TW202313402A - 浮動式垂直風速剖面感測器裝置及決定垂直風速剖面之方法 - Google Patents

浮動式垂直風速剖面感測器裝置及決定垂直風速剖面之方法 Download PDF

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Abstract

浮動式垂直風速剖面感測器或LiDAR裝置(1)，包括用於感測垂直風速剖面的垂直風速剖面感測器(8)、用於推動該裝置通過水體的自推進系統(24)、以及可展開特殊標記(10)，可致動以在用於將該裝置識別為特殊標記浮標的展開狀態和用於將該裝置識別為船隻的未展開狀態之間切換。提供控制器(22)，用於在船隻錨定時將裝置(1)從船隻模式切換到浮標模式。當裝置(1)處於浮標模式時，控制器(22)將特殊標記(10)切換到展開狀態。該方法涉及浮動式LiDAR裝置(1)導航到目標地點，並在收集垂直風速剖面數據時，啟動浮標模式。

Description

浮動式垂直風速剖面感測器裝置及決定垂直風速剖面之方法
本申請係關於一種浮動式垂直風速剖面感測器裝置及決定垂直風速剖面之方法。該裝置還可以決定關於地點的其他環境數據。本申請係特別關於一種自主的和/或遠端控制的浮動式雷射雷達(LiDAR)裝置以及一種通過將該浮動式LiDAR裝置部署到目標離岸地點來確定該地點的垂直風速剖面的方法。
確定離岸式風力發電廠(offshore windfarm)的潛在地點具有挑戰性。特定地點的風速剖面將對風力發電廠的性能和經濟可行性產生重大影響。從歷史上看，潛在地點的風特性將通過在該地點安裝帶有風速計的氣象桅杆進行調查，然後在風力發電廠地點外推測量值。最近，為了提供更具成本效益和準確的測量，已經轉向使用浮動式LiDAR裝置，這是用於測量垂直風速剖面的垂直風速剖面感測器裝置。
浮動式LiDAR裝置是配備垂直剖面LiDAR的浮標。LiDAR將雷射垂直向上聚焦，並包含一個感測器，用於檢測由大氣中的顆粒和氣溶膠散射 的返回光。然後可以使用測量的返回信號來基於散射光中產生的都卜勒位移(doppler shift)來確定風速。重要的是，使用高強度雷射可以實現高測量速率，例如每個數據點50Hz。這因而避免了測量的風速受到裝置在海中的過渡和旋轉運動的影響。實際上，取樣率足夠快，可以有效地凍結測量點處浮標的運動。
在使用中，傳統的浮動式LiDAR裝置被拖到目標地點，或者由船隻運輸到目標地點並提升到海中。一旦到達該地點，裝置就會通過繫泊軛繫泊在適當的位置。該地點通常由GPS位置和指定裝置可以停泊在其中的區域的周圍半徑來定義。然後在該地點長時間進行垂直風速剖面測量，在某些情況下長達12-24個月，以便收集多個季節的風速剖面數據。
不幸的是，傳統的浮動式LiDAR裝置有幾個缺點。首先，由於這些裝置需要在很長一段時間內收集數據，因此它們需要大量電力來維持其感測器和電信系統。為了緩解這個問題，將小型風力渦輪發電機和太陽能電池板安裝到裝置上以補充儲存的能量供應已變得很普遍。然而，這些可再生能源產生的電力通常是可變的，因此更難以作為電力管理系統的一部分來計算。因此，提供帶有柴油發電機或氫燃料電池以將電池充電的浮動式LiDAR裝置已變得很普遍。然而，長期依賴這種複雜的發電機會帶來風險。例如，當可再生能源不足以維持系統功能時，發電機的任何故障都可能導致長時間的數據丟失。鑑於測量的持續時間長且環境相對惡劣，這提出了一項重大挑戰，並可能導致需要重複較長的測試週期。其次，當浮動式LiDAR裝置需要及早恢復時，例如，如果剩餘儲存能量容量下降過低、需要維護或裝置需要移動到新地點，與此相關的成本可能會很大。例如，有必要安排合適的安裝船和船員前往裝置所在地點進行維修或收集裝置。在許多情況下，該裝置需要從繫泊中釋放出來，然後吊到船上或拖回港口。 這帶來了額外的健康和安全風險，並且由於依賴於適當的氣象狀況和合適的安裝船供應相對短缺，還受到規劃要求的限制。除了增加成本外，因為在部署、維護和退役時依賴於安裝船，這還意味著裝置存在長時間不記錄數據的高風險。
鑑於上述情況，需要尋求解決上述缺點的改進的浮動式LiDAR裝置和相關方法。
根據本發明的第一態樣，提供了一種浮動式垂直風速剖面感測器裝置，包括：垂直風速剖面感測器，用於感測垂直風速剖面；自推進系統，用於推動該裝置通過水體；可展開的特殊標記，其可啟動以在用於將該裝置識別為特殊標記浮標的展開狀態和用於將該裝置識別為船隻的未展開狀態之間切換；以及控制器，用於在該船隻錨定時將該裝置從船隻模式切換到浮標模式，其中，當該裝置處於該浮標模式時，該控制器將該特殊標記切換到該展開狀態。
以這種方式，提供一種浮動式垂直風速剖面感測器，例如浮動式LiDAR裝置，其能夠將自身推進到期望的目標地點。因此，這消除了對諸如拖船之類的安裝船的需要，從而節省了拖曳操作的相關時間和成本。重要的是，該裝置能夠根據國際公認的航海監管要求在可識別為船隻和浮標之間切換，例如國際海上航標協會和燈塔當局(IALA)規定的要求。也就是說，通過提供可展開的特殊標記，該裝置可以被選擇性地識別為特殊標記浮標，其具有可識別的黃色和標記十字(St.Andrews Cross/Saltire)，將其指定為海標。從監管的角度來看，這允許該裝置以與任何其他標記浮標相同的方式錨定在一個地點較長時間，而無需瞭望台。相反地，當切換到船隻模式時，特殊標記的縮回允許該裝置用作自航 船隻，而不會有根據海上引航公約被錯誤識別為固定浮標的風險。這種允許在不同類型的可表徵航海體之間自動切換的靈活性反過來又允許以新的方式進行風速剖面測量。例如，裝置可以在地點之間自主地移動或在遠端控制下移動，以從多個位置收集數據。該裝置還可以自主地或在遠端控制下返回港口，以在其能量儲存降至低時進行充電和重新填充。因此，這可以允許在更長的時間內進行測量，或者使用更小的裝置進行測量，而無需調用安裝船。類似地，檢測到的故障可以更容易地通過調用裝置返回港口以根據需要對船隻進行人工維修來修復。在實施例中，該裝置可以包括一個或多個攝影機，用於提供視頻饋送以用於遠端監控該裝置。
