船舶結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展

汪雪良，朱全華，張 濤，楊華偉，陳國(guó)材

（1.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室（廣州），廣州 511458；2.中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無錫 214082）

0 引 言

船舶結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的目的是幫助船舶感知自身的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，在結(jié)構(gòu)失效初期及時(shí)發(fā)出預(yù)警，避免結(jié)構(gòu)問題引發(fā)的設(shè)備運(yùn)行問題及安全問題，保障人身安全、資產(chǎn)安全、生態(tài)安全及船舶功能性的實(shí)現(xiàn)。船舶結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展至今，已實(shí)現(xiàn)對(duì)船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力、結(jié)構(gòu)振動(dòng)和船體運(yùn)動(dòng)等的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并具備了一定程度的結(jié)構(gòu)安全評(píng)估、結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)預(yù)警等功能。

智能化是未來船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)物發(fā)展的必然趨勢(shì)，而船舶結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)技術(shù)是智能船舶的先行技術(shù)。對(duì)智能船舶而言，船舶結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)技術(shù)被賦予了更高的功能期望，除了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)響應(yīng)參量外，還需實(shí)時(shí)評(píng)估結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)，實(shí)時(shí)給出結(jié)構(gòu)損傷預(yù)報(bào)分析結(jié)論以及剩余強(qiáng)度預(yù)測(cè)結(jié)論，輔助用戶快速制定應(yīng)對(duì)策略，甚至在有必要的情況下直接控制相應(yīng)設(shè)備采取正確的應(yīng)對(duì)措施。

船舶結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展的深度是決定智能船舶發(fā)展質(zhì)量的關(guān)鍵共性技術(shù)之一，船舶結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)設(shè)備也是智能船舶高端核心配套產(chǎn)品?，F(xiàn)有船舶結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能上存在以下短板：（1）監(jiān)測(cè)內(nèi)容僅僅局限于物理量實(shí)時(shí)顯示，預(yù)警機(jī)制基于簡(jiǎn)單的閾值報(bào)警，預(yù)警質(zhì)量往往不高，不能量化結(jié)構(gòu)狀態(tài)；（2）受制于傳感器密度，很難掌控全局或無傳感器區(qū)域的變化情況，用戶無法直觀把握危險(xiǎn)區(qū)域結(jié)構(gòu)狀態(tài)，不利于及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施，并且由于監(jiān)測(cè)軟件內(nèi)評(píng)估模型的缺失，尚未實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)安全實(shí)時(shí)在線評(píng)估功能；（3）監(jiān)測(cè)歷史數(shù)據(jù)的價(jià)值尚未充分挖掘，數(shù)據(jù)中隱藏的規(guī)律和知識(shí)未能充分獲取，難以服務(wù)于控制決策。

當(dāng)前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能、大數(shù)據(jù)分析等前沿技術(shù)的興起與發(fā)展，為解決上述功能短板提供了新手段。同時(shí)要求船舶結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在現(xiàn)有信息化、自動(dòng)化條件下，構(gòu)建虛實(shí)融合架構(gòu)，適應(yīng)各類用戶需求的評(píng)估、分析、預(yù)測(cè)和優(yōu)化體系，以“多源數(shù)據(jù)條件下的多維評(píng)估與預(yù)測(cè)、實(shí)現(xiàn)協(xié)同優(yōu)化”為核心，形成面向全生命周期的智能化船舶結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)技術(shù)。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 船舶結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)國(guó)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外船舶結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用可以劃分為三個(gè)發(fā)展階段：（1）20 世紀(jì)70 至90 年代，船舶結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)技術(shù)的提出和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的探索性開發(fā)階段；（2）20世紀(jì)最后十年，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件技術(shù)成熟與實(shí)用化階段；（3）21世紀(jì)至今，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)多元化、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)用多樣化與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)智能化研究階段。

在第一階段，船舶結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)技術(shù)最早于1978年由Lindemann[1-2]提出，但由于當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)無法達(dá)到船舶實(shí)際應(yīng)用要求，研究止步于理論設(shè)計(jì)階段，沒有實(shí)現(xiàn)成果應(yīng)用。隨后數(shù)年由于相關(guān)電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，船舶結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)技術(shù)也因此取得了突破性進(jìn)展，1989年英國(guó)勞氏船級(jí)社（LR）與英國(guó)船舶與海洋數(shù)據(jù)系統(tǒng)公司（Ship&Marine Data Systems）合作開發(fā)了應(yīng)用于VLCC的航行記錄儀，目的是記錄VLCC 船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力數(shù)據(jù)，但是該記錄儀的功能僅限于記錄并保存測(cè)量數(shù)據(jù)，并不具備數(shù)據(jù)處理與計(jì)算的能力[3]。

