海上風電無人系統自主巡檢應用構想

趙文璇，李 明，周筑博

（1.國家海洋技術中心，天津 300112；2.天津航天中為數據系統科技有限公司，天津 300301）

在國家碳中和目標的指引下，我國海上風電等清潔能源的發展應用將逐步爆發。據國家能源局發布的數據，截至2021 年11 月底，我國海上風電總裝機容量達到1 480 萬千瓦，已超越英國成為全球第一大海上風電市場。全球海上風電累計裝機容量預測，2030 年將達到2 億千瓦以上。因此，2022—2030 年將是我國海上風電市場高速發展的階段，也是海上風電由近海進入遠海的最佳時期。

與此同時，海上風電的運營與維保需求日趨強烈，尤其是未來中遠海風電場的運維。對于海上風電而言，除了承受與陸地風電相同的濕熱、紫外線老化等常見的環境影響外，鹽霧等化學介質腐蝕也是影響其運維的主要問題。在海洋環境中對風電機組進行維護，運維人員往往需要在海平面以上數十米甚至百米高的空中進行作業，來完成對機艙、輪轂、葉片等部件的檢查，還需潛入海底對風電樁基及海底電纜進行檢查和維護。使用傳統的人工檢修方法，會使得風電機組停機時間長，發電量損失嚴重。此外，運維船只每次出海的使用費和人工費也會占海上風電場運營和維護成本的很大一部分。

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電巡檢方式是大勢所趨。自2016 年起，以無人機和無人船/艇為代表的無人系統，在水上風電機組葉片、水下風電樁基巡檢等方面的應用逐年增加。如何實現無人系統的自主規劃路徑、數據自動建模與缺陷自動識別是當前的研究重點與難點。因海上作業窗口期短，由維修船攜帶無人機、無人船/艇出海作業受到一定限制。因此，本文提出一種基于無人機、無人船/艇等無人系統在海上風電場本地部署，可實現陸上指揮中心遠程調度控制的海上風電無人值守智能化巡檢的應用方法。

1 海上風電無人系統巡檢應用現狀

隨著國家政策的持續支持，海上風電近年來得到迅猛發展。由于海上風電場分布廣闊，風機的裝配、部署日益增多，如何在短暫的海上窗口期內，完成大規模風電場的風機巡檢是當前要重點解決的問題。采用傳統的人工巡檢方式會耗費大量人工成本和運行費用，而且在海上運維的安全性和穩定性得不到保障[1]。為了有效提升海上風電巡檢的效率，減少人工和運行費用，目前國內外已經開始采用無人機、無人船/艇等無人系統開展巡檢，以提高自動化程度，作為對人工巡檢的一個重要的補充。海上風電巡檢除了常規的葉片破損、風機狀態外，還需關注水下部分生物附著、樁基狀態、管線沖刷等。同時，還要關注海上風電場及周邊是否存在采礦挖沙等違法用海活動。

1.1 國內現狀

無人機主要對風電設備的海上部分進行巡檢，憑借其對葉片高速、便捷、精準巡檢等優勢，已逐步成為我國風電領域巡檢發展應用的新趨勢。2019年7 月，龍源海上風力發電有限公司組織進行了海上無人機葉片巡檢[2]。無人機攜帶可見光高清攝像機、紅外傳感器、激光測距儀等多種載荷，對風機葉片前緣、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行巡檢。通過對拍攝的照片或視頻進行后臺處理，進而確定葉片缺陷的種類、位置、尺寸等信息。無人船/艇在海上風電巡檢中的應用從2017 年開始探索，搭載高精度實時三維聲吶、淺地層剖面儀等儀器，打破傳統水下樁基、海底線纜排查靠人工探摸、巡檢周期長、海底風險高的瓶頸。無人船/艇自動對風電機組周邊區域進行探測，檢測風電機組樁基沖刷情況、風電機組周邊水下地形地貌、風電海底電纜沖刷與掩埋狀況、海上升壓站基礎沖刷情況等，并根據調查結果評估樁基與線纜安全性和可靠性，為海上風場后續的檢測作業和維護性施工提供依據，為海上風電日常運維提供可靠支撐。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時三維聲吶和淺地層剖面儀，在江蘇黃海海域對中廣核新能源風電場電纜裸露現狀進行檢測評估，圓滿完成了38 臺風電機組基礎沖刷檢測、海上升壓站基礎和海底電纜沖刷檢測等作業內容[3]。2020 年，中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司建立了海上風電場智能船舶調度系統[4]。該系統將無人船應用于海上風電場，可實時監測海域，精準預測氣象，對海上風電場的生產安全管理和運維效率的提升，起到重要的作用。

