1、 船 舶 与 海 洋 工 程年 第卷 第期（总 第期）收 稿 日 期：作 者 简 介：徐 博，男，工 程 师，硕 士，年 生。年 毕 业 于 大 连 理 工 大 学 船 舶 与 海 洋 工 程 专 业，主 要 从 事 船 舶 结 构 设计 及 安 全 评 估 方 面 的 工 作。：櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅殯殯殯殯 综述人 工 智 能 和 数 字 孪 生 在 船 体 结 构安 全 评 估 中 的 应 用 探 索徐博，韩涛，朱 俊 侠，吴 嘉 蒙，胡帆（中 国 船 舶 及 海 洋 工 程 设 计 研 究 院，上 海）摘 要：为 能 实 时 准 确 地 获 取 船 体 结 构 载 荷 监 测 数 据
2、，顺 应 结 构“数 字 孪 生”概 念 的 发 展，对 基 于 人 工 智 能 的 结 构 载荷 反 演 技 术 进 行 研 究。介 绍 基 于 人 工 智 能 的 结 构 载 荷 反 演 技 术 的 研 究 进 展 情 况，探 讨 其 在 船 舶 安 全 评 估 领 域 应 用的 有 效 性 和 难 点。在 此 基 础 上，介 绍 数 字 孪 生 的 基 本 概 念 和 发 展 历 程，并 结 合 船 舶 领 域 已 有 的 技 术 基 础，探 讨 数 字孪 生 的 应 用 前 景 和 亟 需 突 破 的 关 键 技 术。关 键 词：人 工 智 能；载 荷 反 演；数 字 孪 生；船 体
3、结 构；安 全 评 估中 图 分 类 号：；文 献 标 志 码：文 章 编 号：（），（，）：“”，：；引言船 舶 结 构 安 全 是 船 舶 全 寿 命 周 期 中 影 响 其 安 全 性 的 关 键 因 素。由 于 海 洋 环 境 的 复 杂 性 和 不 确 定 性，船舶 结 构 面 临 的 安 全 风 险 相 对 较 高。随 着 船 舶 的 智 能 化 发 展，装 备 船 体 健 康 监 测 系 统 的 智 能 船 体 系 统 已 逐 渐成 为 大 型 船 或 特 种 船 的 标 配，并 有 向 数 字 船 体 系 统 发 展 的 趋 势。同 时，船 舶 结 构 安 全 设 计 理 念
4、逐 渐 从 基 于 经验、简 化 力 学 模 型 和 有 限 元 方 法 向 基 于 极 限 状 态 演 变，也 正 在 向 基 于 监 测、风 险、乃 至 数 字 孪 生 的 方 向 发 展。数 字 孪 生 技 术 作 为 新 一 代 工 业 概 念，是 虚 拟 仿 真 技 术 发 展 的 必 然 趋 势。随 着 结 构“数 字 孪 生”概 念 的 发 展，实 时 获 取 船 舶 结 构 载 荷 数 据 至 关 重 要，对 于 结 构 设 计、结 构 安 全 评 估和 航 行 稳 定 性 控 制 而 言 具 有 重 要 意 义。然 而，传 统 的 载 荷 测 量 方 法 无 法 满 足 实
5、时 准 确 的 要 求，基 于 人 工 智 能的 结 构 载 荷 反 演 技 术 为 实 时 获 取 船 舶 结 构 载 荷 提 供 了 一 种 合 适 的 选 择。本 文 分 别 介 绍 基 于 人 工 智 能 的 结 构 载 荷 反 演 技 术 和 数 字 孪 生 技 术 的 研 究 进 展 情 况，以 及 两 者 在 船 舶 结构 安 全 评 估 中 的 应 用 前 景，并 对 工 程 应 用 中 可 能 存 在 的 难 点 和 亟 需 解 决 的 关 键 技 术 进 行 探 讨。基 于 人 工 智 能 的 结 构 载 荷 反 演 技 术船 舶 在 航 行 过 程 中 会 受 到 来 自
