基于区间灰关联分析和组合加权方法的海上风力涡轮机结构安全性评估

《RELIABILITY ENGINEERING & SYSTEM SAFETY》：Safety evaluation of offshore wind turbine structures based on interval grey relational analysis and combined weighting method

海上风电 Turbine 结构安全评估方法创新及验证

　　

李爱华|张琳

中国江苏省盐城市盐城工学院机械工程学院，邮编224051

摘要

海上风力涡轮机（OWT）结构的安全评估在确保海上风电系统的稳定运行、防止灾难性故障以及降低对操作人员和相关利益相关者的风险方面发挥着关键作用。为了更准确地评估OWT结构的安全性并解决评估过程中的不确定性，本文提出了一种新型的OWT结构安全评估模型，该模型结合了组合权重方法和区间灰关联分析（GRA）。该模型既适用于离散值评估指标，也适用于区间值评估指标，从而扩展了OWT结构安全评估方法的适用范围。此外，使用熵权重方法计算了客观权重。基于组合权重方法，将计算出的熵权重和投影追踪（PP）权重结合起来，得出综合动态权重。所开发的模型被用于评估OWT结构在停机状态和运行状态下的安全性。对比分析表明，新模型在OWT结构的安全评估中表现出更强的适用性和准确性，验证了其在指导OWT安全管理方面的潜力。

引言

化石燃料的日益稀缺和对环境保护的迫切需求推动了全球对可再生能源的关注[[1], [2], [3]]，而海上风电已成为一种重要的清洁能源解决方案。根据《2025年全球风电报告》[4]，到2024年底，全球海上风电累计装机容量达到了83.2吉瓦（图1(a)）。中国占总装机容量的50.3%，几乎是英国19.2%的三倍。到2024年，新的全球海上风电装机容量将达到8吉瓦（图1(b)），其中中国将贡献50.47%，表明中国将在这一领域的主导地位。该报告预测年复合增长率为21%，到2034年新增装机容量将达到350吉瓦。随着海上风电装机容量的持续扩大，海上风力涡轮机（OWT）的运行和维护面临重大挑战。正如先前的研究[5]所指出的，支撑结构的故障可能导致灾难性后果，包括涡轮机故障和电网中断。因此，早期故障检测和最小化停机时间对于减少经济损失和确保系统长期可靠性至关重要[6]。对OWT结构的全面健康监测和安全评估已成为应对这些挑战的关键策略。

已经有许多关于OWT安全性的研究。Wang等人[7]通过实验和有限元方法研究了大型OWT耦合的安全性能。Saeed等人[8]在空气和合成海水中进行了实验，以评估用于OWT的S355钢焊接件的短期和长期疲劳裂纹增长率。对于位于Block Island风电场的OWT，Hines等人[9]引入了连续监测系统。Kjeld等人[10]实验性地得出了OWT前两种模态形状的阻尼值及其最小不确定性界限。Moynihan等人[11]利用在不同运行条件下获得的测量数据，对6兆瓦OWT进行了振动系统识别和模型更新。Xu等人[12]提出了一种基于过渡马尔可夫链蒙特卡洛（TMCMC）方法的贝叶斯更新框架，并结合人工神经网络替代模型和并行计算来构建单桩OWT的虚拟模型。Yang等人[13]报告称，准确评估OWT的动态响应对其经济和安全设计至关重要。Jiang等人[14]提出了一种新的半主动涡流调谐质量阻尼器用于OWT振动控制，并讨论了其在各种动态载荷下的减振效果。Barhennat等人[15]指出，监测海底电缆的冲刷情况可以提高安全性、提高运行效率并降低电力成本。Guan等人[16]研究了OWT结构在浮冰载荷下的动态响应。Chang和Peng[17]对浮式OWT的支撑结构进行了设计优化。Xu等人[18]开发了一种创新的计算框架，为预测和防止极端海况下浮式OWT水下结构的故障提供了有价值的见解。数值模型和理论研究有助于确保OWT结构的安全性；然而，仍然存在不足之处。大多数现有研究仅关注结构性能的孤立方面[19]，缺乏评估OWT支撑系统整体安全性的综合框架。

