摘 要

随着社会经济与科学技术的发展，海上风力发电已经成为可再生能源发展的重要方向之一。近年来，中国的海上风电项目的建设得到了国家层面规划的大力支持，发展速度迅速。然而，随着我国海上风电场的发展，很多相关的问题也逐渐浮出水面。与一般陆上发电工程相比，海上风力发电项目的技术难度和安全问题更为突出。为减少海上风电项目施工建设阶段中的人命财产损失，本文基于动态贝叶斯网络，针对海上风电场建设中的沉桩施工、风电机组安装、海上升压站施工、海底电缆铺设等主体工程，构建出对应的动态贝叶斯网络模型，并借助模型对海上风电项目进行风险的识别、分析并进行评估，为类似海上风电场施工建设提供风险评估的参考。根据贝叶斯网络模型分析结果，针对重点风险因素提出相应的安全保障方案。

关键词：动态贝叶斯；海上风电场；风险评价

Abstract

With the development of social economy and science and technology, offshore wind power has become one of the important directions of renewable energy. In recent years, the construction of China's offshore wind power project has been strongly supported by the national planning, and the development speed is rapid. However, with the development of China's offshore wind farms, many related problems have emerged. Compared with general land power generation projects, the technical difficulties and safety problems of offshore wind power projects are more prominent. In order to reduce the loss of life and property in the construction stage of offshore wind power project，Based on Dynamic Bayesian Network，risks of the main projects including offshore wind turbine foundation construction，turbine installation，submarine cable laying，offshore substation construction was identified，analyzed and assessed .The corresponding Dynamic Bayesian Network model is constructed. The corresponding risk’s assessment provide good reference for the similar offshore wind farm construction and installation. According to the analysis results of Bayesian Network model, the corresponding security guarantee scheme is proposed for key risk factors.

Keyword: Dynamic Bayesian ; offshore wind farm; risk assessment

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景、目的及意义 1

1.2 与本课题相关的国内外研究现状 1

1.3 研究方法 2

1.4 研究内容 4

第2章 海上风电项目施工阶段简介 5

2.1 施工建设阶段流程 5

2.2 施工建设阶段的重要性 6

第3章 动态贝叶斯网络简介 7

3.1 贝叶斯网络概念 7

3.2 动态贝叶斯网络概念 8

第4章 海上风电场施工期的贝叶斯网络构建与风险评价 9

4.1 施工建设阶段风险识别 9

4.1.1 风险识别简介与流程 9

4.1.2 施工建设阶段风险源识别 10

4.2 施工建设期动态贝叶斯网络构建思路 12

4.3 GeNIe工具 12

4.4 施工建设阶段贝叶斯网络构建 13

4.4.1 模型结构构建 13

4.4.2 节点参数的确定 14

4.4.3 贝叶斯条件概率表 15

4.4.4 施工建设阶段风险评价 15

4.5 施工建设阶段风险分析 16

第5章 海上风电项目施工建设阶段的安全保障 21

5.1 安全保障内容 21

5.2 安全保障实施方案 24

第6章 结论 26

6.1 研究成果 26

6.2 展望 26

参考文献 27

致谢 28

第一章 绪论

1.1课题研究背景、目的及意义

当今人类社会愈来愈重视可持续发展的战略方针，对于开发使用可持续发展的清洁能源的需求也日益增长。风能作为一种可持续发展的清洁能源，通过开发利用风能的工程以降低我国内部对于不可再生能源的依赖，同时减少其他一些能源使用过程中产生的污染。我国的海岸线长达1.8万公里，位居世界第四位，拥有300万平方公里可管辖的海洋国土，具有极为丰富的风能开发潜力。从《风电发展“十二五”规划》到《风电发展“十三五”规划》^[1]，重点指出推动新能源和节能环保产业快速壮大，构建可持续发展新模式，作为以清洁可持续能源风能为动力的海上风电项目也得到了重点发展，具体重点推动江苏、浙江、福建、广东等四省的沿海的海上风电项目建设，累计并网规模占到全国“十三五”规划规模的百分之九十，项目开工规模占比达到百分之八十五，同步积极推动河北、上海、海南、天津、辽宁等地区的海上风电项目施工建设，本文的研究重点是江苏省沿海海上风电项目的风险评估。中国沿海的丰富风能资源在逐渐得到利用，越来越多的海上风电场投入建设使用，与此同时海上风电项目相关的风险事故也日益凸显，其中以施工建设阶段的风险事故尤为严重。海上风电场作为海上较大面积的水工建筑物，在它的施工建设阶段，由于大型建材的运输、工程船舶的航行、海底电缆的铺设和水上机械施工等因素，对施工工程中的施工人员、航行船舶、海洋环境等对象带来了不同程度的风险。秉承“安全生产”的理念，本文通过对江苏省沿海的海上风电项目的数据对其在施工建设阶段中的风险进行识别和评价，以期望减少其对海上人命财产安全的威胁。