在第二階段，各類電子技術(shù)快速發(fā)展成熟，由此發(fā)展起精度及可靠性更高、實(shí)用性更強(qiáng)、種類更加齊全的船用監(jiān)測(cè)傳感器，同時(shí)船用計(jì)算機(jī)的性能也有了大幅提高。因此，船舶結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)進(jìn)入了實(shí)用化大發(fā)展時(shí)期。1994年，英國(guó)海運(yùn)技術(shù)公司、法國(guó)船級(jí)社以及歐洲多家輪船公司合作開發(fā)研制了一種船舶健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以對(duì)船體結(jié)構(gòu)服役期內(nèi)的裂縫擴(kuò)展和疲勞損傷情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)[4]。1995 年，挪威的FFI（Forsvarets Forsknings Institution）開始研究基于光纖光柵傳感技術(shù)的船舶結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過多項(xiàng)研究工作表明光纖光柵傳感技術(shù)非常適用于船舶結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)[5-9]。此階段的諸多研究主要是船舶結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用，從中可以總結(jié)出三點(diǎn)：（1）研究重點(diǎn)集中于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件開發(fā)，各類硬件技術(shù)已發(fā)展成熟，可以滿足船舶實(shí)用化需求；（2）光纖光柵傳感技術(shù)成功應(yīng)用于船舶結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并且由于光纖光柵傳感器抗電磁干擾能力強(qiáng)、耐腐蝕、靈敏度高、集成方便等優(yōu)點(diǎn)，光纖光柵傳感系統(tǒng)逐漸成為船舶結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的應(yīng)用主流；（3）硬件研發(fā)的成熟促使監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的應(yīng)用算法研究開始出現(xiàn)。

在第三階段，船舶結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件開發(fā)研究已經(jīng)基本成熟，研究工作開始著力于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的應(yīng)用算法研究，即研究如何由監(jiān)測(cè)的物理量反算推演出無法直接監(jiān)測(cè)的目標(biāo)物理量，從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的多樣化應(yīng)用，比如冰區(qū)船通過監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)應(yīng)變來反演冰載荷[10-12]，航行船舶通過監(jiān)測(cè)自身運(yùn)動(dòng)情況來推演波浪譜[13-14]，此外還包括波浪彎/扭矩推算[15]、結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別[16-18]等。在此基礎(chǔ)上，2018年起人工智能、大數(shù)據(jù)分析等新興技術(shù)開始應(yīng)用于船舶結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)，重點(diǎn)研究智能化監(jiān)測(cè)技術(shù)，旨在攻克智能在線評(píng)估與預(yù)測(cè)難題。挪威船級(jí)社于2018年底開發(fā)了一種基于數(shù)字孿生技術(shù)監(jiān)測(cè)船體狀況的方法，該方法將物理傳感器數(shù)據(jù)與數(shù)字孿生技術(shù)相結(jié)合，充分利用設(shè)計(jì)階段準(zhǔn)備的計(jì)算分析模型，結(jié)合真實(shí)遭遇的波浪環(huán)境和位置數(shù)據(jù)，有效提高船體狀態(tài)預(yù)測(cè)的精度，這種技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于優(yōu)化物理傳感器安裝位置、改善檢驗(yàn)與維修計(jì)劃、延長(zhǎng)資產(chǎn)使用壽命以及減少船體損傷等。美國(guó)海軍信息戰(zhàn)系統(tǒng)司令部（NAVWAR）2018 年完成了首個(gè)數(shù)字孿生模型“數(shù)字林肯”的開發(fā)工作，將裝備于“林肯”號(hào)與“艾森豪威爾”號(hào)航母。

1.2 船舶結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)船舶結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展開始于20 世紀(jì)90 年代，其大致可分為三個(gè)階段：（1）1991 至2005年，船舶結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的介紹和引入階段；（2）2005 至2017 年，船舶結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件開發(fā)與評(píng)估算法研究階段；（3）2018年至今，智能化船舶結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)技術(shù)興起階段。

