王 春，陸義超，邢占清，周建華

（1.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；2.中國三峽新能源公司，北京 100053）

基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測研究

王 春1，陸義超2，邢占清1，周建華1

（1.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；2.中國三峽新能源公司，北京 100053）

針對目前海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測研究很少涉及包括基礎(chǔ)在內(nèi)的整個結(jié)構(gòu)體系，而現(xiàn)有模態(tài)分析方法某些情況下精度較差，且未經(jīng)過工程驗證的現(xiàn)狀，本文采用靜力分析與風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)模態(tài)分析相結(jié)合的方法，分析并提取了各種環(huán)境荷載對風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)響應(yīng)顯著的特征要數(shù)，建立了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，提出了傳感器的布置原則，并利用克里格插值得到了結(jié)構(gòu)的分布云圖。通過對比，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與有限元計算誤差在5%左右，具有較高的精度，且計算速度快，可為海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)狀態(tài)在線監(jiān)測提供參考。

海上風(fēng)機(jī)；結(jié)構(gòu)狀態(tài)；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；傳感器布置原則

1 研究背景

截止2013年底，全球風(fēng)電總裝機(jī)達(dá)到318 GW，其中海上風(fēng)電為6.8 GW，我國風(fēng)電總裝機(jī)為91.4 GW，海上風(fēng)電裝機(jī)428 MW［1］。隨著時間的推移，風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的安全事故也呈上升趨勢，2007年后每年發(fā)生的安全事故超過100次，2012年、2013年全球發(fā)生的風(fēng)電安全事故326次，超過20世紀(jì)后30年總和的2倍［2-3］。國內(nèi)風(fēng)電近年來發(fā)生多起事故，如大唐左云風(fēng)電2010年發(fā)生風(fēng)機(jī)倒塌事故，塔筒法蘭連接螺栓1/3斷裂，且多臺風(fēng)機(jī)發(fā)生事故，造成重大損失。據(jù)報告［3］，在各類風(fēng)電事故中，結(jié)構(gòu)失效僅次于火災(zāi)和葉片失效，因此對風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)體系狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測有重要的意義。風(fēng)機(jī)監(jiān)測主要集中在發(fā)電機(jī)組方面，結(jié)構(gòu)監(jiān)測的研究也以葉片和塔筒為主，較少涉及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。相比陸上，海上風(fēng)機(jī)所受荷載環(huán)境更復(fù)雜，多變的風(fēng)、浪、流，甚至極端情況下的冰、臺風(fēng)、地震等荷載激勵對結(jié)構(gòu)影響機(jī)理更加復(fù)雜，可能存在有別于陸上風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)失效模式；建設(shè)難度更大，運(yùn)行維護(hù)成本更高，由于海上風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)離陸地，風(fēng)電場管理工作人員無法經(jīng)常性的對結(jié)構(gòu)進(jìn)行評估與檢測，對于事故的響應(yīng)時間也遠(yuǎn)長于陸上風(fēng)機(jī)的處理，這也為風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)督與管理提出了難題。因此，在全壽命期內(nèi)對海上風(fēng)電場發(fā)電機(jī)組進(jìn)行監(jiān)控和風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行監(jiān)測就尤為重要。

目前對于風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測與評價的研究多以振動模態(tài)分析為手段，且以葉片及塔筒為重點，較少涉及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，同時由于環(huán)境和技術(shù)的限制，海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)體系的安全監(jiān)測研究則更少。傳統(tǒng)的模態(tài)識別方法NExT法、ITD法、STD法及ERA法都是以外部激勵具有或近似隨機(jī)白噪聲特性為假設(shè)前提，而對于風(fēng)機(jī)由于葉片旋轉(zhuǎn)存在周期性荷載混入，往往不能滿足隨機(jī)白噪聲的假設(shè)要求，這樣對于固有頻率與諧波較為接近時，特別是響應(yīng)中諧波成分占比較大時，這些方法不能區(qū)分真?zhèn)文B(tài)導(dǎo)致識別精度較低［4-7］。 James.G.H［8］、David McM illan等［9］、MoritzW.H?ckell等［10］從不同的角度對海上風(fēng)機(jī)安全監(jiān)測進(jìn)行了研究，但都沒有得到實際工程的驗證，主要是該類方法在處理諧波成分淹沒結(jié)構(gòu)固有模態(tài)成分時精度較差，例如風(fēng)機(jī)葉輪高轉(zhuǎn)速條件下。本文擬采用靜動力相結(jié)合的方法，即分析海上風(fēng)機(jī)各類結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變、位移和動力響應(yīng)的模態(tài)特征值，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)大的映射功能進(jìn)行風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測研究。

