海上風(fēng)電工程結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)體系框架設(shè)計(jì)

常增亮,馬超,麻德明,劉楊,高興國(guó)

(1.山東電力工程咨詢?cè)河邢薰?濟(jì)南 250013;2.自然資源部第一海洋研究所 青島 266061)

0 引言

隨著世界能源的緊缺和人們對(duì)低碳環(huán)保需求的不斷提高,風(fēng)能作為清潔可再生能源愈發(fā)受到青睞,風(fēng)電技術(shù)逐漸由陸上延伸到海上,根據(jù)全球海上風(fēng)電現(xiàn)狀統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),風(fēng)能發(fā)電僅次于水力發(fā)電占到全球可再生資源發(fā)電量的16%[1],已經(jīng)成為當(dāng)今不可或缺的極其重要的新能源之一[2]。同陸上風(fēng)電場(chǎng)相比,海上風(fēng)電憑借海上風(fēng)資源的穩(wěn)定性和發(fā)電功率大的特點(diǎn),近年來(lái)正在世界各地飛速發(fā)展,包括英國(guó)、德國(guó)、丹麥等國(guó)家都紛紛加快了對(duì)海上風(fēng)電的開發(fā)速度,已成為不少歐洲國(guó)家爭(zhēng)相發(fā)展的方向,可以說(shuō)歐洲的海上風(fēng)電在全球一枝獨(dú)秀[3]。此外,韓國(guó)和日本在發(fā)展海上風(fēng)電方面也都不甘居人后。

中國(guó)海上風(fēng)電雖然起步較晚,但發(fā)展異常迅猛,東部沿海地區(qū)開發(fā)規(guī)模從北到南不斷擴(kuò)大,單機(jī)容量越來(lái)越大,裝機(jī)規(guī)?？焖僭鲩L(zhǎng),場(chǎng)址逐漸從潮間帶開始向近海深水區(qū)域發(fā)展,截至2017年年底裝機(jī)規(guī)模已躍居全球第三。在國(guó)家海洋發(fā)展戰(zhàn)略和“一帶一路”的支持下,國(guó)際間的海上風(fēng)電工程建設(shè)合作也將迎來(lái)蓬勃發(fā)展的新局面。隨著海上發(fā)電這一清潔新能源技術(shù)的不斷推進(jìn),沿海風(fēng)電遍地開花,風(fēng)機(jī)數(shù)量也不斷增加,在風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)和運(yùn)維過(guò)程中,長(zhǎng)期受海洋復(fù)雜環(huán)境的影響,風(fēng)機(jī)傾斜、斷裂、樁基不均勻沉降及腐蝕等事故時(shí)有發(fā)生,將嚴(yán)重影響和威脅海上風(fēng)電的安全性和耐久性。一旦發(fā)生事故,將造成巨大的損失,海上風(fēng)電工程的安全穩(wěn)定運(yùn)行越發(fā)引起人們的重視,如何通過(guò)技術(shù)手段定期對(duì)風(fēng)機(jī)傾斜、樁基沉降、裂縫等形變狀況的監(jiān)測(cè)與定量評(píng)估,實(shí)現(xiàn)早期故障的預(yù)警,是海上風(fēng)電安全檢測(cè)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。因此,有必要建立海上風(fēng)電水上和水下一體化安全監(jiān)測(cè)技術(shù)體系,及時(shí)、準(zhǔn)確掌握海上風(fēng)電工程形變信息,可為海上風(fēng)電場(chǎng)的管理和保護(hù)措施制定提供參考依據(jù)和技術(shù)支持。

1 監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀及難點(diǎn)