在第一階段，王振國(guó)[19]于1991年在國(guó)內(nèi)首次提及船舶結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，介紹了船舶與航海數(shù)據(jù)系統(tǒng)公司（SMDSL）開發(fā)的船體應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)顯示船體監(jiān)測(cè)位置的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，并且具備閾值報(bào)警功能。此后陸續(xù)出現(xiàn)介紹國(guó)外船舶結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的文獻(xiàn)，并且開始在船舶建造中安裝國(guó)外的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。然而從公開的文獻(xiàn)資料來看，2005年之前我國(guó)并沒有出現(xiàn)自主研發(fā)船體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的情況。

在第二階段，2005 年國(guó)內(nèi)開始出現(xiàn)對(duì)船舶結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的軟硬件系統(tǒng)開發(fā)、信號(hào)在線處理技術(shù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在線評(píng)估算法以及多源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)融合應(yīng)用等方面的研究工作。江南大學(xué)楊朝龍[20]提出了一種基于CAN總線和Windows CE 嵌入式操作系統(tǒng)的船舶結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案，并通過相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)航行船舶的結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測(cè)。上海海事大學(xué)金永興等[21]研究開發(fā)了一套集裝箱船舶結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)（CSSMAS），該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并顯示船體受力和運(yùn)動(dòng)情況，并且包含對(duì)海浪實(shí)況的視頻記錄。哈爾濱工程大學(xué)任慧龍等[22-24]開發(fā)了一套船體結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過多次實(shí)船測(cè)試驗(yàn)證了實(shí)船應(yīng)用可行性，同時(shí)開展了信號(hào)在線處理技術(shù)、結(jié)構(gòu)安全在線評(píng)估方法、傳感器優(yōu)化布置策略以及冰載荷反演算法等研究。中國(guó)船舶科學(xué)研究中心汪雪良[25-26]等開發(fā)了基于電阻應(yīng)變和光纖光柵傳感技術(shù)的船舶結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（LOTEMS），可以實(shí)現(xiàn)船體結(jié)構(gòu)總縱強(qiáng)度及局部強(qiáng)度、船體加速度及六自由度運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與評(píng)估，同時(shí)將其拓展應(yīng)用至水下工程結(jié)構(gòu)裝備，該系統(tǒng)已在包括國(guó)產(chǎn)航母、驅(qū)逐艦、護(hù)衛(wèi)艦、7000 米載人潛器、4500 米載人潛器[27]、11000 米載人潛器、“永樂科考”號(hào)科學(xué)試驗(yàn)平臺(tái)[28]、風(fēng)帆混動(dòng)超大型油輪等重大項(xiàng)目中成功應(yīng)用；在此基礎(chǔ)上，通過融合雙目立體視覺波浪觀測(cè)技術(shù)[29]、消防安全監(jiān)測(cè)技術(shù)、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)等，逐步研究開發(fā)多源異構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在該階段，國(guó)內(nèi)船舶結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)技術(shù)得到了充分發(fā)展，通過學(xué)習(xí)和借鑒國(guó)外優(yōu)秀的研究成果，國(guó)內(nèi)先進(jìn)研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)趕上國(guó)外船舶結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展水平。

在第三階段，從2018 年起，國(guó)內(nèi)開始興起智能化船舶結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究，重點(diǎn)開展載荷反演、復(fù)雜間接監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)損傷評(píng)估、趨勢(shì)預(yù)測(cè)等研究，取得了部分創(chuàng)新成果。中國(guó)船舶科學(xué)研究中心、哈爾濱工程大學(xué)、中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心等研究機(jī)構(gòu)開始將數(shù)字孿生技術(shù)運(yùn)用于船舶結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)，其中中國(guó)船舶科學(xué)研究中心于2020年率先研制出基于數(shù)字孿生技術(shù)的船舶結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)初代原理樣機(jī)，該系統(tǒng)可根據(jù)少量應(yīng)力傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)全場(chǎng)動(dòng)態(tài)應(yīng)力響應(yīng)輸出與可視化，并且具備載荷反演、趨勢(shì)預(yù)測(cè)等功能。

