《Journal of Marine Science and Engineering》：Multi-Level Kinematic Spectral Response of a Floating Offshore Wind Turbine: Baseline Analysis Using Field Measurement Data
编辑推荐：
漂浮式海上风力机（FOWT）承受气动—水动—伺服—弹性耦合激励，在不同测量高度产生结构上不同的运动学响应。尽管现场监测活动日益部署多层级惯性传感器，但对于运行中的FOWT，响应能量在测量层级间的定量频谱分配及其与运行和环境条件的关系仍鲜有表征。本研究利用在20
漂浮式海上风力机（FOWT）承受气动—水动—伺服—弹性耦合激励，在不同测量高度产生结构上不同的运动学响应。尽管现场监测活动日益部署多层级惯性传感器，但对于运行中的FOWT，响应能量在测量层级间的定量频谱分配及其与运行和环境条件的关系仍鲜有表征。本研究利用在2023年4月18日至23日为期六天的监测活动中，于中国近海某半潜式FOWT上以8 Hz同步采集的塔基与机舱捷联惯性测量数据，开展了系统性的多层级频谱分解。来自每个传感器的六个运动学通道——三个平动加速度分量和三个平动速度分量——被分解为四个具有物理意义的频带：漂移（0.005–0.05 Hz）、波浪（0.05–0.30 Hz）、结构（0.30–0.50 Hz）和转子（0.50–0.80 Hz）。定义了三个导出的标量指标——带能量比（BER）、波浪对结构主导比（WSDR）和结构放大因子（SAF）——并提供了完整的计算规范与参数灵敏度分析以确保可复现性。在涵盖多种工况（平均风速4.2–12.1 m/s，有效波高0.8–3.1 m）的36个十分钟窗口中，结果显示出显著且一致的频谱分离：塔基强烈地以波浪为主导（BER = 75.9%，日间变异系数CV = 15.0%），而机舱则表现出显著升高的结构带能量（BER = 10.3%，相对塔基放大4.72倍，95%置信区间[3.63, 5.81]）和转子带能量（11.8%，放大3.77倍）。塔基处的WSDR（均值200.9，95%置信区间[101.4, 300.4]）超过机舱处（均值48.4，95%置信区间[13.1, 83.7]）达4.1倍。单因素方差分析（ANOVA）显示，机舱结构带BER受SCADA运行工况（F = 8.92，p = 0.006，偏η2 = 0.24）和有效波高（F = 4.35，p = 0.023，偏η2 = 0.24）的显著调制，而塔基波浪带BER主要由H_s（F = 15.33，p < 0.001，偏η2 = 0.53）驱动。与基线特征——均方根加速度、频谱峰值频率和传统宽带能量比——的比较表明，带分辨BER比聚合指标能更精细地区分激励机制。重要的是，监测期间未发生结构损伤事件；因此，所报告的特征稳定性被解释为正常工况下的基线表征，可为未来异常检测提供支持，但尚不构成损伤检测能力的验证。提供了全面的局限性评估，涵盖单机验证、频带敏感性、工况样本不平衡和泛化性约束。
论文解读：漂浮式海上风力机多层级频谱响应的基线特征分析
**一、研究背景与问题**
全球海上风电装机容量在2025年已超过75 GW，其中漂浮式风电占比虽小但增长迅速，并逐步向更深水域和更恶劣波浪环境推进。漂浮式海上风力机（FOWT）承受气动—水动—伺服—弹性耦合激励，其结构响应随测量高度不同而呈现显著差异，因此需要持续监测以确保运行安全、优化维护计划并验证设计假设。塔基与机舱是两个关键测量位置：塔基加速度反映塔架—机舱组件传递至基础的集成结构响应，而机舱处转子动力学、控制系统作用和上部塔架弯曲模态最为突出。然而，一个基本但尚未充分研究的问题是：塔基与机舱传感器所捕获的结构行为信息是冗余的还是互补的？这一问题的答案对传感器布置优化、冗余设计以及利用空间分集性的多层级监测特征开发具有重要意义。