海洋平臺(tái)作為海洋開發(fā)過(guò)程中最重要的基礎(chǔ)設(shè)施,具有較高的投資成本和維護(hù)成本,其結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期經(jīng)受海生物的附著、地基沖刷以及環(huán)境載荷等的相互作用,使得結(jié)構(gòu)承載能力不斷下降。海洋工程結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)問(wèn)題已經(jīng)成為避免環(huán)境災(zāi)害以及經(jīng)濟(jì)損失、確保安全健康服役所必需面臨的問(wèn)題,因此,定期健康監(jiān)測(cè)和診斷就成為保證正常生產(chǎn)和安全操作的最有效的手段。海洋工程安全監(jiān)測(cè),即通過(guò)在海洋平臺(tái)上安裝各種類型傳感器,獲得各種關(guān)鍵信息,并從中提取特征數(shù)據(jù),最終對(duì)其工作狀態(tài)和損傷情況進(jìn)行判斷。安全監(jiān)測(cè)是一個(gè)多學(xué)科交叉的領(lǐng)域,日益受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注,并已成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。海洋工程安全監(jiān)測(cè)的研究開始于20世紀(jì)70年代,目前相關(guān)的研究報(bào)道,大多基于海洋鉆探平臺(tái)和傳感器技術(shù),研究領(lǐng)域主要涉及海洋環(huán)境載荷監(jiān)測(cè)、腐蝕及裂紋的監(jiān)測(cè)以及結(jié)構(gòu)應(yīng)力與變形監(jiān)測(cè)等[4],采用的監(jiān)測(cè)方法也因監(jiān)測(cè)內(nèi)容而各異,總體上可以分為局部損傷檢測(cè)法和基于振動(dòng)的整體損傷探測(cè)法[5]。隨著海洋工程結(jié)構(gòu)日益大型化、復(fù)雜化和智能化以及各種傳感器技術(shù)的不斷進(jìn)步,監(jiān)測(cè)內(nèi)容和監(jiān)測(cè)手段也越來(lái)越豐富,不再是單純的載荷監(jiān)測(cè),而是向著結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)、損傷定位和結(jié)構(gòu)壽命的預(yù)測(cè)等方向發(fā)展[6]。

雖然,隨著當(dāng)前監(jiān)測(cè)技術(shù)的進(jìn)步,取得了一定的研究進(jìn)展,但仍然存在一些亟待解決的問(wèn)題。由于海上風(fēng)電場(chǎng)一般遠(yuǎn)離大陸,缺乏統(tǒng)一的測(cè)繪基準(zhǔn),亟須解決高程傳遞問(wèn)題,所以對(duì)于固定式海洋平臺(tái)的沉降監(jiān)測(cè)一直是一個(gè)難點(diǎn),而海上風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行監(jiān)控和狀態(tài)評(píng)價(jià)主要參考陸上風(fēng)機(jī),只進(jìn)行風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè),僅在試驗(yàn)風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)和塔筒的少量部位進(jìn)行了應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè),遠(yuǎn)未實(shí)現(xiàn)針對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)結(jié)構(gòu)體系的狀態(tài)監(jiān)測(cè),不能滿足對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)的要求。對(duì)海洋電力工程結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測(cè),特別是基于GNSS監(jiān)測(cè)(水上部分)、精密水下定位監(jiān)測(cè)和三維掃描聲吶測(cè)量監(jiān)測(cè)結(jié)合的變形監(jiān)測(cè)方法、海底結(jié)構(gòu)沖刷監(jiān)測(cè)領(lǐng)域,鮮有研究和報(bào)道。有關(guān)海上構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)安全檢測(cè)的研究目前尚處于基礎(chǔ)性的探索階段,距離實(shí)用性目標(biāo)尚有很大的差距。因此,亟須開展海洋電力工程結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)體系框架研究。

2 總體框架

海上風(fēng)電工程結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè),總體目標(biāo)是針對(duì)海上風(fēng)電工程結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)需求和技術(shù)瓶頸,綜合利用GNSS、精密水下定位、水下機(jī)器人以及三維掃描聲吶技術(shù)手段,通過(guò)對(duì)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān),重點(diǎn)解決精密水下定位中海底信標(biāo)的精確安裝和淺海聲速精密改正、水下相機(jī)標(biāo)校、多波束與側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)融合等技術(shù)難題,建立一整套從水上到水下的安全監(jiān)測(cè)技術(shù)體系,按照既定技術(shù)流程獲取反映海上風(fēng)電平臺(tái)環(huán)境激勵(lì)和結(jié)構(gòu)響應(yīng)狀態(tài)的特征信息,監(jiān)測(cè)海上風(fēng)電工程的工作性能和評(píng)價(jià)海洋平臺(tái)的工作條件,從而為海上風(fēng)電工程安全運(yùn)維提供科學(xué)依據(jù)。主要技術(shù)流程包括6個(gè)部分,即資料收集與整理、統(tǒng)一海洋測(cè)繪基準(zhǔn)、監(jiān)測(cè)實(shí)施與方法優(yōu)化改進(jìn)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理與分析、監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析與評(píng)價(jià)、安全運(yùn)維預(yù)警與防護(hù)措施(圖1)。

