英国已经制定了计划,到2030年将海上风电容量从22GW增加到154GW。随着这种巨大的增长,该行业现在正在寻求机器人和人工智能(RAI),以解决生命周期的服务障碍,从而支持可持续和可盈利的海上风能生产。今天,RAI的应用主要是用于支持运营和维护的短期目标。然而,在未来,RAI有可能在海上风电基础设施的整个生命周期中发挥关键作用,包括勘测、规划、设计、物流、运营支持、培训和退役。本文提出了对海上可再生能源领域RAI的首次系统性审查之一。从工业界和学术界的要求出发,从当前和未来的要求出发,分析了RAI的最新水平。我们的审查还包括对支持采用RAI所需的投资、监管和技能发展的详细评估。通过对专利和学术出版物数据库的详细分析所确定的关键趋势提供了对障碍的见解,如自主平台的安全合规性和可靠性的认证、自主船队的可扩展性对数字架构的需求、适应性任务规划以实现弹性驻地运营和优化人机交互,用于人与自主助手之间的可信伙伴关系。我们的研究最后确定了技术重点,并概述了它们与新的 "共生数字架构 "的整合,以实现未来的海上风电场生命周期管理。

【关键词】人工智能,自主系统,数字化,海上可再生能源,海上风电场,机器人

图1. 海上风电场(OWF)关键进展概述

联合国缔约方大会第二十六届会议(COP26)的目标是确保在本世纪中叶实现全球净零排放,并保持1.5°的范围。在实现这些目标的过程中,各国将需要做到以下几点:加快淘汰煤炭;减少森林砍伐;加快转向电动汽车并鼓励投资可再生能源。正如政府间气候变化专门委员会所承认的那样,能源部门的活动显然与全球气候变化的主要原因有关,并且是当前气候变化紧急情况的基础[1,2]。温室气体,特别是二氧化碳,是在燃烧化石燃料时产生的,目前占全球温室气体排放的三分之二[1,3]。为了履行减轻气候变化后果的全球义务,已经对可再生能源发电进行了大量投资[4]。海上风电技术的成熟,加上作为国际政府COVID复苏刺激措施的一部分,对其扩张的全球政治支持,导致这一市场经历了前所未有的全球增长[5]。

英国代表了世界领先的能源经济,推动了对海上风电的战略投资趋势[6],在2019年底,英国的可再生能源电力容量达到47.4GW,比上一年增加了3GW,即6.9%。海上风电场(OWF)的发电量也达到31.9TWh,与前一年相比增长了19.6%。2019年,英国陆上和海上风能生产的总能量占9.9%,然而在2021年第一季度,这一比例已经增加到25.6%,显示出能源来源的转变,有明显的倾向于风力发电[7], [8], [9]。此外,在2020年,英国通过运行中的海上风电场生产了约6.8GW,未来的能源生产增长轨迹包括预先计划和正在建设的同意项目,预计将达到27.2GW;涡轮机装机容量增加74.7%。这要归功于皇家地产公司第四轮海上风电租赁的启动,在英格兰和威尔士近海有7GW的新海床权,可以为600万个家庭供电[10]。苏格兰皇家地产公司也批准了他们的第一轮海上风电租赁,有可能产生超过每个苏格兰家庭的能源需求,每年抵消600万吨二氧化碳,并允许在苏格兰海上风电领域投资约80亿英镑[6]。在大陆层面上,2050年欧盟委员会议程估计需要250至450吉瓦的海上风力发电,以将全球变暖限制在工业化前水平的1.5℃以内,并估计未来全球电力需求的30%可由海上风力发电提供[11,12]。为了满足2050年欧盟委员会议程的高端要求,这将相当于增加40,910个11兆瓦的涡轮机,需要覆盖75,250平方公里的区域,预计到2030年海底电缆的资本支出将达到161亿美元和250万公里[13]。

海上风电的持续增长取决于有效的政策和许可、技术进步、运营与维护(O&M)的成本降低。英国通过加强收入支撑和英国供应链之间的关系,进一步加强了其在海上风电领域的经济地位。目前正在安装和运营的英国海上风电项目估计有32%的英国成分,每年产生18亿英镑的收入,其中到2030年预计将上升到65%,每年产生92亿英镑[14]。由于COVID-19的大流行,全球范围内的投资已经加速并增加[15]。由于COVID-19的限制,预计2020年温室气体排放将下降约6%[16]。2020年11月,英国政府详细介绍了加速 "绿色工业革命 "的十点计划[17];。该计划提出了政府在COVID-19之后的经济中增加绿色部门弹性的方法,支持绿色部门的就业和加速英国向净零排放过渡的路线图。在过去的五年中,政府的支持已经将海上风电的成本降低了三分之二,预计2021年的计划旨在将海上可再生能源的基础设施翻倍。除了将浮动容量增加12倍至1GW,并承诺到2030年生产40GW的海上风能,这些目标将需要英国的私人投资达到200亿英镑,并将使该行业内的就业率增加一倍[18]。政府还将投资1.6亿英镑用于现代港口和制造基础设施,以确保英国成为制造大型风力涡轮机的领导者。这将通过在差价合同拍卖(英国政府支持净零目标的举措)中对供应链的更严格要求,在海上风电项目中实现预计60%的英国含量。这些举措的净结果是提高全球竞争力和专业知识,同时为英国制造业吸引内向投资[17], [19], [20], [21]。

