2024年, 第42卷, 第13期　刊出日期：2024-07-13

  

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专题：海洋工程装备智能化

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  加快智慧海洋建设，推进人工智能对海洋工程装备的变革

  吴有生

  科技导报. 2024, 42(13): 1-5.

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  海洋是远未充分开发、人类社会赖以生存和持续发展的资源宝库，世界经济和军事竞争的重要领域。开发深海资源与发展海洋经济、改善海洋环境与保护海洋生态、振兴海洋科学与占领前沿阵地、维护海洋权益与保卫国家安全，必须有强大的船舶和海洋工程装备技术与产业的支撑能力。数字化转型和智能化升级则是推动海洋工程装备技术与产业实现高质量发展，推动海洋开发和智慧海洋建设的现实要求和重要驱动力。
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  深水油气平台水下结构运维机器人技术进展

  姜哲, 赵宇, 黄建虾, 王芳, 陈祎, 罗传坤, 罗高生

  科技导报. 2024, 42(13): 6-15. https://doi.org/10.3981/j.issn.1000-7857.2023.09.01367

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  “深海一号”半潜式生产储油平台的投入使用标志着中国深水油气田开发能力和深水海洋工程装备建造水平实现了走进深水的重大跨越。总结了近10年海洋工程领域新型的水下结构运维专用机器人，综述了清洗、检测和维修等水下运维机器人技术国内外发展现状，分析了新型机器人所特有的共性关键技术问题，探讨了基于路径规划与自主导航的水下自主作业技术、基于数字孪生与人工智能技术的水下运维作业模拟与应急预案评估、多传感器融合的水下作业技术等水下运维机器人智能化技术发展趋势。
专题：海洋工程装备智能化
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  海洋工程典型装备智能化研究进展

  阎军, 苏琦, 许琦, 杨建业, 陈金龙, 卢海龙, 武文华

  科技导报. 2024, 42(13): 16-26. https://doi.org/10.3981/j.issn.1000-7857.2024.03.01195

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  为了推动海洋工程装备智能化发展、加快智慧海洋工程装备建设，综述了海洋油气资源开发中关键装备的实践创新，包括海洋柔性立管及脐带缆、海洋浮体结构以及海洋结构监测技术3个研究领域。首先，通过对现阶段的海洋柔性立管及脐带缆发展现状进行系统阐述，总结了智能算法在结构分析与设计中的探索尝试；其次，介绍了海洋浮体结构的理论模型、数值模拟和模型实验在智能化方向的发展历程，指出了现阶段分析技术的局限性及未来的重点研究方向；最后，梳理了海洋装备结构智能化监测技术的应用研究，强调了监测技术作为智能感知的重要途径，在未来的发展中将逐渐标准化与智能化。随着信息技术高速发展，传统自动化手段难以解决海洋装备运维过程中面临的新挑战。全面感知、实时互联、分析决策、自主学习、动态预测以及协同控制等多种智能化技术综合应用于海洋工程装备，已经是未来发展的必然趋势。
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  基于GBRT模型的海洋平台结构裂纹扩展识别

  李阳, 苏馨, 代彤彤, 张崎, 黄一, 贾子光

  科技导报. 2024, 42(13): 27-35. https://doi.org/10.3981/j.issn.1000-7857.2023.09.01363

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  某海洋平台在多次维修中发现在生活楼与甲板连接的角隅处的裂纹有扩展现象，提出了根据裂纹周边多维应变进行裂纹长度识别的思想。搭建了含有初始裂纹的海洋平台有限元模型，以多维应变数据和对应裂纹长度分别作为机器学习模型特征输入与输出，通过梯度回归提升树（GBRT）模型对裂纹长度进行预测。测试结果表明，该模型对裂纹长度预测MSE（均方误差）值可达0.0006，R²可达0.9991，且该模型对噪声有良好的抗干扰性。
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  基于谱位移格式的复杂切口功能梯度板自由振动等几何分析

  杨少伟, 孙贤波, 蔡志勤, 卢海龙, 杨志勋

  科技导报. 2024, 42(13): 36-47. https://doi.org/10.3981/j.issn.1000-7857.2023.09.01364

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  为分析具有复杂切口的功能梯度板自由振动响应，基于一种新的准三维高阶剪切变形理论（谱位移格式）的等几何分析方法被用来预测带切口板的动力特性。谱位移格式将未知位移场展开为厚度方向上特殊形式的切比雪夫级数，具有精度高，以及避免剪切闭锁问题的特性，对薄厚板的分析具有很好的通用性。利用达朗贝尔原理和虚功原理推导了功能梯度板自由振动的控制方程，并利用等几何方法对方程进行离散和求解。通过对数值算例的计算，以及与现有参考结果的比较，证明了提出的分析方法能够准确有效地分析具有复杂切口的功能梯度板自由振动问题。
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  海洋环境下金属管道力-腐蚀电场耦合特性分析