2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)簡介

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是模擬人思維時神經(jīng)元的工作原理而形成的一個非線性動力系統(tǒng)，該系統(tǒng)根據(jù)對外部輸入信息的動態(tài)響應(yīng)來處理信息，具有信息的分布式存儲、并行協(xié)同處理、信息處理單元互連和結(jié)構(gòu)可塑、集體運(yùn)算能力、自學(xué)習(xí)能力和自適應(yīng)能力等特點，特別適用于處理高度非線性問題，并且有著較強(qiáng)的容錯性和魯棒性。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的最突出特點是：設(shè)計合理的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過對系統(tǒng)輸入輸出樣本進(jìn)行自動學(xué)習(xí)，能夠以任意精度逼近任意復(fù)雜的非線性映射，因此可以作為多維非線性函數(shù)的通用數(shù)學(xué)模型。本文采用常用的三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，包括輸入層（環(huán)境荷載 xi）、中間層 yi和輸出層（響應(yīng)oi），鏈接權(quán)值wi、vi。通過不斷修正鏈接權(quán)值w、v，得到輸入輸出的映射關(guān)系，下式（1）—（4）構(gòu)成了BP網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的算法。

式中：E為總誤差；d為樣本庫輸出量真值；η為比例系數(shù)；n為輸入量數(shù)量；l為輸出量數(shù)量；m為中間層節(jié)點數(shù)；Δw、Δv為權(quán)值調(diào)整量；δ為運(yùn)算符。

海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)體系受惡劣環(huán)境下多種荷載的共同作用，其響應(yīng)與環(huán)境荷載之間存在著異常復(fù)雜的關(guān)系，依靠傳統(tǒng)的有限元方法顯然沒法做到在線監(jiān)測的目的，僅依靠現(xiàn)有的振動模態(tài)分析存在著激勵不完備等不確定因素，且諧波可能淹沒結(jié)構(gòu)振動信息使得監(jiān)測精度較差。風(fēng)、浪、流等環(huán)境荷載之間存在著某種聯(lián)系，這些特點與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的功能相符，而且一個訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)可以迅速完成結(jié)構(gòu)的響應(yīng)分析，通過與實測響應(yīng)進(jìn)行比較，即可對結(jié)構(gòu)體系的安全性進(jìn)行評價，從而實現(xiàn)在線監(jiān)測。

3 海上荷載條件下風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)響應(yīng)特性

海上風(fēng)機(jī)一般均高于海平面60 m，隨著單機(jī)功率的增大可達(dá)到80～90m，屬于高聳結(jié)構(gòu)，頂部為機(jī)艙，底部為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，中間由塔筒鏈接。其中基礎(chǔ)型式多樣，如重力式基礎(chǔ)、導(dǎo)管架基礎(chǔ)、高樁承臺、低樁承臺、桶形基礎(chǔ)等等，各種基礎(chǔ)的承載機(jī)理有別，結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度不同，對海上荷載的響應(yīng)特性也有差別。

3.1 海上風(fēng)機(jī)受環(huán)境荷載特點海上風(fēng)機(jī)主要受到風(fēng)、浪、流的長期作用，某些情況下會承受冰荷載、地震、臺風(fēng)荷載等，這些荷載具有一定的隨機(jī)性，對于風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)體系具有靜態(tài)和動態(tài)兩方面的作用效果。研究各種荷載對風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)體系作用的特點，是要分析荷載的特征值與結(jié)構(gòu)體系響應(yīng)之間的關(guān)系，提取荷載和響應(yīng)的有效特征值，作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入輸出參數(shù)，以設(shè)計準(zhǔn)確的網(wǎng)絡(luò)。

