海上風機基礎定位吊裝系統研發及應用

摘要：為了提升海上風機“先樁法”導管架基礎的施工效率，減少安全事故發生的可能性，研發了海上風機基礎定位吊裝系統，該系統包含：形象進度模塊、三維模型展示模塊、視頻監控模塊、基礎結構物監測模塊，通過對導向平臺及導管架（后統稱為結構物）上傳感器實時傳輸數據的相關理論計算及可視化，實現對風機基礎吊裝施工全過程的定位、監控，以指導施工過程有序、快速地進行。該系統成功運用于粵電陽江沙扒海上風電工程項目。吊裝過程中結構物平臺上的傾角角度始終在3°以內且最終達到穩定時小于0.2°，滿足傾斜度0.5%以內的要求;GNSS定位數據異常值較少，不影響整體判斷結構物的位置，且最終GNSS測值均趨于目標坐標。應用結果表明：在該系統輔助下，基礎結構物吊裝過程平穩且高效，能夠實現基礎結構物吊裝厘米級定位精度。

關鍵詞：海上風機基礎;“先樁法”導管架;定位吊裝系統;導向平臺

中圖分類號：TM614;P7 文獻標志碼：A 文章編號：1005-9857（2024）05-0146-09

0 引言

海上風機樁式導管架基礎的原型為海上石油平臺導管架基礎，最早于2007年在英國某公司建造的海上示范風電場運用，該風電場可為附近的海上石油平臺供電。經過10余年的發展，樁式導管架基礎形式已是國內外海上風電場中應用較多的一種基礎形式[1]。

樁式導管架基礎是一種鋼制錐臺形空間框架基礎，以鋼管為骨棱，其上部結構采用桁架式結構，下部樁腳結構一般設計成三樁、四樁等多樁形式。樁式導管架基礎施工方法根據鋼管樁施工順序的不同可分為“先樁法”和“后樁法”兩種。其中“先樁法”導管架基礎施工方法為先架設海上導向平臺并在海床上插打鋼管樁，再將導管架下部樁腳在水下插入鋼管樁內，最后通過灌漿將二者結合，“先樁法”導管架基礎適應性強，對海床平整度要求低[2-3]。“后樁法”導管架基礎施工方法為先架設導管架，再以導管架基礎作為打樁導向平臺，輔助鋼管樁施工，最后通過灌漿將二者結合，“后樁法”導管架基礎對海床平整度要求高，施工過程需不斷調整導管架水平度。“后樁法”導管架基礎與“先樁法”導管架基礎的施工區別在于鋼管樁施工的次序。

相比于“先樁法”，“后樁法”導管架基礎自身具備導向、定位功能，不需要額外投入導向平臺的費用，可以節約一定成本，但若需要安裝的導管架超過一定數量，每套導管架投入的導向成本將超過導向平臺的造價，因此“后樁法”導管架基礎常被用于數量相對較少的海上升壓站，而“先樁法”導管架基礎則被常用于數量相對較多的風機。由于風電場項目中普遍存在“先樁法”導管架基礎安裝體量大、工序轉換復雜、安裝環境惡劣、安裝精度要求高以及主要靠人工觀察與指揮等特點，亟須利用智能化、信息化監控手段，將傳統人工監測的模式轉化為自動化數據采集、計算并輸出可視化提示結果的系統。因此本文結合“先樁法”施工工藝流程，研發用于“先樁法”的數字化定位吊裝系統，以提升風機基礎吊裝效率、降低作業成本、提升作業安全性。

1 海上風機基礎定位吊裝系統研發

本文系統和計算方法可適用于各類海上大型導向平臺及導管架（以下簡稱“結構物”）的吊裝，如三樁導管架，導向平臺、四樁導管架和吸力式導管架等，但運用的原理手段均類似，后文主要以三樁導管架為例進行闡述。海上風機基礎定位吊裝系統研發內容主要包括4個，即系統總體架構設計、數據采集方法設計、定位計算方法設計和可視化及報警設計，系統研發總體技術路線邏輯拓撲關系見圖1。

1.1 海上風機基礎定位吊裝系統總體架構設計

為了解決海上風機基礎定位吊裝中的各種復雜問題，如復雜作業環境下結構物吊裝穩定性差、結構物重量及結構尺寸大、結構物安裝精度要求高、作業時間長、人工測量工作強度高、施工效率低等，海上風機基礎定位吊裝系統需要實現以下功能：對施工過程中結構物的位置、姿態進行監測;根據監測數據能夠自動計算實測結構物位置和目標位置的差值來指導結構物的調運方位;當結構物到達指定位置時，通過水下攝像頭監控水下對位情況，使得結構物水下對位成功率更高，減少反復起吊次數;并且配備三維可視化功能和施工形象進度管理功能，使得施工過程更加直觀、易管理;最后為了保障施工的安全性，對監測數據進行閾值設定，并進行超限報警。

