【综述】海上风电登靠步桥发展与关键技术研究综述

海上风电是实现能源转型和碳中和的重要载体，发展潜力巨大[1-2]。2021年，全球新增风电容量93.6 GW[3]。随着全球海上风电场建设和运营数量的快速增长，对海上人员和货物安全转运设备的需求不断增加。据统计，在海上风力发电机生命周期中，运营和维护服务成本预计占总成本的30%以上[4]。海上风电机组的建造、调试、测试和维护都需要大量的人力投入，但海上天气多变，海上设备转移作业时常遇大风浪、暴雨和大雾天气，导致能见度低，海况差，从而对人员安全造成极大威胁，容易引发安全事故。为了保证稳定、安全、有效的海上转运，采用海上登靠步桥可以抵消船舶的多维运动，使转运物体在惯性空间中保持稳定[5-6]。 

国外公司开发了一系列稳定性强、适应不同海况的登靠步桥设备。这些产品在海上风电场维护中发挥着关键作用，为安全高效的人员转移提供了可靠解决方案。近年来，国内企业和研究人员也开始在该领域展开积极探索[7]，相继推出了搭载国产海上登靠步桥的各型船只，打破了国外设备在该领域的垄断地位。 

目前海上风电运维领域正迅速演变，注重可靠性、安全性和可持续性。提倡采用远程监测和自动化技术，以实现实时状态监测和问题诊断，最大程度减少人员在海上的工作时间[8]。在海上风电登靠步桥的设计上，需考虑稳定性、耐用性以及应对恶劣海况的能力，同时要确保安全栏杆、防滑表面和紧急撤离装置的设置。 

本文拟对海上风电登靠步桥的发展历程进行综述，并从运动感知与数据分析、补偿控制与执行、结构设计和可靠性以及新材料应用这4个方面，梳理关键技术发展脉络，预测未来发展趋势。

船舶转运人员和物资时主要受到温度、湿度、海风、波浪等因素的影响，这些因素中波浪的影响是最大的，主要有6个自由度方向上的影响[9]，分别为横摇、纵摇、艏摇、横荡、纵荡、垂荡。其中，横纵方向上的波浪运动对船舶的影响最为明显[10]，主要表现在：1）船舶在水平方向上的运动会使得船舶偏离登靠目标，增大登靠难度；2）船舶在升沉方向上的运动会使得船上的工作人员无法站立平稳，增大安全事故发生率；3）船舶的六自由度运动都会在一定程度上增加登靠步桥以及物资与海洋结构发生碰撞的风险。因此，海上登靠步桥的设计总体围绕着减小波浪对登靠系统的影响展开[11]。 

目前，海上登靠方式有以下几种：1）对接沿海风机爬梯的快速登靠方式；2）对接风机平台的登靠方式；3）用于大型货物转运的起重设备；4）其他设备和登靠方式[12]。其中效率最高、应用最广泛的是第1种登靠方式，其依赖两种登靠船舶来完成。一种是不带运动补偿系统的登靠船舶，这类船舶只能在海况较好时进行作业。另一种是带有运动补偿海上登靠步桥的船舶，图1展示了其搭载的海上登靠步桥以及3个自由度。这类船舶的优势是能够在恶劣海况下运行，可补偿的海浪波高可达4 m[13-14]。 

图1  海上登靠步桥的3个自由度

早期作业人员通过双体船搭载小型登离舷梯通往离岸设施的入口通道，但是小型登离舷梯的承载能力较小，并且安全性和稳定性一般，只能应对波高0.5～2.0 m的工作环境，难以满足恶劣海况下的作业需求。广州船舶与海洋工程设计研究院自主研发的三自由度主动补偿登离舷梯[15] 是典型的小型登离舷梯装备。如图2所示，该舷梯最大伸长尺度5 m，额定载荷175 kg，可在四级海况将作业人员安全送往风电塔，该装备适应性强、作业范围广泛。Maxccess公司研发的抱桩式登靠步桥也是典型的小型海上登靠装备，图3为其人员转移场景。该登靠步桥通过舷梯顶端的夹爪与海上设施保持连接，增强稳定性，可满足人员转移以及轻型货物运输的需求。 

图2  广船院小型登离舷梯

图3  Maxccess公司小型登离舷梯

随着海洋工程的不断发展，人员逐渐由近海转移到深海进行作业。因此，需要开发一种具有多自由度波浪补偿功能的大型海上登靠步桥，实现人员和货物的安全转移，并且能够提供强大的承载能力。 

