海上風(fēng)電無人系統(tǒng)自主巡檢應(yīng)用構(gòu)想

趙文璇，李 明，周筑博

（1.國家海洋技術(shù)中心，天津 300112；2.天津航天中為數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司，天津 300301）

在國家碳中和目標(biāo)的指引下，我國海上風(fēng)電等清潔能源的發(fā)展應(yīng)用將逐步爆發(fā)。據(jù)國家能源局發(fā)布的數(shù)據(jù)，截至2021 年11 月底，我國海上風(fēng)電總裝機(jī)容量達(dá)到1 480 萬千瓦，已超越英國成為全球第一大海上風(fēng)電市場。全球海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量預(yù)測，2030 年將達(dá)到2 億千瓦以上。因此，2022—2030 年將是我國海上風(fēng)電市場高速發(fā)展的階段，也是海上風(fēng)電由近海進(jìn)入遠(yuǎn)海的最佳時(shí)期。

與此同時(shí)，海上風(fēng)電的運(yùn)營與維保需求日趨強(qiáng)烈，尤其是未來中遠(yuǎn)海風(fēng)電場的運(yùn)維。對(duì)于海上風(fēng)電而言，除了承受與陸地風(fēng)電相同的濕熱、紫外線老化等常見的環(huán)境影響外，鹽霧等化學(xué)介質(zhì)腐蝕也是影響其運(yùn)維的主要問題。在海洋環(huán)境中對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行維護(hù)，運(yùn)維人員往往需要在海平面以上數(shù)十米甚至百米高的空中進(jìn)行作業(yè)，來完成對(duì)機(jī)艙、輪轂、葉片等部件的檢查，還需潛入海底對(duì)風(fēng)電樁基及海底電纜進(jìn)行檢查和維護(hù)。使用傳統(tǒng)的人工檢修方法，會(huì)使得風(fēng)電機(jī)組停機(jī)時(shí)間長，發(fā)電量損失嚴(yán)重。此外，運(yùn)維船只每次出海的使用費(fèi)和人工費(fèi)也會(huì)占海上風(fēng)電場運(yùn)營和維護(hù)成本的很大一部分。

為提高巡檢的效率與安全性，基于人工智能的無人化海上風(fēng)電巡檢方式是大勢所趨。自2016 年起，以無人機(jī)和無人船/艇為代表的無人系統(tǒng)，在水上風(fēng)電機(jī)組葉片、水下風(fēng)電樁基巡檢等方面的應(yīng)用逐年增加。如何實(shí)現(xiàn)無人系統(tǒng)的自主規(guī)劃路徑、數(shù)據(jù)自動(dòng)建模與缺陷自動(dòng)識(shí)別是當(dāng)前的研究重點(diǎn)與難點(diǎn)。因海上作業(yè)窗口期短，由維修船攜帶無人機(jī)、無人船/艇出海作業(yè)受到一定限制。因此，本文提出一種基于無人機(jī)、無人船/艇等無人系統(tǒng)在海上風(fēng)電場本地部署，可實(shí)現(xiàn)陸上指揮中心遠(yuǎn)程調(diào)度控制的海上風(fēng)電無人值守智能化巡檢的應(yīng)用方法。

1 海上風(fēng)電無人系統(tǒng)巡檢應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著國家政策的持續(xù)支持，海上風(fēng)電近年來得到迅猛發(fā)展。由于海上風(fēng)電場分布廣闊，風(fēng)機(jī)的裝配、部署日益增多，如何在短暫的海上窗口期內(nèi)，完成大規(guī)模風(fēng)電場的風(fēng)機(jī)巡檢是當(dāng)前要重點(diǎn)解決的問題。采用傳統(tǒng)的人工巡檢方式會(huì)耗費(fèi)大量人工成本和運(yùn)行費(fèi)用，而且在海上運(yùn)維的安全性和穩(wěn)定性得不到保障[1]。為了有效提升海上風(fēng)電巡檢的效率，減少人工和運(yùn)行費(fèi)用，目前國內(nèi)外已經(jīng)開始采用無人機(jī)、無人船/艇等無人系統(tǒng)開展巡檢，以提高自動(dòng)化程度，作為對(duì)人工巡檢的一個(gè)重要的補(bǔ)充。海上風(fēng)電巡檢除了常規(guī)的葉片破損、風(fēng)機(jī)狀態(tài)外，還需關(guān)注水下部分生物附著、樁基狀態(tài)、管線沖刷等。同時(shí)，還要關(guān)注海上風(fēng)電場及周邊是否存在采礦挖沙等違法用?；顒?dòng)。