在裝備研制方面，無人機系統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；在數據處理與缺陷識別方面，擴博智能等單位是行業的領先者。近年來，多種新式裝備已逐步開始在海上風電巡檢中開展探索，自然資源部南海調查技術中心與中國科學院沈陽自動化研究所共建“水—空無人系統研發與應用實驗室”，研制無人航空母艇（簡稱無人航母），將無人機與無人船/艇融合成一體化裝備，結合了無人船/艇航程遠和無人機搜索范圍大的優點，重點面向海上搜救應用；并結合其技術特點，已初步開始在海上風電巡檢中開展應用，可同時實現水上風電機組葉片和水下樁基線纜等巡檢，提高巡檢效率。隨著目標識別等技術的發展，擴博智能等單位逐步開始采用“特種飛行機器人+機器視覺+數據”的解決方案，利用AI 圖像識別技術對風機葉片進行巡檢。人工智能的巡檢方案由機器視覺自動初篩葉片受損狀況，最終生成風機葉片損耗輔助報告，再由人工進行最終的受損情況確認。

當前采用的無人機、無人船/艇巡檢解決方案，已經初步實現了自動化、智能化，但是仍然需要人員攜帶設備乘維修船到現場進行巡檢，出海時間和巡檢時間受海上窗口期限制，亟需采用基于海上風電場本地部署的無人值守智能化方式，降低海上風電巡檢的費效比，提升巡檢的安全性。2020 年，國核電力規劃設計研究院有限公司研究了海上風電場升壓站無人值守關鍵技術[5]。該無人值守系統采用自動巡檢機器人，針對不同區域的地形特點及監控對象，制定不同的巡檢路線與巡檢方案。該無人值守系統保證了海上升壓站設備的實時監測，提高了運行可靠性，提升了自動化水平。但其并未針對風電機組、風電基礎及水下設施開展無人值守水空一體化監測。

1.2 國外現狀

美國2018 年底首次使用無人機對海上風電機組進行巡檢，Deepwater Wind 公司使用多旋翼無人機，從維修船上起飛，對美國首個海上風電場Block Island Wind Farm 進行無人機航測。該公司目前已經是全美領先的海上風電開發企業。

英國勘測公司HydroSurv 在英國創新基金資助下，2021 年開發了用于海上風電勘測的無人船，配備多種傳感器和有效載荷，實現海上風電巡檢任務的自主作業。據HydroSurv 公司估計，該無人船投產并推廣后，能夠使海上風電勘測和檢查成本降低最多60%，有效促進英國2050 年“碳中和”目標的達成。

在新技術研究方面，2020 年起，英國Ocean Infinity 公司與樸次茅斯大學等單位合作，開發自主的海上風電場檢測技術，即“無人駕駛檢查風力發電機組的無人機群”項目。該項目將建成以無人船作為母船，配置數量眾多的微小型無人機群的系統，可實現無人機群的起降、存儲、充電，并通過衛星通信將數據傳輸到岸上指揮中心。該系統由無人船搭載無人機群，以自主航行的模式進入海上風電場，利用5G 和衛星通信與控制系統連接，自主控制無人機群自動檢查風力渦輪機，從而無需手動控制和人工檢查。該項目將于2022 年開展海上試驗。