在實施例中，浮動式垂直風速剖面感測器裝置還包括：一種用於展開和收回錨鏈上的錨的自動錨定機構，其中，控制器被配置為在裝置處於浮標模式時控制自動錨定機構展開錨。以這種方式，裝置可以自動將自身錨定在期望的目標地點。這有助於裝置在預期風力發電廠地點的自動展開，裝置能夠將自身物理錨定在該地點。
在實施例中，自動錨定機構包括機動起錨機，其中控制器控制機動起錨機。以這種方式，控制器可以控制錨機構以促使錨的展開和縮回。
在實施例中，控制器從一個或多個錨展開感測器(anchor deployment sensor)接收反饋，其中控制器至少部分地基於來自一個或多個錨展開感測器的反饋來確定要展開的錨鏈的長度。以這種方式，錨索或錨鏈的長度可以自動選擇以最佳化其錨定功能並最大化其抗疲勞性、耐損性和耐磨性。
在實施例中，控制器還包括氣象模組，用於接收氣象狀況數據，並且用於控制自動錨定機構以在檢測到緊急氣象狀況時收回錨。這樣，在遇到緊急氣象情況時，錨可以自動縮回以防止損壞。
在實施例中，控制器進一步至少部分地基於由氣象模組接收的氣象狀況數據來確定要展開的錨索的長度。這樣，錨索或錨鏈的長度可以根據氣象狀況自動選擇，以最佳化其疲勞性能。
在實施例中，自動錨定機構包括用於在錨縮回時用流體噴射錨索的清潔噴嘴。以這種方式，海水在錨索上的高壓噴射可以減少在纜索縮回錨庫之前在纜索上的海洋植物的堆積。這也可能有助於最小化錨鏈上的阻力係數和錨機構上的重量。因此，可以提供最佳化的設計。
在實施例中，控制器包括自主導航控制模組，用於控制用於導航船隻的自推進系統。以這種方式，該裝置可以用作自主船隻。
在實施例中，自主導航控制模組被配置為控制自推進系統以實現用於錨定船隻的虛擬錨。這樣，裝置可以通過控制器和自推進系統基於GPS和電腦控制自動地保持其位置。
在實施例中，浮動式LiDAR裝置還包括一個或多個感測器，並且其中控制器還包括用於儲存來自一個或多個感測器的感測器數據的記憶體。這樣，裝置可以記錄感測器數據，例如垂直風速剖面數據。
在實施例中，浮動垂直風速剖面感測器裝置還包括一個或多個電信收發器，並且其中控制器還被配置為通過一個或多個電信收發器傳輸來自一個或多個感測器的感測器數據。通過這種方式，該裝置可以與遠端伺服器(例如陸上控制中心)進行通信，並提供當前數據集以進行定期分析。
在實施例中，控制器還被配置用於通過一個或多個電信收發器接收輸入信號，以調整由控制器施加的控制。以這種方式，可以遠端控制裝置並且可以定期更新常設控制指令。
在實施例中，所述一個或多個感測器包括以下至少之一：雷達感測器、GPS感測器、聲納感測器、攝影機、風速感測器、雨量感測器、角速度感測器、加速度計(IMU)、聲學流速剖面儀、聲學都卜勒流速剖面儀、杯形風速計、聲波風速計、氣壓感測器、氣溫感測器、濕度感測器、波浪感測器、水溫感測器、水深感測器、水鹽度感測器、水分傳導度感測器、水濁度感測器、降水感測器、顆粒大小和速度感測器、太陽輻射感測器、能見度感測器、雲高度感測器、溫度剖面感測器、鳥類和蝙蝠監測感測器、海洋哺乳動物感測器、生物多樣性感測器、水中聽音器、酸度感測器、海底監測感測器、微塑料顆粒感測器、藻類感測器、珊瑚測量感測器、海洋生長/樹葉感測器、沉積物和沖刷感測器、裝置保護感測器、防盜感測器、地震感測器、海底植被感測器、，鳥糞感測器、水密度感測器、空氣密度感測器、水上聲學感測器、水下聲學感測器、溢油感測器、水溫剖面感測器、流速和方向感測器和流速剖面感測器。
上述感測器測量可以作為瞬態輪廓來執行。此外，波浪測量可以包括波浪高度、波浪週期、波浪方向、波浪高度的時間序列。還可以記錄2D海況數據以及裝置的起伏、搖擺、浪湧、俯仰、橫搖和偏航。極端事件也可能被記錄。
在實施例中，該裝置可以包括防盜和/或保護系統。例如，該裝置可以施加電擊以阻止動物聚集。
在實施例中，該裝置還可包括機械臂。這可能允許遠端進行一些操作和維修。在實施例中，該裝置還可以包括整合的無人機和/或水下自主裝置。
在實施例中，該裝置還可以包括充電端子，該充電端子被配置為連接到設置在充電站上的充電座。
在實施例中，浮動式LiDAR裝置還包括用於為裝置供電的能量儲存器，其中能量儲存器包括電池、燃料箱和燃料電池中的至少一種。這樣，該裝置可以包括一個或多個用於驅動裝置上的功能的動力傳動系統。
在實施例中，浮動式LiDAR裝置還包括用於容納垂直風速剖面感測器、自推進系統和控制器的船體；以及用於封閉該船體的外殼，其中，該外殼包括黃色顯示面，並且可展開特殊標記安裝在該外殼上。以這種方式，該裝置可以作為封閉船隻提供，可展開標記暴露在上表面上以符合海事法規。在實施例中，外殼還包括一個或多個指示燈，用於發射一系列閃光以將裝置指定為特殊的標記浮標。在實施例中，船體是單體船。其他船體配置也是可能的，例如雙體船或三體船。
