海上風(fēng)電場(chǎng)的開(kāi)發(fā)逐漸向深遠(yuǎn)海發(fā)展，通達(dá)條件的復(fù)雜性和環(huán)境的特殊性使得越來(lái)越多業(yè)主、制造商或EPC正在轉(zhuǎn)向使用創(chuàng)新的數(shù)字工具來(lái)優(yōu)化性能，解決設(shè)計(jì)和施工難題。在海上風(fēng)電場(chǎng)數(shù)字化建設(shè)中，應(yīng)用“數(shù)字孿生”提升海上風(fēng)電發(fā)電量不是空談。

數(shù)字孿生的發(fā)展

數(shù)字孿生工具（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“數(shù)字孿生”）是一個(gè)技術(shù)體系，旨在為物理系統(tǒng)創(chuàng)造一個(gè)表達(dá)其所有知識(shí)的集合體或數(shù)字模型（也稱(chēng)為數(shù)字孿生體）。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)，動(dòng)態(tài)更新數(shù)字模型，能夠提升數(shù)字孿生體的診斷、評(píng)估與預(yù)測(cè)能力；同時(shí)在線(xiàn)優(yōu)化實(shí)際系統(tǒng)的操作、運(yùn)行與維護(hù)，減少結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)冗余、避免頻繁的周期性檢修與維護(hù)并保證系統(tǒng)的安全性。風(fēng)電場(chǎng)數(shù)字孿生是風(fēng)場(chǎng)各設(shè)備的物理數(shù)據(jù)模型“雙胞胎”，可用于協(xié)助實(shí)時(shí)監(jiān)控海上風(fēng)電項(xiàng)目。

美國(guó)加州西岸某漂浮式風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目首次采用數(shù)字孿生技術(shù)，該技術(shù)由挪威Aker Solutions公司提供，旨在研究應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)降低浮式海上風(fēng)場(chǎng)的全生命周期成本。Aker Solutions已為許多行業(yè)建立數(shù)字孿生系統(tǒng)，如電力、公用事業(yè)、航運(yùn)、石油和天然氣以及制造業(yè)等。

該項(xiàng)目由挪威工程公司Aker Solutions和奧斯陸工業(yè)軟件公司Cognite聯(lián)合開(kāi)發(fā)，并獲得加州能源委員會(huì)的電力計(jì)劃投資（EPIC）200萬(wàn)美元的支持。Aker Solutions和Cognite的NextWind實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)平臺(tái)將從主設(shè)備中獲取有效數(shù)據(jù)，以制定實(shí)際項(xiàng)目的藍(lán)圖，生成數(shù)據(jù)和過(guò)濾分析，以在項(xiàng)目的整個(gè)生命周期內(nèi)改善風(fēng)場(chǎng)的建設(shè)、生產(chǎn)、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)（O＆M）成本。

由EPIC支持的NextWind數(shù)字孿生研究項(xiàng)目將于今年6月開(kāi)始，預(yù)計(jì)于2023年完成。

圖1 NextWind效果圖

數(shù)字孿生已幫助美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）維持其設(shè)備在太空中的運(yùn)行，智慧風(fēng)場(chǎng)、數(shù)字雙胞胎等概念已悄然掀起風(fēng)電運(yùn)營(yíng)的革命。

數(shù)字孿生可視為一種物理資產(chǎn)的數(shù)字“鏡像”， 包括風(fēng)場(chǎng)設(shè)備和機(jī)械等，通過(guò)在各個(gè)模塊布置傳感器，收集海量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并監(jiān)測(cè)運(yùn)行狀態(tài)。再通過(guò)信號(hào)傳輸至云端，將信息以3D數(shù)字表現(xiàn)形式或原始數(shù)據(jù)的形式發(fā)送到用于分析和檢查的層級(jí)。

應(yīng)用數(shù)字孿生的真正的價(jià)值所在是項(xiàng)目開(kāi)始收集數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行處理的環(huán)節(jié)。雖然這不是一個(gè)新概念，但數(shù)字孿生在風(fēng)能行業(yè)中的作用越來(lái)越大。

數(shù)字孿生的應(yīng)用

數(shù)字孿生可以使項(xiàng)目工程師們的工作變得輕松、輔助解決復(fù)雜難題，利于節(jié)約項(xiàng)目成本，并可應(yīng)用在風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)、運(yùn)營(yíng)等各個(gè)環(huán)節(jié)。

設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)期——設(shè)計(jì)人員可以使用數(shù)字孿生模型模擬地質(zhì)、海況進(jìn)行深化和評(píng)估設(shè)計(jì)方案；可進(jìn)行項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)分析、運(yùn)維成本評(píng)估、技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)。

工程建設(shè)期——數(shù)字孿生模型可開(kāi)展指導(dǎo)運(yùn)維策略選擇、運(yùn)維裝備配置、人員架構(gòu)組織等海上風(fēng)電場(chǎng)生產(chǎn)準(zhǔn)備工作；幫助施工團(tuán)隊(duì)組織施工方案，精準(zhǔn)地掌握現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。