2015年，荷兰Safeway公司推出了离线登靠系统，解决了在恶劣海况下的登靠难题，大大提高了作业的安全性和效率[16]。此后该公司陆续推出Seagull，Osprey和Gannet三种型号的产品，均采用串并联相结合的补偿方案，主要目的是使登靠步桥具有较大的垂直提升距离，使伸缩舷梯在登靠作业时尽量保持水平，图4所示为Seagull型登靠步桥搭接海上风机的情景。这种设计提高了登靠步桥对安装母船的适应性和人员转运时的安全性，满足未来多场景使用的需求。2021年，该公司对Gannet型登靠步桥进行了全电化改造，进一步提升了设备的操作灵活性并降低功耗。 

图4  Seagull型海上登靠步桥

2016年，Barge Master公司推出了运动补偿海上登靠步桥，如图5所示。该型登靠步桥为并联补偿方案，依靠伸缩舷梯的俯仰运动进行搭接和垂直提升，由于其倾斜的登靠方式，为提升人员行进安全性，舷梯采取了专门的防滑措施[17]。该登靠步桥拥有吊运功能，在不运输人员的情况下可以当做起重机使用，系统有效载荷为800 kg，同样满足大型海上登靠步桥的大承载需求。 

图5  Barge Master公司的海上登靠步桥

主动式波浪补偿具有响应速度快、补偿能力强的优点，但设备功率大。许多公司针对温和海况作业需求，开发了被动补偿或主被动两用的登靠步桥。Safeway公司的Osprey 型登靠步桥在主动波浪补偿时功耗为100 kW，被动补偿时仅为30 kW。KenzFigee公司于2016年推出了如图6所示的纯被动补偿式登靠步桥。该登靠步桥可以根据实际需求更改舷梯的尺寸，同样满足货物吊运的要求，有效载荷高达1 500 kg[18]。 

图6  KenzFigee公司的被动运动补偿登靠步桥

荷兰SMST公司致力于提供各种伸缩登靠步桥，拥有S，M，L和XL四种型号，长度为4～58 m不等。针对早年海上登靠步桥存在的登靠安全性等问题，该公司采用了模块化设计，将垂直堆叠模块、调高系统与波浪补偿登靠步桥串联起来，实现了人员登靠作业时水平行进，同时波浪补偿系统可选择主动或被动运动补偿。图7为SMST公司登靠步桥的3种布置方式，图8展示了该登靠步桥的搭接效果[19]。

图7  3种布置方式

图8  登步靠桥与海上风机搭接效果[19]

2021年，Ampelmann公司提供的大型海上登靠步桥首次应用于国内运维船舶[20-21]，该型登靠步桥具备六自由度波浪补偿能力。Ampelmann公司提供了一系列的海上登靠产品，涵盖电液混合驱动型、纯电驱型、重载型以及极地适用型等。执行机构可分为并联式、串联式和串并联组合式。串联机构虽然在载荷以及响应时间上逊色于并联机构，但其具有占地面积小、系统集成度高等优点。图9为该公司B型海上登靠步桥，采用并联结构。图10为W型海上登靠步桥，采用串联结构。

图9  Ampelmann公司B型海上登靠步桥

图10  Ampelmann公司W型海上登靠步桥

此外，Tectrans公司设计的FlexBridge海上登靠系统进一步增强了灵活性和可扩展性，减少了重量长度比，适合节能运动补偿。 

我们对比了国外数十款海上登靠步桥产品，认为海上登靠设置的发展趋势，以提高波浪补偿精度和安全性为主。此外，表1列出的多用途、节能化等也是目前国际上海上登靠设备主流发展趋势，这也为海上登靠设备的未来发展提供了有益参考。 

表1  海上登靠步桥发展趋势

随着海上风电开发向深远海不断拓展，对风电运维船舶和海上登靠步桥的技术要求不断提高[22]。本文将对主要的几种关键技术进行概述。 

在海上登靠步桥设计中，环境监测与数据采集紧密结合，为登靠步桥的安全性、稳定性和可操作性提供了基础支持。船体在波浪中的多自由度运动姿态采集主要依靠惯性传感器，内置的陀螺仪和加速度计输出翻滚角、俯仰角、偏航角、加速度信息等[23]。目前姿态定位传感器可以满足0.2°的纵倾和横滚运动分辨率以及0.25 mg的加速度分辨率需求，最高输出频率可达2 kHz。 