根據本發明的第二態樣，提供一種使用如前所述之浮動式垂直風速剖面感測器裝置決定目標離岸地點處的垂直風速剖面的方法，該方法包括：向該控制器提供指示該目標離岸地點的地點數據；當該裝置處於船隻模式時，該控制器根據該地點數據控制該自推進系統將該裝置推進到該目標離岸地點；由該控制器確定該裝置在該目標離岸地點並將該裝置錨定在該目標離岸地點；通過該控制器將該裝置從該船隻模式切換到該浮標模式，其中，切換到該浮標模式會致動該可展開特殊標記切換到該展開狀態；通過該控制器啟動該LiDAR感測器，以感測該垂直風速剖面；以及由該控制器記錄垂直風速剖面數據。
以這種方式，可以提供用於將裝置導航到離岸風力發電廠的期望目標站點的自主方法，在該目標站點可以自動部署裝置以記錄測量數據。因此，這消除了對安裝船的需求，從而節省了拖曳或起重操作的相關時間和成本。
在實施例中，該方法進一步包括下列步驟：由該控制器基於以下之一確定測量時段的結束：(a)確定該垂直風速剖面數據已達到測量閾值，(b)儲存在能量儲存器中的剩餘能量已降至返回範圍閾值以下，(c)傳入的控制信號；以及通過該控制器將該裝置從該浮標模式切換到該船隻模式，其中，切換到該船隻模式會致動該可展開特殊標記切換到該未展開狀態；解開該裝置；通過該控制器控制該自推進系統以將該裝置推進到另一個地點。
這樣，裝置可以在記錄週期結束時自動返回港口或另一個目標地點。根據測量閾值(例如指定的測試持續時間或累積的數據量)，或者由於裝置需要維護/維修、電量不足或被遠端命令移動地點，則可以認為一個週期已完成。
根據本發明的另一態樣，提供一種用於具有自推進系統的船隻的錨保護系統，該錨保護系統包括用於監測船隻圍繞錨點的漂移半徑的控制器，以及當半徑減小時識別糾纏，其中控制器22響應於糾纏的檢測而啟動自推進系統以逆轉漂移。
1:浮動式LiDAR裝置、裝置
1a:位置
1b:位置
1c:位置
1d:位置
2:船體
3:外殼
4:太陽能電池板
5:通信天線、天線
6:風力渦輪發電機
7:第一LiDAR感測器、LiDAR感測器
8:第二LiDAR感測器、LiDAR感測器
9:氣象站
10:可展開的特殊標記
11:致動器
12:橫向構件
13:攝影機
14:雷達感測器
15:空隙空間
16:前部區域
17:錨艙
18:起錨機
19:錨、錨點
19a:位置
19b:位置
20:錨索、錨鏈、電纜、鏈、索
20a:錨鏈
20b:錨鏈
21:能量儲存器
21a:燃料箱
21b:電池陣列
22:控制器
23:平坦底部區域
24:自推進系統
25:周邊
25a:周邊
25b:周邊、路徑
26a:風向
26b:風向
26c:風向
27:風力渦輪發電機、WTG
29:GPS感測器
30:貫穿船體攝影機
31:指示燈
181:錨鏈鎖
182:清潔機構
現在將參照附圖描述本發明的說明性實施例，其中：
圖1顯示根據說明性實施例的浮動式LiDAR裝置的截面圖；
圖2是圖1所示的浮動式LiDAR裝置的外觀立體圖；
圖3顯示可展開特殊標記在(a)未展開位置和(b)展開位置的前視圖；
圖4顯示裝置在錨定位置附近的示意性俯視圖；
圖5顯示錨脫離系統的實施方式的示意性俯視圖；
圖6顯示錨拖動場景的示意圖；
圖7顯示錨脫離系統的實施方式的示意性俯視圖；
圖8顯示錨解扭系統的實施方式的示意性俯視圖；
圖9顯示錨長度調整系統的實施方式的示意性俯視圖；以及
圖10顯示風力渦輪機影響評估協議的示意圖。
圖1和2示出了根據說明性實施例的浮動式LiDAR裝置1。裝置1包括船體(hull)2，船體2被外殼(enclosure)3包圍，外殼3在裝置內部形成屋頂。儘管感測器殼體和太陽能電池板可能不是黃色的，但外殼3以基本黃色的顏色提供。外殼3和船體2形成一個容器，以使海水的進入減到最小。外殼3將允許自然通風，並且由於一些海水可能進入，因此提供了自動艙底泵系統以從船內去除水。如果裝置1在水中翻轉，組件(assembly)會被壓載以使其自身直立。外殼3還可以包括用於阻止海鳥聚集在裝置上的驅鳥刺(bird spikes)。在實施例中，裝置的有效負荷艙(payload compartment)可以作為密封單元提供，允許LiDAR感測器系統在沒有它們自己的保護殼體的情況下被容納。因此，這可以允許成本降低和空間最佳化。
在裝置1的內部裝有控制器22，它為裝置1上的各種系統提供中央控制集線器。在該實施例中，控制器22被提供為單個電腦處理組件，但應當 理解，在其他實施例中，控制器可以包括複數個電子控制單元，這些電子控制單元聯網在一起以執行協調的功能。
自推進系統24設置在船尾並且包括在可操縱臂上的螺旋槳，該可操縱臂從船體2的主體延伸並且由容納在外殼3下方的馬達驅動。可操縱臂在內置於自推進系統24中的致動器的控制下是可移動的，使得螺旋槳可以向左或向右轉動以在船體2在水中移動時引導船體2。控制器22控制自推進系統24在水中對裝置進行導航。在其他實施例中，可以使用電動機，由發電機充電的電池提供電力。例如，在實施例中，電驅動機可以是方位角吊艙(azimuth pod)，其可以縮回到船體2中以獲得更好的保護。
船體2的底部包括位於裝置1尾部的平坦底部區域23，其為附加感測器提供安裝點並且允許裝置1在裝載到貨櫃中時得到支撐。平坦底部區域23還可以允許附接水下突出物，例如加重龍骨(weighted keels)或鰭板，以在需要時提高船隻穩定性。
