面向浮动平台的原位监测：基于单目无标记视频、利用几何锚定循环扩散方法实现长序列运动重建

《MECHANICAL SYSTEMS AND SIGNAL PROCESSING》：Towards in-situ monitoring of floating platforms: geometry-anchored recurrent diffusion for long-sequence motion reconstruction based on monocular marker-free video

　　

浮动平台的长序列运动重建对于响应辅助监测至关重要，因为下游的张力估算和疲劳相关评估依赖于时间一致的运动历史，而非孤立的姿态估计。在实际的海上应用中，直接且准确的长期原位测量尤为困难，因为单目无标记视觉受到有限几何可观测性、全序列标签不可用性以及长时间运行下不断增长的漂移风险的限制。为应对这些挑战，本研究开发了一种面向单目无标记观测下浮动平台的新响应辅助视觉监测框架。该框架结合了几何锚定伪监督、基于循环扩散的时间推断、面向稳定的长序列跟踪以及在采用的简化系泊模型下的下游张力和损伤等效载荷（DEL）计算。该方法通过基于 OpenFAST 的主要案例、消融实验、补充视角分析、受控水槽试验演示、变化激励和受控视觉干扰下的鲁棒性评估以及运行时间评估进行了验证。结果表明，主导平台运动能够以稳定的长序列行为被重建，同时循环时间推断和可靠性感知稳定化在保持序列连续性和抑制漂移积累方面发挥着互补作用。通过将基于学习的重建与面向稳定的时间推断相结合，所提出的框架弥补了在长序列上实现计算高效且时间一致的运算重建这一关键方法论差距，即使在视觉退化条件下也是如此。这种能力展示了海上基础设施原位监测的潜力。在采用的具有轴向弹性的准静态系泊模型下，重建的运动保留了系泊张力和下游 DEL 估算所需的主要信息，从而促进了疲劳相关评估。

**引言**

随着风能的持续扩展以及海上浮动风电从试点项目走向更广泛的部署，海上浮动风力发电机及相关浮动平台作为长寿命能源基础设施正受到越来越多的关注 [1]。在这些系统中，平台运动、系泊载荷、结构响应和疲劳积累在耦合的风、浪和流激励下演变，并共同影响结构完整性、操作安全和使用寿命 [2]，[3]。由于系泊组件经历持续的循环载荷，可能成为完整性评估和寿命管理决策的关键位置 [4]，浮动结构的结构健康监测变得越来越重要 [5]，[6]，并且应超越可见损伤或瞬时运动学，扩展到载荷和疲劳相关量，如截面载荷、导流环张力和损伤等效载荷（DEL）[7]。

在海上环境中，长期获取此类工程量仍然困难。海上和海洋结构健康监测的综述始终强调恶劣的运行条件、高实施复杂性以及传感器部署、数据采集和维护的实际负担 [8]，[9]。在海洋工程应用中，浮动平台和系泊系统的传统监测技术提供了有价值的测量数据，但在部署要求和测量特性方面存在显著差异。基于 GPS/GNSS 的系统可以提供绝对低频位置信息，并已用于全尺寸浮动风电监测行动，但其精度受卫星可见性、多径效应、天线安装和海上环境条件的影响 [10]，[11]。惯性传感器提供高频率加速度和姿态相关测量，并已用于风机载荷重建，然而从惯性数据估算位移需要校准、积分或数据融合以控制漂移 [12]。水下应变片、载荷单元和系泊线张力传感器可以提供更直接的载荷相关测量，但其安装、电缆布线、防腐蚀、防水和长期维护对于海上和改造应用仍然具有挑战性 [13]，[14]。立体视觉或基于标记的视觉可以提高三维可观测性，但它需要人工目标或多相机同步、校准和重叠视场 [15]。然而，基于视觉的系泊监测仍相对缺乏探索，特别是针对海上浮动风电平台的单目无标记观测。综上所述，这些限制确立了对于具有更低物理侵入性、更少现场安装组件和更好可扩展性的原位监测策略的明确需求，从而为实用的海上海洋工程监测铺平了道路。

在这些限制下，平台运动提供了一种合适的中间状态，因为它便于连续、非侵入式监测，反映了浮动结构的全局动态行为，并通过导流环运动学、系泊几何和响应传递关系与下游工程量联系起来。最近的研究表明，平台运动时间序列可用于估算系泊线的导流环张力历史和损伤等效载荷 [13]，并且平台运动也可被视为实时系泊疲劳评估的间接疲劳响应 [14]。尽管平台运动在张力和疲劳相关评估中的下游应用已受到越来越多的关注，但在实际监测中获取连续运动历史的上游任务仍较少被探索。