風(fēng)荷載：根據(jù)風(fēng)載理論，瞬時風(fēng)速通常認(rèn)為由平均風(fēng)速（周期大于10m in）和脈動風(fēng)速（周期在幾秒至幾十秒以內(nèi)）兩部分組成，其中平均風(fēng)速一般遠(yuǎn)離各種建筑結(jié)構(gòu)物的自振周期，其作用通常可認(rèn)為是靜力荷載作用；脈動風(fēng)速則一般與建筑結(jié)構(gòu)的自振周期相對接近，其作用具有一定的動力特性，應(yīng)按照動荷載作用進(jìn)行計算分析。表征風(fēng)荷載的參數(shù)很多，如粗糙度、湍流長度、風(fēng)切變指數(shù)等，而對風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)影響較大的特征值主要有平均風(fēng)速、計算周期內(nèi)的最大、最小風(fēng)速、均方根及風(fēng)向等參數(shù)。

波浪荷載：波浪生成原因很多，風(fēng)是波浪生成的重要因素，波浪大小和風(fēng)速、風(fēng)時、風(fēng)距等密

由圖1圖2可以看出：風(fēng)速、均方差與塔架頂部振動加速度存在一定的相關(guān)性，均方差較大時，振動加速度相對較大；風(fēng)速和波高存在較好的相關(guān)關(guān)系，風(fēng)速較大時，波高相對較高，反之亦然。

根據(jù)表1，zd4、zd1位置振動加速度相對較大，分別為塔頂和樁基波浪荷載作用點，浪流荷載對于風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的作用也不可忽略；zd2、zd3兩個位置的振動加速度相對較小，分別為混凝土承臺底面切相關(guān)。對于近岸水域還受水深影響，再加上波浪內(nèi)部渦動、波面破碎等因素，使得海浪高度不規(guī)則和不可重復(fù)，實際上是一種隨機(jī)波浪。其對結(jié)構(gòu)體系的作用主要體現(xiàn)在基礎(chǔ)上，如拍擊、沖刷、渦流作用等，也是海床沖刷的主要作用力之一。其特征參數(shù)較多，包括波高、波速、波向、波面、周期、頻率、波浪角、波數(shù)、波長等等。

表1 監(jiān)測期內(nèi)各測點最大加速度值

海流：主要為潮流，一般與波浪荷載一起討論，特征參數(shù)包括流速、流向、周期等。

其他荷載：其他如地震、冰荷載、臺風(fēng)等屬于臨時荷載，需要根據(jù)實際情況和監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，不作為常規(guī)監(jiān)測方案的網(wǎng)絡(luò)輸入量。

3.2 海上風(fēng)機(jī)受荷載條件下響應(yīng)特性海上風(fēng)機(jī)在風(fēng)、浪、流作用下，產(chǎn)生振動、位移、應(yīng)力應(yīng)變等響應(yīng)［11-12］。為分析風(fēng)機(jī)受荷載作用的敏感性，分別對江蘇海上試驗風(fēng)機(jī)進(jìn)行了振動監(jiān)測和數(shù)值模擬計算，其基礎(chǔ)為8樁高樁承臺，在承臺中部至塔筒頂部布置4支加速度傳感器。表1是各點最大加速度結(jié)果，圖1和圖2為塔筒頂部振動監(jiān)測數(shù)據(jù)與風(fēng)浪流荷載的相關(guān)性圖，圖3和圖4為該風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的數(shù)值模擬水平位移分布圖。和承臺頂5m高度的塔筒內(nèi)位于塔筒，可見承臺對于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)較大。