除使用惯性传感器获取船舶位姿外，研究人员还采用风速传感器、波浪传感器等获取实时海况信息，并结合气象数据进行分析，预测海况变化。这些数据为操作人员提供了实时的环境感知信息，辅助进行操作决策，降低操作风险。现阶段，我国中高端力敏类、化学类传感器进口占比仍在80%左右，国内传感器的可靠性指标亟待加强，同时也需要在技术细分下建立统一的标准，以提高产品互换性。 

惯性传感器工作时会产生噪声，包括随机噪声、偏差噪声、脉冲噪声、高频噪声等[24]。为了降低这些噪声对数据的影响，常常采用信号处理技术、信号校准技术以及噪声滤波器来处理传感器数据。其中，卡尔曼滤波是一种经典的状态估计方法，适用于对动态系统中存在噪声和不确定性的状态进行估计和预测[25-26]。研究人员通过动态调整估计值和测量值之间的权重，结合系统的动态模型和测量数据，通过迭代更新状态估计值，完成采集信息的处理[27-28]。 

奔粤阳等[29]针对波浪信息校准提出了一种自适应运动姿态参考系统。利用船舶升沉加速度𝜈˙z𝑑和海浪的主导频率𝜔{p}推算海浪运动的平均高度A。基于海浪主导频率、平均高度和传感器的噪声方差𝜎2计算升沉滤波器的截止频率𝜔c{opt}。通过波浪滤波器对船舶的粗糙波浪加速度进行过滤，获得样本点的波浪位移信息。这种方法不仅能够测量波浪运动的平均高度，还能够计算波的主频率，为后续船舶运动预测提供支持。 

准确的位姿数据主要为船体及登靠步桥运动建模提供支撑，该研究分为两部分：一是海上登靠步桥运动响应分析及其在步桥设计与操作中的应用；二是通过数学模型准确描述海上登靠步桥在海浪、风等动力载荷作用下的运动特性[30-31]。

在运动响应研究方面，Li等[32-33]通过时域数值模拟，并对比实验测量值，分析了多体系统的水动力相互作用；Qiu等[34]通过建立动力学模型揭示了舷梯带来的非对称载荷对混合式海上登靠步桥支撑链牵引力的影响；Huang等[35]利用数值方法研究了转塔系泊浮式生产储卸油（FPSO）装置和半潜式调节平台（AP）的耦合动力学和舷梯响应。以上研究都在不同程度上强调了海况和动力载荷对登靠步桥的影响。 

在数学建模方面，D-H矩阵参数法是常用的建模方法[36-38]。在海上登靠步桥的各个关节建立坐标系，通过矩阵变换表述相邻关节之间的空间位姿关系，最终得到串联结构的运动学方程[39]。无论是串联机构还是并联机构，都需要计算系统的运动补偿量，来对执行机构下达补偿指令。林泽等[40]针对海上舷梯末端点位置镇定控制问题，通过运动学反解，计算出补偿海浪引起的船舶摇荡运动对舷梯末端点位置的扰动，进而得出舷梯关节期望位置。串联式运动补偿登靠步桥一般级数在4级以内，运动补偿量易于通过类似的运动学反解直接得到[41-42]，对于使用并联平台的海上登靠步桥，由于运动更为复杂且受到多方面的限制，在对整个结构进行分析时可以辅以动力学建模[43-44]，将平台与各个连杆作为两个子系统，分析其动能与势能。 

由于信号采集和处理以及电液系统执行等环节带来的时滞，波浪补偿系统在进行运动补偿时往往存在滞后性，面对不规则波时尤为明显。因此，对船舶运动及姿态进行预测就显得十分重要。 

Zhang等[45]提出了一种新的神经网络（LSTM）预测模型，该预测模型基于自适应动态粒子群优化算法（ADPSO）和双向长短时记忆（BiLSTM）神经网络，通过自适应调整学习因子来平衡全局和局部搜索能力，从而提高优化性能，改善其在BiLSTM参数优化过程中的优化效果。夏骏达[46]设计了基于经验模式分解和长短期记忆神经网络（EMD-LSTM）的组合预测模型，对船舶位姿进行极短期预测，仿真结果验证了其预测精度优于单一的预测模型。张新宇等[47]针对系统的大惯量、高负载和强干扰等因素导致波浪补偿系统响应滞后问题，提出了一种基于回声状态网络（ESN）的海浪预报方法，并与基于AR模型和反馈型神经网络（ELMAN）的方法在预报精度和预报响应时间方面进行对比。 

在海上登靠步桥研究中，运动感知和数据分析起着关键作用。通过环境监测和数据采集，实时获取船舶运动和海况信息，为步桥安全性、稳定性和操作性提供基础。LSTM网络可以使用历史位姿数据和其他相关信息，如海浪、风力等数据作为输入，学习数据之间的关系，并预测未来的位姿。运动预测进一步优化了步桥运动补偿和控制系统，提高了执行动作的智能性和安全性。 