2 基本理論與最新進(jìn)展

船舶結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本原理是通過布設(shè)傳感器感知船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力與加速度等參量，利用系統(tǒng)軟件的內(nèi)嵌算法進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全評(píng)估以及結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)報(bào)警，同時(shí)根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)與預(yù)警。其基本理論包含結(jié)構(gòu)安全評(píng)估方法、趨勢(shì)預(yù)測(cè)方法等。

2.1 結(jié)構(gòu)安全評(píng)估方法

船體結(jié)構(gòu)安全評(píng)估分為兩部分內(nèi)容：（1）船體總縱強(qiáng)度評(píng)估；（2）局部高應(yīng)力區(qū)域疲勞強(qiáng)度評(píng)估?？偪v強(qiáng)度監(jiān)測(cè)即獲取船體總體應(yīng)力分布，包括甲板和船底沿水平方向的應(yīng)力分布。高應(yīng)力區(qū)域是指在整體結(jié)構(gòu)中應(yīng)力幅值較大的區(qū)域，這些區(qū)域往往存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，容易產(chǎn)生疲勞問題。

2.1.1 總縱強(qiáng)度評(píng)估

船舶結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用基于梁彎曲理論的總縱強(qiáng)度評(píng)估方法，選取最危險(xiǎn)區(qū)域剖面計(jì)算總縱彎曲應(yīng)力，與規(guī)范的許用應(yīng)力對(duì)比完成總縱強(qiáng)度校核?？偪v彎曲應(yīng)力σ由下式獲得：

式中：σs為靜水彎曲應(yīng)力；Ms為靜水彎矩，可由裝載儀直接獲取或通過靜水力計(jì)算獲得；W為剖面抗彎模量，通過剖面圖計(jì)算獲得，為定值；σw為波浪彎曲應(yīng)力，由應(yīng)力傳感器直接測(cè)量獲得。

船級(jí)社規(guī)范中對(duì)于甲板、船底板的最大許用應(yīng)力作出了規(guī)定，將甲板和船底板總縱彎曲應(yīng)力σ與規(guī)范中的許用應(yīng)力對(duì)比校核危險(xiǎn)剖面的總縱強(qiáng)度。

2.1.2 疲勞強(qiáng)度評(píng)估

船舶結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通常采用熱點(diǎn)應(yīng)力法進(jìn)行船體結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)點(diǎn)的疲勞強(qiáng)度評(píng)估，船體疲勞危險(xiǎn)點(diǎn)一般位于結(jié)構(gòu)趾端，其熱點(diǎn)應(yīng)力很難通過傳感器直接測(cè)量的方式獲得，通常的做法是通過數(shù)值關(guān)系推算間接獲取，然后基于熱點(diǎn)的應(yīng)力時(shí)間歷程曲線進(jìn)行累積損傷計(jì)算，以此評(píng)估熱點(diǎn)疲勞強(qiáng)度。其中的關(guān)鍵點(diǎn)為熱點(diǎn)應(yīng)力間接推算方法。

熱點(diǎn)應(yīng)力間接推算一般采用朗格朗日插值方法，在熱點(diǎn)附近受力構(gòu)件的表面上選取4個(gè)插值點(diǎn)，距焊趾t/2和3t/2處的應(yīng)力讀取點(diǎn)應(yīng)位于4個(gè)插值點(diǎn)之間，4個(gè)插值點(diǎn)的應(yīng)力由其左側(cè)與右側(cè)單元中心點(diǎn)的應(yīng)力平均得到，如圖1所示。傳感器布置在插值點(diǎn)兩側(cè)的單元中心點(diǎn)并測(cè)量其應(yīng)力。

圖1 插值方法示意圖Fig.1 Sketch of interpolation method

距焊趾t/2和3t/2處應(yīng)力讀取點(diǎn)的應(yīng)力σt/2和σ3t/2，根據(jù)所選插值點(diǎn)處的應(yīng)力用拉格朗日插值法按下式計(jì)算：

式中：σ1、σ2、σ3、σ4分別代表插值點(diǎn)1、2、3、4處的應(yīng)力，單位為N/mm2；C1、C2、C3和C4應(yīng)按下列各式計(jì)算：

式中：x、x1、x2、x3、x4分別表示應(yīng)力讀取點(diǎn)、插值點(diǎn)1、插值點(diǎn)2、插值點(diǎn)3、插值點(diǎn)4與熱點(diǎn)間的距離。