  夏江敏, 丁建伯, 苏里阳, 张雨杭, 张丹

  科技导报. 2024, 42(13): 48-53. https://doi.org/10.3981/j.issn.1000-7857.2023.09.01365

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  对于存在预紧力和腐蚀缺陷的金属管道，在缺陷处经常发生局部弹塑性形变，并影响金属管道的腐蚀电场特性。以存在椭球形腐蚀缺陷的20^#钢金属管道为研究对象，建立了金属管道弹塑性应力应变与局部电化学腐蚀的力学-电化学耦合模型，研究了不同拉伸位移对金属管道应力分布和腐蚀电场特性的影响。结果表明，不同拉伸位移下，Mises应力、腐蚀电位、腐蚀电流密度和腐蚀电场模值大小均相对缺陷中心对称分布，最大值均出现在腐蚀缺陷中心处，且数值均随着拉伸位移增大而增大。塑性变形阶段对缺陷局部电化学特性的影响显著大于弹性变形阶段。腐蚀缺陷处的腐蚀由一系列微小原电池组成，拉伸位移增大将加快缺陷处腐蚀速度。
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  基于虚拟激励法的隔震LNG储罐随机地震响应分析

  刘富鹏, 叶忠志, 孙晓旭, 秦玉良, 王立佳, 余建星, 王晓虎, 雷鸣, 李浩然

  科技导报. 2024, 42(13): 54-61. https://doi.org/10.3981/j.issn.1000-7857.2023.09.01366

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  基于等效线性化法和虚拟激励法，对地震激励下的圆柱形LNG（液化天然气）隔震储罐进行了随机振动分析，研究了隔震储罐的液位与形状对随机地震响应的影响。首先，基于加速度反应谱，根据Kaul方法得到了地震动功率谱密度函数，并建立了LNG储罐的HarounHousner模型。其次，根据等效线性化方法得到了隔震系统的等效刚度和等效阻尼，建立了等效线性系统的频域运动方程，并应用虚拟激励法进行求解。最后，在数值算例中，计算了不同液位与半径下隔震储罐的随机响应，研究了储罐半径和液位高度对响应的影响，为隔震储罐的优化设计提供一定的参考。
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  平台耦联作用下的悬链线型柔性立管涡激振动响应实验

  朱红钧, 刘文丽, 宋金泽, 高岳

  科技导报. 2024, 42(13): 62-72. https://doi.org/10.3981/j.issn.1000-7857.2023.06.00934

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  悬链线型柔性立管在涡激振动与平台涡激运动的耦联作用下，存在潜在疲劳失效风险。采用高速摄像机非介入式监测了柔性立管的平面内与平面外振动位移，并利用激光位移传感器同步测量了上部平台的横荡和纵荡位移。实验判别了平台运动与立管振动的强耦联和弱耦联，其中，强耦联又分为立管振动主导和平台运动主导2种。立管平面内与平面外的振动本身存在耦合效应，其耦合强度有明显的时空变化。受平台纵荡的影响，立管上部的平面内、平面外振动出现解耦现象。由于立管振动空间上存在频率竞争，基于机器学习预测不同位置振动所需的样本数不同，频率竞争剧烈的立管中部所需样本数最多，其次是受到平台运动影响的上部管段。
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  LNG耐超低温柔性管道实验测试研究进展

  英玺蓬, 阎军, 张凯仑, 曹慧鑫, 步宇峰, 卢青针, 杨志勋

  科技导报. 2024, 42(13): 73-85. https://doi.org/10.3981/j.issn.1000-7857.2023.09.01368

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  耐超低温柔性管道是开采、运输、存储液化天然气（LNG）过程中的核心装备之一。分析了国内外LNG耐超低温柔性管道实验测试的研究现状。总结了现有行业标准规范要求的LNG耐超低温柔性管道实验测试项目，根据不同的实验类型对测试项目进行了梳理与分类；综述了LNG耐超低温柔性管道实验测试方面的研究进展，并盘点了不同实验类型的目的与意义；展望了LNG耐超低温柔性管道未来发展的主要研究方向。
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  基于量纲分析的柔性立管骨架层辊弯成型弯曲变形特征预测

  王心悦, 阎军, 袁振钦, 李文博, 卢海龙, 陈金龙

  科技导报. 2024, 42(13): 86-94. https://doi.org/10.3981/j.issn.1000-7857.2023.12.01885