为了确保从海洋渔业中获得可靠的、负担得起的和有弹性的供应,海上基础设施需要一个连续的、复杂的工程周期,与检查、维修、物流、维护和拆除子系统有关[22, 23]。技术上已经有了一些进步,降低了运行和维护成本。然而,风电场运营商面临着一些挑战,这些挑战使他们无法实现高效和可持续的运行维护的路线图。虽然机器人和人工智能(RAI)的发展有可能积极塑造未来的海上风电部门,但按重要性排列的挑战包括:

  • 减少运行和维护成本--运行和维护支出占到了海上风电场总生命周期成本的25%;这是进一步发展海上风电领域需要解决的障碍[24]。抑制运行和维护发展的财务风险包括涡轮机停机时间、管理船只和人员、危险的天气条件、海况和越来越远的岸边距离。为了降低成本,必须为资产检查和维护的RAI部署制定新的标准操作程序。这种程序的改进允许更频繁的干预,并产生检查和维修的频率和质量的改善,也导致人员安全的改善[25]。

  • 将人员从危险的工作环境中移出--为海上风电部门运行和维护开发RAI的需要反映在同时需要减少海上环境中的人员存在,尽量减少人员暴露在危险的天气条件和海洋状态中[26]。这对已部署的机器人平台来说是一个不干预的挑战。

  • 寿命周期的挑战--风电叶片的退役通常发生在25年的寿命周期之后。目前对这些复杂部件的处理方法是埋入垃圾填埋场。可再生能源领域的一个关键挑战是扩大这些材料的回收过程[27, 28]。

  • 招聘挑战--由于来自大陆和其他海外就业部门的竞争,目前该部门所有技能水平都存在大量的招聘短缺[29, 30]。除了与培训有关的问题,在有效捕捉知识以提高工程师技能方面存在挑战,以及如何利用混合现实设备等技术创造虚拟的海上环境,使技能在安全的 "故障安全 "环境中得到检验。

  • 扩大海上风电的生态问题--部署碳密集型的现场支持船,包括直升机、船员转移船、重型自升式船和服务操作船,这些船只用于维护OWF和作为工程师在海上生活的中心。这导致了干扰,并可能对居住在这些地区的生境和物种产生持久的不利影响[31]。

  • 新出现的挑战包括来自岸上的供应链的可靠性,因为风电场越来越多地位于海上,通过应用大数据分析方法和识别海上系统的错误数据集来提高效率,同时降低风险[32], [33], [34]。

随着这一复杂的资产基础增长,以及RAI如何在海上风电场生命周期的不同阶段参与的分布式例子,现在至关重要的是,我们对与海上风电场生命周期管理有关的RAI的机会和障碍进行详细审查。我们的审查既对现有的机器人和人工智能能力进行了详细的基础分析,包括工业和学术来源[35]。我们还根据海上风电的生命周期需求进行了自上而下的分析,以确定海上服务中RAI的关键能力、障碍和推动因素。ORE部门的工业界、学术界和政府机构都将RAI设想为改造许多当前方法和程序的一个推动因素[36], [37], [38]。本综述对过去5-10年的主要研究活动和产出以及专家分析进行了定量和半定量分析。本综述强调,最近在自主性方面的进展已经成为若干商业平台的关键推动因素。虽然这些自主操作的硬件已经存在,但主要的进展与这些技术的新型系统集成和数据分析有关。然而,将自主性作为一种服务来实现是部署RAI的一个主要瓶颈。 有一种误解,认为机器人平台在首次使用时就被认证为 "安全"[39]。此外,还没有一个框架可以确保这些平台在整个生命周期内都能安全使用。因此,通过自我认证,开发评估机器人平台的可靠性和弹性的定量方法,将是未来成功部署的一个关键指标。这将大大推进通过驻场机器人从陆上监测设施中操作、检查和维护的可信的自主海上能源领域的路线图[40]。

本综述的其余部分结构如下。第2节,介绍了当前的海洋生物设施的概况。第3节,对海上可再生能源(ORE)部门由于RAI而需要的改进进行了批判性的分析,对每个生命周期的功能进行了分析。接下来讨论了RAI的技术现状,其中第4节讨论了空中、陆地和海上的机器人的优势和劣势。第5节使用Scopus和Espacenet对商业和专利数据库进行了分析。对学术文献的回顾被用来确定研究的趋势,结果在第6节中讨论。第7节讨论了基于工业见解的能力挑战。 第8节强调了海上弹性基础设施的路线图。 第9节提出了未来基础设施的观点,强调了用于协调驻地多机器人舰队和海上RAI的数字架构。随后,第10节对主要发现进行了总结,并在第10节提出了结论。

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