1.1 國內(nèi)現(xiàn)狀

無人機(jī)主要對(duì)風(fēng)電設(shè)備的海上部分進(jìn)行巡檢，憑借其對(duì)葉片高速、便捷、精準(zhǔn)巡檢等優(yōu)勢，已逐步成為我國風(fēng)電領(lǐng)域巡檢發(fā)展應(yīng)用的新趨勢。2019年7 月，龍?jiān)春Ｉ巷L(fēng)力發(fā)電有限公司組織進(jìn)行了海上無人機(jī)葉片巡檢[2]。無人機(jī)攜帶可見光高清攝像機(jī)、紅外傳感器、激光測距儀等多種載荷，對(duì)風(fēng)機(jī)葉片前緣、后緣是否有開裂、破損，葉片表面是否有雷擊損、腐蝕、剝落、裂紋，排水孔是否堵塞等情況進(jìn)行巡檢。通過對(duì)拍攝的照片或視頻進(jìn)行后臺(tái)處理，進(jìn)而確定葉片缺陷的種類、位置、尺寸等信息。無人船/艇在海上風(fēng)電巡檢中的應(yīng)用從2017 年開始探索，搭載高精度實(shí)時(shí)三維聲吶、淺地層剖面儀等儀器，打破傳統(tǒng)水下樁基、海底線纜排查靠人工探摸、巡檢周期長、海底風(fēng)險(xiǎn)高的瓶頸。無人船/艇自動(dòng)對(duì)風(fēng)電機(jī)組周邊區(qū)域進(jìn)行探測，檢測風(fēng)電機(jī)組樁基沖刷情況、風(fēng)電機(jī)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，并根據(jù)調(diào)查結(jié)果評(píng)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(hù)性施工提供依據(jù)，為海上風(fēng)電日常運(yùn)維提供可靠支撐。2019 年1 月，云洲智能M80“極行者”海洋探測無人艇搭載高精度實(shí)時(shí)三維聲吶和淺地層剖面儀，在江蘇黃海海域?qū)χ袕V核新能源風(fēng)電場電纜裸露現(xiàn)狀進(jìn)行檢測評(píng)估，圓滿完成了38 臺(tái)風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)沖刷檢測、海上升壓站基礎(chǔ)和海底電纜沖刷檢測等作業(yè)內(nèi)容[3]。2020 年，中國能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司建立了海上風(fēng)電場智能船舶調(diào)度系統(tǒng)[4]。該系統(tǒng)將無人船應(yīng)用于海上風(fēng)電場，可實(shí)時(shí)監(jiān)測海域，精準(zhǔn)預(yù)測氣象，對(duì)海上風(fēng)電場的生產(chǎn)安全管理和運(yùn)維效率的提升，起到重要的作用。