基于目前的國內外現狀，本文提出了將無人機和無人船/艇系統以無人值守部署的方式應用于海上風電巡檢的思路。該系統直接部署在海上風電場，無需用船運抵風電場，陸上調度中心可以通過衛星通信等手段遠程操控無人機和無人船/艇對海上風電機組進行巡檢，有效降低人員乘船攜帶相應巡檢設備到現場進行作業的次數，從而節約成本并可節能減排。

2 海上風電無人值守系統構成及技術難點

2.1 無人值守系統原理

與傳統的無人機和無人船/艇不同，無人值守系統為無人機配置了智能機場，如圖1 所示；為無人船配置了智能船塢[6-7]。智能機場和智能船塢為無人機和無人船提供了儲存、充電、維護等功能和保障，智能機場和智能船塢還具備防水、防鹽霧腐蝕、防盜等能力，保障無人機和無人船野外及海上部署的安全。目前，無人值守無人機系統已在海洋、林草、電力等行業得到初步的應用，大疆、復亞智能、航天中為等多家企業已有成熟的產品；無人值守無人船系統目前仍處于研發和試航階段，尚未有成熟的產品問世，珠海云洲和四方智能是其中的領先者。

圖1 無人值守無人機系統（智能機場）

無人值守系統的核心是智能機場和智能船塢。

智能機場根據所攜帶無人機尺寸的不同，一般為棱長小于2 m 的長方體，重量在30～150 kg。其內部設有承載無人機的升降平臺、充電模塊，以及載荷管理模塊等。智能機場工作時，先打開頂部的艙門，升降機構托舉無人機出艙，無人機起飛；降落過程與之相反。在艙門關閉后，充電模塊與無人機的供電模塊通過觸點連接開始充電，充電完成后，充電模塊與無人機分離。

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，其尺寸與無人船/艇的尺寸正相關。由于采用海上無人值守的部署方式，因此，無人值守無人船/艇系統采用電力驅動方式，而非傳統的汽油、柴油驅動；智能船塢也要求是封閉的艙體，采用浮臺、浮筒等手段使其漂浮在海面上，并通過系泊機構與岸基連接。智能船塢內部包含無人船/艇升降平臺、固定機構、充電模塊，以及載荷管理模塊等。智能船塢工作時，無人船/艇完成作業任務自主返航至智能船塢附近，自動發送進塢信號；智能船塢接收到信號后打開艙門，放下升降機構，等待無人船/艇駛入，同時，自動檢測無人船/艇是否入塢并行駛到泊位；檢測無人船/艇到位后，固定機構固定無人船/艇的位置，并調整其姿態至儲存狀態；升降機構啟動，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。

智能機場和智能船塢均配有供電系統、通信系統、環境感知系統和安防系統。供電可根據部署的位置采用光伏、風電、市電、潮汐能等多種方式；通信采用衛通、4G/5G、微波等手段；環境感知系統配備溫濕度及風速風向傳感器；安防系統配有監控云臺探頭、探照燈和蜂鳴器。

2.2 海上風電無人值守系統組成

海上風電無人值守系統構建了“天、空、岸、?！币惑w化監測、通信與處理體系，如圖2 所示。實現了感知無人值守式智能監測、通信實時性傳輸、數據智能化處理。其組成包括無人值守無人機系統、無人值守無人船/艇系統、遠程通信系統、軟件系統和數據處理系統，如圖3 所示。各系統由相應的軟硬件設備有機結合并協同工作。

圖2 海上風電無人值守系統總體示意圖

圖3 海上風電無人值守系統組成

2.3 海上風電無人值守系統架構

海上風電無人值守系統架構包括感知層、通信層、應用軟件層和業務應用層，如圖4 所示。

圖4 海上風電無人值守系統架構

感知層面，無人值守無人機和無人船/艇系統遠程部署到海上，搭載高清相機、多波束等多種載荷按預先設定的任務開展作業。任務完成后返回自動充電，無需人工搬運和干預，實現真正的自動化作業。

