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海洋工程

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整合结构健康船舶结构的实时风险监测数据：应用到多目标

优化船舶航线

Alberto Decograve;, Dan M. Frangopol*

土木及环境工程，工程研究中心先进技术的大型结构系统（ATLSS），里海大学，伯利恒，PA18015-4729，USA 系

文章资讯 摘要

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文章历史：

收到2013.3.21

接受2014.12.20

2015.5.网上可查

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关键词

结构健康监测

贝叶斯更新

风险评估

船体结构

多目标优化短距离路由

通讯作者。联系电话：TH16107586103。传真：610 TH17584115 E-mail 地址：dan.frangopol@lehigh.edu（D.M. Frangopol）。

1.介绍

关于船舶结构安全是获取准确的信息船舶基本为最优规划路线。一般来说,决策者主要是求降低燃料成本,最大化船舶安全,减少任务/交货时间。特别努力发展所需的方法占可靠性和风险,作为结构性能的措施,以及歌剧-其他成本,增加长期预测由于天然气价格(现在波动)。在这种背景下,除了最初的计划路线和最初的船舶结构性能评估的可用性进一步的信息在船旅行成为一个关键方面考虑。例如,来自结构健康监测的信息(SHM)系统可以改善结构的评价perfor -曼斯在船旅行。此外,连续的天气预测将会使计划路线的调整成为可能。这进一步收集信息带来了路线规划接近实时决策过程,为了更好的实现上述目标。

船舶结构安全性可以通过考虑仅仅考虑不考虑后果的可靠性分析。不过由于潜在的潜在的经济损失结构故障或故障在决定中起着核心作用分析导致风险评估（IMO，1997；阿克潘et al.，2002；马et al.，2002；史克容，2002；史克容和比特纳—格雷格森，IMO，2002；2006；12月ograve;和考虑，2013；董考虑，2015）。在本文中，风险评估与尊重fl弯曲破坏模式的船体，这是公认的最关键的方面（Paik et al.，1998；Guedes Soares和特谢拉，2000；Lua和赫斯，2003；Okasha和考虑，2010；Okasha et al.。，2010；12月ograve;et al.，2011；12月ograve;et al.，2012；考虑et al.，2012）。对连续倒塌机制几个极限状态的会计—板和加强筋主义研究以量化适量的经济损失（DECograve;和考虑，2013）。因此，进行可靠性分析与间—调解不同塑料fi阳离子传播有关的状态水平在船体梁，会计为垂直和水平fl弯曲组成。一个fi有限元（FE）的联合高模型—速度海运（JHSS）（Devine，2009），利用ABAQUS软件建立了（达索系统egrave;MES的SIMULIA，2011），已经被使用，和非线性在本文中已进行分析。有关不确定因素影响负载和强度的预测，包括与材料和几何性质相关的随机变量。

本文的主要范围是一个实时的风险评估，将初始风险预测与所得的SHM数据提供决策者方法的发展用一组最优路径选择，以满足风险和可靠性指标。贝叶斯统计已用于此目的。一个建议的封闭形式的解决方案和模拟-基地D技术采用了基于假设的峰值响应遵循瑞利分布（Faltinsen，1990）。结构健康监测是一个非常强大的工具，用于收集精确信息的离子的响应，由于实际负载，在他们的操作过程中的船舶。从模型试验得到的盛世嘉华进行健康监测数据D在2007夏天在海军水面作战中心卡德洛克部–操纵与耐波性（NSWC CD–面膜）盆地。观察从纵向和横向弯矩TS（VBM和HBM，分别）然后放大到全尺寸的船用47.2533弗劳德缩放因子（Devine，2009）。最后，应用程序的最佳短距离路由以风险为主要表现指标。船舶航线是船舶管理的重要组成部分，有趣的（新闻eacute;E和梅耶尔，1980；斯潘斯，1985；Brown et al.，1987；Hagiwara，1989；2008；深圳ł比尔斯玛，apczynska和smierzchalski，