在裝備研制方面，無人機(jī)系統(tǒng)主要以深圳大疆等單位為主，無人船/艇以珠海云洲智能等單位為主；在數(shù)據(jù)處理與缺陷識(shí)別方面，擴(kuò)博智能等單位是行業(yè)的領(lǐng)先者。近年來，多種新式裝備已逐步開始在海上風(fēng)電巡檢中開展探索，自然資源部南海調(diào)查技術(shù)中心與中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所共建“水—空無人系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室”，研制無人航空母艇（簡稱無人航母），將無人機(jī)與無人船/艇融合成一體化裝備，結(jié)合了無人船/艇航程遠(yuǎn)和無人機(jī)搜索范圍大的優(yōu)點(diǎn)，重點(diǎn)面向海上搜救應(yīng)用；并結(jié)合其技術(shù)特點(diǎn)，已初步開始在海上風(fēng)電巡檢中開展應(yīng)用，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)水上風(fēng)電機(jī)組葉片和水下樁基線纜等巡檢，提高巡檢效率。隨著目標(biāo)識(shí)別等技術(shù)的發(fā)展，擴(kuò)博智能等單位逐步開始采用“特種飛行機(jī)器人+機(jī)器視覺+數(shù)據(jù)”的解決方案，利用AI 圖像識(shí)別技術(shù)對(duì)風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行巡檢。人工智能的巡檢方案由機(jī)器視覺自動(dòng)初篩葉片受損狀況，最終生成風(fēng)機(jī)葉片損耗輔助報(bào)告，再由人工進(jìn)行最終的受損情況確認(rèn)。

當(dāng)前采用的無人機(jī)、無人船/艇巡檢解決方案，已經(jīng)初步實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化、智能化，但是仍然需要人員攜帶設(shè)備乘維修船到現(xiàn)場進(jìn)行巡檢，出海時(shí)間和巡檢時(shí)間受海上窗口期限制，亟需采用基于海上風(fēng)電場本地部署的無人值守智能化方式，降低海上風(fēng)電巡檢的費(fèi)效比，提升巡檢的安全性。2020 年，國核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司研究了海上風(fēng)電場升壓站無人值守關(guān)鍵技術(shù)[5]。該無人值守系統(tǒng)采用自動(dòng)巡檢機(jī)器人，針對(duì)不同區(qū)域的地形特點(diǎn)及監(jiān)控對(duì)象，制定不同的巡檢路線與巡檢方案。該無人值守系統(tǒng)保證了海上升壓站設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測，提高了運(yùn)行可靠性，提升了自動(dòng)化水平。但其并未針對(duì)風(fēng)電機(jī)組、風(fēng)電基礎(chǔ)及水下設(shè)施開展無人值守水空一體化監(jiān)測。

1.2 國外現(xiàn)狀

美國2018 年底首次使用無人機(jī)對(duì)海上風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行巡檢，Deepwater Wind 公司使用多旋翼無人機(jī)，從維修船上起飛，對(duì)美國首個(gè)海上風(fēng)電場Block Island Wind Farm 進(jìn)行無人機(jī)航測。該公司目前已經(jīng)是全美領(lǐng)先的海上風(fēng)電開發(fā)企業(yè)。

英國勘測公司HydroSurv 在英國創(chuàng)新基金資助下，2021 年開發(fā)了用于海上風(fēng)電勘測的無人船，配備多種傳感器和有效載荷，實(shí)現(xiàn)海上風(fēng)電巡檢任務(wù)的自主作業(yè)。據(jù)HydroSurv 公司估計(jì)，該無人船投產(chǎn)并推廣后，能夠使海上風(fēng)電勘測和檢查成本降低最多60%，有效促進(jìn)英國2050 年“碳中和”目標(biāo)的達(dá)成。

在新技術(shù)研究方面，2020 年起，英國Ocean Infinity 公司與樸次茅斯大學(xué)等單位合作，開發(fā)自主的海上風(fēng)電場檢測技術(shù)，即“無人駕駛檢查風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的無人機(jī)群”項(xiàng)目。該項(xiàng)目將建成以無人船作為母船，配置數(shù)量眾多的微小型無人機(jī)群的系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)無人機(jī)群的起降、存儲(chǔ)、充電，并通過衛(wèi)星通信將數(shù)據(jù)傳輸?shù)桨渡现笓]中心。該系統(tǒng)由無人船搭載無人機(jī)群，以自主航行的模式進(jìn)入海上風(fēng)電場，利用5G 和衛(wèi)星通信與控制系統(tǒng)連接，自主控制無人機(jī)群自動(dòng)檢查風(fēng)力渦輪機(jī)，從而無需手動(dòng)控制和人工檢查。該項(xiàng)目將于2022 年開展海上試驗(yàn)。