根據上述系統總體功能的要求，進行海上風機基礎定位吊裝系統總體架構設計，該架構主要包含3個子模塊內容：智能計算模塊、智能監測模塊、三維可視化模塊，系統的總體架構見圖2。

（1）智能計算模塊。為給結構物吊裝過程的每一步操作提供理論依據，使得吊裝過程更加精確可控，設置智能計算模塊。該模塊通過監測得到的結構物位置及姿態數據，對結構物的調運方位、傾斜情況、樁腳高差等參數進行計算，確保每一步吊裝操作都有理可循，保障施工的安全性與準確性。

（2）智能監測模塊。為給智能計算模塊和三維可視化模塊提供數據來源，設置智能監測模塊。該模塊通過智能傳感器，如全球導航衛星系統（GNSS）、傾角儀等，監測結構物的吊裝關鍵要素，并對相關要素進行閾值設定，當要素值超過閾值進行超限報警。該模塊主要監測的要素包括：結構物的位置、結構物的姿態、樁腳與目標位置的水下對接情況，以及風、浪、流的情況。

（3）三維可視化模塊。為了直觀地反映海上風機基礎定位吊裝中的工序進程狀態，整體把控施工節奏，設置三維可視化模塊。該模塊結合智能計算結果及智能監測數據，通過建筑信息模型（BIM）模型將結構物的吊裝過程及監測結果展示在Web端。

1.2 海上風機基礎定位吊裝系統數據采集方法設計

數據采集方法設計包括3個方面內容：傳感器選型、傳感器布置以及數據傳輸方式。

（1）傳感器選型。由于基礎結構物的安裝精度及法蘭平面水平度要求較高，為了監測結構物吊裝過程中的位置和姿態，選擇2臺GNSS移動站監測結構物與目標位置的相對關系，并通過2臺傾角儀監測結構物法蘭平面沿X 軸、Y 軸的傾斜角，以控制法蘭平面傾斜度。為了監測結構物水下對位情況，選取若干個視頻監控攝像頭監測結構物樁腳與目標位置對位情況。

（2）傳感器布置。由于結構物法蘭中心是重要的參考位置，并且法蘭平面水平度是吊裝最終需要控制的重要標準，因此在法蘭平面上設置2 臺GNSS和2臺傾角儀監測法蘭位姿;水下攝像頭布置在樁腳上以監測水下對位情況，如圖3所示，其中G1、G2代表2個GNSS移動站的安裝位置，Q1、Q2代表2臺傾角儀安裝的位置。水下攝像頭每個樁腳均需安裝一個，對于三樁導管架則共需安裝3個。

（3）數據傳輸方式。由于在海上作業，數據傳輸的方式基本都需要采用如通用分組無線業務（GPRS）、3G、4G等的無線通信的傳輸方式[4-6]，針對項目現場測試情況，中國移動在場區位置附近信號穩定，選擇移動4G 網絡作為無線傳輸網絡。由于項目施工區域沒有連續運行參考站系統（CORS）覆蓋，且對于傳統全球導航衛星系統實時動態定位技術（GNSS-RTK），項目離岸距離在基準站和移動站最大間距的限制之內，因此采用傳統GNSS-RTK技術來進行GNSS實時定位。為了節省成本，水下攝像頭的視頻數據采用信號傳輸纜傳輸到現場電腦，并在需要時通過衛星通信傳輸至云端服務器。各傳感器的數據傳輸架構見圖4。

1.3 海上風機基礎定位吊裝系統定位計算方法設計

1.3.1 計算流程設計

為了將結構物吊裝姿態和位置數據呈現在系統界面上，需進行定位計算，其主要流程包括4個步驟：第一步在加工廠坐標系（以下簡稱廠內坐標系）下，測量GNSS及結構物上其他特征點（如法蘭中心、樁腳）的坐標、廠內坐標系預設方位角（即廠內坐標系的X'軸在施工坐標系下的方位角）;第二步在施工坐標系下確定基礎處于最終安裝位置時的法蘭中心坐標，以結構物法蘭中心為參照物，計算廠內某一特征點在施工坐標系下的最終安裝坐標;第三步在結構物吊裝的過程中，將GNSS測量的大地坐標變換到施工坐標系下;第四步在結構物吊裝的過程中，利用GNSS以及傾角儀的實時測量的數據，通過算法實時計算特征點在吊裝過程中的位置，并解出特征點離目標位置的方向和距離。具體計算流程見圖5。