船體2底部的前部區域16形成裝置船頭的龍骨，該區域16比平坦底部區域23更深地突出到水中。前部區域16限定了船體2內的空隙空間15，該空隙空間15可用於儲存或容納額外的感測器元件。
錨19容納在前部區域16和平坦底部區域23之間的錨凹部中。因此，當前部區域16被驅動通過水中時，錨19被遮蔽。
錨19連接到錨鏈或錨索20，錨鏈或錨索20通過船體2連接到機動起錨機18，用於在控制器22的控制下展開和縮回錨19。起錨機18容納在船體2內的錨艙17中。泵(未示出)設置在錨艙17內以將海水泵出艙。起錨機18可以包括負載和長度感測器，用於感測施加在錨鏈20上的負載和分配的電纜的長 度。錨感測器數據被反饋到控制器22。起錨機18還包括清潔機構182，其中多個噴嘴被配置成環形以在錨鏈20上噴射海水以在錨鏈縮回之前去除任何積聚的樹葉回到起錨機和錨艙17。這樣，當錨19縮回時，可以啟動清潔操作以在錨索20被纏繞回裝置1中時對其進行清潔。因此，這有助於減輕錨展開系統的紮縛並在控制器22的控制下提供重複的展開和收回操作。
錨定機構還包括錨鏈鎖181，其可控地接合錨鏈20以鎖定其位置。因此，一旦接合，錨鏈鎖181承受來自錨鏈20的靜態力和動態力，從而從起錨機18上去除這些應力。錨鏈鎖181結合了用於接合鎖的可控致動器，致動器通過控制器22而自主或遠端控制。
還提供水下貫穿船體攝影機30用於監測錨19。貫穿船體攝影機30包括用於照亮攝影機視野的光源。
裝置1內部的船中區域設置有能量儲存器21，該能量儲存器21包括電池陣列21b和用於儲存燃料例如柴油或汽油的燃料箱21a。在本實施例中，燃料箱21a用於供應燃料以驅動自推進系統24，並且使用柴油作為燃料。然而，應當理解，其他實施例可以使用其他燃料或動力源。例如，在實施例中，可以使用由可再生資源供電的電力自推進系統24。電池陣列21b用於為控制器22以及電感測器和起錨機18供電。太陽能電池板4和風力渦輪發電機6設置在外殼3的外部，用於為電池陣列充電。還提供自推進系統24內的交流發電機以使用來自燃料箱的燃料為電池陣列充電。在外殼3中提供燃料補給和充電端口(未示出)，用於填充燃料箱和給電池陣列21b再充電。
位於燃料箱21a上方的是LiDAR艙，用於容納第一LiDAR感測器7和第二LiDAR感測器8。提供兩個獨立的LiDAR感測器7,8允許使用例如 來自不同製造商的感測器或專注於不同高度的感測器收集兩組獨立的測量值。因此，可以收集更完整和準確的風速剖面數據。LiDAR感測器7和8的位置使其發射器和檢測器部分通過設置在其上方的外殼3的頂部中的感測器孔從裝置垂直向上。因此，當被啟動時，感測器可以在裝置上方垂直掃描以確定風速剖面測量值。測量數據被記錄在控制器22內的記憶體儲存器中，以及通過無線電通信鏈路傳輸以用於陸上儲存，例如雲端儲存伺服器。
裝置1設置有用於感測其環境的複數個另外的感測器。在該實施例中，這些感測器包括雷達感測器14、GPS感測器29、攝影機13、太陽輻射感測器、雨感測器、溫度感測器、聲納、生物感測器(海洋生長、海洋哺乳動物檢測)和水下照相機。與測量活動相關的其他感測器也可以在裝置1上提供。此外，外殼3的上部區域提供有通信天線5用於雙向通信。在該實施例中，通信天線5包括無線電和蜂巢式天線，用於使用各種不同協議的雙向通信。例如，蜂巢式天線可以是4g/LTE天線。在其他實施例中，還可以提供衛星天線。還提供氣象站9用於將氣象數據饋送到控制器22。控制器22還可以通過天線5接收氣象數據以及控制指令，並且可以將狀態和感測器數據發送回位於陸上或另一艘船上的控制中心。
在裝置1的內部，還可以設置攝影機監控系統(未示出)和滅火系統(未示出)。攝影機監控系統允許對裝置1的功能進行遠端監控，並且滅火系統可用於撲滅由機載系統引起的機械或電氣火災。還可提供泵送系統(未示出)以在發生洩漏時排出任何進入的水。
裝置1在其外殼3的外部還設有指示燈31和可展開的特殊標記10。在本實施例中，指示燈31位於尾部擾流板上，由控制器22控制，用於在正 常指示燈功能模式和特殊標記模式之間切換。在特殊標記模式中，指示燈31以與特殊標記浮標相關的獨特的閃光序列被啟動。應當理解，該裝置還可以進一步包括用於正常船隻操作的其他燈。
可展開的特殊標記10包括致動器11，其位於從裝置外殼向上延伸的支撐桅杆的頂部附近。致動器11由控制器22控制並且機械地連接到兩個橫向構件12，這兩個橫向構件12被固定在桅杆的相對側上。這在圖3中更詳細地示出。當由致動器11驅動時，橫向構件12可在未展開位置和展開位置之間移動，未展開位置係如圖3(a)所示，橫向構件12與桅杆平行延伸，而展開位置係如圖3(b)所示，橫向構件12形成交叉配置，用於將裝置1指定為特殊標記浮標。
在使用中，裝置1可以從港口或另一艘船下水。然後可以將潛在風力發電廠的目標地點提供給控制器22，例如通過將GPS路由坐標從控制中心發送到裝置1，在裝置1處通過其通信天線5接收。
