本文档报告了一项针对浮式海上风电场人员转运作业仿真的原创性研究，属于类型a。
针对浮式风电场运维作业的船舶-浮体相对运动RAO高效仿真方法研究
一、 研究作者、机构与发表信息 本项研究由来自挪威SINTEF Ocean的Martin Gutsch（通讯作者）、Halgeir Ludvigsen，挪威科技大学（NTNU）的Sverre Steen，法国必维船级社（Bureau Veritas）的George Jagite以及德国罗斯托克大学的Florian Sprenger共同完成。研究成果以题为“Relative motion RAOs for efficient simulation of marine operations for floating wind farms”的论文形式，发表于期刊《Applied Ocean Research》2025年的第161卷，文章编号为104634。
二、 学术背景与研究目标 本研究隶属于海洋工程与可再生能源交叉领域，具体聚焦于海上风电场的运维（O&M）作业仿真技术。随着全球能源转型的推进，海上风电，特别是向深水区扩张所必需的浮式海上风电（Floating Offshore Wind）技术，成为实现净零排放目标的关键。然而，浮式风机（Floating Wind Turbine, FWT）的动态特性使得传统的、针对底部固定式（Bottom-Fixed）风机的运维方法不再适用。服务运营船（Service Operation Vessel, SOV）通过搭载主动运动补偿（AMC）栈桥进行“步行上班”（Walk-to-Work, W2W）人员转运，是浮式风电场安全运维的核心环节。为了最小化停机时间并降低平准化度电成本（LCOE），提升SOV在恶劣海况下的作业能力、优化安装与运维方法至关重要。
当前，商业多体动力学仿真通常依赖于高保真但计算成本高昂的时域方法。而高效的线性频域仿真虽然计算快，却难以直接捕获两个独立运动浮体（SOV与FWT）之间的相对运动，而这正是浮体对浮体（Floater-to-Floater）W2W作业安全评估的关键。现有文献缺乏对底部固定与浮式风机两种场景下SOV性能的比较研究，也缺乏对简化频域方法与高保真时域方法在不同环境条件下仿真结果差异的系统评估。因此，本研究旨在填补这一空白，提出并验证一种基于相对运动响应幅值算子（Relative Motion RAOs） 的高效频域仿真方法，用于评估浮体对浮体W2W作业的可操作性，并与时域仿真结果进行对比验证，以明确不同仿真方法在精度与效率之间的权衡。
三、 详细研究流程与方法 本研究的工作流程主要包含理论方法构建、数值仿真设置、多模型对比分析三大步骤，涉及特定的研究对象（SOV与FWT模型）和创新的计算方法。
第一步：理论框架与相对运动RAO方法的构建 研究的核心是发展一种在频域内高效计算两个浮体之间相对运动的方法。该方法基于以下理论基础和步骤： 1. 单浮体与多浮体运动方程：研究首先回顾了基于势流理论的线性频域分析。对于单个浮体，其运动方程（公式1）通过求解边界值问题，获得依赖于频率的附加质量、辐射阻尼、波浪激励力等水动力系数，进而求解得到六自由度运动的RAO。对于两个存在水动力相互作用的浮体，运动方程扩展为12×12的矩阵形式（公式3），包含了表征两者耦合效应的水动力相互作用系数矩阵。 2. 相对运动RAO的计算流程：本研究提出的创新方法在于，无需进行复杂的耦合时域仿真，而是通过处理两个浮体各自独立的RAO来计算它们连接点之间的相对运动RAO。具体流程如下： * 坐标变换：首先，将SOV和FWT在各自局部坐标系下原点处的运动RAO，通过几何变换（考虑欧拉旋转和平移）转换到栈桥的铰接点（Hinge Point, HP）和着陆点（Landing Point, LP）。这考虑了栈桥在船上的实际安装位置。 * 参考系统一：由于SOV和FWT可能具有不同的航向，需要将FWT在着陆点的RAO通过旋转矩阵或插值方法，转换到SOV的参考系中，确保两者在相同的波浪入射角下进行比较。 * 波浪相位传播修正：考虑到波浪从FWT位置传播到SOV位置存在相位差，利用线性波浪理论，根据波数和两浮体在波浪方向上的距离，对FWT的RAO进行相位调整，得到在SOV参考系位置处的FWT运动RAO。 * 相对运动RAO合成：最后，将SOV铰接点的运动RAO减去经过上述变换和修正后的FWT着陆点运动RAO，即得到两者之间的相对运动RAO（公式6）。这些相对运动RAO可以像传统的绝对运动RAO一样，直接输入到频域可操作性分析工具中，用于快速评估栈桥的运动响应。