基于目前的國內(nèi)外現(xiàn)狀，本文提出了將無人機(jī)和無人船/艇系統(tǒng)以無人值守部署的方式應(yīng)用于海上風(fēng)電巡檢的思路。該系統(tǒng)直接部署在海上風(fēng)電場，無需用船運(yùn)抵風(fēng)電場，陸上調(diào)度中心可以通過衛(wèi)星通信等手段遠(yuǎn)程操控?zé)o人機(jī)和無人船/艇對(duì)海上風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行巡檢，有效降低人員乘船攜帶相應(yīng)巡檢設(shè)備到現(xiàn)場進(jìn)行作業(yè)的次數(shù)，從而節(jié)約成本并可節(jié)能減排。

2 海上風(fēng)電無人值守系統(tǒng)構(gòu)成及技術(shù)難點(diǎn)

2.1 無人值守系統(tǒng)原理

與傳統(tǒng)的無人機(jī)和無人船/艇不同，無人值守系統(tǒng)為無人機(jī)配置了智能機(jī)場，如圖1 所示；為無人船配置了智能船塢[6-7]。智能機(jī)場和智能船塢為無人機(jī)和無人船提供了儲(chǔ)存、充電、維護(hù)等功能和保障，智能機(jī)場和智能船塢還具備防水、防鹽霧腐蝕、防盜等能力，保障無人機(jī)和無人船野外及海上部署的安全。目前，無人值守?zé)o人機(jī)系統(tǒng)已在海洋、林草、電力等行業(yè)得到初步的應(yīng)用，大疆、復(fù)亞智能、航天中為等多家企業(yè)已有成熟的產(chǎn)品；無人值守?zé)o人船系統(tǒng)目前仍處于研發(fā)和試航階段，尚未有成熟的產(chǎn)品問世，珠海云洲和四方智能是其中的領(lǐng)先者。

圖1 無人值守?zé)o人機(jī)系統(tǒng)（智能機(jī)場）

無人值守系統(tǒng)的核心是智能機(jī)場和智能船塢。

智能機(jī)場根據(jù)所攜帶無人機(jī)尺寸的不同，一般為棱長小于2 m 的長方體，重量在30～150 kg。其內(nèi)部設(shè)有承載無人機(jī)的升降平臺(tái)、充電模塊，以及載荷管理模塊等。智能機(jī)場工作時(shí)，先打開頂部的艙門，升降機(jī)構(gòu)托舉無人機(jī)出艙，無人機(jī)起飛；降落過程與之相反。在艙門關(guān)閉后，充電模塊與無人機(jī)的供電模塊通過觸點(diǎn)連接開始充電，充電完成后，充電模塊與無人機(jī)分離。

智能船塢一般尺寸在長9 m、寬5 m、高3 m的長方體范圍內(nèi)，其尺寸與無人船/艇的尺寸正相關(guān)。由于采用海上無人值守的部署方式，因此，無人值守?zé)o人船/艇系統(tǒng)采用電力驅(qū)動(dòng)方式，而非傳統(tǒng)的汽油、柴油驅(qū)動(dòng)；智能船塢也要求是封閉的艙體，采用浮臺(tái)、浮筒等手段使其漂浮在海面上，并通過系泊機(jī)構(gòu)與岸基連接。智能船塢內(nèi)部包含無人船/艇升降平臺(tái)、固定機(jī)構(gòu)、充電模塊，以及載荷管理模塊等。智能船塢工作時(shí)，無人船/艇完成作業(yè)任務(wù)自主返航至智能船塢附近，自動(dòng)發(fā)送進(jìn)塢信號(hào)；智能船塢接收到信號(hào)后打開艙門，放下升降機(jī)構(gòu)，等待無人船/艇駛?cè)?，同時(shí)，自動(dòng)檢測無人船/艇是否入塢并行駛到泊位；檢測無人船/艇到位后，固定機(jī)構(gòu)固定無人船/艇的位置，并調(diào)整其姿態(tài)至儲(chǔ)存狀態(tài)；升降機(jī)構(gòu)啟動(dòng)，將無人船/艇提升至充電模塊，開始充電。出艙過程與回艙流程相反。

