基于现场监测与有限元轨迹的单桩海上风电机组物理一致的开放集退化筛查

《Ocean Engineering》：Physics-consistent open-set degradation screening of monopile offshore wind turbines using field monitoring and finite-element trajectories

　　

• 物理一致的开放集筛查通过在对异常施加方向性、幅值域和时间持续性约束，拒绝了缺乏支持的退化归因。
• 冲刷指纹仍可与上部结构软化相区分，而塔基和连接区退化表现出0.992的余弦相似度。
• 六处现场异常在有限元适用域筛选阻止了缺乏支持的机制分配后，被判定为库外状态而遭拒绝。

**引言**

海上风电机组是细长、轻阻尼且动力学敏感的结构，其支撑系统受到风、浪、流和岩土效应的耦合作用。随着风电机组容量、轮毂高度和基础直径的增加，对于单桩基础系统而言，结构柔性、疲劳、桩土相互作用以及连接性能变得越来越重要（Wu et al., 2019; Sunday and Brennan, 2021; Jahani et al., 2022; Sahu et al., 2024）。由于环境载荷占据不同的频率范围，它们的耦合作用无法通过简单叠加来表示。特定场地的风况、风电机组配置和风场布局也会影响结构载荷和性能（Ali and Jang, 2019; Ali et al., 2024）。风电机组运行、转子运动、风浪错位以及海床响应可能会进一步改变塔筒动力学特性（Buljac et al., 2022; Shi et al., 2023; Yu et al., 2023; Guo et al., 2024）。因此，支撑结构的状态评估至关重要，尽管监测响应很少与其物理原因一一对应。

单桩基础风电机组的低阶动力学特性由综合的风电机组-塔筒-基础-土壤系统控制。等效固结深度模型对假定的固结位置非常敏感，而泥面刚度矩阵和基于连续体的模型可以更真实地表示耦合的平移和旋转约束（Zaaijer, 2006; Gupta and Basu, 2020, Xu et al., 2027）。考虑桩土相互作用通常会降低固有频率并改变内力、阻尼和疲劳响应。现场调查还表明，识别出的频率和阻尼比会随载荷水平、土壤非线性和风电机组运行状态而变化。关于基础阻尼的假设也会影响泥面内力和停机状态下的动态响应，由此产生的不确定性可能会传播到疲劳寿命估计中（Carswell et al., 2015, 2022; Rezaei et al., 2018; Noren-Cosgriff and Kaynia, 2021; Chen et al., 2024）。因此，频率和响应幅值可以作为系统状态变化的敏感指标，但两者均无法独立识别特定的退化机制。

结构健康监测通过加速度、应变和倾斜度等测量值，实现对服役动态行为的连续表征，同时可以使用运行模态分析和统计模式识别技术提取低阶模态参数（Martinez-Luengo et al., 2016; Bajric et al., 2018; Zhang et al., 2023; Song et al., 2025）。连续振动和应变监测也已广泛应用于风电机组状态评估（Oliveira et al., 2016; Soyoz et al., 2021; Simoncelli et al., 2024）。然而，模态识别对记录时长、信噪比、转子谐波、环境变异性以及响应非平稳性仍然敏感。当叶片通过频率接近塔筒固有频率时，共振可能会进一步改变振动幅值和识别出的阻尼（Hu et al., 2015）。现场和数值研究表明，结构响应和模态特性会随风电机组运行状态而变化，包括启动、停机和待机状态（Xi et al., 2025; Ali et al., 2025b）。虽然当有足够完整的协变量信息时，基线回归和机器学习方法可以减轻环境和运行的影响（Zhao and Lang, 2019; Xiang et al., 2024），但短期监测活动往往缺乏全面的SCADA、风、浪和运行记录。因此，统计异常值指示的是与参考分布的偏差，而不是结构退化的直接证据。

冲刷、循环载荷引起的土壤退化、塔筒局部刚度损失，以及连接区域内部的磨损、滑移或松动，都可能引起结构整体动力学特性的相似变化。冲刷降低了土壤约束标高并增加了桩的有效悬臂长度，同时其演变过程可能涉及潮汐作用下的反复侵蚀和回填（Prendergast et al., 2015; Geng et al., 2024; Feng et al., 2025, Cheng et al., 2026）。当考虑土壤特性的空间变异性时，与不同冲刷状态相关的频率分布可能会重叠。因此，仅凭第一固有频率来估计冲刷严重程度可能会带来巨大的不确定性（Prendergast et al., 2018, Cheng et al., 2026）。连接区域内的损伤同样会改变载荷传递和整体刚度，以往的研究考察了灌浆连接的磨损、滑动接头行为、声发射、动态应变以及分布式光纤传感（Dallyn et al., 2017; Tziavos et al., 2020; Li et al., 2023; Islam et al., 2024; Xu et al., 2025）。这些研究表明，单个全局特征通常不足以唯一确定退化的位置或机制。