2009；欣嫩塔尔，2008；多林斯卡et al.，2009；比尔斯玛，2010；fagerholt et al.，2010；邹族，2010；papatzanakis et al.，2012；Chang et al.，2013；12月ograve;和考虑，2013）。结构健康监测和预报是在优化框架考虑，目标是估计到达时间的最小化（ETA），平均总风险最小化，以及燃料的最小化

2.可靠性，成本和风险

船舶受到多种类型的危险，可能直接或间接影响其安全性和适用性。例如，这些危害可以（马et al.，2002；史克容和比特纳格雷戈尔森，2002）fi、爆炸、环境的攻击，碰撞，冰山的影响，接地、船体完整性、推进和转向失灵，极端波浪载荷，fl浸水，倾覆。在这一对船上，

这里下标HS，U，H是显fi不能波浪高度、航速、航向，分别为MW，HS，u，h是波浪VBM或HBM，与M0、HS、U、H是响应的零阶矩光谱。此外，由于动态弯矩兆瓦的进一步贡献是根据西科拉和Brady评价（1989）。一旦船体强度和荷载效应计算与船体梁的极限状态的概率超过LSI基于一个随时间变化的性能功能glsI评价，硒，你，（吨），占损坏/故障域。因此，该fl弯曲破坏模式给出具体fiC船的操作条件是由（Guedes Soares和特谢拉，2000；白和饰带，2001）脆弱性评估与波引起的负载，这。XW兆瓦HS U H C2；LSI。

。C1；LSI。申银万国申银万国thorn;W W WV；HS；U；Hthorn;D WH产生的纵向和横向弯矩（VBM和HBM，分别）在船体（Paik et al.，1996；戈多和Guedes Soares，1997）。下垂和负VBMS分视 glsI；HS；U；Heth;TTHORN;frac14;delta;—最好H；LSIeth;TTHORN;—xrmv；LSIeth;TTHORN;frac14;02THORN;eth;，分别在可能发生在甲板或龙骨的位置的诱导压缩。虽然风险可以评估的基础上产生和极限状态，它是值得研究不同的影响，通过考虑多个和渐进的危险程度（月ograve;和考虑，2013），以评估成本/风险具有更好的精度。因此，船体强度离散成fiVE状态（S1至S5），不同级别的部分会计该fi阳离子特征的四种极限状态的LSI如下：

极限状态LS1：一些加筋板在船体四肢达到屈服应力，因此他们可能塑化。

极限状态LS2：塑fi阳离子传播到附近的成分—在高达20%的最大距离中性轴和极端板之间可能发生局部屈曲。

极限状态的LS3：塑fi阳离子通过船体部分，达到50%的最大距离为中性。

极限状态LS4：塑fi阳离子扩散到整个截面，和船体fl弯曲能力达到极限。

在本文中，有限元法结合响应面分析为了达到可行的计算时间，同时仍然能够考虑不确定性（Bucher和bourgund，1990）。考虑材料和几何非线性，增量法进行有限元分析。根据戈多和Guedes Soares（1997）相互作用域，或位于T他该fi阳离子的传播，对VBM和HBM的联合作用的有限元模拟会计，并获得。腐蚀的影响，这是一个随时间变化的过程中，包括在满足根据所提出的方法为（Akpan et al.，2002）。该方法的详细说明可以在DECograve;和考虑发现（2013）。

用静水VBM相关的负荷影响的评价，侯赛因Guedes Soares提出的方法（2009）应用。因此，对于与的VBMS统计描述NG和占用是基于由IACS值（2008）。对于波浪VBM和HBM的评价，认为是短期的统计。基于线性理论，船体响应指标并由条法评价波（korvin kroukowski和雅可布，1957）。这种方法是常见的做法（马et al.，2000），但是其他的方法可以提供的建议三维框架，如非线性方法。根据休斯（1983），概率密度函数（PDF）和不同的操作条件相关的峰值响应遵循瑞利分布

