海工数字化浅析：数字孪生技术在海洋工程中的应用

数字孪生这个短语最初源自美国航空航天局（NASA），由John Vickers在2002年创造出来，并由他的同事密歇根大学教授Dr. Michael Grieves在2003年应用于产品生命周期管理领域。

数字孪生也有称之为∶数字镜像、数字映射、数字双胞胎、数字双生、数字孪生体等。

数字孪生系统一般可以分为不同的等级或发展阶段，如下图所示：

◆ 前期阶段——数字胚胎∶是"以虚拟实"阶段。

◆ 中期阶段——数字化映射体阶段∶是"以虚映实"阶段。

◆ 第三阶段——孪生体智能阶段∶是数字孪生体具备智能化的阶段。

数字孪生在海洋工程领域是研究的热点。

对于海洋工程的核心系统如运维、钻井、工艺处理等，均可以通过数字孪生系统进行模拟和决策，可以提高安全管理和智能决策水平，降低成本以获取最大的经济和社会效益。

目前，海洋工程结构的数字孪生系统仍处于探索阶段。正如之前提到的"陆丰15-1导管架平台数字孪生系统"，该系统的功能是对监测点的应力数据进行分析，利用孪生算法反演其他位置的结构应力，并基于反演的应力进行分析统计，同时为决策者提供预警信息。可以看出作为整个系统的核心功能，反演其他位置应力的数字孪生算法至关重要。

在船舶/平台的规则波荷载下，挑选具有代表性的正交的结构响应作为基本变形模态，对选择的模态进行线性叠加，求解满足所有传感器的应变值，再通过求解的值和模态中其他位置的响应来计算其他位置的应变情况。该方法优点是方法简单，可以实时监控应力情况。缺点是筛选基本模态的工作量大，并且仅适用于重建与传感器有相似频率成分的信号。

逆有限元法

逆有限元法（Inverse Finite Element Method）是一种基于有限元分析原理的数值计算方法，用于反演材料性质、边界条件或结构参数等未知量。逆有限元法的基本思想是通过已知的位移、应变或应力等测量数据来估计结构中的未知参数。该方法的优点是能够准确计算船舶应力分布的方法，缺点是需要大量传感器来获取整体应变情况以保证准确性。

基于海况的数字孪生算法

该算法与疲劳谱分析算法一致，通过现场监测的风浪流载荷实时计算构件的疲劳强度。通过对比分析设计载荷、实测海况载荷和实测应力时历数据，最终确定结果安全范围和可接受程度。该方法优点是简单直接、理论成熟，并能够实时监控结构位置的疲劳损伤情况。缺点是缺乏反演算法，无法准确获取其他热点位置的疲劳损伤情况。

基于谱方法的数字孪生算法

基于谱方法的数字孪生算法是通过分析传感器位置处的结构应力响应的频谱特性，以及传感器之间的频谱响应的关系，来预测船舶/平台结构物受到的载荷情况，再根据载荷反推其他位置的应力分布情况。该方法的优点是基于统计的频谱特性，允许在具有不同主导频率的情况下重建响应，缺点是基于线性方法，无法考虑非线性因素的影响。

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