基于视觉的结构健康监测已从裂纹检测和本地损伤识别扩展到位移测量、振动感知、模态识别和更广泛的状态评估 [16]，[17]，[18]。在这些研究方向中，位移测量已成为基于视觉的结构监测中最成熟的分支之一，最近的研究和综述表明，在结构变形和动态响应的非接触且日益自动化的测量方面取得了持续进展。[19]，[20]，[21]。实地研究表明，除了广泛的实验室验证和短期演示外，基于视觉的变形监测正朝着更长期和更稳定的工程部署迈进，同时仍面临着环境干扰、硬件效应和跟踪不确定性的挑战 [22]，[23]，[24]。这些发展为海上非接触监测提供了坚实基础，并与远程观测、灵活传感器放置和减少物理干预的需求高度契合。

随着基于视觉的监测更接近实际的海上部署，简化观测配置变得越来越重要。单目传感尤其具有吸引力，因为其减少的硬件和校准要求有利于长期现场部署 [25]，[26]，[27]。现有研究表明，单目视觉可以支持三维位移测量，在某些情况下甚至可以恢复六自由度运动，基于 CAD 的姿态推断、实时单目测量和无辅助设备单相机配置受到了越来越多的关注 [28]，[29]，[30]。对于实际部署，这种单目观测可以作为结构健康监测工作流的一部分集成到定期检查或计划维护中。在这些检查窗口期间，可以携带 RGB 相机于检查船、无人机（UAV）或机器人检查平台上获取浮动平台的运动视频，这与浮动海上风力发电机运维中日益增加的机器人和无人机检查使用相符 [31]，[32]，[33]。

对人工标记和辅助参考物体的依赖在长期现场使用中变得日益具有限制性，因为相机校准、位移测量和坐标变换通常依赖于已知目标或控制点，而这些目标或控制点在海上安装和维护要求更高 [34]。虽然此类策略支持了许多成功的研究，但在海上应用中，它们直接转化为额外的安装、检查和维修负担。在无标记观测下，主要困难转移到了特征点不足、错误检测、遮挡、漂移积累和环境干扰上 [18]，[24]。然而，对于浮动平台，结构几何（如 CAD 模型）通常已经可用，并且可以提供比现场安装标记更兼容部署的姿态推断先验。在这种情况下，经典校准几何方法继续提供重要基础，相关的几何姿态估计问题已在文献中广泛研究和综述 [35]。特别是，可以通过透视三点（PnP）公式从校准的 2D-3D 对应关系中恢复相机姿态，包括透视三点（P3P）方法和高效的 PnP 变体（EPnP）[36]，[37]。最近的一项研究利用装有标记的立体视觉在海上浮动光伏系统中恢复平台位置以进行系泊张力监测 [15]，但在单目无标记条件下可靠的长序列六自由度运动重建仍主要未被解决。

当监测目标从姿态和相对运动观测扩展到绝对运动跟踪、载荷估算和疲劳相关评估时，连续时间历史变得至关重要。对于浮动平台，这使得长序列运动重建比孤立的逐帧姿态估计更重要。在此，长序列既是视觉要求也是工程要求。在计算机视觉中，长期跟踪基准，如大规模单物体跟踪基准（LaSOT），使用平均长度约为 2500 帧的序列来评估长序列稳定性，相关综述指出长期跟踪通常涉及分钟级甚至小时级持续时间，目标消失和重新出现更频繁 [38]，[39]。在无标记长序列重建下，局部歧义和帧级误差可能积累并发展为漂移，破坏轨迹稳定性和可用性 [40]。从浮动风电载荷评估的角度来看，时间历史长度也是一个工程要求，因为 10 分钟的模拟通常作为随机载荷分析的基本单元，通常需要多个实现来获得更稳定的疲劳相关统计量 [41]，[42]。

长序列运动重建还引入了计算约束。许多基于视觉的监测工作流程仍然严重依赖录制后处理，其中相机临时部署，视频本地存储，结构响应离线提取 [43]。随着观测窗口变长和采样变得更加密集，数据量、处理延迟和推断效率越来越影响监测可用性。最近的研究通过图像压缩、实时三维位移测量和增量学习解决了这些问题 [44]，[45]，[46]。对于本研究调查的问题，预期运动重建在计算上是及时的，以便长序列运动历史可以高效地交付给下游工程操作。在这种情况下，反复执行逐帧几何优化在长序列上越来越难以维持。因此，需要一种基于学习的时间推断方法来改进序列级效率，同时支持高效的操作和决策。