其中下标HS，U，H是显fi不能波浪高度、航速、航向，分别为MW，HS，u，h是波浪VBM或HBM，与M0、HS、U、H是响应的零阶矩的谱。此外，由于动态弯矩兆瓦的进一步贡献是根据西科拉和Brady评价（1989）。一旦船体强度和荷载效应计算与船体梁的极限状态的概率超过LSI基于一个随时间变化的性能功能glsI评价，硒，你，（吨），占损坏/故障域。因此，该fl弯曲破坏模式给出具体fiC船的操作条件是由（Guedes Soares和特谢拉，2000；白和饰带，2001）

在XW，XR和XSW是模型的不确定关系指的是预测波浪弯矩、抗性相关的参数，和静水弯矩，分别为垃圾，兆瓦，兆瓦h，HS，U，H，和MWV，HS，u，h是静止的水，VBM，鞭打VBM，和波浪弯矩（HBM，VBM），分别为MV，LSI（T）和MH，LSI（t）是随时间变化的垂直和水平fl前乌拉尔的优势和极限状态的LSI，分别是相关因素有关，千瓦的波浪弯矩（等于一个根据曼苏尔et al.，1984），KD是相关法波浪和动态弯矩之间的关系（Mansour et al.，1984），和C1，C2，LSI，LSI，并delta;是作用域参数。

船舶管理中所涉及的成本/损失种类很多。这里考虑了2种类型的成本，即在损失和运营成本方面的货币后果。这两种类型成本包括在建议的方法，船舶优化路由潜在的结构破坏或故障的海洋结构引起的货币后果包括直接和间接损失。直接后果是结构直接相关的延伸自然的破坏，而间接的后果可能包括（IMO，1997；马et al.，2002；史克容，2002）设备损坏，货物，和港口设施，商业和环境的影响，边缘操作合理费用，死亡和受伤的船员和乘客，在其他人。

在本文中，直接成本包括建设成本CCON（miroyannis，2006），基于经验的成本估算关系船，和康复费用creh，四。这些费用包括材料和劳动，计算如下：

在wgt100是“船舶工程分解系统重量（西南偏南）–类别100（吨），STF是船型因素是经验从一个分类的不同类型fi阳离子的测定船舶在miroyannis列（2006），D是船满载排水量（吨），博士，Si的损伤率。

在间接成本，那些与人类生活的损失

和损伤所造成的船体结构损伤/破坏的建议的方法中占。由于不同的结构性能数据核算一般不可用NCE水平（不同程度的风险），需要建立Ad Hoc F–N曲线（史克容，2002），由于死亡CFAT损失，Si和损伤CINJ，Si与E

在FSI是伤亡的百分比，CVSL是统计生命的价值（VSL）（美元），O是船舶出租（船上人数），和rinj是由于受伤的成本比死亡。

在运营成本，如燃料成本、人员成本、港口装卸费用、保险、保养和维修（日eacute;E和梅耶尔，1980；德尚和格林威尔，2009），用于优化的目的在本文中考虑了船舶的短距离路由，燃料成本。燃料成本取决于消费与不同的船舶运营相关的燃料控制。波的性能评价距离和船体摩擦对发动机/推进系统功率的严格的评估是必要的，因此，船舶的燃油消耗。然而，由于这种评价是在外部本文讨论的范围，一个简单的方法可以用于燃料成本率cfuel，评价HS，U（元/小时）。基于一个给定的海态燃料消耗率的估计，一个简单的美联社方法可以使用，如果在旅途中，船排水量是恒定的。给出实际航速设计速度U，U，设计燃料消耗率rfuel，HS（吨/小时）为一个特定的fiC海泰特（以HS），和燃料成本cfuel（美元/吨），燃油消耗率cfuel，HS，U（元/小时）可以近似为评价如下（wijnolst和wergeland，1996

定量风险评估需要特定的fiC船舶营运支持fiLES表明遇到不同海况跨越地理区域的联合概率的估计在不同的操作参数，如速度和航向角的P【HS、U、H ]（Glen et al.，1999）。因此，一般的fi定义为总时间风险R，HS，u，h（t）可以给予

其中CD，Si和CID，SI的总直接成本和间接成本，分别与P [四| HS，u，h（t）]是被国家四船体时几率（

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