1.2 与本课题相关的国内外研究现状

（1）上海交通大学电子工程系的Wang Zhixin等人^[2]提出了海上风电场的优化配置和评估，以及合理的分布评估、海上风电场输电技术、系统插入操作、风电场和风力发电机组等。

（2）目前国内有关海上风电项目普遍采用了对照法、经验法和危害识别法，其中危害辨识法是对潜在的风险进行识别分析的研究方法，在危害辨识法中通过对不同事故进行系统性的分类，以及对事故的相关性进行定性的研究，从而对于项目当中潜在的风险有一个更加全面的认识；对照法和经验法是对照相关的标准、法律法规、检查表或依靠人工分析的观察分析能力，并借助于专业人员的经验和判断能力直观地分析对象的存在的风险和危害性的方法。

（3）还有用专家调查与预先危险性分析法(PHA)^[3]相结合的方法对各规划风电场址的航运风险因素进行定性和定量分析。专家调查与预先危险性分析法(PHA)相结合的方法对各规划风电场址的航运风险因素进行定性和定量分析。

（4）王闻恺釆用层次分析法（确定所评价的各个风险因素权重，并用模糊

综合评价的方法将指标量化处理，从而得出风险评价结果，并根据风险因素提

出安全保障措施^[4]。

（5）英国的Mahmood Shafiee提出一个范围分析的模糊分析网络过程方法（fuzzy analytic network process）^[5]，为海上风电场选择“最适当的风险缓解策略”。所提出的模型包括四种可能的选择：海上站点布局的变化，维修服务的改进，升级监控系统，以及风力涡轮机设计的修改。

（6）Andre Koukal 等人运用决策支持工具对海上风电场项目进行风险管理。^[6]

（7）Euan Bar-low 等人对海上风电场安装过程中的施工流程与方法进行了描述，为风险识别提供了有益参考。^[7]

（8）香港九龙城市大学系统工程与工程管理学系的Baoping Cai等人^[8]用动态贝叶斯网络分别建立了证明测试间隔相位和证明测试阶段，并结合起来形成了多相动态贝叶斯网络。摘要建立了“k-out- n”体系结构的多相动态贝叶斯网络的统一结构模型，并建立了条件概率表自动生成的过程。采用多相动态贝叶斯网络，评价了目标失效措施，即需求失效概率、需求失败概率、安全失效概率、安全失效概率、安全检测系统安全完整性水平。

1.3 研究方法

对海上风电项目进行综合性的风险评价（Comprehensive risk assessment），不是针对工程中的某个单一因素做整个项目的风险评价，而是综合考虑所有影响海上风电项目的风险因素对项目的影响程度进而对项目风险给出综合评价估计，基于风险识别和风险分析工作，选择适合的风险评价方法，建立有效的风险评价模型，利用模型对项目风险因素进行综合性评价。主要达成以下目标：

（1）比较和分析海上风电项目施工建设阶段的各种风险因素，对其重要性进行排序，得出重要性权重，及确定项目基础风险因子。

（2）搜集历史数据查阅文献资料，对风险因素各自确定风险危险性指标，以得出每种风险的危险性程度。

（3）得出项目的风险值，对项目风险有预先的把握，对每种风险因素的危险性也能提前预知，以便于管理者在项目建设以及运行期间对风险及时合理地规避。

本文采取动态贝叶斯网络法对海上风电项目的施工建设阶段进行风险评价。

本文采用的研究方法如下：

①首先对海上风电场的施工建设阶段的各种环境影响因素进行调研，本文的数据来源于江苏省沿海海上风电项目，故主要了解江苏省沿海对海上风电因素有影响的因素。调研内容包括了自然条件（施工水域、运输路线的风、浪、流、天气气候、礁石等）、交通通航条件（交通流、航标分布、航道规划等）和社会人文条件（风电机组安装流程和工艺、海事监管系统、相关交通法律法规等）；