既有现场监测大多针对固定式风机。例如，周等人对中国如东4.0 MW单桩风机布置五加速度计阵列，发现最大加速度位置随运行状态在塔底与塔中之间移动；布洛克岛与弗吉尼亚海岸海上风电场建立了四高度加速度阵列，实现了自动化运行模态分析（OMA）和数字孪生框架。然而，针对漂浮式风机的多层级塔架结构响应现场研究仍然稀少。WindFloat示范项目虽配备机舱加速度计，但未系统量化多层级频谱能量分配。仿真研究如Ahn等人利用OpenFAST分析15 MW半潜式FOWT塔顶与塔基俯仰力矩相关性，Bai等人实验证实和频波浪激励引起塔架显著高频响应，但均未基于同步现场数据系统量化频谱能量在不同测量高程间的分配。因此，本研究旨在填补这一空白，利用同步的塔基与机舱惯性测量数据，对运行中的半潜式FOWT开展多层级频谱分解，量化四个物理定义频带内的能量分配，并评估其与运行和环境条件的关系。
**二、研究内容概览**
研究团队在中国近海（约21.26° N, 111.65° E）一座三柱半潜式漂浮式风力机上开展了为期六天（2023年4月18日至23日）的现场监测。风力机为多兆瓦水平轴机组，水深约30 m。两台MN400A捷联惯性导航系统分别安装于塔基接口（海拔约10 m）和机舱内（海拔约90 m），以8 Hz同步采样，提供三轴加速度和三轴速度共六个运动学通道。SCADA系统记录了869个运行参数，共位声学波浪仪提供每小时的环境统计量。研究将每个传感器的六个运动学通道分解为四个物理频带：漂移（0.005–0.05 Hz）、波浪（0.05–0.30 Hz）、结构（0.30–0.50 Hz）和转子（0.50–0.80 Hz），并定义了三个标量指标：带能量比（BER）、波浪对结构主导比（WSDR）和结构放大因子（SAF）。全周期共提取36个十分钟窗口，涵盖风速4.2–12.1 m/s、有效波高0.8–3.1 m的多样工况。
**三、主要方法与技术**
研究采用以下关键技术方法：（1）利用两台MN400A捷联惯性导航系统，在塔基和机舱两处同步采集三轴加速度与三轴速度信号；（2）采用Welch方法估计功率谱密度（PSD），参数为512样本汉宁窗、50%重叠和2048点零填充；（3）定义四个物理频带并计算带能量比（BER），即各频带内单侧谱能量占总谱能量的比例；（4）构建波浪对结构主导比（WSDR）与结构放大因子（SAF）两个导出指标；（5）利用SCADA数据划分运行工况（停机/怠速、部分负荷、过渡、额定功率）并对有效波高和风速进行环境分层；（6）采用单因素方差分析（ANOVA）和非参数Kruskal–Wallis检验评估各因素对频谱指标的统计显著性，同时计算Pearson和Spearman相关系数；（7）进行参数灵敏度分析，检验窗口时长、PSD段长度和重叠率对BER估计的影响。样本来源为上述中国近海半潜式FOWT的现场实测数据。
**四、主要研究结果**
**4.1 总频谱能量分布**：塔基处以波浪带能量为主，占比75.9%（日间CV = 15.0%）；机舱处结构带能量显著升高至10.3%（相对塔基放大4.72倍，95% CI [3.63, 5.81]），转子带能量达11.8%（放大3.77倍，95% CI [2.97, 4.57]）。漂移带在两处贡献均低于2%。这一塔基波浪主导、机舱结构升高的频谱分离模式在六天中逐日保持一致。
**4.2 逐通道方向分解**：六个运动学通道均保持一致的定性模式。