智能機(jī)場和智能船塢均配有供電系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、環(huán)境感知系統(tǒng)和安防系統(tǒng)。供電可根據(jù)部署的位置采用光伏、風(fēng)電、市電、潮汐能等多種方式；通信采用衛(wèi)通、4G/5G、微波等手段；環(huán)境感知系統(tǒng)配備溫濕度及風(fēng)速風(fēng)向傳感器；安防系統(tǒng)配有監(jiān)控云臺(tái)探頭、探照燈和蜂鳴器。

2.2 海上風(fēng)電無人值守系統(tǒng)組成

海上風(fēng)電無人值守系統(tǒng)構(gòu)建了“天、空、岸、?！币惑w化監(jiān)測、通信與處理體系，如圖2 所示。實(shí)現(xiàn)了感知無人值守式智能監(jiān)測、通信實(shí)時(shí)性傳輸、數(shù)據(jù)智能化處理。其組成包括無人值守?zé)o人機(jī)系統(tǒng)、無人值守?zé)o人船/艇系統(tǒng)、遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，如圖3 所示。各系統(tǒng)由相應(yīng)的軟硬件設(shè)備有機(jī)結(jié)合并協(xié)同工作。

圖2 海上風(fēng)電無人值守系統(tǒng)總體示意圖

圖3 海上風(fēng)電無人值守系統(tǒng)組成

2.3 海上風(fēng)電無人值守系統(tǒng)架構(gòu)

海上風(fēng)電無人值守系統(tǒng)架構(gòu)包括感知層、通信層、應(yīng)用軟件層和業(yè)務(wù)應(yīng)用層，如圖4 所示。

圖4 海上風(fēng)電無人值守系統(tǒng)架構(gòu)

感知層面，無人值守?zé)o人機(jī)和無人船/艇系統(tǒng)遠(yuǎn)程部署到海上，搭載高清相機(jī)、多波束等多種載荷按預(yù)先設(shè)定的任務(wù)開展作業(yè)。任務(wù)完成后返回自動(dòng)充電，無需人工搬運(yùn)和干預(yù)，實(shí)現(xiàn)真正的自動(dòng)化作業(yè)。

通信層面，遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)根據(jù)離岸距離和數(shù)據(jù)傳輸量等需求，靈活配置4G/5G、衛(wèi)星通信、北斗、微波等通信手段。無人機(jī)與無人船/艇作業(yè)獲取的數(shù)據(jù)通過其自帶的無線通信模塊實(shí)時(shí)回傳至智能機(jī)場和智能船塢，并由遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)中繼轉(zhuǎn)發(fā)至遠(yuǎn)方的指揮中心，解決了數(shù)據(jù)時(shí)效性問題。

應(yīng)用軟件層面，指揮中心可遠(yuǎn)程設(shè)定巡檢任務(wù)及航線，實(shí)時(shí)監(jiān)控遠(yuǎn)程設(shè)備的位置、行動(dòng)軌跡、周邊狀態(tài)等信息；并采用邊云協(xié)同的方式，基于邊云數(shù)據(jù)庫和目標(biāo)庫，利用AI 智能算法自動(dòng)開展缺陷目標(biāo)識(shí)別，輔助人工篩查，所有數(shù)據(jù)最終匯入數(shù)據(jù)處理與管理平臺(tái)。

業(yè)務(wù)應(yīng)用層面，由數(shù)據(jù)處理與管理平臺(tái)向海上風(fēng)電管理部門的業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)推送數(shù)據(jù)，輔助海上風(fēng)電的日常運(yùn)維和管理。

2.4 技術(shù)指標(biāo)及難點(diǎn)

海上風(fēng)電無人值守系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)體系應(yīng)包括任務(wù)類指標(biāo)和保障類指標(biāo)。任務(wù)類指標(biāo)包括飛行/航行時(shí)長、帶載荷能力、目標(biāo)觀測能力、數(shù)據(jù)傳輸速度、數(shù)據(jù)處理能力等；保障類指標(biāo)包括供電能力、抗風(fēng)抗雨防霉菌等環(huán)境適應(yīng)性、平均無故障時(shí)間、自我防護(hù)能力等。典型技術(shù)指標(biāo)如表1 所示。