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  柔性立管是海洋油气开发的关键输运装备，骨架层是其最内层结构，由扁平的钢板经过多道次辊弯和缠绕锁扣2道成型工艺加工制成。由于骨架层结构特征复杂，几何参数繁多，且钢板在成型过程中存在纵向及横向变形，导致辊弯成型过程中关键加工参数对其变形特征影响尚不清晰。基于量纲分析原理，建立了多道次辊弯关键加工参数与骨架层变形特征（弯曲角度）关系的量纲表达式，并且采用多项式回归和符号回归方法分别获得了量纲表达式展开形式，明确加工参数（弹性模量、钢板厚度、辊轮半径、辊轮间距）对骨架层弯曲角度的影响，结论显示钢板厚度对弯曲角度影响较大，当厚度从1 mm增大至2 mm时，弯曲角度下降了27.74%。
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  基于深度学习的悬链式单点系泊设计指标预测

  孙强, 李颜, 彭东升, 王宇新, 阎军, 岳前进, 钟万勰

  科技导报. 2024, 42(13): 95-104. https://doi.org/10.3981/j.issn.1000-7857.2023.06.00958

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  悬链式单点系泊需要建立基于基础条件、工作条件、自存条件、运动和力要求等输入的模拟环境，并进行多点测试来寻找最佳设计。通过仿真计算构建2个主要数据集，即oper-ation数据集和self数据集。对self数据集进行预测，并将数据分为局部、全局和全局加局部3类进行训练和验证，使用4层全连接神经网络来预测回归问题，准确率可达90%以上。将该模型应用于更复杂的operation数据集时的效果并不理想。采用DNN+BN+ReLU作为最小分量自建模型DBRNet12复杂网络处理operation的数据得到86%的平均准确率。依据残差思想在DBRNet12基础上自建RNet40网络取得了90%的平均准确率。在网络架构方面，搭建了深度神经网络，通过全连接层进行预测，并对网络结构进行了持续的优化。最后，通过相对误差的评估来衡量预测效果的优劣，并利用残差网络进行优化。
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  液化天然气卸料臂结构计算分析与紧急脱离装置可靠性研究

  杨亮, 肖立, 许佳伟, 郝思佳, 邱灶杨, 范嘉堃, 盖小刚, 陈举

  科技导报. 2024, 42(13): 105-117. https://doi.org/10.3981/j.issn.1000-7857.2023.10.01532

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  液化天然气卸料臂是连接运输船与接收站管线，输送液化天然气（LNG）的重要通道。针对卸料臂开展了有限元结构计算分析并给出设计优化建议。三维接头和外臂管道连接处存在较大的应力集中，结构设计过程应予以关注；支撑箱加长位置结构强度偏弱，应采用壁厚较厚的管材制造。针对卸料臂关键核心部件紧急脱离装置，基于机械死点原理创新设计了抱箍锁紧机构，并开展有限元计算和性能试验测试，结果表明，抱箍锁紧装置的应力和变形量符合设计要求，稳定可靠性满足卸料臂作业需要。
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  基于结构特征的LNG低温软管内流场流动特性研究

  刘淼儿, 李方遒, 程昊, 李欣欣

  科技导报. 2024, 42(13): 118-124. https://doi.org/10.3981/j.issn.1000-7857.2023.12.01886

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  低温软管在浮式液化天然气（LNG）传输系统中是必不可少的一部分，在浮式天然气液化装置（FLNG）和LNG运输船之间进行串靠卸料过程中起到了关键作用。针对低温软管内的波纹管内部流体流动特性进行理论分析和计算流体力学（CFD）数值模型建立，应用FLUENT针对不同工况条件及结构参数下的低温软管开展内流特性模拟计算。通过模拟计算得到一系列管内流动压降及换热系数的变化规律，从而推导低温软管流动换热理论模型，为更加准确、快速地进行工艺计算提供理论基础及参考修正系数。
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  海洋应急通信网络智能监控与调度系统设计及实现

  周雪, 金上玺, 谢硕, 闫建峰, 王晓瑞, 孟俊峰, 欧阳照红, 黄宛宁

  科技导报. 2024, 42(13): 125-140. https://doi.org/10.3981/j.issn.1000-7857.2023.05.00765

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  面向单一平台承载特定通信业务的海洋通信网络状态监控与平台调度系统，难以满足日益复杂的海上通信网络的多主体协同、多手段融合与多业务一体化发展需求。提出了一种面向海上应急通信网络的智能监控与调度系统的设计方案，针对海上通信应急场景业务需求，设计了基于实时监控信息研判的“天、空、岸、海、潜”的多主体协同调度系统，实现了适配海洋应急通信网络灵活建网、快速补网特点的智能监控与协同调度，解决了海上平台与通信载荷灵活组合导致的异构通信系统间数据获取与传输问题，提升了海上通信网络的保障能力。系统依托国家重大工程“智慧海洋”应急通信试验网络建设项目实现，在海洋应急典型应用场景下通过对实时信息感知、应急响应规划、事件处置、视频会商等业务的应用示范，对智能监控与调度系统进行了验证，满足了海洋通信网络智能化发展需求。