在這種狀態下，該裝置處於自主或遠端控制船隻模式，其中可展開的特殊標記10處於其未展開位置並且錨19被縮回。控制器22然後控制自推進系統24以根據GPS途程座標和來自其內部GPS感測器的反饋來導航裝置1。同時，來自雷達感測器14和攝影機14的感測器數據由控制器22處理，從而可以操縱自推進系統24以避開障礙物，例如地理特徵以及其他船隻和浮標。在這方面，裝置1上還提供了自動識別系統(automatic identification system,AIS)收發器，用於支持控制器22的安全導航。當自推進系統24通過波浪驅動裝置時，加速度計或角速度感測器向控制器22提供反饋。在該導航過程中，來自攝影機13的視頻饋送經由天線5傳輸到控制中心，以滿足存在瞭望台(lookout)以避免碰撞 的海上監管要求。攝影機13可以包括麥克風以也向控制中心提供音頻饋送。在實施例中，可以在裝置上進一步提供喇叭或揚聲器系統，用於向其他船隻發出信號並且中繼音頻訊息。例如，船上提供的公共廣播揚聲器系統可以構成防盜系統的一部分，用於警告潛在的威脅。例如，視頻監控和/或接近感測器(proximity sensor)可用於檢測潛在攻擊者的存在並觸發警報或口頭警告以使船隻不受干擾。還可以為雙向音頻通信提供麥克風。控制中心還可以通過控制器22遠端控制裝置1上的其他系統，包括自推進系統24。
一旦裝置1已經到達目標地點，自推進系統24使裝置減慢，然後控制器22可以啟動起錨機18以展開錨19。在展開期間，自推進系統24的節流保持啟動，而錨被展開以在錨被放出時使裝置1轉向。起錨機18內的負載和長度感測器還向控制器22提供反饋資訊，使得一旦展開了最佳化長度的電纜20就停止展開。控制器22可以根據當前氣象數據改變最佳化的電纜長度。這種氣象數據可以作為衛星數據通過通信天線5和/或船載(onboard)氣象感測器從控制中心接收。例如，如果衛星數據和角速度感測器指示有大的長浪，則可以增加展開的錨索20的長度。
在展開期間，控制器22可以操作自推進系統24以在錨19下降到海床時對其進行控制。例如，當錨鏈20被拉出以幫助減輕錨鏈20纏結的風險時，裝置1可被向後推進。控制器22還可控制自推進系統22以在錨展開期間保持位置和/或航向。因此，可以控制裝置1的速度以確保錨鏈20以期望的配置佈置並且不會將錨19拖離位置。為了促進這一點，控制器22可以接收反饋感測器輸入，包括裝置的速度、其GPS位置、鏈長度計量以及用於錨下落位置的數據。控制器22還可以使用用於給定水深的懸鏈線(chain catenary)的算法。
一旦展開，控制器22繼續監測氣象數據並且可以通過操作起錨機18來調整展開的錨索的長度以減輕對錨19、錨鏈20、裝置1或海床的損壞。自推進系統24還可以由控制器22啟動以抵消可能導致拖曳錨的裝置的漂移，或轉動裝置以用其他方式最小化錨拖。這可以因而減少錨19和錨索20上的磨損。在識別出極端氣象狀況的情況下，控制器22可以操作起錨機18以完全縮回錨並且可能將裝置1移動到更安全的地點。在這種情況下，或者在深水地點，控制器22可以啟動虛擬錨，其中裝置1的位置使用自推進系統基於GPS位置數據被保持。
一旦裝置已被錨定在目標地點，控制器22可啟動致動器11以展開橫向構件12，使得十字形顯示在可展開的特殊標記10上。同時，指示燈9可以切換為發出與特殊標記要求一致的閃光序列。因此，在這種模式下，裝置1被認為是國際海事法規下的特殊標誌浮標。重要的是，這意味著該裝置不再需要主動監控或瞭望台作為監管要求。因此，裝置1可以在其錨定位置保持停泊較長時間而不受主動監控。這在傳統的自動船隻中是不允許的，例如，《國際海上避碰規則》(COLREG)中的規則5要求每艘船隻始終有瞭望台。裝置1因此通過充當用於導航到目標地點的船隻來規避該監管要求，該裝置通過攝影機13被遠端監控，然後從船隻切換到目標地點處的特殊標記浮標以獲得長期數據採集操作。
在這方面，一旦裝置1被錨定並處於特殊標記模式，控制器22可以啟動其各種感測器，包括LiDAR感測器8，並開始記錄感測器數據測量。在此期間，太陽能和風能可以由太陽能電池板4和風力渦輪發電機6收集，用於為能量儲存器21的電池部分充電。控制器22還可以啟動自推進系統24的船載發動機以產生用於再充電電池的電力。
在數據收集階段，當處於特殊標記模式時，加速度計/角速度感測器也用於監測船隻的運動，以便將船隻運動轉換為二維海況波譜(2D sea state wave spectrum)。船隻運動數據還可用於支持感測器測量的運動補償，例如來自LiDAR感測器7,8的感測器測量。
在錨定時，控制器22還可以實施多個保護系統。參考圖4至圖9更詳細地描述了其中一些系統。在這方面，圖4顯示了裝置1通過錨鏈20拴在錨19上的示意性俯視圖。如將理解的，裝置1可以在由錨鏈20的長度限定的半徑處在周邊25中圍繞錨19移動。當由錨19錨定時，控制器22可以記錄裝置的GPS位置，並在裝置移動到與展開的錨位置相關聯的周邊25之外的情況下自動檢測錨鏈斷裂或船隻漂移。
在這方面，圖5示出了由控制器22實施的錨脫離系統的示意圖。隨著風向26a，在位置1a的裝置可以從由錨鏈20長度限定的預期周邊25漂移到位置1b。遠離周邊25的位置變化與風速和當前速度相關，並且位置和方向由船載GPS和位置感測器確定。例如，裝置1可能在鏈條斷裂的情況下旋轉。如果檢測到，控制器22將啟動起錨機18以縮回剩餘的錨鏈20。船載自推進系統24也由控制器22啟動和控制，以將裝置從位置1c和1d導航回周邊25。然後保持位置1d，即使在風向由自推進系統24改變到26b的情況下。藉此避免不可控的漂移。
圖6顯示了錨拖場景的示意圖，其中錨在海床上從位置19a拖到19b。控制器22再次檢測到該移動，該控制器22隨著時間的推移監控裝置的位置並識別周邊從25a到25b的變化。與上述錨鏈斷裂場景相比，這種變化會相對 緩慢，並且可能是錨鏈長度對於環境條件而言太短的結果。控制器22因此可以控制起錨機18以增加錨鏈長度。