表1 海上風(fēng)電無人值守系統(tǒng)典型技術(shù)指標(biāo)

海上風(fēng)電無人值守系統(tǒng)的主要技術(shù)難點(diǎn)包括：

（1）無人機(jī)、無人船/艇的自主回艙歸位：無人機(jī)和無人船/艇在執(zhí)行完任務(wù)后，需自主返回智能機(jī)場和智能船塢充電，因此，如何保證在其自主返回的狀態(tài)下，精確降落至智能機(jī)場和進(jìn)入智能船塢是系統(tǒng)要解決的技術(shù)難點(diǎn)。采用激光測距結(jié)合北斗差分定位的方式，可有效提升無人機(jī)降落和無人船/艇入塢的位置精度。

（2）無人機(jī)、無人船/艇回艙后安全自動(dòng)充電：傳統(tǒng)利用觸點(diǎn)的接觸式充電方式，在海上應(yīng)用時(shí)有受潮遇水短路的風(fēng)險(xiǎn)，因此需重新設(shè)計(jì)智能機(jī)場和智能船塢的充電模塊，以及無人機(jī)和無人船/艇的供電模塊。采用無線充電的供電方式，利用無線線圈方式充電，充電模塊與外部供電系統(tǒng)連接，如光伏、潮汐能、風(fēng)電等。

（3）無人機(jī)、無人船/艇采集數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸及實(shí)時(shí)監(jiān)控：在無人值守狀態(tài)下的海上風(fēng)電巡檢，對(duì)采集到數(shù)據(jù)的傳輸提出了較高要求。要求無人機(jī)、無人船/艇的監(jiān)測數(shù)據(jù)，及其本身的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)、巡檢軌跡數(shù)據(jù)等能夠?qū)崟r(shí)回傳陸上指揮中心，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析處理和設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控。要重點(diǎn)解決海上沒有網(wǎng)絡(luò)信號(hào)區(qū)域風(fēng)電場的通信問題。采用衛(wèi)星通信方式作為微波、4G/5G 等傳統(tǒng)通信方式的補(bǔ)充，利用中星12、中星16、亞太6D 等通信衛(wèi)星的高帶寬超視距通信能力，可有效實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸。

（4）海量數(shù)據(jù)的自動(dòng)化快速處理：無人機(jī)和無人船/艇在自主巡檢過程中會(huì)獲取大量的數(shù)據(jù)，全部通過通信鏈路回傳至陸上指揮中心，對(duì)信道的壓力較大，也會(huì)顯著增加通信資費(fèi)。因此，系統(tǒng)采用邊云混合計(jì)算技術(shù)，在無人機(jī)和無人船/艇前端加入數(shù)據(jù)處理模塊，將一部分簡單的數(shù)據(jù)處理任務(wù)放在前端，而不必所有數(shù)據(jù)都回傳指揮中心。根據(jù)衛(wèi)通、微波等傳輸網(wǎng)絡(luò)的寬帶傳輸、窄帶傳輸?shù)葞捘芰Φ牟煌妥兓闆r，動(dòng)態(tài)調(diào)整邊云前端、后方云端的計(jì)算能力。前端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速預(yù)處理、粗識(shí)別和缺陷分裂，后方云端實(shí)現(xiàn)高精度后處理和定量分析。

3 海上風(fēng)電無人值守系統(tǒng)工作模式

在非工作狀態(tài)下，無人機(jī)和無人船/艇分別停放在智能機(jī)場和智能船塢內(nèi)。智能機(jī)場可部署安裝在海上風(fēng)電場的升壓站平臺(tái)，或部署在風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙上和風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)上。其安裝位置不得干擾風(fēng)速風(fēng)向儀、激光測風(fēng)雷達(dá)、光電球頭等氣象和觀測裝備的正常工作；智能船塢始終浮于水域平面上，通過系泊機(jī)構(gòu)與海上風(fēng)電場的升壓站和風(fēng)電機(jī)組的基礎(chǔ)固定相連，如圖5 所示。