波浪补偿系统按照补偿方式可分为被动补偿、半主动补偿和主动补偿，表2对比了各补偿方式的特点和适用情景。被动补偿主要依靠结构设计或机械系统本身会通过物理特性来减小波浪引起的运动，核心是采用液压复合油缸或者气体蓄能器作为储放能装置。由于蓄能器的体积限制以及补偿范围较小，单纯的被动补偿仅适合在较为温和的海况下运行[48]。半主动补偿是被动补偿和主动补偿的结合，在被动补偿系统承担平台静载荷的基础上，使用主动补偿油缸来进行实时位移补偿，以达到更好的位移补偿效果[11,49-50]。但其抗干扰性以及补偿精度、适应性仍然不强，目前主要应用在重载打捞船上，在海上登靠步桥领域应用较少[51]。主动补偿系统集检测、控制和执行于一体，具有补偿精度高、可靠性好、抗干扰能力强的优点，是首选的海上登靠步桥补偿方式[52]。 

表 2  波浪补偿系统分类

控制算法的设计涉及对动态系统的建模、控制器设计和参数调整，以实现步桥的精准运动补偿。针对运动补偿中常用的Euler-Lagrange系统输入时滞问题，Roy等[53]提出了自适应鲁棒控制策略。针对Stewart平台运动补偿与实际运动不同步的问题，Tajdari等[54]通过线性二次积分控制器解决了输入的滞后性。另一种方法是设计鲁棒控制器，将预补偿输入延迟集成在控制器中，以实现一致最终有界性（UUB）[55]。Yin等[56]针对风电运维船的纵荡、横荡和偏航运动的低频响应，在时域内考虑了风电运维船与主动并联平台的耦合，通过求解康明斯方程得到风电运维船的运动响应，并得出了一种快速求解算法。Cai等[57]通过反馈技术将新型速度前馈补偿器与滑模控制器结合起来，将神经网络集成到自适应控制器中，以估计船舶运动引起的参数变化，从而调整控制器参数以补偿误差。

比例−积分−微分控制（proportional integral derivative， PID）和比例−微分控制（proportional derivative，PD）算法是应用最广泛的波浪补偿控制算法之一，PD算法基于误差和误差变化的比例和导数来调整控制输入，适用于快速响应和抑制振荡。在波浪补偿中，PD控制可以快速响应船舶运动，减小补偿延迟，从而更好地抑制运动[58]。PID算法在PD的基础上增加了积分项，用于消除稳态误差，即系统长时间存在的小误差[59]。因此在波浪补偿中，PID控制能够更准确地跟踪和控制系统的目标值，提高系统的稳定性和精度[60]。PID和PD算法在控制系统中具有简单、实时等优势，对于简单、线性且稳定的系统表现良好。然而，在处理复杂、非线性系统和时滞问题时存在限制。朱传同等[61]提出模糊自适应PID同等耦合同步控制算法，实现阀控非对称液压缸的同步控制。通过同步误差和其微分量对PID的3个控制参数进行在线修改，较好地解决了液压系统非线性参数时变的问题。引入先进的控制算法如模型预测控制（MPC）[62]，能够提高时变系统存在非线性输入以及约束条件时的控制精度。此外，利用遗传算法[63-65]、粒子群算法[66-68]优化也可以在非线性输入、多目标系统以及鲁棒性等方面优化PID控制。 

海上登靠步桥的运动补偿执行机构有串联机构、并联机构和串并联结合机构3种。串联结构海上登靠步桥通常是由一系列的伸缩臂构成。这些伸缩臂可以根据船舶与平台的相对位置进行伸缩，从而实现登靠操作。与串联机构相比，并联机构通常具有更短的响应时间和更强的稳定性，总体上具有较高的负载能力[69-70]。Stewart平台为海上登靠步桥领域典型的并联机构，该平台是一种六自由度并联机构，它可以实现在6个方向上的运动补偿。多数知名海上登靠装备生产商如荷兰Ampelmann公司、英国的OSBIT Power公司和挪威UPTIME公司等都推出了采用Stewart平台的主动补偿海上登靠步桥。