圖1 監(jiān)測(cè)體系框架

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 精密單點(diǎn)定位(PPP)技術(shù)

海上風(fēng)電工程通常遠(yuǎn)離大陸,常規(guī)的定位方法無(wú)法獲取高精度位置信息,而PPP技術(shù)作為一項(xiàng)GNSS定位新技術(shù),在低軌衛(wèi)星精密定軌、高精度坐標(biāo)框架維持和海洋測(cè)繪等諸多方面得到了廣泛的應(yīng)用[7],同樣適用于海上風(fēng)電工程安全監(jiān)測(cè)。其技術(shù)重點(diǎn)解決包含多種參數(shù)的數(shù)學(xué)模型選擇與解算、高精度誤差改正模型構(gòu)建、整周模糊度解算和觀測(cè)數(shù)據(jù)的周跳探測(cè)與修復(fù),以獲取高精度坐標(biāo)信息。

3.2 高程傳遞

采用高精度GNSS定位技術(shù),結(jié)合我國(guó)現(xiàn)有陸地、海洋重力資料及其他重力場(chǎng)信息和數(shù)據(jù)成果,并運(yùn)用國(guó)內(nèi)外確定大地水準(zhǔn)面的嚴(yán)密理論和算法來(lái)確定高精度的局部大地水準(zhǔn)面[8],將我國(guó)高程基準(zhǔn)從沿海海上風(fēng)電場(chǎng)控制中心傳遞到海上風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組區(qū)域。

3.3 多傳感器集成

主要解決不同采集頻率、不同安裝位置和不同類型的測(cè)量傳感器在時(shí)間和空間上的同步[9],以及多傳感器數(shù)據(jù)的時(shí)空對(duì)準(zhǔn),為水上、水下一體化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

3.4 精密水下定位技術(shù)

精密水下定位是高精度三維掃描聲吶測(cè)量系統(tǒng)和水下機(jī)器人監(jiān)測(cè)的前提。首先針對(duì)海底控制點(diǎn)精密定位,需根據(jù)試驗(yàn)區(qū)情況確定船的航跡,確?；谧顑?yōu)的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行定位;同時(shí)需要利用自適應(yīng)的方法采取合適的差分方法,最大限度地削弱觀測(cè)值中的周期項(xiàng)誤差,提高定位精度。另一方面,水聲定位中的主要誤差來(lái)源是海水中的聲速以及信號(hào)傳播時(shí)間觀測(cè)值,前者與海洋的實(shí)際環(huán)境相關(guān),需要結(jié)合聲信號(hào)在水中的傳播規(guī)律,研究聲速剖面自動(dòng)分層跟蹤改正方法;后者與設(shè)備相關(guān),雖然設(shè)備的硬件延遲會(huì)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行標(biāo)定,但它會(huì)隨環(huán)境發(fā)生不規(guī)則的變化,故需要研究觀測(cè)值分離硬件延遲的方法;純粹的水聲定位由于單側(cè)交會(huì)的模式,會(huì)出現(xiàn)垂直方向結(jié)果發(fā)散的情況,需要研究壓力傳感器進(jìn)行高程約束的方法,提高垂直方向結(jié)果的精度。因此,高精度的海底定位技術(shù)需要精細(xì)化的誤差處理步驟作為支撐。海底控制點(diǎn)標(biāo)定好后,由于水聲是時(shí)空相關(guān)的函數(shù),它便成為限制海底精密定位應(yīng)用的主要因素。需要從海洋機(jī)理出發(fā),對(duì)海水中的聲速進(jìn)行層析,自適應(yīng)地建立區(qū)域聲速場(chǎng)模型,為后續(xù)海底精密定位監(jiān)測(cè)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

圖2 精密水下定位技術(shù)流程

3.5 水下攝像機(jī)標(biāo)校

攝像機(jī)成像時(shí),圖像中的像素點(diǎn)是空間中物體的點(diǎn)在攝像機(jī)平面上的投影,圖像點(diǎn)與空間點(diǎn)之間具有映射關(guān)系,通過(guò)建立攝像機(jī)的成像幾何模型能夠?qū)崿F(xiàn)圖像坐標(biāo)系到空間坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換[10-11],建立攝像機(jī)成像模型所需的參數(shù)稱為攝像機(jī)標(biāo)校,標(biāo)定的精度將會(huì)直接影響海底構(gòu)筑物發(fā)生縫隙位置估算過(guò)程的精度。