圖1 峰值加速度與風(fēng)速方差、浪高相關(guān)性圖

圖2 平均風(fēng)速、均方差與振動加速度對比

圖3 x方向基礎(chǔ)位移分布圖

圖4 z方向基礎(chǔ)位移分布圖

3.3 風(fēng)機(jī)運(yùn)行條件下結(jié)構(gòu)響應(yīng)在振動監(jiān)測過程中發(fā)現(xiàn)，風(fēng)機(jī)運(yùn)行對結(jié)構(gòu)振動亦有較大影響：平均風(fēng)速3m/s左右的啟動風(fēng)速時，塔架頂部也存在一定振動，可能是風(fēng)機(jī)頻繁啟動、停車時的振動引起；風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行時其振動頻率主要包括46.3 Hz、0.46 Hz等，可能分別為發(fā)電機(jī)發(fā)電的頻率［13-14］、結(jié)構(gòu)體系的自振頻率。振動加速度幅值總體上隨著機(jī)組負(fù)荷的增加而增大，在轉(zhuǎn)速較低時增加趨勢較為緩慢，隨后當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到80%額定轉(zhuǎn)速時，振動幅度發(fā)生急劇增加，并均在90%額定轉(zhuǎn)速處取得最大值。同時，結(jié)構(gòu)體系的振動位移隨著振動加速度的增大而增大，尤其是塔筒頂部，隨高度的降低而逐漸減小，到達(dá)承臺基礎(chǔ)處時已經(jīng)很小，可以認(rèn)為風(fēng)機(jī)運(yùn)行主要影響結(jié)構(gòu)體系的上部，而對基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的影響相對較小。

綜上，海上風(fēng)機(jī)受多種荷載作用，風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)體系對不同的荷載及運(yùn)行工況表現(xiàn)出不同的特點：在動力響應(yīng)方面，塔筒上部和發(fā)電機(jī)組受風(fēng)載和風(fēng)機(jī)運(yùn)行負(fù)荷的作用更顯著，基礎(chǔ)受浪流荷載作用的動力響應(yīng)更大；在靜力響應(yīng)方面，塔筒上部位移為主要響應(yīng)，應(yīng)力應(yīng)變則較小，塔筒下部及基礎(chǔ)部分則以應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)為主，位移量較小。這要求海上風(fēng)機(jī)監(jiān)測時，上部塔筒以動力監(jiān)測為主，下部結(jié)構(gòu)應(yīng)重點考慮靜力監(jiān)測；環(huán)境荷載監(jiān)測應(yīng)包含風(fēng)、浪、流。

4 風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測

海上風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)型式多種多樣，不同基礎(chǔ)型式的承載特性不同，結(jié)構(gòu)監(jiān)測方案亦有所差別，主要是傳感器的布置和種類不同，但在結(jié)構(gòu)響應(yīng)顯著或變化較大的位置應(yīng)布置相應(yīng)的傳感器。以一桶型基礎(chǔ)的海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)體系為例。該風(fēng)機(jī)額定功率3 MW，輪轂高度83.6m，桶形基礎(chǔ)直徑30m，高12m，桶與風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)環(huán)之間為弧線形的混凝土連接段。

4.1 風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)監(jiān)測變量監(jiān)測變量包括環(huán)境荷載特征值和結(jié)構(gòu)響應(yīng)代表值，前者作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入值，后者與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計算結(jié)果進(jìn)行比較以判斷結(jié)構(gòu)體系的安全狀態(tài)。根據(jù)上一節(jié)環(huán)境荷載對風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的作用特性，確定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入量，如表2所示，其中風(fēng)荷載較容易測得，目前通過風(fēng)速儀測量均能滿足表中要求；浪、流荷載需要專門的儀器，該設(shè)備較為昂貴，不可能每臺風(fēng)機(jī)均安裝，考慮到風(fēng)、浪、流之間存在較好的相關(guān)性，可考慮整個風(fēng)場安裝2～3臺；風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)也較為容易獲取。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出量也是結(jié)構(gòu)體系監(jiān)測的變量，應(yīng)根據(jù)有限元分析及桶形基礎(chǔ)的特點確定，應(yīng)包含結(jié)構(gòu)振動加速度的特征值、基礎(chǔ)各構(gòu)件和材質(zhì)的應(yīng)力、應(yīng)變和基礎(chǔ)位移，具體見表3。