此外，還可以實施用於檢測和防止鏈20搶(snatching)/纏的自動系統，如圖7所示。為此，控制器22可以連續記錄裝置1的位置並且當圍繞錨19的漂移半徑減小時識別糾纏。例如，在圖7中，預期風向從方向26a到26b到26c的變化會導致裝置1圍繞周邊25a移動。在此運動過程中，錨鏈將隨著風、水流和波浪方向的影響而改變裝置的位置，從而拖過海床。然而，如果錨鏈20被物體32抓住，該物體將有效地充當新的錨點。這導致裝置1隨著風向改變以圍繞物體32的螺旋狀運動從原始周邊25a向內移動到路徑25b。這可能導致鏈20與物體32糾纏。然而，裝置位置和移動的變化被檢測到，糾纏方向由控制器22確定。作為響應，控制器22可以接合自推進系統24以通過反轉旋轉來自動解開鏈20。然後控制器22還可以確定裝置1需要重新定位在新的地點並且因此可以在自推進系統24重新定位裝置1之前啟動起錨機18以縮回鏈20。因此，這可以實現裝置1的安全操作，並減少傳統繫泊浮標系統對海床的潛在損害。
控制器22還能夠實施抗扭轉系統(anti-twist system)以減輕錨鏈20扭轉的風險，否則可能導致打結。在錨展開期間，裝置圍繞錨點順時針和逆時針的旋轉運動被監測，並且錨鏈20可以在沿一個方向旋轉一定量之後自動縮回。一旦錨19自由懸掛在水柱中，則可以停止縮回，並且設置在錨19和鏈20之間的旋轉接頭允許錨19反向旋轉以釋放任何扭轉。該裝置的位置通過船載自推進系統24自動保持，一旦扭轉已經釋放，錨鏈20可以自動重新展開。
當錨19展開時，防扭轉系統也可以起到防止扭轉的作用，如圖8所示。在使用中，裝置1通常將由於風、水流和波浪方向而圍繞周邊25移動， 從而將錨鏈20拖過海床。控制器22監控並且計算圍繞錨點19順時針和逆時針旋轉的次數。控制器22然後可以啟動自推進系統以沿相反方向導航以抵抗沿一個方向的正旋轉。或者，控制器22可以縮回錨19直到其自由懸掛在水柱中，並允許鏈20旋轉並抵消任何扭轉。然後可以將錨19重新展開在新位置。
在緊急情況下，例如極端氣象或如果錨被不可逆地纏繞，控制器22還可以致動錨機18以完全分離錨鏈20。這確保了裝置1不會不可撤銷地附接到錨鏈和海床。在這個過程中，起錨機18可以放出整個鏈長度，直到其末端被釋放。然後控制器22可以自動啟動船載自推進系統24以將裝置1定位在距錨鏈20安全距離處。然後控制器22可以記錄鏈20的位置。鏈20的末端也將設置有與它連接的浮力繩索，繩索的長度對應於現場的最大水深。因此，這些特徵允許由另一艘船容易地定位和隨後打撈分離的錨鏈20。
圖9顯示了控制器22提供的錨長度調整系統的實施方式的示意性俯視圖。使用該系統，錨鏈長度可根據環境條件進行調整。例如，在較高風速條件下，如在風向26a中所標記的，錨鏈20a可以設置為較長的鏈長度。相反，在較低風速條件下，如在風向26b上標記的，控制器22可以將錨鏈20b設置為較短的長度。這可以因而減少錨鏈磨損和疲勞，並降低鏈纏結的風險。此外，在可以使用較短的錨鏈長度的情況下，裝置1受益於由於儲存在船上的鏈重量而增加的穩定性，以及有助於最小化鏈在其表面上拖曳對海床的影響。同樣，在極端氣象和海況條件下，控制器22可以縮回錨鏈20並控制自推進系統24以將裝置1保持在適當位置。
裝置1可以在該地點停留較長時間，通常為12個月或更長，在此期間收集垂直風速剖面數據和其他環境數據以評估風力發電廠場地的地點。在 此期間，可以通過天線5將數據周期性地發送回控制中心進行分析。在預定時間段之後，或者如果已經達到能量或數據儲存容量，則控制器22可以確定測量時段已經完成。作為響應，控制器22可以啟動起錨機18以縮回錨19。在此過程中，起錨機18中的清潔系統可以向錨索20噴射水以去除任何樹葉。如果錨19被卡住，控制器22可啟動自推進系統24以移動裝置1以解開索20並釋放錨19。
與上述同時，控制器22啟動致動器11以將橫向構件11移動到它們的未展開位置以收回特殊標記。指示燈9也可以關閉或切換到正常的船隻指示模式。也可以恢復從控制中心經由攝影機13進行的人工監控。這樣，裝置1切換回船隻模式並且控制器22可以控制自推進系統24來導航裝置1。例如，裝置1可以被導航到新的地點以進行新的測量時段，或者返回港口或另一艘船進行加油和修理。在實施例中，裝置1可以由載人船隻上或港口處的控制中心遠端觸發，以導航到船隻或港口地點以對其進行加油和/或對其電池再充電。在此之後，裝置可以將自身推回目標地點以恢復測量。因此，可以通過定期對其燃料和電池儲存進行再充電來實現具有較小能量儲存的更長測量時段。
重要的是，儘管出於監管目的必須監控裝置，但因為裝置1能夠自主地進行這些維修和充電操作，所以可以更經濟有效地進行這些操作。例如，對於傳統的浮動式LiDAR裝置，載人船隻需要單獨前往每個裝置，拆下其繫泊裝置，然後將裝置拖曳或提升到合適的地點進行維修或充電。由於等待安裝船可用的時間以及為恢復和維修操作提供安全工作條件的合適氣象窗口，此過程可能會導致大量時間/成本開銷。這種複雜性導致了困難和昂貴的規劃，並可能最終導致高成本和擴充數據丟失的風險。
應當理解，以上說明的實施例僅出於說明的目的而顯示本發明的應用。在實務上，本發明可以應用於許多不同的配置，詳細的實施例對於本技術領域中具有通常知識者而言是直接實施的。