数据驱动和基于人工智能的方法已被应用于利用模拟或测量的环境数据进行冲刷识别、异常检测和结构响应预测（Jawalageri et al., 2024; Ali et al., 2025a; Abdelhak et al., 2025）。基于物理的模型、降阶模型、数字孪生和虚拟传感技术可以将候选参数的变化映射到相应的结构响应，从而为解释检测到的异常提供机制基础（Zhao et al., 2023; Jiang and Chen, 2025; Jiang et al., 2026; Zhang et al., 2026）。基于信息价值的研究表明，当决策模型定义明确时，结构和环境监测可以改进完整性管理决策（Long et al., 2020）。然而，在模拟域内的高精度并不一定保证模型在涉及未建模载荷、不确定土壤参数以及传感器差异的现场条件下仍然适用。其性能仍受限于训练数据的覆盖范围，以及对结构、载荷条件和边界条件所采用的假设。

现有方法解决了结构状态评估中的不同任务。无监督异常检测可以使用健康参考数据识别与冲刷相关的偏差，而无需标记的损伤样本（Abdelhak et al., 2025）。混合数字孪生将基于测量的模型更新与数据驱动预测相结合，以表征不同运行条件下的动力学特性（Bagirgan et al., 2026）。物理引导学习将模态敏感度纳入网络训练，以支持损伤定位和定量分析，包括以前未见过的损伤模式（Lei et al., 2024）。开放集学习可以利用健康和有限的已知损伤训练数据来区分健康、已知、未知和模糊状态（Shi et al., 2025）。

本研究探讨了在何种条件下，一个统计异常可以支持使用有限的模拟退化机制库进行解释。当只有聚合的监测特征可用、运行协变量不完整且缺乏独立确认的退化标签时，这个问题尤其相关。一个异常可能与模拟的退化方向相似，但超出了其建模的幅值范围。不同的机制也可能在可用的指标空间中产生几乎无法区分的响应。因此，筛查框架必须明确说明何时支持机制归因，以及机制可以被报告得多精确。

我们提出了一种适用性约束的开放集筛查框架，将统计异常与基于有限元的退化轨迹联系起来。该方法在方法学上的贡献是一组明确的规定，用于控制机制一致解释的接受和特异性。在DIf–DIA空间中，解释需要方向一致性、属于模拟幅值域以及足够的物理一致性证据。超出所有模拟域的异常保持未分配状态，包括那些方向相似度很高的异常。方向分离不足的机制被报告为一个组合组，而时间持续性控制着第3级升级。该框架使用逐小时监测特征和统计参考期，无需标记的现场退化样本即可进行分类器训练。对8.5兆瓦单桩风电机组168小时的监测数据的应用，展示了在这些约束条件下的筛查决策。在没有独立确认的退化事件的情况下，该演示并不能确立损伤识别的准确性或比较性能。

**章节片段**

**项目概况与监测数据**
所研究的结构是位于中国山东近海一处600兆瓦海上风电场的CLA4 8.5兆瓦单桩基础风电机组。该风电场位于离岸约32千米处，平均水深约30米。风电机组的主要结构参数总结于表1中，以支持后续对监测数据和有限元建模的分析。

为了促进风电机组服役期间的结构健康监测（SHM），……

**稳健的统计异常指标**
海上风电机组的监测响应表现出对环境和运行条件的显著依赖性。为了避免来自峰值、均方根值（RMS）及其衍生量的冗余贡献，选取了四个相对独立的逐小时统计特征来构建监测向量：双向倾斜响应的平均主频，f；塔顶的合成倾斜度均方根值，RMS θtop；合成……

**有限元模型与基线动力学**
在ABAQUS中建立了一个8.5兆瓦海上风电机组单桩基础的三维有限元模型，如图3所示。模型几何形状与实际风电机组的主要尺寸保持一致定义。机舱、轮毂和叶片被简化为塔顶的一个等效集中质量块，尺寸为8米×8米×5米（长×宽×高），以代表上部结构对整体惯性和低阶……

**实测响应特性**
图11总结了CLA4风电机组不同位置在大约168小时内的倾斜度响应统计量。塔顶的峰值和均方根值通常高于塔基；CLA4-2Y和CLA4-2X分别达到约2.0°和1.35°，这与悬臂型结构的高度依赖性放大一致。图11(c)显示了测量位置之间存在正负平均偏移，这可能反映了持续的载荷，……

**库外拒绝与方法边界**
所有六个候选项均缺乏支持的机制分配，这突显了检测统计偏差与解释其物理起源之间的区别。统计分数检测的是与参考分布的偏差，方向相似度评估的是与建模退化趋势的一致性，而幅值域则限制了超出模拟范围的推断。矩形域提供的是范围检查，而不是几何上的到轨迹的距离……

**结论**
本研究提出了一种基于物理一致性的开放集警告框架，适用于短期监测期、稀疏传感且缺乏退化标签条件下的单桩海上风电机组。该框架通过将异常与基于有限元的退化方向、模拟幅值域、证据阈值和时间持续性进行筛查，将统计异常检测与机制归因区分开来。未被指纹库支持的异常被拒绝，而不是……

**CRediT作者贡献声明**
李成健：撰写——初稿，软件，方法学，概念化。
熊春保：验证，监督，方法学，数据管理。
程新磊：撰写——审阅与编辑，软件，调查。
曹辉鹏：监督，方法学。
胡金林：监督，调查。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些利益或关系可能被认为影响了本文所报告的工作。

**致谢**
本研究受中国国家重点研发计划项目基金支持（2023YFC3009301）。作者衷心感谢华东勘测设计研究院新能源勘测院为本研究调查的海上风电机组提供现场监测数据及相关工程信息。

李成健 | 熊春保 | 程新磊 | 曹辉鹏 | 胡金林