4.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與訓(xùn)練由上節(jié)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入量為11個，而輸出量為122個，若按此設(shè)計，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，為提高計算精度，減少不同類別監(jiān)測量之間的干擾，本文根據(jù)不同監(jiān)測量類別，分別設(shè)計，均采用三層BP網(wǎng)絡(luò)，設(shè)輸入層含有n個分量，輸出層含有l(wèi)個分量，則中間層的節(jié)點數(shù)m可以由初步確定，根據(jù)訓(xùn)練的結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。

網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練需要輸入與輸出樣本對，樣本的質(zhì)量直接決定了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的精度和實際可用性，要求樣本對具有代表性和完備性。樣本對的確定分為室內(nèi)和現(xiàn)場兩種情況，為驗證該方案的可行性在室內(nèi)利用有限元模擬各種工況，計算分析結(jié)構(gòu)體系的響應(yīng)情況，從而得到輸入輸出的樣本對；在實際使用過程中可以根據(jù)現(xiàn)場實測資料，選取具有代表性和完備性的數(shù)據(jù)對作為樣本。本文采用有限元模擬計算了30種工況，風(fēng)速范圍取0.7～25m/s，其結(jié)果通過插值擴(kuò)充至59個樣本對，作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的樣本庫。

表2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入量

表3 桶形基礎(chǔ)風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)監(jiān)測輸出變量

4.3 傳感器布置傳感器是風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測的基礎(chǔ)，布置合理與否關(guān)系到監(jiān)測成果的有效性和監(jiān)測成本。傳感器的布置原則：（1）傳感器種類應(yīng)包括監(jiān)測環(huán)境荷載和結(jié)構(gòu)響應(yīng)特征值，能夠監(jiān)測到結(jié)構(gòu)體系主要構(gòu)件，對于桶形基礎(chǔ)如表3所示；（2）安裝位置應(yīng)在結(jié)構(gòu)響應(yīng)最不利位置，如主風(fēng)向上受拉和受壓最大值處；（3）傳感器應(yīng)滿足可靠、經(jīng)濟(jì)、易用、便于維護(hù)的要求，要考慮施工、防腐、傳感器成活率等因素綜合選定，且要和監(jiān)測方法相適應(yīng)。由表3，需要布置的傳感器包括：混凝土應(yīng)力計、鋼筋計、土壓力計、傾角計、振動加速度計，其中振動加速度傳感器應(yīng)均勻分布于塔筒頂?shù)交A(chǔ)范圍內(nèi)，且在多年平均潮位處應(yīng)埋設(shè)一加速度傳感器；應(yīng)力計應(yīng)分布于結(jié)構(gòu)受拉、受壓最大值處，且具有一定的數(shù)量，可以利用這些監(jiān)測點的實測值通過插值得到整個基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的分布云圖；土壓力計應(yīng)在主風(fēng)向剖面均勻、對稱布置；傾角計布置于塔筒自上而下等距布置4～6支及混凝土承臺面上，用于監(jiān)測塔筒的撓曲和基礎(chǔ)的變形。圖5是基礎(chǔ)部分傳感器布置圖（圖中按軸對稱還有一半傳感器未標(biāo)出）。

4.4 狀態(tài)監(jiān)測訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)對海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的在線監(jiān)測。由于尚未進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，文中所述方法仍是以數(shù)值模擬為主，為驗證訓(xùn)練后的BP網(wǎng)絡(luò)性能，另計算了5種工況，模擬在線監(jiān)測，即根據(jù)輸入條件，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行計算，并與有限元計算的結(jié)果進(jìn)行比較，表4為分析結(jié)果。

圖5 桶形基礎(chǔ)部分傳感器布置圖

由表4可以看出，BP網(wǎng)絡(luò)誤差較小，最大誤差為7.3%，大部分誤差小于5%，輸入量中缺少了風(fēng)向和風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，對計算結(jié)果有一定的影響，在實際應(yīng)用中，精度可能會差一些，需要進(jìn)一步分析。

