多点系泊浮式海洋平台动力响应数字孪生方法

本发明属于船舶与海洋工程领域，涉及一种针对多点系泊浮式海洋平台动力响应的数字孪生方法。

背景技术：

1、浮式海洋平台在作业过程中经常需要面对复杂恶劣的海洋环境。平台在遇到恶劣海况时，其将产生大幅运动，同时平台的系泊系统将承担巨大的载荷，可能会发生系泊缆断裂的情况，以上两种情况都将对平台上配套设施及人员安全带来巨大安全隐患。所以如果能够对各种海况下平台的运动响应及系泊缆张力进行短期预报，则可为平台大幅运动预警提供支撑，能够更好地保障人员安全及平台平稳运行。

2、目前国内外关于船舶运动响应预报较多，关于浮式海洋平台的运动预报相对较少，大多数预报是针对三自由度以内的运动，且并未将平台运动及系泊缆张力进行耦合预报。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明基于长短期记忆神经网络lstm建立神经网络模型对于组合海况下圆筒型多点浮式海洋平台的运动响应及顶端系泊张力进行预报，并对结果进行分析和精度检验。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种多点系泊浮式海洋平台动力响应数字孪生方法，所述的数字孪生方法首先根据波浪散布图对多点系泊浮式海洋平台作业位置所处海域的海况进行划分，得到36个海况组合；其次，通过数值模拟计算得到波浪散布图中所有海况下多点系泊浮式海洋平台六自由度运动响应数据和系泊缆张力数据，建立多点系泊浮式海洋平台运动响应及系泊缆张力数据库；第三，基于得的数据库，使用lstm方法，针对每个海况组合完成模型训练；第四，通过数值模拟计算波浪散布图范围内未出现在训练集中的海况；第五，将第四步计算得到的平台动力响应数据作为测试集对模型进行测试，验证模型的准确性；第六，重复第三步至第五步过程，完成所有组合海况对应的模型训练及验证；第七，得到平台实际环境参数及平台动力响应数据后，逐步使用实际测量数据代替模型中的数值模拟数据，使模型更加贴合实际情况；最后，将模型用于实际平台，对平台动力响应进行预报。具体包括以下步骤：

4、步骤s1:基于多点系泊浮式海洋平台作业位置，根据规范查找所处海域的波浪散布图。根据波浪散布图确定该海域的有义波高及谱峰周期范围。具体如下：

5、根据有义波高及谱峰周期将波浪散布图中的海况划分为九个区域，每个区域对应的海况范围分别为：区域(1)：谱峰周期为0s-7s，有义波高范围为0m-3m；区域(2)：谱峰周期为7s-14s，有义波高范围为0m-3m；区域(3)：谱峰周期为14s-21s，有义波高范围为0m-3m；区域(4)：谱峰周期为5s-13s，有义波高范围为3m-6m；区域(5)：谱峰周期为13s-20s，有义波高范围为3m-6m；区域(6)：谱峰周期为8s-14s，有义波高范围为6m-9m；区域(7)：谱峰周期为14s-19s，有义波高范围为6m-9m；区域(8)：谱峰周期为10s-18s，有义波高范围为9m-12m；区域(9)：谱峰周期为12s-18s，有义波高范围为12m-18m。考虑多点系泊浮式海洋平台及其系泊系统的对称性，只需针对15°～135°浪向范围进行计算，以30°为间隔进行区间划分，每隔15°取一个计算浪向，分为15°～45°、45°～75°、75°～105°和105°～135°四个浪向范围，结合以上根据有义波高及谱峰周期划分的九个区域可知，共存在36个海况组合，每个海况组合分别对应一个平台动力响应预报模型。

6、步骤s2：将每一个海况组合中的每一个海况所对应的有义波高，谱峰周期，浪向作为水动力计算软件的输入，进行数值模拟，得到该海况下多点系泊浮式海洋平台六自由度运动响应数据和系泊缆张力数据，建立多点系泊浮式海洋平台运动响应及系泊缆张力数据库。

7、步骤s3：以步骤s1得到的36个海况组合中第n个海况组合为例，从步骤s2建立的数据库中提取该海况组合对应的所有海况的平台运动响应及系泊缆张力数据作为lstm模型的训练集，使用最大最小值缩放归一化方法对训练集数据进行归一化处理。确定lstm模型参数并完成模型训练，得到第n个海况组合对应的第n个平台动力响应预报模型。