②了解海上风电项目的各个阶段，其中重点在于施工建设阶段的流程；

③解释风险的定义，了解评价风险的步骤；

④通过结合大量的事故数据，以及借鉴专家建议，识别海上风电项目中可能的风险事故；

⑤选择风险评价的方法；

⑥了解动态贝叶斯网络的概念与贝叶斯GeNIe软件；

⑦在已识别出的风险事故，确定影响施工建设阶段中的基础风险因子；

⑧构建模型评价风险；

⑨通过以构建的贝叶斯网络模型进行风险分析；

⑩最后根据风险分析的结果提出对应的安全保障方案；

具体流程见图1

图1 研究方法流程图

1.4 研究内容

本文基于风险评价理论，通过辨识海上风电场施工建设阶段的风险源项，构建相应的动态贝叶斯风险评价模型，希望通过一种新的风险评价方法，对海上风电场施工建设阶段的风险进行定性定量评价。

研究内容分别是海上风电场施工建设阶段的流程（包括了海上风电场电缆以及其他附件的施工）和动态贝叶斯网络的理论。重点，通过识别海上风电场施工建设阶段中的风险源项，构建相应的动态贝叶斯风险评价模型，对海上风电场施工建设阶段的风险进行定性定量评价。具体评价中，重点从施工期风险源的辨识入手，分析不同施工过程中风险要素的特征及其表现形式，分析风险要素之间的相互作用关系，构建不确定模态下的动态风险贝叶斯评价模型，重点分析施工阶段过往船舶与施工作业船舶的通航风险（主要包括碰撞、搁浅、自然灾害等）、施工作业人员风险等。最后根据模型对重点风险源提出适当的安全保措施。

第2章 海上风电项目施工阶段简介

2.1 施工建设阶段流程简介

可再生能源是解决能源短缺问题的战略性选择，而风能作为目前产业发展最快、前景最好的可再生能源之一。由于我国沿海风速大、风能产量高，风力持久稳定，较小的风流对风电机组损耗小，同时受土地、环境噪声限制也比较弱，风电机组大型化以及从陆地走向海上已成为国际风电发展的趋势，因此，我国近海风力发电具有广阔前景。海上风电项目（Offshore wind Power Project），多指水深10米左右的近海风电。海上风电场的建设涵盖了沉桩施工、风电机组安装、海底电缆铺设以及海上升压站施工等。由于涉及到高空作业、拖带作业、重大件吊装作业、潜水作业等，特别是沉桩施工与风电机组安装是最具风险的 2 部分主体工程。海上风电项目主体施工流程图如下：

图2 海上风电项目施工建设流程图

2.2施工建设阶段的重要性

海上风电项目的生命周期阶段划分为规划阶段、施工建设阶段、运营维护阶段以及弃置阶段共4个阶段。其中施工建设阶段的特点如下：

（1）作业场区范围大

海上风电场项目占用水域面积大，且存在海缆敷设，施工水域跨度较大。

（2）施工周期长

海上风电场项目施工周期较长，在我国东南沿海的风电项目更是跨越了台风、寒潮季节，且外海作业时间长，容易受到外海风、浪、流的影响。

（3）施工工艺及环节多

风电场桩基结构有导管架基础、高桩承台基础、单桩基础等，不同结构的风机基础施工工艺各不相同。风机安装包含整体吊装和分体安装两种，两种吊装作业所需船机设备及施工工艺存在显著差异。

风电场工程施工环节较多，包含打桩施工、重件运输及吊装、潜水、高空作业、明火作业、海缆敷设等施工，不同工序相互间存在一定的干扰，且同一施工环节所需施工船机设备不止一艘。

（4）施工船舶专业性强

风电场项目施工建设阶段风机部件吊装需要专业的风电一体化的作业平台；风机部件运输需要半潜式驳船，半潜式的驳船进出需要拖轮拖带作业；海缆敷设需要专业敷设船进行，在海缆穿越浅滩区需海陆两栖作业设备，施工作业投入的施工船机设备的专业性强。

