(yè)窗口期4維圖譜示例

3.3 運(yùn)算流程

海上風(fēng)電場運(yùn)維船配備優(yōu)化數(shù)學(xué)模型運(yùn)算流程如圖4所示。

圖4 海上風(fēng)電場運(yùn)維船配備優(yōu)化數(shù)學(xué)模型運(yùn)算流程

4 結(jié) 論

(1)對海上風(fēng)電場運(yùn)維船配備的影響因素進(jìn)行分析，建立包含2個(gè)求解目標(biāo)和4個(gè)參數(shù)的數(shù)學(xué)模型。2個(gè)求解目標(biāo)為運(yùn)維船類型和配備數(shù)量。在4個(gè)參數(shù)中，近遠(yuǎn)海風(fēng)電場和海上風(fēng)電場運(yùn)維船配備類型為2個(gè)判別參數(shù)，海上風(fēng)電場運(yùn)維工作量和作業(yè)窗口期為2個(gè)函數(shù)變量。通過引入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法和運(yùn)維船作業(yè)窗口期4維圖譜完成海上風(fēng)電場運(yùn)維船配備優(yōu)化數(shù)學(xué)模型求解。

(2)為提高海上風(fēng)電場運(yùn)維工作量預(yù)測精度，需要盡可能選取運(yùn)營狀況良好的海上風(fēng)電場運(yùn)維數(shù)據(jù)作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法訓(xùn)練樣本，包括風(fēng)電場裝機(jī)容量、單臺風(fēng)機(jī)發(fā)電能力、海上升壓站能力、風(fēng)機(jī)數(shù)量、海上升壓站數(shù)量和海上風(fēng)電場每月運(yùn)維工作量等參數(shù)。

(3)建立的海上風(fēng)電場運(yùn)維船配備優(yōu)化方法是對運(yùn)維船配備智能化的有益探索，需要根據(jù)海上風(fēng)電場數(shù)據(jù)進(jìn)行修正和完善。

(4)海上風(fēng)電場運(yùn)維船配備優(yōu)化數(shù)學(xué)模型可作為海上風(fēng)電場運(yùn)維管理系統(tǒng)的輸入模塊，提升管理系統(tǒng)智能化程度。