1. 產(chǎn)品概述

近年葉片尺寸越來越大，更大的掃風面積，單機容量的大幅攀升，有助于度電成本的進一步降低，但大葉片的結(jié)構(gòu)非線性與彎扭耦合效應(yīng)、葉片渦激振動、呼吸效應(yīng)、高柔塔的整機復(fù)雜多體動力系統(tǒng)等問題的耦合，加上制造難度更大、運輸?shù)跹b乃至存儲支架損傷等難以避免，導(dǎo)致大葉片在風場運行早期暴露出了前所未有的結(jié)構(gòu)損傷、開裂等失效問題，乃至葉片斷裂，進一步引發(fā)風機倒塔等重大經(jīng)濟安全事故，使得葉片損傷的早期識別與預(yù)警變得尤為重要。

葉片內(nèi)部視頻監(jiān)測系統(tǒng)正是為實現(xiàn)葉片早期損傷智能識別與嚴重問題提前預(yù)警的產(chǎn)品，其視頻監(jiān)控相機安裝在葉片內(nèi)腔中，實時采集風力發(fā)電機組運行過程中葉片內(nèi)部的圖像，分析計算其動態(tài)變形，通過對圖像的智能分析與損傷/失效樣本學(xué)習，自動提取葉片開裂、發(fā)白、裂紋等呈現(xiàn)在葉片內(nèi)表面的損傷，對視覺可見的損傷進行報警；同時通過動態(tài)監(jiān)測呼吸、扭轉(zhuǎn)、揮舞/擺振的彎曲變形模式結(jié)合機器學(xué)習等數(shù)據(jù)驅(qū)動技術(shù)，跟蹤葉片 3 類不同變形的變化趨勢以對結(jié)構(gòu)早期損傷和異常進行告警，避免葉片發(fā)生重大失效以波及整機安全。

葉片內(nèi)部視頻監(jiān)測系統(tǒng)不僅可動態(tài)直觀展示葉片內(nèi)部的狀態(tài)，通過在集控或升壓站上位機軟件上展示的葉片內(nèi)部圖像，無需停機即可確認葉片是否存在損傷，節(jié)省地毯式人工排查的停機時間的同時，也避免因為未及時維修的導(dǎo)致的大修或斷裂風險；還通過智能算法，實現(xiàn)葉片內(nèi)部損傷的自動診斷和報警，避免損傷的進一步擴展導(dǎo)致的葉片大修或更換，將有效降低風機的停機電量損失，同時降低葉片大修，更換帶來的重大經(jīng)濟損失，避免安全事故的發(fā)生

2. 系統(tǒng)整體簡介

感知單元：風機葉片內(nèi)部視頻監(jiān)測系統(tǒng)可實現(xiàn)葉片內(nèi)部距離葉根約 30m~40m 無遮擋范圍的實時測量，視頻監(jiān)控通過高清無畸變相機采集葉片運行過程畫面，輔以自動補光功能實現(xiàn)葉片內(nèi)部陰暗環(huán)境圖像采集，其中重點監(jiān)測區(qū)域前、后緣型腔，選用自動循航的高精度相機進行掃掠采集；同時為了動態(tài)監(jiān)測葉片的動態(tài)變形，在葉片前、后緣型腔根據(jù)功能需要部署靶標，輔助進行呼吸、扭轉(zhuǎn)、彎曲等動態(tài)變形的原始視覺數(shù)據(jù)采集。

采集與分析單元：機端采集單元部署在輪轂，內(nèi)設(shè)有智能系統(tǒng)，可實現(xiàn)基于工況的條件采集，并自動進行指定時長和間隔的數(shù)據(jù)動態(tài)采集，同時也部署有對應(yīng)的算法，算法應(yīng)用計算機視覺技術(shù)，對圖像進行解析，提取葉片內(nèi)腔目標位置圖像，識別損傷，如葉片穿透性開裂，葉片裂紋，發(fā)白等；也可進一步自動計算目標截面靶標點的動態(tài)變形，用以動態(tài)展示葉片在運行過程中的復(fù)雜動態(tài)變形；同時也部署了，損傷識別算法，基于動態(tài)變形趨勢，對由于損傷導(dǎo)致彎曲、徑向、扭轉(zhuǎn)等相關(guān)剛度退化影響變形型態(tài)的損傷進行識別和早期預(yù)警。

通訊單元：通過無線 AP，將系統(tǒng)監(jiān)測到的原始視頻數(shù)據(jù)、分析輸出的變形數(shù)據(jù)及預(yù)警診斷數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)，從位于輪轂的發(fā)射單元傳遞到位于機艙的接受單元；借由風場 III 區(qū)視頻環(huán)網(wǎng)將圖像數(shù)據(jù)和分析結(jié)果發(fā)送到站端服務(wù)器中。

拉個朗日軟件平臺：站端或集控的服務(wù)器中部署有軟件平臺，軟件平臺支持運維人員查看葉片內(nèi)部的視頻動態(tài)畫面，同時軟件平臺還根據(jù)識別的損傷和異常變形趨勢進行報警，支持運維人員進行檢查/維修/保護性運行或停機等運維決策，避免葉片發(fā)生重大失效乃至斷裂，保障風力發(fā)電機組安全運行。

其整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下圖所示。

圖 1 葉片內(nèi)部視頻監(jiān)控系統(tǒng)示意圖

3.基于圖像的穿透性結(jié)構(gòu)損傷診斷：

2023 年 6 月，通過葉片內(nèi)部視頻監(jiān)測系統(tǒng)成功實現(xiàn)某陸上 16X 機組葉片的穿透性損傷的診斷和告警，避免了葉片損傷的進一步擴展導(dǎo)致的斷裂。該葉片在后緣迎風面芯材靠近后緣梁的區(qū)域發(fā)生橫向裂紋（尺寸約 30mm），并在 58 天后發(fā)展成穿透性裂紋，開裂尺寸擴大到 1340mm。

圖 2 葉片內(nèi)部穿透性開裂識別

葉片結(jié)構(gòu)損傷通常是一個累積損傷的過程，當葉片內(nèi)部鋪層發(fā)生分層，纖維開裂或脫站等問題時，往往外表面難以察覺，然而它會導(dǎo)致葉片結(jié)構(gòu)局部剛度的改變，進而導(dǎo)致葉片徑向、展向變形輪廓的變化，因此可以通過監(jiān)測葉片變形輪廓異常，有效的識別葉片結(jié)構(gòu)早期損傷帶來的剛度變化，進而進行早期預(yù)警。

以下案例，為用戶提供了一個基于葉片內(nèi)部視頻監(jiān)測和損傷預(yù)警系統(tǒng)，從預(yù)警到損傷確認，再到現(xiàn)場檢查和維修以及維修后質(zhì)量確認的閉環(huán)過程。

某風場 70m+葉片，在安裝葉片內(nèi)部視覺監(jiān)測系統(tǒng)后，發(fā)現(xiàn)其中一支葉片擺振方向變形存在一定程度的偏差和異常，通過升壓站的上位軟件系統(tǒng)查看葉片內(nèi)部視頻圖像，發(fā)現(xiàn)葉 片后緣型腔存在輕微透光，葉片維修人員前往現(xiàn)場檢查并制定維修方案，內(nèi)部視頻系統(tǒng)記錄下了精確的勘察和維修過程中，同時維修完成后，系統(tǒng)同步進行維修前后變形對比分析，發(fā)現(xiàn)該葉片剛度得到提升和恢復(fù)，變形回落到正常水平。

圖3基于變形趨勢異常告警的現(xiàn)場維修及維修質(zhì)量確認的閉環(huán)案例