（5）施工船舶及人员投入量大

海上风电场施工投入的施工船舶主要包含：打桩船、运输船、起重船、交通艇、抛锚艇、拖轮、混凝土工程船、敷缆船、泥驳、加油补给船等，船舶种类多，且数量大。

（6）存在特种作业

海上风电场工程施工过程中存在特种作业包括：高空作业、拖带作业、重大件吊装作业、潜水作业等，特种作业施工要求较高，且作业风险高，需专业人员、设备进行作业。

（7）潮间带水域施工难度大

海上风电场大多规划在沿海潮间带水域，位处潮间带海域，水深变化大，施工作业受水深、涨落潮流影响大，施工水域风浪大、流态复杂，对船机设备制约大。

鉴于海上风电项目施工建设阶段的以上特点，所以对该阶段的风险进行识别评价有重大意义。

第3章 动态贝叶斯网络简介

3.1 贝叶斯网络概念

贝叶斯网络（Bayesian networks，BN）又称为信念网络^[9]，由lt;X,A,θgt;三部分组成。其中:lt;X,Agt;表示一个有向无环图的结构，如图3（a）所示；X是网络中节点的集合，Xi∈X表示一个限制定义域的随机变量；A是网络中有向边的集合,aij∈A表示节点之间的直接依赖关系，aij表示Xi与Xj之间的有向连接，Xi←Xj；θ是网络参数，表示节点的概率取值，θi∈θ表示与节点Xi相关的条件概率分布函数。贝叶斯网络蕴涵了条件独立性假设，即给定一个节点的父节点集，该节点独立于它的所有非后代节点。因此，贝叶斯网络所表示的所有节点的联合概率就可以表示为各节点条件概率的乘积，如下所示。

其中：i＝1，2，…，n。π(Xi)表示Xi的父节点集。当给出了网络结构,节点间的相关关系也就随之确定。在这个前提下，结合网络参数θ，一个贝叶斯网络就可以唯一地确定节点 X的联合概率分布，得到推理结果。由于节点间存在条件独立的性质，贝叶斯网络的计算效率比其他计算联合概率的方法高很多。

(a)

（b）

图 3 贝叶斯学习结构图

3.2动态贝叶斯网络概念

在贝叶斯网络的基础上，将静态的网络结构与时间信息结合，而形成具有处理时序数据的新的随机模型。^[10]动态贝叶斯网络将原有的网络结构中的Xi结合时间因素，表示为Xi[t]。动态贝叶斯网络模型是将贝叶斯网络模型的表述扩展到模型化含时间因素的随机过程。为了用贝叶斯网络表述这种随机过程，需要得到随机变量X[1]，X[2]，...，X[n]上的一个概率分布，但这样一个分布太过于复杂多变。因此，为了能够对复杂的系统问题进行研究并建立相应的模型，需要做一些假设和简化条件处理。这些简化条件包括了以下几点：

（1)假设在一个有限的时间内条件概率变化过程对所有t是一致平稳的。

（2)假设动态概率过程是马氏的(Markovian)，即满足：

也就是说未来时刻的概率只与当前时刻有关而与过去时刻无关。

（3)假设相邻时间的条件概率过程是平稳的，即与时间t无关，可以容易地得到不同时间的转移概率。

在假设成立的条件下，若给定一个动态贝叶斯网络模型，则在X[0],X[1],...,X[T]上的联合概率分布为：

图3（b）中的变量Xt＝｛Ct,Mt,Ot｝具有随时间t=1,2,…n变化而变化的概率依存关系，，变量集Xi的联合概率分布为：

考虑Ot和Ct之间的条件概率：

在时刻t-1和ｔ之间，变量集Ct的状态发生了转移，因此，变量集Xt的转移概率为：

动态贝叶斯网络不仅能够对变量所对应的不同特征之间的依存关系进行概率建模，而且也能较好地反映对特征之间的时序关系，通过网络拓扑结构反映变量间的概率依存关系及随时间变化的情况，因此，适合对海上风电建设这种既具有特征相关性又具有时序相关性的复杂特征进行建模。

第4章 海上风电场施工期的贝叶斯网络构建与风险评价

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