第二步：数值仿真设置与模型定义 研究设计了一个具体的数值仿真场景，对比了五种不同的仿真模型（见表1）。 1. 研究对象： * 服务运营船（SOV）：采用一艘自2014年投入运营的典型SOV模型。其主要参数包括垂线间长80.8米，型宽20米，吃水5.8米，排水量6970吨。该船配备了主动运动补偿栈桥，并考虑了船体湿表面、舭龙骨和自由液面减摇水舱（RRT）提供的粘性横摇阻尼。通过SINTEF Ocean的VERES软件（基于2D切片理论）估算非线性粘性阻尼，并以3米波高为基准进行线性化，然后将等效的线性阻尼系数输入到3D势流软件HydroStar中进行RAO计算。 * 浮式风机（FWT）：采用INO WindMoor 12 MW半潜式浮式风机概念模型。其主要参数包括吃水15.5米，排水量14176吨。本研究仅考虑一阶波浪力，未包含系泊系统的影响。 2. 环境条件：模拟了长峰波不规则海况，采用JONSWAP谱，有效波高（Hs）设定为3米，代表接近但低于W2W作业上限的典型可操作海况。波浪谱峰周期（Tp）范围从6秒到20秒，波浪入射方向（相对于SOV船首）为0°（顶浪）、±30°和±60°（其中正值为左舷来浪，即“漂近”工况；负值为右舷来浪，即“漂离”工况）。 3. 栈桥运动标准：设定了栈桥三个关键运动自由度（伸缩、俯仰、回转）的位移和速度/角速度限制阈值（见表3），用于判断作业可操作性。这些阈值基于先进栈桥系统的技术能力或更保守的作业指南设定。 4. 对比模型：共建立了五个仿真模型进行对比。 * 模型0 (H* FD/TD)：基准模型。栈桥连接到底部固定式风机（BFWT）的静止着陆点。仅考虑SOV的绝对运动，忽略任何结构物引起的绕射效应。分别用频域（FD）和时域（TD）方法计算，用于验证两种方法在简单场景下的一致性。 * 模型1 (FD)：频域相对运动模型。使用上述新提出的相对运动RAO方法，计算SOV与FWT之间的相对运动，不考虑两浮体之间的波浪绕射相互作用效应。 * 模型2 (FD+Int)：频域相对运动模型（含相互作用）。与模型1相同，但考虑了SOV与FWT之间的波浪绕射相互作用效应（通过HydroStar计算耦合水动力系数）。 * 模型3 (TD)：时域相对运动模型。使用成熟的时域仿真平台SIMA（包含SIMO模块），基于Cummins方程进行仿真，不考虑绕射相互作用效应。输入与模型1相同的SOV和FWT独立RAO。 * 模型4 (TD+Int)：时域相对运动模型（含相互作用）。与模型3相同，但考虑了绕射相互作用效应。
第三步：数据分析流程 1. 统计分析方法：为了评估栈桥在20分钟典型作业窗口内的运动极值，研究采用了两种方法。 * 理论方法（用于频域结果）：假设波浪频率过程是线性的，其极值服从瑞利分布。采用Cartwright (1958)的方法计算期望最大值（公式9）。 * 数据驱动方法（用于时域结果）：对每个海况（Tp, β）进行5次不同的10小时20分钟时域仿真（不同随机种子）。剔除前20分钟初始瞬态后，将剩余10小时数据划分为30分钟一段，提取每段前20分钟内的局部运动最大值，共获得100个独立极值样本。取这100个极值的中位数作为20分钟期望最大值的估计。 2. 对比分析：将模型1/2（频域相对运动）的结果与模型3/4（时域相对运动）进行对比，以验证相对运动RAO方法的准确性。同时，将模型0（固定基础）的结果与模型1-4（浮式基础）的结果进行对比，以揭示浮式风机引入的动态特性带来的影响。最后，比较模型1与2、模型3与4，以评估波浪绕射相互作用效应的影响程度。
四、 主要研究结果 研究结果通过图表（图4-8）展示了不同波浪方向下，栈桥伸缩、俯仰、回转运动的期望最大值（位移和速度）。
1. 基准模型验证（SOV对接底部固定式风机）： 模型0的频域（FD）与时域（TD）计算结果在所有波浪方向和运动类型上均表现出极好的一致性。时域预测值平均仅比频域高约1%，处于数值变异和模型假设的预期范围内。这为后续更复杂场景的对比提供了可信的基准，并验证了所采用的时域仿真方法作为参考标准的可靠性。
2. 相对运动RAO方法的验证（SOV对接浮式风机）： 模型1（FD，无相互作用）和模型3（TD，无相互作用）的结果在所有波浪方向和运动类型上吻合良好。同样，模型2（FD+Int）和模型4（TD+Int）的结果也高度一致。这强有力地验证了本研究提出的相对运动RAO方法是一种可靠且计算高效的频域工具，可用于评估浮体对浮体W2W作业的可操作性，其结果与时域仿真具有可比性。