圖5 無人值守系統(tǒng)的部署

在工作狀態(tài)下，為了獲得高質(zhì)量的巡檢數(shù)據(jù)，要求無人機(jī)攜帶高分辨率相機(jī)，并從不同位置和角度拍攝風(fēng)電機(jī)組部件。通過邊云協(xié)同缺陷自動(dòng)識(shí)別AI 軟件可以分析這些圖像，以確定風(fēng)電機(jī)組是否存在缺陷或損壞的早期跡象，并確定適當(dāng)?shù)木S護(hù)操作，以防止故障的發(fā)生。無人船/艇配置高精度實(shí)時(shí)三維聲吶和淺地層剖面儀，與智能船塢預(yù)留通信與數(shù)據(jù)接口，實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的高效遠(yuǎn)程傳輸。另外，智能機(jī)場和智能船塢內(nèi)還可實(shí)現(xiàn)無人機(jī)、無人船/艇載荷的自動(dòng)換裝，可根據(jù)巡檢需求配置包括視覺和熱傳感器、紅外傳感器、多波束測深儀、淺地層剖面儀等，以捕獲不同類型的數(shù)據(jù)[8]。海上風(fēng)電無人值守系統(tǒng)具體工作流程如下。

（1）指揮中心主控室下達(dá)臨時(shí)和應(yīng)急任務(wù)，或預(yù)設(shè)常規(guī)巡檢計(jì)劃，設(shè)定定時(shí)開始的工作任務(wù)。任務(wù)信息通過4G/5G、衛(wèi)星通信或微波鏈路等通信設(shè)備，遠(yuǎn)程發(fā)送至海上風(fēng)電場部署的無人值守系統(tǒng)。

（2）無人值守系統(tǒng)接收到遠(yuǎn)程傳輸?shù)难矙z任務(wù)后，鎖定任務(wù)目標(biāo)風(fēng)電機(jī)組，自動(dòng)規(guī)劃無人機(jī)和無人船/艇的運(yùn)動(dòng)航線，或按照任務(wù)信息中的預(yù)設(shè)航線載入系統(tǒng)。同時(shí)，智能機(jī)場和智能船塢分別打開艙蓋和艙門，無人機(jī)和無人船/艇快速出艙，按規(guī)劃好的運(yùn)動(dòng)航線抵達(dá)目標(biāo)機(jī)組附近。

（3）無人機(jī)和無人船/艇抵近目標(biāo)機(jī)組過程中，無人船/艇以風(fēng)電機(jī)組為圓心，自動(dòng)規(guī)劃巡檢航線；無人機(jī)自動(dòng)識(shí)別風(fēng)機(jī)朝向和輪轂中心，自動(dòng)規(guī)劃巡航點(diǎn)位，生成巡檢路線，如圖6 所示。

圖6 無人值守系統(tǒng)巡檢方式

（4）無人機(jī)和無人船/艇根據(jù)規(guī)劃航線執(zhí)行巡檢任務(wù)。其中，無人機(jī)飛行過程中及時(shí)調(diào)整相機(jī)的指向，確保風(fēng)機(jī)葉片處于照片中間位置。

（5）巡檢獲取的數(shù)據(jù)可根據(jù)任務(wù)需要，采用無人機(jī)和無人船的機(jī)/船前端處理，或由智能機(jī)場和智能船塢進(jìn)行通信中繼，通過4G/5G 或衛(wèi)星通信等手段實(shí)時(shí)回傳至指揮中心主控室，處理并生成報(bào)告。

（6）巡檢任務(wù)完成后，無人機(jī)和無人船/艇根據(jù)任務(wù)要求和剩余電量，智能判斷前進(jìn)至下一個(gè)目標(biāo)風(fēng)機(jī)，或沿原路徑返回智能機(jī)場和智能船塢，進(jìn)行自動(dòng)充電和狀態(tài)自檢，等待下一次任務(wù)。