为了解决这些不足，Dong等人[20]提出了一种使用PP和ECM的OWT结构安全评估方法。Xing等人[21]提出了一种基于AHP、EWM和GPD的8兆瓦OWT结构健康监测框架和新型评估方法。总之，OWT结构的安全评估是一个综合性问题，存在以下缺点：（1）使用恒定权重方法计算的评估指标权重可能不够全面和科学。它们忽略了评估框架内指标值动态变化与权重分配之间的关键相互关系。（2）尽管云模型已被用于解决OWT结构安全评估中的模糊性和随机性问题，但在评估指标值的随机性时存在局限性。因为它倾向于依赖正态分布，云模型可能难以适应评估指标值分布不符合这种模式的实际工程场景。

为了解决这些限制，本研究提出了一种结合组合权重方法和区间GRA的OWT结构新型安全评估方法。具体来说，为了解决固定权重方法固有的缺点，本研究引入了熵权重方法（一种广泛用于确定客观权重的技术[22,23]），并将其与固定权重相结合。基于这两种方法得出的权重的动态自适应组合权重模型整合了不同权重方案的优点，并建立了指标值变化与权重分布之间的动态相关性。此外，作为定量分析工具，GRA可以在不确定系统中评估各种因素之间的相关程度[24]，而无需明确的概率分布[25]。因此，组合权重和GRA的结合为提高OWT结构评估结果的合理性提供了有吸引力的替代方案。这种新方法的一个核心特点是通过熵权重方法和PP方法得出的客观权重的加权积分来生成动态自适应组合权重。接下来，采用区间GRA方法，通过将动态指标权重与灰关联系数相结合来确定评估样本的灰关联度。最后，将所提出的方法应用于OWT结构的安全评估，并在停机状态和运行状态下进行测试以验证其有效性。

本研究的创新之处如下：（1）通过全面考虑OWT结构评估指标的灰关联系数的离散程度，使用熵权重方法计算客观权重，并通过组合权重方法获得综合动态权重；（2）区间GRA方法有效解决了评估指标值安全隶属度的模糊性和随机性问题；（3）该方法为OWT结构的安全评估和管理提供了指导。

本文的其余部分安排如下。第2节详细介绍了组合权重方法和区间GRA。第3节建立了OWT结构的安全评估模型。第4节描述了所提出模型的实际工程应用。第5节讨论了所提出模型的有效性、优点和局限性。最后，第6节总结了本研究的结果。

节选内容

区间数论

区间数由Moore在1965年提出，适用于分析不确定数据。它们表示指定范围内的实数集合。这种表示不确定性的特性使其在多属性决策中广泛用于量化不精确的信息[27]。具体来说，如果问题中的数据是不确定的，但在给定范围内有明确的界限，区间数可以表达这些数据[28]。在评估过程中，

OWT结构的安全评估模型

在OWT结构的安全评估过程中，首先建立了结构安全的指标系统，所有指标都被分类为不同的等级。随后，根据区间数距离确定了每个安全评估指标的灰关联系数。使用动态权重方法计算了这些评估指标的权重。最后，通过综合考虑指标的动态权重得出了整体安全等级

案例研究

在本节中，将所提出的方法应用于OWT结构的安全评估案例研究。进行了对比分析和敏感性分析以验证该方法的有效性。下面描述了OWT结构安全评估的实现工作流程。

对比分析和模型合理性

为了验证所提出的安全评估模型，与Dong等人[20]提出的方法进行了对比分析，结果如表4所示。样本A-C的结果在两种方法之间一致，表明所提出模型的基本可靠性。然而，样本D的结果存在差异：我们的模型将其分类为I级（健康），而先前的研究[20]将其分类为II级（良好）。

这种差异源于根本性的差异

结论

本研究通过结合组合动态权重方法和区间GRA，开发了一种新型OWT结构安全评估模型。该模型成功应用于评估OWT结构在运行状态和停机状态下的安全性，证明了其实际效用。主要结论总结如下：

• (1)
  使用熵权重方法确定客观权重，捕捉了评估指标值中的信息变异性

作者贡献声明

李爱华：概念构思，撰写——初稿。张琳：资金获取，撰写——审稿与编辑，可视化。

数据可用性

本工作中的数据可应要求提供。

CRediT作者贡献声明

李爱华：撰写——初稿，概念构思。张琳：撰写——审稿与编辑，可视化，资金获取。