運(yùn)維期——可進(jìn)行運(yùn)維數(shù)據(jù)補(bǔ)充參考、智能出海運(yùn)維安排、海上風(fēng)電場(chǎng)后評(píng)估；檢修工程師無(wú)需派遣人員診斷故障，而是可以遠(yuǎn)程分析和識(shí)別問(wèn)題，僅在必要時(shí)派遣運(yùn)維團(tuán)隊(duì)。通過(guò)設(shè)備中嵌入的傳感器進(jìn)行的實(shí)時(shí)監(jiān)控有助于開(kāi)發(fā)商避免昂貴的計(jì)劃外建造、維護(hù)或修理。

在大數(shù)據(jù)中的支持下，設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)維人員將能夠使用數(shù)字孿生模型將設(shè)備的理想化、工程化條件與實(shí)際項(xiàng)目的實(shí)際條件進(jìn)行比較，不斷調(diào)整和優(yōu)化設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)營(yíng)方式。

機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）和人工智能（AI）也可以應(yīng)用于識(shí)別模式，預(yù)測(cè)故障并突出肉眼可能會(huì)錯(cuò)過(guò)的重要變量。

具有AI和ML的數(shù)字孿生模型可以指導(dǎo)風(fēng)機(jī)、基礎(chǔ)、升壓站、換流站，甚至海纜各模塊的設(shè)計(jì)、安裝和維護(hù)自動(dòng)化，以實(shí)現(xiàn)高效率施工和運(yùn)維。

將數(shù)字孿生與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR），虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）和混合現(xiàn)實(shí)（MR）結(jié)合使用，可以遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的管理。例如，與無(wú)人機(jī)、水下機(jī)器人（ROV）充分互動(dòng)，在不同的位置看到對(duì)方、繪制、突出顯示與故障相關(guān)的設(shè)備，并可視化機(jī)器如何一起運(yùn)行。

機(jī)器學(xué)習(xí)可以識(shí)別模式，甚至在出現(xiàn)并發(fā)癥時(shí)進(jìn)行自我診斷，僅在需要關(guān)鍵人員注意時(shí)才對(duì)其發(fā)出警報(bào)。在這種環(huán)境中加強(qiáng)所謂的智力放大，應(yīng)用技術(shù)來(lái)加快流程，使工程師可以使用更少的資源來(lái)加速?zèng)Q策。更深入的算法，可以經(jīng)濟(jì)有效地使用現(xiàn)有系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)來(lái)經(jīng)濟(jì)評(píng)估、競(jìng)價(jià)發(fā)電。

數(shù)字孿生還可以為新工程師提供全面的培訓(xùn)，在數(shù)據(jù)中心建立知識(shí)庫(kù)，幫助技術(shù)人員能力的學(xué)習(xí)。例如，數(shù)字孿生模型可以演示如何執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)操作程序，如卸下渦輪葉片的一部分并準(zhǔn)確安裝替換件等。

多個(gè)受訓(xùn)者可以輕松地共同參加會(huì)議，甚至可以使用AR或VR交互式顯示，降低技能難度，輔助初學(xué)者學(xué)習(xí)工作規(guī)程，并可根據(jù)高層反饋進(jìn)行學(xué)習(xí)和決策。

除了監(jiān)視設(shè)備和機(jī)械帶來(lái)的諸多好處外，數(shù)字孿生在研發(fā)方面也具有深遠(yuǎn)的優(yōu)勢(shì)。

從現(xiàn)有設(shè)備中收集的所有數(shù)據(jù)，都可以用于對(duì)未來(lái)的設(shè)計(jì)進(jìn)行建模-改進(jìn)流程，突出缺陷并解決過(guò)程中的低效率。這一切都需要大量數(shù)據(jù)，數(shù)字孿生的基礎(chǔ)就是有效的數(shù)據(jù)。

數(shù)字孿生，這種在設(shè)備制造之前對(duì)機(jī)器進(jìn)行準(zhǔn)確建模的能力，有著巨大的節(jié)省成本的潛力，并且企業(yè)使用數(shù)字孿生雙工技術(shù)的機(jī)會(huì)越多，隨著投入使用時(shí)間的推移，需要處理的數(shù)據(jù)越來(lái)越多，數(shù)字孿生過(guò)濾、檢查的功能愈發(fā)重要。

數(shù)字孿生技術(shù)在石油、天然氣、汽車(chē)、生命科學(xué)和城市規(guī)劃等許多行業(yè)中已得到了廣泛的應(yīng)用。在風(fēng)能行業(yè)中，潛力巨大，有效地部署和集成是應(yīng)用的關(guān)鍵。

圖2 某數(shù)字孿生項(xiàng)目典型界面圖

結(jié)語(yǔ)

千堯科技打造的“莊蝶”海上風(fēng)電數(shù)字孿生系統(tǒng)，涵蓋設(shè)計(jì)、EPCI、運(yùn)維三大功能模塊，旨在解決海上風(fēng)電設(shè)計(jì)驗(yàn)證、優(yōu)化改進(jìn)、科學(xué)決策等關(guān)鍵問(wèn)題，開(kāi)發(fā)完成后，將實(shí)現(xiàn)海上風(fēng)電，尤其是漂浮式風(fēng)電的智能化、精細(xì)化發(fā)展，未來(lái)將具有良好的發(fā)展前景。