8、步骤s4：选取第n个海况组合范围内未出现的海况，将其对应的有义波高，谱峰周期，浪向作为水动力计算软件的输入，进行数值模拟，得到该海况下多点系泊浮式海洋平台六自由度运动响应数据和系泊缆张力数据。

9、步骤s5：由于第n个海况组合对应着一定范围的有义波高、谱峰周期和浪向，因此步骤s3中得到的第n个动力响应预报模型可以适用于该范围内出现的每个随机海况。将步骤s4中计算的数据作为测试集对模型进行测试，预报得到未来一段时间内平台运动响应和系泊缆张力数据，并与对应时刻数值模拟得到的真实值相比较，验证该模型的准确性。

10、步骤s6：重复步骤s3至s5完成36个平台动力响应预报模型的训练和测试。至此该模型可用于实际平台运动响应及系泊张力预报。

11、步骤s7：该模型用于实际平台之后，随着平台作业时间的增加，将通过浪高仪、位置及姿态监测系统、锚链监测系统等设备监测到的数据，逐渐替换掉数据库中对应的数值模拟结果，数据库将更贴近实际情况。

12、步骤s8：在实际应用中，根据平台所遭遇的海况参数，确定其所处的海况组合，并选择对应的平台动力响应模型预报平台短期运动响应及系泊缆顶张力。

13、本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

14、(1)本发明以平台所处海域的有义波高、谱峰周期和波浪浪向对环境参数进行划分，区分为不同模型，能够更加准确地对平台运动及系泊缆顶张力进行预报；

15、(2)本发明在使用过程中，能够根据实际情况不断更新数据，在使用过程中，由于实际数据的积累，使得模型越来越准确；

16、(3)本发明同时考虑海洋环境参数、平台运动响应以及系泊缆顶张力对平台六自由度运动响应及系泊缆顶张力进行预报。

技术特征：

1.一种多点系泊浮式海洋平台动力响应数字孪生方法，其特征在于，所述的数字孪生方法：

2.根据权利要求1所述的一种多点系泊浮式海洋平台动力响应数字孪生方法，其特征在于，所述的步骤s1具体如下：

3.根据权利要求2所述的一种多点系泊浮式海洋平台动力响应数字孪生方法，其特征在于，具体所述的步骤s1中九个区域中，每个区域对应的海况范围分别为：区域(1)：谱峰周期为0s-7s，有义波高范围为0m-3m；区域(2)：谱峰周期为7s-14s，有义波高范围为0m-3m；区域(3)：谱峰周期为14s-21s，有义波高范围为0m-3m；区域(4)：谱峰周期为5s-13s，有义波高范围为3m-6m；区域(5)：谱峰周期为13s-20s，有义波高范围为3m-6m；区域(6)：谱峰周期为8s-14s，有义波高范围为6m-9m；区域(7)：谱峰周期为14s-19s，有义波高范围为6m-9m；区域(8)：谱峰周期为10s-18s，有义波高范围为9m-12m；区域(9)：谱峰周期为12s-18s，有义波高范围为12m-18m。

4.根据权利要求1所述的一种多点系泊浮式海洋平台动力响应数字孪生方法，其特征在于，具体所述的步骤s3～步骤s6具体为：

5.根据权利要求1所述的一种多点系泊浮式海洋平台动力响应数字孪生方法，其特征在于，具体所述的步骤s7、步骤s8具体为：

技术总结一种多点系泊浮式海洋平台动力响应数字孪生方法，属于船舶与海洋工程领域。首先，根据波浪散布图对多点系泊浮式海洋平台作业位置所处海域的海况进行划分，得到多个海况组合；其次，进行数值模拟建立多点系泊浮式海洋平台运动响应及系泊缆张力数据库，对每个海况组合完成模型训练；再次，计算波浪散布图范围内未出现在训练集中的海况，作为测试集对模型进行测试；完成所有组合海况对应的模型训练及验证。最后，将模型用于实际平台，对平台动力响应进行预报。本发明以平台所处海域的有义波高、谱峰周期和波浪浪向对环境参数进行划分，区分为不同模型，能够更加准确地对平台运动及系泊缆顶张力进行预报；使用过程中，能够根据实际情况不断更新数据，使模型越来越准确。技术研发人员：李红霞,刘已华,王浩,李曲平,张崎,黄一受保护的技术使用者：大连理工大学技术研发日：技术公布日：2024/8/20