1.3.2 計算算法設計

根據計算流程設計，以某三樁導管架為例，定位計算算法包括以下幾個內容。

（1）廠內數據測量。2 個GNSS 廠內坐標：GNSS1（XG1'，YG1'，ZG1'）、GNSS2（XG2'，YG2'，ZG2'）;廠內坐標系預設方位角α';3個樁腳廠內坐標S1（XS1'，YS1'，ZS1'）、S2（XS2'，YS2'，ZS2'）、S3（XS3'，YS3'，ZS3'）及法蘭中心廠內坐標OP圖5 計算流程Fig.5 Calculationflowchart（X0'，Y0'，Z0'）;另外法蘭中心施工坐標系下的最終安裝坐標OT（X0，Y0，Z0）為已知量。

（2）以導管架法蘭中心為參照物，計算廠內某一特征點在施工坐標系下的最終安裝坐標（X ，Y，Z）的方法如下：

X =（X'-X0 '）cosα'- （Y'-Y0 '）sinα'+X0（1）

Y =（X'-X0 '）sinα'+ （Y'-Y0 '）cosα'+Y0（2）

Z =（Z'-Z0 '）+Z0 （3）

將GNSS廠內坐標GNSS1（XG1'，YG1'，ZG1'）、GNSS2（XG2'，YG2'，ZG2'）帶入式（1）、式（2）和式（3）可得GNSS施工坐標系下最終安裝坐標GNSS1（XG1，YG1，ZG1）、GNSS2（XG2，YG2，ZG2）。同理可以得到3個樁腳施工坐標系下最終安裝坐標S1（XS1，YS1，ZS1）、S2（XS2，YS2，ZS2）、S3（XS3，YS3，ZS3）。

（3）在導管架吊裝的過程中，GNSS實測的大地坐標（B，L，H ）到施工坐標（XGNSS，YGNSS，ZGNSS）的變換涉及七參數轉換模型以及高斯-克呂格平面投影，可參見文獻[7-8]，詳細計算方法較為成熟，不在此贅述。通過轉換可得到GNSS在施工坐標系下的實時測量值GNSS1：（XGNSS1，YGNSS1，ZGNSS1）、GNSS2：（XGNSS2，YGNSS2，ZGNSS2）。

（4）求解特征點施工坐標系下的實時測量坐標

①首先需要計算目標方位角b1（即兩個GNSS在最終安裝位置的連線角度）、實測方位角b2（兩個GNSS在吊裝過程中的連線角度）及需要調整的扭轉角α：

b1 =arctan[（YG2 -YG1）/（XG2 -XG1）] （4）

b2 =arctan[（YGNSS2 -YGNSS1）/（XGNSS2 -XGNSS1）]（5）

α =b2 -b1 （6）

②計算當導管架傾斜時，樁腳相對GNSS 沿X 、Y、Z 軸的偏移量：

ΔX1 = -（ZG1 -ZS1）sinγ + （XG1 -XS1）（1-cosγ）cosα（7）

ΔY1 = -（ZG1 -ZS1）sinβ+ （YG1 -YS1）（1-cosβ）cosα（8）

ΔZ1 = （ZG1 -ZS1）（1-cosγ）+ （XG1 -XS1）sinγcosα（9）

其中β、γ 為傾角儀實測導管架沿Y 軸、X 軸的傾斜角。

③ 計算3個樁腳的實測位置：

XD1 =（XS1 -XG1）cosα - （YS1 -YG1）sinα +XGNSS1 +ΔX1 （10）

YD1 =（XS1 -XG1）sinα + （YS1 -YG1）cosα +YGNSS1 +ΔY1 （11）

ZD1 =（ZS1 -ZG1）+ZGNSS1 +ΔZ1 （12）

式中：XD1、YD1、ZD1為第一根樁腳實測坐標。由式（10）、式（11）、式（12）計算得到3個樁腳的實測坐標（XD1，YD1，ZD1），（XD2，YD2，ZD2），（XD3，YD3，ZD3）。