例如，儘管在上述說明性實施例中，可展開的特殊標記設置有可移動的橫向構件，但應當理解，可以使用其他展開機構。例如，十字標記可以設置在可伸展的桅杆上，該桅杆折疊到直立位置以展開特殊標記。
此外，儘管已經為上述說明性實施例提供了完全自主的功能，但是應當理解，裝置可以被遠端控制，裝置上的功能被用戶遠端觸發，但是在裝置本身上自主地動作。
此外，除了上面關於說明性實施例描述的那些之外，實施例還可以結合其他推進工具和發電系統。例如，可以使用包括複數個電吊艙(electrical pod)的電推進系統而不是船用柴油發動機。在這種情況下，柴油或其他燃料發電機可用於為裝置的電池充電，從而形成混合動力推進系統。
在實施例中，控制器22還可以實現自動電源管理系統。在該系統的控制下，當電池電量低於閾值時，燃料發電機可能會自動啟動。太陽能光伏(solar PV)和風力渦輪機提供的再生電力也可用於支持電池充電。
由於長時間的操作，控制器22還可以實現包括自推進系統在內的船載系統的自動工作循環，以確保維持工作操作。在這個系統下，控制器22可以自動啟動和運行裝置的引擎、發電機和致動器，以確保功能得以維持並且運動部件沒有被卡住。作為其中的一部分，可以啟動推進系統以將螺旋槳和傳動系統上海洋植物的堆積最小化。錨鏈20也可以定期清潔。電池也可以定期充電以保持充電位準和電池健康。
儘管已經在確定潛在的新風力渦輪發電機站點的風速剖面數據的背景下描述了裝置1，但是應當理解，該裝置也可以用於其他風速剖面測試方法。例如，圖10顯示了用於執行現有風力渦輪發電機(WTG)27的功率曲線驗證的測試方法的示意圖。在該方法中，裝置1將使用其自推進系統24與WTG 27保持預設距離，並根據風向在WTG 27周圍移動。這由圖10中的位置1a至1c和風向26a至26c顯示。因此，裝置1可以記錄來自WTG 27前面和後面的測量值。因此，這為WTG 27前方的自由風和WTG 27後方的湍流風速剖面提供了風速剖面數據，然後可用於評估WTG 27的影響。
還應當理解，在實施例中，月池(moon pool)或濕廊(wet porch)也可以設置在船體中。這種月池可以在船體的地板或底部提供一個開口，用於進入下面的水。因此，感測器和其他儀器可以通過它被降低到海中。例如，土壤樣品可以通過將樣品收集儀器降低通過月池來獲得。還可以提供整合絞盤，用於通過月池來升高和降低物品。
此外，在實施例中，吊艙也可以安裝在船體下方以容納多個感測器。例如，吊艙可以設置在向下伸出水面下方的支撐臂的末端。因此，感測器可以位於降噪和無氣泡的環境中。在實施例中，吊艙可以是可縮回的。還可以在駁船上提供額外的感測器，駁船可以連接到裝置並由裝置拖曳。例如，這些佈置可以允許根據需要將不同的感測器組附接到船隻上。
還應當理解，在實施例中，可以結合感測器用於水文和海洋剖面和監視。例如，可以提供多音束回聲測深儀(multibeam echo sounder)、海底淺層剖面儀(sub bottom profiler)、側向掃描聲納儀(side scan sonar)、地震勘測感測器(seismic survey sensor)、聲速剖面儀(sound velocity profiler)、溫度感測器、鹽度 感測器(salinity sensor)、聲納感測器(SONAR sensor)和LiDAR感測器中的一個或多個。例如，在佈置中，該裝置可以被提供為用於分析風力渦輪機裝置的潛在新安裝地點的現場調查裝置。
在這方面，根據另一態樣，可以提供一種浮動式海洋現場勘測裝置，包括：一個或多個勘測感測器；自推進系統，用於推動裝置通過水體；可展開的特殊標記，可啟動以在用於將裝置識別為特殊標記浮標的展開狀態和用於將裝置識別為船隻的未展開狀態之間切換；以及控制器，用於在船隻錨定時將裝置從船隻模式切換到浮標模式，其中，當裝置處於浮標模式時，控制器將特殊標記切換到展開狀態，並且其中，一個或多個勘測感測器包括多音束回聲測深儀、海底淺層剖面儀、側向掃描聲納儀、地震勘測感測器、聲速剖面儀、溫度感測器、鹽度感測器、聲納感測器和LiDAR感測器。
在提供水文和海洋剖面和監視設備的此類場景中，可以指示一個或多個裝置在預定地點(例如覆蓋地理網格或遵循預設路徑)自動地執行現場勘測。因此，可以在擴展區域上評估海床剖面和組成以及海底特性。因此，可以識別潛在的地質災害和土壤特性，從而以較低的成本評估場地的可行性。此外，由於此類裝置不需要在惡劣氣象下返回港口，因此部署不依賴於氣象，因此提供了更高的靈活性。
與上述類似，該裝置還可用於在安裝期間和安裝後監控單樁站點(monopile site)。例如，該裝置可以獨立於支援船提供，以在單樁安定時保持在安裝地點。因此，可以監控電纜暴露或疏浚等問題，而無需支援船留在現場。因此，這可以為潛在的安裝問題提供早期警告。
最後，上述實施例結合了用於保護裝置、錨、其鏈和海床的多個錨保護系統和方法。然而，應當理解，這些系統和方法也可以應用於其他海上船隻。
1:浮動式LiDAR裝置、裝置
2:船體
3:外殼
4:太陽能電池板
5:通信天線、天線
6:風力渦輪發電機
7:第一LiDAR感測器、LiDAR感測器
8:第二LiDAR感測器、LiDAR感測器
9:氣象站
10:可展開的特殊標記
11:致動器
12:橫向構件
13:攝影機
14:雷達感測器
15:空隙空間
16:前部區域
17:錨艙
18:托架
19:致動器
20:錨索、錨鏈、電纜、鏈條
21a:燃料箱