Niu等[71]认为使用Stewart平台作为运动补偿器所需的安装空间较大且在机械结构上有些浪费，因此设计了一种新型串并联混合登靠步桥，由三自由度空间对称结构（3UPU/UP）的并联平台和三关节机械臂结构（RRP）的串联舷梯组成。该设计方案符合海上登靠步桥节能化趋势，但能够补偿的有义波高较低，因此仅适合安装在小型服务运营船（SOV）上。但串联RRP结构舷梯方案值得借鉴，对于较小的平台或紧凑的安装空间，串并联结合的设计是一种有效的解决方案。并联Stewart平台目前仍是针对船舶纵倾、横摇运动的基础性补偿机构[72-74]，而串联多自由度舷梯有利于拓展整体运动范围，提供更全面的运动补偿效果。该方案在海上登靠步桥领域属于较新的探索方向，有望为提高海上登靠步桥性能提供新的解决方案。

海上登靠步桥的设计中，强度和结构稳定性是关键的考虑因素，对确保步桥结构的安全性、可靠性和持久性具有重要意义。研究人员通过运用先进的结构分析、材料测试和数值模拟技术，揭示步桥在复杂环境下的受力情况，并制定优化的结构设计和改进措施。 

登靠步桥的结构和可靠性分析涉及多种工具和方法：1）静力学分析用于研究结构的强度和稳定性；2）计算流体力学（CFD）分析用于模拟海风等因素对登靠步桥的影响；3）多体动力学分析用于模拟海浪、负载和船舶运动等因素作用下登靠步桥的动态响应；4）模态分析用于研究结构的固有振动特性，评估共振和模态失稳现象。上述方法典型的商用分析软件有ANSYS，OpenFOAM，ADAMS和MSC Nastran等，同时也有一些研究人员采用自行开发的分析工具。综合应用以上工具和方法能够全面评估登靠步桥的结构性能。 

Korakas[75]研究了海上登靠步桥钢桁架结构中偏心节点对结构屈曲行为的影响，提出了用于分析含偏心关节的桁架结构的非对称的刚度矩阵。王宸等[76]基于ANSYS有限元分析软件，对海上登靠步桥固定梯和活动梯强度校核问题，比较了多点约束法、重叠网格法和两梯分离方法，分析过程遵循挪威船级社规范[77]。 

在海上登靠步桥设计中，连接部位、伸缩机构、支撑结构以及连接管道和液压系统是面临较大强度和疲劳风险的关键部位[78-80]。可采用以下措施来确保登靠步桥在极端海上环境中的安全性和可靠性：1）充分考虑波浪、潮汐、风力和人员装备换乘等载荷；2）采用高强度、耐腐蚀的材料和防护涂层延长结构寿命；3）通过先进的结构分析技术对关键部位进行强度校核和抗疲劳分析；4）遵循国际、国内规范，定期进行结构检测和维护。 

选择适当的材料对于海上登靠步桥的设计和性能至关重要。材料选择必须考虑环境适应性，包括海水的腐蚀、气候条件和盐雾等因素。材料的强度应足以支撑设备和人员的负荷。目前的海上登靠步桥仍以钢结构为主，但一些船级社已将铝合金材料纳入海工结构制造规范。此外，钛铝合金、镁合金等轻量化材料也在研究人员的研究范围内[81]。 

近年来，复合材料以其轻质、高强度、优异的耐腐蚀性和设计灵活性吸引了许多研究人员的关注。郑传祥等[82]提出了可使用纤维增强树脂复合材料将海上平台的海水飞溅区的承载基础包覆隔离，该设计提高了钢结构整体耐腐蚀性、延长了整体使用寿命。复合材料在减轻步桥设备的整体重量，改善海上登靠步桥设备的性能和可靠性方面拥有巨大潜力，但由于成本及工艺的原因，目前在海洋工程结构领域应用的尝试和研究仍然较少。 

近年来的研究不断推动着海上风电登靠步桥领域的发展，取得了显著成果。从波浪补偿技术的角度来看，不同的结构设计和控制策略的采用，如Stewart平台、串并联结合设计、PID控制、预测控制、滑模控制等，已经在实际应用中得到了广泛的验证。通过这些方法，海上登靠步桥可以更好地适应海洋环境的复杂波浪条件，实现稳定的登靠操作，提高作业效率和安全性。 

然而，海上风电登靠步桥需要在恶劣环境下作业，在不同海况下保持稳定仍然是一项挑战。同时，为了确保安全登靠，材料的选择以及自动对准和对接技术还需要进一步的突破。首先，需要更深入的研究来优化步桥的设计和控制策略。其次，输入延迟等因素可能影响步桥的性能，需要进一步研究延迟补偿技术，以提高步桥的稳定性和作业精度。最后，与人工智能、机器学习等技术的融合，有望为海上风电登靠步桥控制带来更大发展。

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