為了進(jìn)一步考察基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)狀態(tài)，通過有限的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行插值計算，得到結(jié)構(gòu)的響應(yīng)云圖，圖6中左圖是桶型基礎(chǔ)過渡段小主應(yīng)力有限元計算云圖，右圖是通過克里格法插值繪制的云圖，可以看出，12個點的監(jiān)測數(shù)據(jù)基本反應(yīng)了基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)狀態(tài)。

表4 部分模擬在線監(jiān)測結(jié)果對比

根據(jù)有限元計算的塔筒及基礎(chǔ)的在風(fēng)速下的最大位移變形結(jié)果，如圖7，在塔筒上選取了4個點，用于模擬支傾角計安置位置的結(jié)構(gòu)變形，進(jìn)行了插值計算，模擬塔筒的變形，結(jié)果如圖8。從塔筒的變形云圖上看，通過4個點的監(jiān)測數(shù)據(jù)能較好的分析出塔筒的整體結(jié)構(gòu)變形。

由于本文中采用有限元計算結(jié)果進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測及插值計算分析，從結(jié)果上看，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和克里格插值方法具有較高的精度，考慮到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有計算快，消耗資源小的特點，可以認(rèn)為該方法能夠滿足海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)狀態(tài)在線監(jiān)測的要求。但未有實際的監(jiān)測數(shù)據(jù)驗證，仍需要在實踐中進(jìn)一步完善。

圖6 有限元計算與監(jiān)測插值小主應(yīng)力分布對比

圖7 有限元計算結(jié)構(gòu)最大位移分布

圖8 插值計算的塔筒位移分布

5 結(jié)論

本文分析了海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)體系所受風(fēng)、浪、流等環(huán)境荷載及其響應(yīng)的特性，提取了各種環(huán)境荷載的特征要數(shù)，提出了海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測的傳感器布置原則，分析了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)在線監(jiān)測的可行性，討論了輸入輸出量的獲取方法，通過桶型基礎(chǔ)過渡段的計算，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有較高的精度，同時，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有計算快，占用資源小的特點，證明了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)體系在線監(jiān)測是可行性的；并利用克里格等插值方法繪制了基礎(chǔ)的應(yīng)力響應(yīng)云圖及塔筒的變形云圖，取得了較好的結(jié)果，可為海上風(fēng)機(jī)健康監(jiān)測的進(jìn)一步研究提供參考。

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Research of offshore wind turbine status monitoring based on neural network algorithm

WANG Chun1，LU Yichao2，XING Zhanqing1，ZHOU Jianhua1
（1.China InstituteofWater Resourcesand Hydropower Research，Beijing 100038，China；2.China ThreeGorgesNew Energy Co.，ltd，Beijing 100053，China）

Nowadays，research on status monitoring of offshore wind turbine is a hot topic，and most of it focuses on the blade and tower，rather than the whole structure including foundation.Modal analysis is the most common method，which is invalid in some cases for poor precision，and non-applied in any projec?tion.In this paper，the static analysis and modal analysis will be used in the study of structure state moni?toring，based on neural network algorithm.This paper presents the installation princip le of sensors，and ex?tracts the characteristics of various environment load which are remarkable effect on the whole structural. Compared with the finite element calculation，the results show error between neural network and finite ele?ment calculation is around 5%，and can provide reference for the on-line monitoring of the structure state of offshore wind turbine.

Offshore wind turbine；the structure state；neural network；installation principle of sensor

TK81文獻(xiàn)識別號：Adoi：10.13244/j.cnki.jiwhr.2015.05.005

1672-3031（2015）05-0344-08

（責(zé)任編輯：韓 昆）

海上風(fēng)電運(yùn)行維護(hù)關(guān)鍵技術(shù)研究（之一）

王春（1982-），男，江蘇泗陽人，博士生，主要從事風(fēng)電場建設(shè)和地基處理工作。E-mail：wangch0105@126.com