通 過σ1、σ2、σ3、σ4內(nèi) 插 得 到σt/2和σ3t/2后，σt/2和σ3t/2處應(yīng)力再線性外插至熱點(diǎn)即可得到熱點(diǎn)主應(yīng)力，如圖2所示。

圖2 熱點(diǎn)應(yīng)力推算示意圖Fig.2 Sketch of hot spot stress calculation

由上圖線性插值關(guān)系，熱點(diǎn)主應(yīng)力可表示為

2.2 趨勢(shì)預(yù)測(cè)方法

船舶結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)技術(shù)期望基于歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)判結(jié)構(gòu)響應(yīng)發(fā)展趨勢(shì)，及時(shí)制定結(jié)構(gòu)檢修策略或調(diào)整船舶航行方案，從而達(dá)到規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)的目的?；诮y(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)方法的本質(zhì)，預(yù)測(cè)方法可分為三類：定性預(yù)測(cè)法、回歸預(yù)測(cè)法和時(shí)間序列預(yù)測(cè)法。船舶結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通常采用時(shí)間序列預(yù)測(cè)方法進(jìn)行應(yīng)力發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)。時(shí)間序列預(yù)測(cè)方法是一種定量分析方法，在時(shí)間序列變量分析的基礎(chǔ)上，運(yùn)用一定的數(shù)學(xué)方法建立預(yù)測(cè)模型，使時(shí)間趨勢(shì)向外延伸，從而預(yù)測(cè)變量未來的發(fā)展變化趨勢(shì)，并確定變量預(yù)測(cè)值；時(shí)間序列預(yù)測(cè)方法包括時(shí)間序列分解分析方法、移動(dòng)平均法、指數(shù)平滑法、趨勢(shì)外推法和自我自適應(yīng)濾波方法、平穩(wěn)時(shí)間序列預(yù)測(cè)方法、灰色預(yù)測(cè)方法、狀態(tài)空間模型和卡爾曼濾波器；從目前的應(yīng)用研究來看，灰色預(yù)測(cè)法是適用于船舶結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的最佳預(yù)測(cè)方法[30]。

灰色預(yù)測(cè)法的基本理論是：根據(jù)系統(tǒng)的內(nèi)部知識(shí)已知程度將其分為黑色系統(tǒng)和白色系統(tǒng)，黑色系統(tǒng)表示內(nèi)部知識(shí)完全未知，白色系統(tǒng)表示內(nèi)部知識(shí)完全已知?；疑到y(tǒng)是指系統(tǒng)的內(nèi)部知識(shí)只有部分己知，介于黑色系統(tǒng)和白色系統(tǒng)之間?；疑A(yù)測(cè)方法通過識(shí)別系統(tǒng)原始數(shù)據(jù)的時(shí)間發(fā)展規(guī)律并且生成具有較強(qiáng)規(guī)律性的數(shù)據(jù)序列，然后建立相應(yīng)的微分方程模型來預(yù)測(cè)系統(tǒng)的未來發(fā)展趨勢(shì)。灰色預(yù)測(cè)方法的微分方程建模過程如下：

記時(shí)段t內(nèi)的數(shù)據(jù)原始時(shí)間序列為

式中，a為發(fā)展灰數(shù)，b為內(nèi)生控制灰數(shù)，這兩個(gè)參數(shù)通過下式求解：

3 總結(jié)與展望

3.1 總結(jié)

從上世紀(jì)90年代至今，船舶結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)技術(shù)經(jīng)過三十年的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了對(duì)船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力、結(jié)構(gòu)振動(dòng)和船體運(yùn)動(dòng)等的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并具備了一定程度的結(jié)構(gòu)安全評(píng)估、結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)預(yù)警等功能。然而在智能船舶發(fā)展的時(shí)代背景下，船舶結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)被賦予了更高的功能期望，還需要具備識(shí)別并處理異常數(shù)據(jù)、識(shí)別外部載荷環(huán)境、預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)響應(yīng)發(fā)展趨勢(shì)并進(jìn)行輔助建議、系統(tǒng)故障自診斷等智能化功能。