通信層面，遠程通信系統根據離岸距離和數據傳輸量等需求，靈活配置4G/5G、衛星通信、北斗、微波等通信手段。無人機與無人船/艇作業獲取的數據通過其自帶的無線通信模塊實時回傳至智能機場和智能船塢，并由遠程通信系統中繼轉發至遠方的指揮中心，解決了數據時效性問題。

應用軟件層面，指揮中心可遠程設定巡檢任務及航線，實時監控遠程設備的位置、行動軌跡、周邊狀態等信息；并采用邊云協同的方式，基于邊云數據庫和目標庫，利用AI 智能算法自動開展缺陷目標識別，輔助人工篩查，所有數據最終匯入數據處理與管理平臺。

業務應用層面，由數據處理與管理平臺向海上風電管理部門的業務應用系統推送數據，輔助海上風電的日常運維和管理。

2.4 技術指標及難點

海上風電無人值守系統的技術指標體系應包括任務類指標和保障類指標。任務類指標包括飛行/航行時長、帶載荷能力、目標觀測能力、數據傳輸速度、數據處理能力等；保障類指標包括供電能力、抗風抗雨防霉菌等環境適應性、平均無故障時間、自我防護能力等。典型技術指標如表1 所示。

表1 海上風電無人值守系統典型技術指標

海上風電無人值守系統的主要技術難點包括：

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

（2）無人機、無人船/艇回艙后安全自動充電：傳統利用觸點的接觸式充電方式，在海上應用時有受潮遇水短路的風險，因此需重新設計智能機場和智能船塢的充電模塊，以及無人機和無人船/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連接，如光伏、潮汐能、風電等。

（3）無人機、無人船/艇采集數據的遠程傳輸及實時監控：在無人值守狀態下的海上風電巡檢，對采集到數據的傳輸提出了較高要求。要求無人機、無人船/艇的監測數據，及其本身的運行狀態數據、巡檢軌跡數據等能夠實時回傳陸上指揮中心，實現數據的分析處理和設備的狀態監控。要重點解決海上沒有網絡信號區域風電場的通信問題。采用衛星通信方式作為微波、4G/5G 等傳統通信方式的補充，利用中星12、中星16、亞太6D 等通信衛星的高帶寬超視距通信能力，可有效實現數據的高速傳輸。

（4）海量數據的自動化快速處理：無人機和無人船/艇在自主巡檢過程中會獲取大量的數據，全部通過通信鏈路回傳至陸上指揮中心，對信道的壓力較大，也會顯著增加通信資費。因此，系統采用邊云混合計算技術，在無人機和無人船/艇前端加入數據處理模塊，將一部分簡單的數據處理任務放在前端，而不必所有數據都回傳指揮中心。根據衛通、微波等傳輸網絡的寬帶傳輸、窄帶傳輸等帶寬能力的不同和變化情況，動態調整邊云前端、后方云端的計算能力。前端實現數據的快速預處理、粗識別和缺陷分裂，后方云端實現高精度后處理和定量分析。

3 海上風電無人值守系統工作模式

在非工作狀態下，無人機和無人船/艇分別停放在智能機場和智能船塢內。智能機場可部署安裝在海上風電場的升壓站平臺，或部署在風電機組機艙上和風電機組基礎上。其安裝位置不得干擾風速風向儀、激光測風雷達、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，通過系泊機構與海上風電場的升壓站和風電機組的基礎固定相連，如圖5 所示。

圖5 無人值守系統的部署

在工作狀態下，為了獲得高質量的巡檢數據，要求無人機攜帶高分辨率相機，并從不同位置和角度拍攝風電機組部件。通過邊云協同缺陷自動識別AI 軟件可以分析這些圖像，以確定風電機組是否存在缺陷或損壞的早期跡象，并確定適當的維護操作，以防止故障的發生。無人船/艇配置高精度實時三維聲吶和淺地層剖面儀，與智能船塢預留通信與數據接口，實現采集數據的高效遠程傳輸。另外，智能機場和智能船塢內還可實現無人機、無人船/艇載荷的自動換裝，可根據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據[8]。海上風電無人值守系統具體工作流程如下。