大規(guī)模風(fēng)電場的風(fēng)電機(jī)組可達(dá)數(shù)十甚至上百個(gè)，如圖7 所示。2021 年4 月2 日，廣東金灣海上風(fēng)電場全容量并網(wǎng)發(fā)電，總裝機(jī)容量達(dá)到30 萬千瓦，共有55 個(gè)海上風(fēng)機(jī)，用海面積至少達(dá)30 km2。因此，巡檢時(shí)需配合風(fēng)機(jī)的停機(jī)時(shí)間，采用多套無人值守系統(tǒng)并行作業(yè)。無人機(jī)、無人船/艇自主巡檢約15～30 min 完成一個(gè)風(fēng)機(jī)的巡檢任務(wù)，一個(gè)架次/航次可巡檢2～3 個(gè)風(fēng)機(jī)后返回智能機(jī)場和智能船塢自動(dòng)充電，充滿后可繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)。根據(jù)整個(gè)海上風(fēng)電場的規(guī)模、用海面積、風(fēng)電機(jī)組的平面分布，以及無人機(jī)和無人船/艇的續(xù)航時(shí)間及任務(wù)要求，可在整個(gè)風(fēng)電場部署若干套無人值守系統(tǒng)，每套無人值守系統(tǒng)負(fù)責(zé)自己周邊一個(gè)區(qū)塊的若干個(gè)風(fēng)機(jī)的巡檢。這樣，多套無人值守系統(tǒng)可同時(shí)同步作業(yè)，按照既定的航跡、路線完成整個(gè)風(fēng)電場的自動(dòng)化無人巡檢，還可有效減少巡檢過程中的停機(jī)時(shí)間，提高巡檢效率，如圖8 所示。同時(shí)，無人值守系統(tǒng)根據(jù)性能差別，價(jià)格差異較大。按照至少5 年的生命周期，及定期的維護(hù)保養(yǎng)，分?jǐn)偟矫磕甑挠布杀驹?5～50 萬元/套之間，通信服務(wù)成本在5～10 萬元/套。相較于高頻次的出海巡檢單日數(shù)萬元、每次任務(wù)數(shù)天的成本，在經(jīng)濟(jì)上具有一定的優(yōu)勢，可成為傳統(tǒng)巡檢模式的有效補(bǔ)充。

圖7 海上風(fēng)電場

圖8 無人值守系統(tǒng)多機(jī)區(qū)塊化部署

4 結(jié) 論

本文提出一種無人值守?zé)o人系統(tǒng)在海上風(fēng)電巡檢的應(yīng)用構(gòu)想，系統(tǒng)由無人值守?zé)o人機(jī)、無人船/艇，以及航線自動(dòng)規(guī)劃軟件、缺陷自動(dòng)識(shí)別軟件、數(shù)據(jù)處理與管理平臺(tái)等組成。無人機(jī)和無人船/艇在接收到遠(yuǎn)程巡檢任務(wù)指令后出艙作業(yè)，任務(wù)完成后，自動(dòng)返回停機(jī)艙和船塢充電，準(zhǔn)備下一次任務(wù)。遠(yuǎn)程運(yùn)維中心可以制定周期性巡檢任務(wù)，無人值守?zé)o人系統(tǒng)可按照制定好的任務(wù)計(jì)劃，自動(dòng)出艙、自動(dòng)巡檢、自動(dòng)回充，巡檢數(shù)據(jù)可進(jìn)行自動(dòng)化智能處理，通過衛(wèi)星通信、4G/5G 等多種通信手段回傳至運(yùn)維中心。當(dāng)發(fā)現(xiàn)有損傷及缺陷時(shí)，再制定維修計(jì)劃，擇機(jī)出海維護(hù)，可有效提升作業(yè)效率，避免不必要的出海作業(yè)，節(jié)約成本。這種智慧運(yùn)維方法適用于大范圍的海上風(fēng)電場，以及中遠(yuǎn)海等船舶抵達(dá)周期長的風(fēng)電場，是傳統(tǒng)海上風(fēng)電巡檢與運(yùn)維的重要補(bǔ)充手段。