④計算樁腳中心實測位置坐標OS（OX，OY）：

OX=XD1 +XD2 +XD3／3 （13）

OY=YD1 +YD2 +YD3／3 （14）

在得到各特征點實測坐標后，通過與目標坐標進行簡單的計算，便可解出各特征點離目標位置的方向和距離。

1.4 海上風機基礎定位吊裝系統可視化及報警設計

以三樁導管架為例，導管架定位吊裝系統可視化設計共包含了4個模塊：形象進度模塊、三維模型展示模塊、視頻監控模塊、基礎結構物監測模塊（俯視圖、主視圖、右視圖），如圖6所示。其中形象進度模塊展示風電場結構物整體安裝進度，三維模型展示模塊根據結構物安裝實際情況進行數字孿生展示，視頻監控模塊監測水下導管架樁腳與鋼管樁嵌套情況，基礎結構物監測模塊監測導管架的具體位姿參數。報警設計主要包含在基礎結構物監測模塊中，當監測值達到閾值時則發出報警。

2 海上風機基礎定位吊裝系統誤差分析

海上風機基礎定位吊裝系統在運行過程中會存在一些不可避免的誤差，這些誤差主要來自兩個方面，即環境因素和系統自身因素。為了使系統運行更加穩定，減小系統誤差，以下將對兩個方面的因素做具體分析，并制訂相應的解決方案。

2.1 環境因素

風機基礎結構物的吊裝在海上進行，信號傳輸距離較遠;吊裝過程中起重扒桿、風電安裝船身、附屬吊具及鋼絲繩等障礙物體均可能對傳感器信號傳輸造成遮蔽影響;在衛星數量不足時，會發生GNSS位置計算無固定解的情況，此時GNSS的定位精度將由厘米級變為米級。

項目采用傳統GNSS-RTK 測量模式來進行GNSS實時定位，實際測試中發現GNSS移動站的定位精度受制于基準站的信號質量。因此為了提高GNSS的定位精度，可以采取以下幾個措施：①GNSS基準站選址在本項目岸上駐地樓頂，該選址地勢較高且到風電場的路徑上視野開闊，沒有自然遮擋物（圖7）;②對基準站電臺進行信號放大處理，增強基準站的信號強度;③施工時，讓風電安裝船盡量從GNSS基準站與移動站連線側面進場，減少起重扒桿、風電安裝船身等障礙物體對GNSS基準站信號傳輸的影響。值得一提的是針對有網絡CORS站覆蓋且無線網絡信號穩定的風電場，還可采用網絡GNSS-RTK 測量技術，與傳統GNSSRTK技術相比，該技術不受基準站與移動站間距的限制，且可節約布設基準站的成本，但需要注意的是網絡RTK 技術對于網絡穩定性的依賴較高，海上無線網絡不穩定的情況下該技術精度會受到較大影響。

2.2 系統因素

系統的誤差主要是存在于計算算法的誤差上，例如若式（10）、式（11）和式（12）計算樁腳實測坐標時并未考慮式（7）、式（8）和式（9）所示的結構物傾斜產生的坐標偏移量，當結構物傾斜度較大時，系統產生的計算結果會極具誤導性。在經過結構物坐標的傾斜修正后，系統計算精度得以保證。

3 工程應用

海上風機基礎定位吊裝系統于2020年5月起在粵電陽江沙扒海上風電場正式投入應用。并順利在2021年6月前完成了共計46臺基礎結構物的吊裝，其中在該系統輔助下三樁導向平臺、四樁導向平臺、三樁導管架、四樁導管架以及吸力式導管架的平均安裝耗時均為1～2h，采用傳統人為監測的平均安裝時間預計在6～7h。現場應用結果表明：采用該風機基礎定位吊裝系統可以高效且安全地完成風機基礎結構物吊裝作業;吊裝過程中結構物平臺上的傾角始終在3°以內且最終達到穩定時小于0.2°，滿足傾斜度0.5%以內的要求;GNSS定位數據異常值較少，不影響整體判斷結構物的位置，且最終GNSS測值均趨于目標坐標（圖8）。可見基礎結構物吊裝過程平穩且高效，定位吊裝系統能夠實現基礎結構物吊裝厘米級定位精度。

4 結語

針對海上風機基礎吊裝的諸多難題，結合科學的“測”“算”及“可視化”環節，研發了一套海上風機基礎定位吊裝系統。該系統在使用時可以良好地監控并指導風機基礎的吊裝施工過程，能夠相對較快速地指導現場人員將結構物的位置以及姿態調整到目標范圍以內，相較于傳統的人眼監測方式，施工效率提高了4～6倍，且施工過程中減少了潛水員等人員靠近結構物的情況，施工過程更加安全可靠。最終在該系統的輔助下，粵電陽江沙扒海上風電B標工程項目順利在2021年6月前完成了共計46臺基礎結構物的吊裝。本文系統及方法可在類似海上風電項目中推廣應用。

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