智能化船舶結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)技術(shù)是多個(gè)學(xué)科交融形成的綜合性技術(shù)，包括傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)力學(xué)、現(xiàn)代傳感技術(shù)、通信技術(shù)、信號(hào)處理與分析技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)方法、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、趨勢(shì)預(yù)測(cè)技術(shù)等。通過嵌入多源異構(gòu)傳感系統(tǒng)到船體結(jié)構(gòu)中，利用數(shù)據(jù)融合技術(shù)、結(jié)構(gòu)安全評(píng)估技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，架構(gòu)具有自主感知和自主識(shí)別功能的結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)體系，實(shí)現(xiàn)覆蓋船舶結(jié)構(gòu)整體和局部細(xì)節(jié)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)在線監(jiān)測(cè)，進(jìn)一步通過數(shù)據(jù)分析技術(shù)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)律和知識(shí)的深入挖掘，對(duì)當(dāng)前工況下結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的危險(xiǎn)報(bào)警，對(duì)短期可能發(fā)生的危險(xiǎn)預(yù)警，基于歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全性能退化趨勢(shì)預(yù)測(cè)，為用戶提供科學(xué)合理的作業(yè)指導(dǎo)與輔助決策，提高船體結(jié)構(gòu)的安全性能。

在智能化船舶結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)技術(shù)上我國(guó)與國(guó)外同處于探索階段，為攻克相關(guān)技術(shù)壁壘，使得我國(guó)在這一技術(shù)研究上取得關(guān)鍵突破，進(jìn)而在國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中取得優(yōu)勢(shì)，需重視對(duì)智能化船舶結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究。

3.2 需要研究的基礎(chǔ)科學(xué)問題/發(fā)展方向

近兩年，國(guó)內(nèi)外主要研究機(jī)構(gòu)均力推“船舶全生命周期管理”，主要含義是“重新整合船舶在設(shè)計(jì)階段產(chǎn)生的計(jì)算模型、設(shè)計(jì)圖紙、試驗(yàn)數(shù)據(jù)、交驗(yàn)收據(jù)等，在船舶運(yùn)營(yíng)階段結(jié)合傳感器實(shí)時(shí)反饋，通過數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)時(shí)修正計(jì)算模型，使虛擬模型等價(jià)實(shí)體結(jié)構(gòu)，更好地服務(wù)于結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)，改善檢驗(yàn)和維修計(jì)劃，延長(zhǎng)船舶使用壽命，減少船體結(jié)構(gòu)損傷，使建造階段所有結(jié)構(gòu)計(jì)算分析投資收益最大化，增加船舶、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)競(jìng)爭(zhēng)力”，其中核心關(guān)鍵技術(shù)就是數(shù)字孿生技術(shù)。因此，發(fā)展數(shù)字孿生技術(shù)不僅有利于提升船舶結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的智能化，也將推動(dòng)整個(gè)船舶制造業(yè)前沿科技與管理方法的雙向進(jìn)步。

現(xiàn)階段需要重點(diǎn)研究的問題，即在目前船舶結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升船舶結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)設(shè)備的實(shí)用性，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析、人工智能等前沿科學(xué)技術(shù)，將計(jì)算和通信深深“嵌入”船舶實(shí)體，使監(jiān)測(cè)信息與船舶實(shí)體密切互動(dòng)，并以龐大的數(shù)據(jù)量為基礎(chǔ)，讓人工智能服務(wù)于船舶全生命周期管理，分階段地建設(shè)感知、分析、評(píng)估、預(yù)測(cè)、決策、控制、管理、遠(yuǎn)程支持等船舶人工智能體系。具體包括以下研究方向：

（1）發(fā)展新一代船舶結(jié)構(gòu)安全性實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)，建立多源數(shù)據(jù)融合機(jī)制，拓展結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測(cè)物理量種類，拓寬數(shù)據(jù)帶寬，實(shí)現(xiàn)不同物理量數(shù)據(jù)的互聯(lián)互用。

（2）發(fā)展結(jié)構(gòu)損傷概率與后果評(píng)估及預(yù)警技術(shù)，建立源數(shù)據(jù)機(jī)器自動(dòng)分析識(shí)別機(jī)制，運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)發(fā)展虛實(shí)交互式結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)、評(píng)估及預(yù)警技術(shù)，提升結(jié)構(gòu)全局響應(yīng)監(jiān)測(cè)能力，覆蓋更廣泛的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。

（3）基于船舶結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，研究船體應(yīng)急處置與航行操控智能決策。