21b:電池陣列
22:控制器
23:平坦底部區域
24:自推進系統
29:GPS感測器
30:貫穿船體攝影機
31:指示燈
181:錨鏈鎖
182:清潔機構

Claims (15)

  1. 一種浮動式垂直風速剖面感測器裝置，包括：
    垂直風速剖面感測器，用於感測垂直風速剖面；
    自推進系統，用於推動該裝置通過水體；
    可展開的特殊標記，其可啟動以在用於將該裝置識別為特殊標記浮標的展開狀態和用於將該裝置識別為船隻的未展開狀態之間切換；以及
    控制器，用於在該船隻錨定時將該裝置從船隻模式切換到浮標模式，其中，當該裝置處於該浮標模式時，該控制器將該特殊標記切換到該展開狀態。
  2. 如請求項1所述之浮動式垂直風速剖面感測器裝置，進一步包括：
    一用於在錨索上展開和縮回錨的自動錨定機構，以及
    其中，該控制器被配置為當該裝置處於該浮標模式時，控制該自動錨定機構展開該錨。
  3. 如請求項2所述之浮動式垂直風速剖面感測器裝置，其中，該控制器接收來自一個或多個錨展開感測器的反饋，其中，該控制器至少部分地基於來自一個或多個錨展開感測器的該反饋來確定要展開的錨索的長度。
  4. 如請求項2或3所述之浮動式垂直風速剖面感測器裝置，其中，該控制器進一步包括氣象模組，用於接收氣象狀況數據，並且用於在檢測到緊急氣象狀況時，控制該自動錨定機構收回該錨。
  5. 如請求項4所述之浮動式垂直風速剖面感測器裝置，其中，該控制器進一步至少部分地基於由該氣象模組接收的該氣象狀況數據來確定要展開的錨索的長度。
  6. 如請求項2至5中任一項所述之浮動式垂直風速剖面感測器裝置，其中，該自動錨定機構包括清潔噴嘴，用於在該錨縮回時，用流體噴射該錨索。
  7. 如請求項1至6中任一項所述之浮動式垂直風速剖面感測器裝置，其中，該控制器包括自主導航控制模組，用於控制用於導航該船隻的該自推進系統。
  8. 如請求項8所述之浮動式垂直風速剖面感測器裝置，其中，該自主導航控制模組被配置為控制該自推進系統以實現用於錨定該船隻的虛擬錨。
  9. 如請求項1至8中任一項所述之浮動式垂直風速剖面感測器裝置，進一步包括一個或多個感測器，以及
    其中，該控制器進一步包括用於儲存來自該一個或多個感測器的感測器數據的記憶體。
  10. 如請求項9所述之浮動式垂直風速剖面感測器裝置，進一步包括一個或多個電信收發器，以及
    其中，該控制器進一步被配置用於通過該一個或多個電信收發器傳輸來自該一個或多個感測器的感測器數據。
  11. 如請求項10所述之浮動式垂直風速剖面感測器裝置，其中，該控制器進一步被配置為通過該一個或多個電信收發器接收輸入信號，以調整由該控制器施加的控制。
  12. 如請求項9至11中任一項所述之浮動式垂直風速剖面感測器裝置，其中，該一個或多個感測器包括以下的一項或多項：雷達感測器、GPS感測器、聲納感測器、攝影機、風速感測器、雨量感測器、角速度感測器、聲學都卜 勒流速剖面儀、聲學流速剖面儀、杯式風速計、聲波風速計、氣壓感測器、氣溫感測器、濕度感測器、波浪感測器、水溫感測器、水深感測器、水鹽度感測器、水分傳導度感測器、水濁度感測器、降水感測器、顆粒大小和速度感測器、太陽輻射感測器、能見度感測器、雲高度感測器、溫度剖面感測器、鳥類和蝙蝠監測感測器、海洋哺乳動物感測器、生物多樣性感測器、海底監測感測器、微塑料顆粒感測器、藻類感測器、珊瑚測量感測器、海洋生長/樹葉感測器、沉積物和沖刷感測器、裝置保護感測器、防盜感測器、地震感測器、海底植被感測器、鳥糞感測器、水密度感測器、空氣密度感測器、水上聲學感測器、水下聲學感測器、溢油感測器、水溫剖面感測器、流速和方向感測器、以及流速剖面感測器。
  13. 如請求項1至12中任一項所述之浮動式垂直風速剖面感測器裝置，進一步包括：
    船體，用於容納該垂直風速剖面感測器、該自推進系統和該控制器；以及
    外殼，用於封閉該船體，其中，該外殼包括黃色顯示面，以及該可展開的特殊標記安裝在該外殼。
  14. 一種使用如請求項1至13中任一項所述之浮動式垂直風速剖面感測器裝置決定目標離岸地點處的垂直風速剖面的方法，該方法包括：
    向該控制器提供指示該目標離岸地點的地點數據；
    當該裝置處於船隻模式時，該控制器根據該地點數據控制該自推進系統將該裝置推進到該目標離岸地點；
    由該控制器確定該裝置在該目標離岸地點並將該裝置錨定在該目標離岸地點；
    通過該控制器將該裝置從該船隻模式切換到該浮標模式，其中，切換到該浮標模式會致動該可展開特殊標記切換到該展開狀態；
    通過該控制器啟動該LiDAR感測器，以感測該垂直風速剖面；以及
    由該控制器記錄垂直風速剖面數據。
  15. 如請求項14所述之方法，進一步包括下列步驟：
    由該控制器基於以下之一確定測量時段的結束：(a)確定該垂直風速剖面數據已達到測量閾值，(b)儲存在能量儲存器中的剩餘能量已降至返回範圍閾值以下，(c)傳入的控制信號；以及
    通過該控制器將該裝置從該浮標模式切換到該船隻模式，其中，切換到該船隻模式會致動該可展開特殊標記切換到該未展開狀態；
    解開該裝置；
    通過該控制器控制該自推進系統以將該裝置推進到另一個地點。
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