6、 海 浪、机 械 和 螺 旋 桨 等 多 方 面 的 动 态 激 励 的 影 响，若 不 能 很 好 地 预 报 和 评估 作 用 在 船 体 结 构 上 的 载 荷，则 船 体 结 构 存 在 损 坏 的 风 险，因 此 对 船 体 结 构 载 荷 进 行 分 析 具 有 重 要 意 义。载 荷 反 演 方 法目 前，测 量 船 舶 在 航 行 过 程 中 所 受 载 荷 的 方 法 主 要 有 直 接 法 和 间 接 法种。直 接 法 是 指 在 船 体 结 构构 件 上 安 装 应 力 传 感 器 获 取 载 荷 数 据，由 于 船 舶 具 有 结 构 复 杂、体 积 较 大 和 作 业
7、 环 境 恶 劣 等 特 点，该 方 法 很难 在 船 舶 领 域 普 及 应 用；间 接 法 是 指 测 量 结 构 受 力 区 域 及 相 邻 区 域 的 应 变、位 移 和 加 速 度 等 物 理 量 的 变 化，通 过 载 荷 反 演 技 术 得 出 载 荷 的 变 化。随 着 计 算 机 技 术 的 快 速 发 展，载 荷 反 演 技 术 得 到 了 蓬 勃 发 展，现 在 常 用的 载 荷 反 演 方 法 可 分 为 频 域 法 和 时 域 法种。时 域 法 对 初 始 条 件 和 结 构 模 型 的 边 界 条 件 十 分 敏 感，易 受 到噪 声 等 环 境 因 素 的 干 扰
8、，造 成 载 荷 反 演 的 精 度 和 稳 定 性 不 高；频 域 法 的 识 别 精 度 受 模 态 参 数 和 高 阶 模 态 阶 段误 差 的 影 响 较 大，不 能 做 到 载 荷 实 时 监 测，这 限 制 了 其 工 程 应 用。近 年 来，随 着 人 工 智 能 在 船 舶 结 构 载 荷 反 演 技 术 领 域 的 应 用，研 究 人 员 开 发 出 了 基 于 人 工 智 能 方 法 的 结构 载 荷 反 演 技 术。该 技 术 克 服 了 以 往 载 荷 反 演 中 的 缺 陷，提 高 了 载 荷 反 演 的 精 度 和 效 率。载 荷 反 演 技 术 研 究 进 展图基
9、 于 人 工 智 能 方 法 的 载 荷 反 演 技 术 流 程 图 在 载 荷 识 别 研 究 领 域，基 于 人 工 智 能 的 神 经 网 络法 为 解 决 具 有 非 线 性 和 不 确 定 性 特 征 的 复 杂 系 统 的载 荷 识 别 问 题 提 供 了 新 思 路。该 方 法 通 过 大 量 试 验数 据 建 立 并 训 练 代 理 模 型，用 代 理 模 型 近 似 建 立 应 变响 应 与 载 荷 之 间 的 映 射 关 系。基 于 人 工 智 能 方 法 的载 荷 反 演 技 术 流 程 见 图。人 工 神 经 网 络 作 为 一 种 常 用 的 代 理 模 型，在 对
10、任意 连 续 函 数 的 逼 近 能 力、学 习 理 论 和 动 态 网 络 的 稳 定性 等 方 面 都 已 取 得 丰 硕 成 果，可 解 决 分 类、回 归 和 预测 等 多 种 问 题，训 练 完 成 的 神 经 网 络 可 实 现 从 输 入 到 输 出 的 快 速 计 算，满 足 实 时 性 要 求。目 前 该 方 法 已 广 泛应 用 于 航 空、航 天、汽 车 和 金 融 等 领 域 中，但 在 船 舶 领 域 尚 未 普 及。前 馈 神 经 网 络 作 为 人 工 神 经 网 络 的 一 种，适 用 于 回 归 和 函 数 拟 合，已 在 航 天 领 域 得 到 广 泛 应
11、用。王 珲玮基 于算 法 筛 选 出 关 键 的 飞 行 参 数，建 立 了 飞 行 参 数 与 飞 行 载 荷 之 间 的 映 射 关 系，针 对（）网 络 易 陷 入 局 部 最 优 解 的 问 题 提 出 了 结 合 遗 传 算 法 优 化 权 值 的网 络 动 态 载 荷 识 别 算 法，对 某 导 弹 模 型 的 飞 行 载 荷 进 行 了 识 别，将 速 度、高 度 和 迎 角 等 飞 行 参 数 作 为 网 络 的 输 入，输 出 飞 行 载 荷 数 据，不 仅 保 证 了 精 度，而 且 显 著 提 高 了 计 算 效 率。金 鑫 等采 用 深 度 学 习 方 法 建 立 了
