一种基于数据驱动的方法，用于利用应力场检测船板结构中的裂纹损伤

《Ocean Engineering》：A data-driven approach for crack damage detection in ship plate structures utilizing stress field

本文提出基于稀疏倾斜测量的深海采矿 riser 3D空间变形重建方法，通过正交平面投影、双轴倾角节点离散化及二阶插值函数建模，结合空间曲线长度方程与共享坐标关联，实现动态边界下高效变形重构。数值模拟验证了方法在1/9传感器间距下的高精度（92.9%）和强抗噪能力（噪声下相关系数＞83.4%）。

　　深海采矿系统是当前人类操控的最大作业系统之一，它不仅是深海采矿活动的“生命线”，同时也是整个系统中最脆弱的核心部件。深海采矿立管（mining riser）在结构上具有超长距离、高长细比以及动态边界约束的特点，这些特性使其在实际应用中面临诸多挑战。尤其是在海洋环境的影响下，立管容易受到复杂的外部洋流、内部流体流动以及船舶运动等多重因素的干扰，从而产生过大的弯曲和位移。因此，对深海采矿立管的空间变形进行准确监测，对于确保其在动态环境下的安全运行和提高系统效率至关重要。

随着深海资源开发的不断深入，对深海采矿立管的结构健康监测（Structural Health Monitoring, SHM）技术提出了更高的要求。现有的监测技术在一定程度上能够满足需求，但在面对长距离、细长柔性结构时仍存在明显的局限性。传统的非破坏性检测（Non-Destructive Testing, NDT）方法，如磁共振成像和水下摄像系统，虽然能够提供较为直观的结构信息，但其成本高昂、适用性有限，并且难以实现对结构振动响应的持续、实时监测。相比之下，基于振动的监测方法则更具优势，它们通过安装加速度计、倾角计和应变计等设备，采集并分析结构的动态响应数据，从而评估其整体健康状况。这种方法不仅成本较低，还具备较高的自动化潜力，为深海采矿系统的智能控制提供了有力支持。

然而，对于深海采矿立管而言，传统的监测方法仍然面临诸多挑战。首先，由于立管的长度和柔韧性，其在动态环境下的变形模式极为复杂，传统的静态或强约束边界假设难以准确反映实际情况。其次，现有方法通常需要大量的传感器节点，以实现对整个结构的全面覆盖，这不仅增加了系统的复杂性和成本，也限制了其在实际工程中的应用。此外，由于深海环境的特殊性，传感器的安装和维护存在较大难度，特别是在动态边界条件下，如何确保监测数据的连续性和准确性成为亟待解决的问题。

为了解决这些问题，本文提出了一种基于稀疏倾角测量的深海采矿立管空间变形重构方法（Sparse Inclination Reconstruction for Mining Riser Spatial Deformation, SDR-MSI）。该方法的核心思想是通过稀疏布置的倾角传感器获取关键点的倾角信息，并结合空间曲线长度方程和动态坐标投影技术，对整个立管的三维空间形态进行高效重构。具体而言，立管的三维结构首先被投影到两个正交平面，随后通过双轴倾角计节点对结构进行离散化处理。每个结构段则被建模为二阶插值函数，从而在不依赖过多传感器的情况下，实现对整个立管空间变形的精确估计。

SDR-MSI方法的优势在于其对传感器布置的灵活性和对动态边界条件的适应性。与传统的“全局离散结构”建模方式不同，该方法通过减少模型的维度，降低了计算复杂度，使得在实际应用中能够更高效地处理大规模数据。此外，该方法能够有效应对传感器噪声和船舶GPS误差带来的影响，确保在不同噪声水平下，重构结果仍然保持较高的准确性和稳定性。在数值模拟实验中，SDR-MSI方法在1/9的传感器间距比下，实现了超过92.9%的重构精度，且相关系数在不同噪声条件下均保持在84.3%以上和83.4%以上，充分证明了其在深海采矿立管监测中的可行性与有效性。

为了进一步验证该方法的性能，本文构建了一个1000米规模的深海采矿系统有限元模型，使用OrcaFlex商业软件进行模拟分析。该模型涵盖了深海采矿船、900米的提升立管、7.5吨重的提升泵、400米带浮体的输送软管以及采矿车等主要组成部分。通过该模型，研究人员能够模拟实际作业环境中的各种复杂条件，包括强洋流、大浪和台风等极端环境因素，以及内部矿物流动对立管产生的影响。模拟结果表明，SDR-MSI方法在面对这些复杂条件时，仍能保持较高的重构精度和稳定性，为深海采矿立管的实时监测提供了可靠的技术支持。

在传感器布置优化方面，本文对SDR-MSI方法中的传感器位置进行了系统研究。考虑到立管在不同区域的变形模式可能存在差异，研究团队采用了两种主要的传感器布置策略：均匀布置和非均匀布置。均匀布置策略将传感器等距分布在整个立管上，这种方式虽然简单直观，但可能无法有效捕捉到某些关键区域的变形特征。而非均匀布置策略则允许研究人员根据立管的受力情况和变形趋势，灵活调整传感器的位置，以提高监测的精度和效率。例如，在立管可能发生较大变形的区域，如末端或弯曲处，可以增加传感器的密度，从而更准确地反映结构的变化。

在实际应用中，传感器的布置不仅要考虑其在结构上的分布情况，还要综合考虑海洋环境的影响。由于深海环境的复杂性和恶劣性，传感器的安装和维护需要高度可靠的技术支持。此外，传感器的通信能力和数据处理能力也必须满足实时监测的需求。因此，本文在研究过程中，不仅关注传感器的物理布置，还对数据采集和传输过程进行了优化，以确保在动态条件下，能够稳定、高效地获取和处理监测数据。

通过上述方法，SDR-MSI不仅能够实现对深海采矿立管空间变形的高精度重构，还能够在实际作业中提供实时的结构状态反馈，为系统的智能控制和安全运行提供重要依据。在实际工程中，这种技术的应用将有助于及时发现结构异常，采取相应的预防和修复措施，从而降低事故风险，提高作业效率。同时，该方法也为未来深海资源开发提供了新的技术路径，推动了深海工程监测技术的创新与发展。

本文的研究成果不仅适用于深海采矿立管的监测，也为其他类似长距离、细长柔性结构的监测提供了借鉴。例如，该方法可以应用于深海油气管道、海底电缆以及大型海洋结构的健康监测，从而为海洋工程领域的安全与效率提升提供新的解决方案。此外，随着传感器技术的不断发展，SDR-MSI方法的精度和适用范围还有望进一步扩大，为深海资源的可持续开发提供更加坚实的技术保障。

总的来说，本文提出了一种基于稀疏倾角测量的深海采矿立管空间变形重构方法，该方法通过引入维度缩减和动态坐标投影技术，克服了传统方法在传感器布置、计算复杂度和边界约束方面的不足。数值模拟实验表明，该方法在多种噪声条件下仍能保持较高的重构精度和稳定性，具有广阔的应用前景。未来的研究可以进一步探索该方法在不同海洋环境中的适应性，并结合先进的传感技术和数据处理算法，提升其在实际工程中的应用效果。通过不断优化和改进，SDR-MSI方法有望成为深海采矿系统结构健康监测的重要工具，为深海资源的高效、安全开发贡献力量。