3. 浮式 vs. 固定式基础的影响： 比较模型0（TD，固定基础）和模型3（TD，浮式基础，无相互作用）的结果，揭示了关键趋势： * 短周期波浪（Tp < 12秒）：在短波条件下，SOV与FWT之间的相对运动普遍大于SOV相对于固定基础的绝对运动。这是因为SOV和FWT具有不同的运动固有周期，导致对波浪激励的响应存在相位差，从而放大了相对位移。这在所有波浪方向上（尤其是±60°的斜浪）的栈桥回转运动，以及漂离工况（-60°, -30°）下的伸缩和俯仰运动中尤为明显。 * 长周期波浪（尤其是顶浪0°）：在长波条件下，两个浮体倾向于与波场同相运动，从而降低了相对运动。在某些情况下（如顶浪时的俯仰运动），浮体对浮体配置下的栈桥响应甚至可能低于固定基础场景，因为固定基础无法跟随波浪运动，仍会存在相对运动。 * 总体结论：浮式风机的引入，特别是在主导环境波周期（6-12秒）范围内，显著增加了W2W作业的挑战性，导致栈桥运动极值更高，可能降低作业可操作性窗口。
4. 波浪绕射相互作用效应评估： 比较模型1与2（频域）、模型3与4（时域）的结果，评估了考虑SOV与FWT之间波浪绕射（包括遮蔽）效应的影响： * 影响程度：总体而言，在仅考虑一阶波浪力的情况下，相互作用效应的影响较小。差异主要体现在短而陡的波浪（Tp ≤ 8秒）和某些运动分量上。 * 具体趋势： * 顶浪（0°）：考虑相互作用效应会轻微增加总体运动极值。 * 短波：相互作用效应通常导致运动极值轻微减小（尤其是回转运动），但在±60°（漂离）工况下效果相反，表明在这些条件下对绕射和遮蔽效应更敏感。 * 各运动分量：伸缩运动在多数方向下因相互作用轻微减小（顶浪除外）；俯仰运动在多数方向下轻微增加（-30°漂离除外）；回转运动的影响不一致，在-30°漂离和0°顶浪下轻微增加，在其他方向下轻微减小。 * 工程意义：对于长周期波浪，忽略绕射建模不会导致显著的精度损失。然而，在短波和斜浪条件下，相互作用效应确实会影响栈桥运动预测。在±60°等高风险工况下，考虑相互作用效应可以提供更保守（即更安全）的可操作性估计和设计裕度。
五、 研究结论与价值 本研究成功引入并验证了“相对运动RAO”这一概念，为在频域内进行浮体对浮体作业可操作性评估提供了一种可靠且高效的方法。主要结论如下： 1. 方法有效性：相对运动RAO方法与时域仿真结果具有可比性，是一种计算成本低、可用于早期设计优化和作业规划的实用工具。 2. 关键发现：与对接底部固定式风机相比，SOV对接浮式风机时，栈桥的相对运动极值更高，特别是在6-12秒的主导波周期范围内。这凸显了在浮式风电W2W仿真中必须考虑耦合动力学效应。 3. 相互作用效应：在一阶波浪力主导下，波浪-结构物相互作用（绕射/遮蔽）对栈桥运动预测的影响较小，但在精细评估或特定短波斜浪工况下仍需考虑。
科学价值：本研究提出了一种新颖的频域仿真框架，将多浮体相对运动问题简化为对独立RAO的后处理计算，弥合了高效频域分析与高保真时域分析在浮体对浮体作业仿真领域的鸿沟。 应用价值：该成果为海上风电行业，特别是浮式风电场的规划、SOV与栈桥系统设计、作业窗口预报提供了强有力的工程分析工具。它有助于在保证安全的前提下，优化运维策略，降低平准化度电成本（LCOE），推动浮式风电的大规模商业化发展。
六、 研究亮点 1. 方法创新性：核心亮点在于提出并系统验证了“相对运动RAO”这一高效的频域计算方法，为复杂的浮体对浮体动力学仿真提供了新的简化途径。 2. 系统对比研究：首次在统一框架下，系统比较了底部固定与浮式风机两种场景下的W2W性能，并对比了简化频域与高保真时域方法、以及考虑与不考虑水动力相互作用效应等多种模型，结论全面且有说服力。 3. 明确的工程指导意义：研究不仅验证了方法，还定量揭示了浮式风机动态特性对运维作业的具体影响（如短波周期下相对运动加剧），并评估了不同简化假设（如忽略绕射）的适用条件，对工程实践具有直接指导价值。 4. 严谨的验证流程：研究设计严谨，通过基准模型（固定基础）验证了基本仿真工具的一致性，再通过交叉对比（频域vs时域，有/无相互作用）逐层递进地验证了新方法的可靠性。
七、 其他有价值内容 本研究明确指出了其局限性，为后续工作指明了方向：当前分析仅基于一阶波浪激励力，未包含二阶波浪漂移力、低频共振效应、动态定位（DP）系统响应以及风、流载荷的影响。作者表示，后续研究将在此基础上，纳入这些高阶和非线性效应，以进一步提升仿真保真度，支持更复杂、更贴近实际场景的作业评估。该研究是挪威FME Northwind研究中心项目的一部分，体现了产学研结合推动技术创新的模式。