综上所述，本研究旨在解决从单目无标记视频观测中重建浮动平台长序列六自由度运动的障碍，同时进一步检查恢复的运动是否能够支持载荷估算和疲劳相关评估。与逐帧姿态估计不同，这种单目、无标记、长序列任务缺乏全序列真值（GT）姿态标签，提供的几何可观测性有限，且易受积累漂移的影响。其下游工程操作对时间连续性、轨迹稳定性和计算实用性提出了额外要求。具体而言，本研究开发了单目无标记观测下浮动平台的响应辅助视觉监测框架。与非接触传感类别中现有的基于标记的立体光学方法相比，所提出的框架利用已知的平台几何和时序稳定化，从单目无标记 RGB 视频中重建长序列 6 自由度平台运动，而不需要人工目标、双目校准、同步采集和重叠相机覆盖。主要贡献如下：
* 建立了面向浮动平台的响应辅助视觉监测框架，在采用的具有轴向弹性的简化准静态系泊模型下，将单目无标记视频观测、长序列运动重建与下游张力和疲劳相关评估联系起来。
* 针对完全无标记的无标记视频开发了几何锚定伪监督策略，实现了无需人工姿态标注的时序连贯伪轨迹构建。
* 开发了基于循环扩散的时间推断方法，用于长序列运动重建，通过从结构化单目观测中递归预测帧间运动增量来实现。
* 引入了可靠性感知稳定化机制，以抑制漂移积累、突变跳跃和轨迹分散，从而提高长序列上重建运动历史的时间和稳定性。

本文其余部分组织如下。第 2 节描述了长序列运动重建及其下游响应辅助扩展的所提方法。第 3 节展示了从运动重建角度获得的验证结果。第 4 节从下游张力估算和疲劳相关评估的角度检查了重建的运动。第 5 节讨论了本研究的主要发现、意义和局限性。最后，第 6 节总结全文。

**方法部分片段**

**方法学**
本节说明了从单目无标记视频中重建长序列平台运动的所提方法的整体框架。主要组件包括几何锚定伪监督、基于循环扩散的时间推断、面向稳定的跟踪以及随后的下游张力和 DEL 计算。

**框架实施与可行性演示**
本节考察所提出的框架是否能够在单目无标记观测下，以足够的精度、时间稳定性和几何一致性重建长序列的平台运动，使得恢复的运动历史能够支持随后的响应辅助评估。验证包括六个部分，即基于 OpenFAST 的主要案例、消融实验、补充视角和跨视角分析、无需模型变化的鲁棒性评估以及下游张力和 DEL 估算基于重建的运动

**基于重建运动的下游张力和 DEL 估算**
本节使用重建的运动进行下游张力和 DEL 估算。遵循第 2.5 节的公式，本节的重点放在张力水平的一致性以及在采用的运动到张力到 DEL 计算链中疲劳相关量的比较上。

为便于比较分析，对重构运动和地面真值（GT）运动均应用了相同的具有轴向弹性的准静态系泊模型，以生成两种

讨论

本研究专注于从单目、无标记视频中重建浮动平台的长序列运动，并将下游张力和损伤等效载荷（DEL）计算作为工程扩展。讨论还考虑了实现海上结构原位、高效重建所需的计算可行性。

结果显示，所提出的框架在长序列方面实现了所需的精度、稳定性和高计算效率

结论

本研究开发了一种面向单目、无标记观测条件下浮动平台的响应知情视觉监测框架。通过结合几何锚定伪监督、基于循环扩散的时间推断、面向稳定的长序列跟踪以及下游姿态到响应扩展，该框架重建了长序列平台运动，并为海上结构疲劳相关评估提供了可行路径。主要结论如下

CRediT 作者贡献声明

刘亦宣：写作——审阅与编辑、写作——原稿撰写、可视化、验证、软件、方法论、调查、形式分析、数据整理、概念化。
邹尚炎：写作——审阅与编辑、资源、数据整理。
周源野：写作——审阅与编辑、调查。
周凯：写作——审阅与编辑、写作——原稿撰写、验证、监督、资源、项目管理、调查、经费获取、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有任何已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

本研究由香港理工大学可持续城市发展研究院（RISUD）和钢结构国家工程研究中心（香港分部）的研究项目资助。

刘亦宣 | 邹尚炎 | 周源野 | 周凯