12、多 层 前 馈 网 络 代 理 模 型，通过 有 限 元 方 法 构 建 了 典 型 载 荷 下 的 结 构 响 应 训 练 样 本 集，不 断 对 模 型 进 行 训 练 测 试，使 用 少 量 的 应 变 测 点 数据 实 现 了 对 飞 机 翼 面 载 荷 分 布 的 实 时 反 演 和 重 构。顾 宇 轩 等结 合 某 型 飞 机 有 限 元 模 型 建 立 神 经 网 络 载 荷模 型，用 于 对 复 杂 载 荷 下 的 材 料 或 结 构 疲 劳 损 伤 和 使 用 寿 命 进 行 预 测，利 用 试 验 数 据 进 行 对 比 验 证，发 现 神经 网 络 载 荷 模 型 预 测
13、 值 比 较 贴 近 真 实 值。在 船 舶 和 海 洋 工 程 领 域，神 经 网 络 的 探 索 应 用 方 兴 未 艾。林 近 山 等分 别 采 用 神 经 网 络 方 法 和 传 统 载荷 反 演 方 法 对平 台 载 荷 进 行 识 别，结 果 发 现 神 经 网 络 方 法 的 识 别 精 度 更 高，这 得 益 于 神 经 网 络 既 不 需要 计 算 结 构 的 模 态 矩 阵、质 量 矩 阵 和 刚 度 矩 阵，也 不 需 要 进 行 复 杂 的 动 力 学 计 算，具 有 识 别 精 度 高、训 练 收 敛速 度 快、抗 干 扰 性 强 和 系 统 稳 定 等 优 点，说
14、明 在 对 海 洋 平 台 等 大 型 结 构 物 进 行 载 荷 反 演 时，神 经 网 络 方 法 具有 很 大 优 势。梁 峰 等采 用神 经 网 络 方 法 对 艉 轴 承 工 作 时 的 温 度、振 动、噪 声 和 摩 擦 因 数 等 关 键 参 数 进船 舶 与 海 洋 工 程年 第期行 分 析，实 现 了 对 艉 轴 承 的 高 精 度 诊 断，为 船 舶 航 行 的 安 全 提 供 了 保 障。载 荷 反 演 技 术 的 有 效 性 和 难 点当 前，基 于 人 工 智 能 的 载 荷 反 演 技 术 无 论 是 在 神 经 网 络 模 型 设 计 方 面，还 是 在 样 本
15、训 练 等 方 面，都 有 一定 的 研 究 基 础，可 为 船 舶 领 域 的 应 用 提 供 借 鉴，为 数 字 孪 生 的 发 展 提 供 技 术 支 持，其 有 效 性 和 难 点 可 归 纳如 下：）船 舶 结 构 载 荷 监 测 是 伴 随 船 舶 全 生 命 全 周 期 的，如 何 根 据 结 构 响 应 数 据 实 时 准 确 构 建 船 舶 的 载 荷 分布，一 直 是 载 荷 反 演 技 术 应 用 的 难 点。基 于 监 测 数 据，结 合 人 工 智 能 发 展 的 神 经 网 络 方 法 已 在 航 空 航 天 领 域得 到 大 量 应 用，为 船 舶 领 域 的 载
16、 荷 反 演 提 供 了 借 鉴。目 前，针 对 船 舶 的 应 力 监 测 技 术 也 已 十 分 成 熟，为 神 经 网 络 算 法 的 学 习 提 供 了 大 量 数 据 支 持。在 实 际 使用 过 程 中，可 对 航 行 数 据 进 行 跟 踪 监 测，对 算 法 进 行 迭 代 训 练，由 此 提 高 载 荷 反 演 的 精 度。）基 于 人 工 智 能 的 结 构 载 荷 反 演 技 术 虽 然 有 效，但 目 前 在 船 舶 领 域 应 用 较 少，具 有 一 定 的 局 限 性。与航 空 航 天 等 领 域 相 比，船 舶 结 构 的 很 多 关 键 部 位 受 总 体 布 置、管 路 通 道 和 结 构 连 接 方 式 等 因 素 的 影 响，无 法直 接 安 装 传 感 器，只 能 将 其 安 装 在 这 些 部 位 的 相 邻 区 域。传 感 器 的 布 置 方 式 和 位 置 对 载 荷 反 演 的 数 据 采 集有 很 大 影 响。同 时，船 体 载 荷 形 式 复 杂 多 样，传 感 器 等 设 备 要 面 临 的 环 境 较 为 恶 劣，这 限 制 了