经机舱偏航角旋转至前后/侧向坐标后，塔基波浪带能量前后向（65.3%）强于侧向（56.9%），与主波向一致；机舱结构带能量侧向（21.8%）强于前后向（12.3%），表明该监测期间一阶塔架弯曲主要参与侧向运动。
**4.3 频谱质心移动**：塔基频谱质心集中于0.13–0.18 Hz（波浪带），机舱呈双峰分布（峰值在0.16 Hz和0.35 Hz）。平均质心从0.168 Hz移至0.214 Hz（增加27.4%，p < 0.001）。
**4.4 基线特征比较**：宽带能量比给出的机舱/塔基比为0.89，几乎无法区分两处响应；频谱峰值频率移动（0.14→0.22 Hz）提供中等区分度，但将多频带信息压缩为单值。带分辨BER提供了更丰富、机制可解释的区分能力。
**4.5 波浪对结构主导比（WSDR）**：塔基WSDR均值200.9（95% CI [101.4, 300.4]），机舱均值48.4（95% CI [13.1, 83.7]），前者为后者的4.1倍，逐日比率介于2.4至20.3倍之间。塔基WSDR总体随有效波高增加而上升。
**4.6 SCADA工况分层分析**：工况分布不平衡（部分负荷84.6%，额定功率6.6%）。ANOVA显示SCADA工况对机舱结构带BER有显著影响（F = 8.92，p = 0.006，偏η2 = 0.24），对塔基波浪带BER的影响接近显著性（F = 3.73，p = 0.064）。
**4.7 SAF基线表征**：SAF平均值为5.80（SD = 4.33，CV = 72.8%），表明其应视为候选基线特征而非稳定指标。SAF与各环境参数相关微弱（|r| < 0.25），在所有测试指标中对环境最不敏感，最有潜力作为结构基线特征。
**4.8 环境分层分析**：塔基波浪带能量随有效波高单调增加（71.5% → 74.3% → 87.9%），结构放大（NC/TB约4–5倍）在所有海况下均保持。低风速下机舱结构带BER升高（14.1%），与气动阻尼降低一致。
**4.9 综合统计评估**：单因素方差分析揭示了三个层级模式：塔基波浪带BER受有效波高强烈调制（F = 15.33，p < 0.001，偏η2 = 0.53）；机舱结构带BER受SCADA工况（p = 0.006）和有效波高（p = 0.023）中等调制；其余多数指标—因素组合弱或不显著。SAF与环境参数的相关性均为最弱，塔基WSDR与有效波高相关性最强（r = 0.55，p = 0.002）。
**五、讨论与结论**
讨论部分指出，塔基响应以波浪诱发平台运动的准静态传递为主导，这与一阶弯曲模态节点靠近塔基一致；机舱位于反节点，弯曲诱发加速度最大，且3P转子气动激励经传动系统传播。频带归属存在固有不确定性：1P转子频率（0.15–0.20 Hz）与波浪带部分重叠，结构带可能包含二阶波浪差频贡献。现场PSD与转子谐波叠加分析证实，塔基PSD在波浪带内1P处清晰峰值，机舱PSD在转子带内3P处主峰，证明谐波重叠不可忽略。塔基与机舱水平加速度的互谱相干性在所有频带均低（< 0.3），表明两处响应非简单刚体共同传递，支持机舱结构放大是独立物理机制。SAF和WSDR作为候选特征各有侧重：SAF弱环境相关且中等稳定，符合其反映塔架几何与材料属性的假设；WSDR与有效波高相关，可作为环境代理指标。研究建议采用双指标监测策略、多频带阈值和工况条件基线。研究结论为：塔基响应波浪主导、机舱结构带和转子带能量显著升高的量化频谱分离；塔基WSDR与有效波高相关；SAF弱环境相关但损伤敏感性未验证；机舱结构BER受工况和有效波高调制，塔基波浪BER由有效波高驱动；多层级测量信息互补，支持多层级仪器布置。该研究为FOWT多层级频谱响应建立了定量基线，但需长期多机监测、损伤模拟和受控实验方可验证实际损伤检测能力。