水下機(jī)器人(ROV)在進(jìn)行攝像機(jī)標(biāo)校的基礎(chǔ)上,通過(guò)精密水下導(dǎo)航定位技術(shù),探測(cè)海底構(gòu)筑物全幅影像,對(duì)圖像進(jìn)行去噪、增強(qiáng)、融合等處理后,通過(guò)影像拼接與裂縫識(shí)別技術(shù),提取可能存在風(fēng)電樁基縫隙信息。

3.6 水下三維激光點(diǎn)云快速建模

通過(guò)對(duì)原始點(diǎn)云進(jìn)行粗差剔除、濾波、重采樣和高精度空間配準(zhǔn)等數(shù)據(jù)處理步驟,實(shí)現(xiàn)整個(gè)水下樁基的點(diǎn)云拼接,然后聯(lián)合解算生成DEM,從而得到點(diǎn)云產(chǎn)品。

3.7 水下樁基全景影像與點(diǎn)云數(shù)據(jù)匹配

對(duì)樁基點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行融合解算獲取高精度絕對(duì)坐標(biāo)點(diǎn)云,選擇光束法平差或直接線性變化等最適合的方法對(duì)點(diǎn)云和全景影像進(jìn)行配準(zhǔn)。經(jīng)過(guò)配準(zhǔn)后的全景影像,影像上像素可以對(duì)應(yīng)匹配到背后空間三維點(diǎn)云,基于影像可直接測(cè)圖,提取特征點(diǎn)和地理要素。

3.8 多波束與側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)融合

海底構(gòu)筑物周圍地形穩(wěn)定性監(jiān)測(cè),通過(guò)多波束與側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)融合技術(shù),可獲取地形地貌信息,以及海床表面和淺地層的底質(zhì)屬性信息[12-13]。即利用多波束水深地形測(cè)量獲取海底地形圖,通過(guò)插值方法生成高精度海底DEM,利用兩次監(jiān)測(cè)得到的高精度DEM計(jì)算海底沖刷量;同時(shí)利用側(cè)掃聲吶掃測(cè)海底,獲取海底地貌圖,通過(guò)綜合判定劃分海底底質(zhì)類型及其分布,基于兩次實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù),分析底質(zhì)類型分布范圍變化,最后基于沖刷量和底質(zhì)類型變化趨勢(shì)評(píng)估海底構(gòu)筑物周圍地形穩(wěn)定性。

圖3 海底構(gòu)筑物周圍地形穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)流程

4 結(jié)語(yǔ)

海上風(fēng)電工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)是一門綜合性技術(shù),涉及測(cè)繪學(xué)、海洋動(dòng)力學(xué)、信息技術(shù)、多傳感器技術(shù)、多源數(shù)據(jù)融合等多個(gè)學(xué)科與技術(shù),長(zhǎng)期以來(lái)都是學(xué)者研究的熱點(diǎn)和電力管理部門關(guān)心的焦點(diǎn),也是實(shí)際運(yùn)維過(guò)程中面臨的困境和亟須需解決的問(wèn)題。我國(guó)安全監(jiān)測(cè)研究尚處于起步階段,離一些發(fā)達(dá)國(guó)家還有一定的差距。本研究應(yīng)監(jiān)測(cè)需求的現(xiàn)狀,初步構(gòu)建了海上風(fēng)電工程水上、水下一體化安全監(jiān)測(cè)體系框架,闡述了主要工作流程和關(guān)鍵技術(shù),以期為海上風(fēng)電工程結(jié)構(gòu)設(shè)施管控、變化監(jiān)控和防災(zāi)減災(zāi)提供新的應(yīng)急方案和技術(shù)指導(dǎo)。

我國(guó)海洋事業(yè)正在蓬勃發(fā)展,在國(guó)家海洋發(fā)展戰(zhàn)略和海上絲綢之路重大戰(zhàn)略倡議的指導(dǎo)下,應(yīng)不斷提升海洋工程安全監(jiān)測(cè)能力,集成先進(jìn)的傳感器,借助穩(wěn)定的通信技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其運(yùn)維期間的結(jié)構(gòu)狀態(tài)響應(yīng),獲得能夠反映海洋環(huán)境以及結(jié)構(gòu)狀態(tài)的各種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估,為海上風(fēng)電工程的維護(hù)和管理提供科學(xué)依據(jù)。