（1）指揮中心主控室下達臨時和應急任務，或預設常規巡檢計劃，設定定時開始的工作任務。任務信息通過4G/5G、衛星通信或微波鏈路等通信設備，遠程發送至海上風電場部署的無人值守系統。

（2）無人值守系統接收到遠程傳輸的巡檢任務后，鎖定任務目標風電機組，自動規劃無人機和無人船/艇的運動航線，或按照任務信息中的預設航線載入系統。同時，智能機場和智能船塢分別打開艙蓋和艙門，無人機和無人船/艇快速出艙，按規劃好的運動航線抵達目標機組附近。

（3）無人機和無人船/艇抵近目標機組過程中，無人船/艇以風電機組為圓心，自動規劃巡檢航線；無人機自動識別風機朝向和輪轂中心，自動規劃巡航點位，生成巡檢路線，如圖6 所示。

圖6 無人值守系統巡檢方式

（4）無人機和無人船/艇根據規劃航線執行巡檢任務。其中，無人機飛行過程中及時調整相機的指向，確保風機葉片處于照片中間位置。

（5）巡檢獲取的數據可根據任務需要，采用無人機和無人船的機/船前端處理，或由智能機場和智能船塢進行通信中繼，通過4G/5G 或衛星通信等手段實時回傳至指揮中心主控室，處理并生成報告。

（6）巡檢任務完成后，無人機和無人船/艇根據任務要求和剩余電量，智能判斷前進至下一個目標風機，或沿原路徑返回智能機場和智能船塢，進行自動充電和狀態自檢，等待下一次任務。

大規模風電場的風電機組可達數十甚至上百個，如圖7 所示。2021 年4 月2 日，廣東金灣海上風電場全容量并網發電，總裝機容量達到30 萬千瓦，共有55 個海上風機，用海面積至少達30 km2。因此，巡檢時需配合風機的停機時間，采用多套無人值守系統并行作業。無人機、無人船/艇自主巡檢約15～30 min 完成一個風機的巡檢任務，一個架次/航次可巡檢2～3 個風機后返回智能機場和智能船塢自動充電，充滿后可繼續執行任務。根據整個海上風電場的規模、用海面積、風電機組的平面分布，以及無人機和無人船/艇的續航時間及任務要求，可在整個風電場部署若干套無人值守系統，每套無人值守系統負責自己周邊一個區塊的若干個風機的巡檢。這樣，多套無人值守系統可同時同步作業，按照既定的航跡、路線完成整個風電場的自動化無人巡檢，還可有效減少巡檢過程中的停機時間，提高巡檢效率，如圖8 所示。同時，無人值守系統根據性能差別，價格差異較大。按照至少5 年的生命周期，及定期的維護保養，分攤到每年的硬件成本在15～50 萬元/套之間，通信服務成本在5～10 萬元/套。相較于高頻次的出海巡檢單日數萬元、每次任務數天的成本，在經濟上具有一定的優勢，可成為傳統巡檢模式的有效補充。

圖7 海上風電場

圖8 無人值守系統多機區塊化部署

4 結 論

本文提出一種無人值守無人系統在海上風電巡檢的應用構想，系統由無人值守無人機、無人船/艇，以及航線自動規劃軟件、缺陷自動識別軟件、數據處理與管理平臺等組成。無人機和無人船/艇在接收到遠程巡檢任務指令后出艙作業，任務完成后，自動返回停機艙和船塢充電，準備下一次任務。遠程運維中心可以制定周期性巡檢任務，無人值守無人系統可按照制定好的任務計劃，自動出艙、自動巡檢、自動回充，巡檢數據可進行自動化智能處理，通過衛星通信、4G/5G 等多種通信手段回傳至運維中心。當發現有損傷及缺陷時，再制定維修計劃，擇機出海維護，可有效提升作業效率，避免不必要的出海作業，節約成本。這種智慧運維方法適用于大范圍的海上風電場，以及中遠海等船舶抵達周期長的風電場，是傳統海上風電巡檢與運維的重要補充手段。