Structural health monitoring of deteriorating ship hull structures
Authors: Σιλιώνης Νικόλαος 
Published: February 2025

H κατασκευαστική υποβάθμιση της γάστρας των πλοίων κατά τη διάρκεια της επιχειρησιακής τους ζωής θέτει σημαντικές προκλήσεις για την δομική τους ακεραιότητα, την ασφαλή τους λειτουργία, καθώς και τον προγραμματισμό των εργασιών συντήρησής τους. Οι υπάρχουσες πρακτικές προληπτικής συντήρησης, που βασίζονται σε τακτικές επιθεωρήσεις, προσφέρουν περιορισμένες δυνατότητες για έγκαιρη λήψη αποφάσεων υποστηριζόμενων από επιχειρησιακά δεδομένα. Το συμπέρασμα αυτό μπορεί να υποστηριχθεί περαιτέρω λαμβάνοντας υπόψη τη σχετικά μικρή συχνότητα των τακτικών επιθεωρήσεων και τον συχνά εκθετικό χαρακτήρα των φαινομένων υποβάθμισης που απαντώνται συχνά στη μεταλλική κατασκευή του πλοίου, όπως είναι η απώλεια πάχους λόγω διάβρωσης. Οι τεχνικές παρακολούθησης της υγείας της δομής (ΠΥΔ ή Structural Health Monitoring) προσφέρουν μια πολλά υποσχόμενη εναλλακτική προσέγγιση, χρησιμοποιώντας δεδομένα απόκρισης της κατασκευής για να παρέχουν είτε συνεχή, είτε στοχευμένη πληροφόρηση για την κατάσταση της δομικής υγείας της γάστρας. Οι πληροφορίες αυτές μπορούν στη συνέχεια να χρησιμοποιηθούν για να υποστηρίξουν διαδικασίες προβλεπτικής συντήρησης (condition-based maintenance). Στην παρούσα διατριβή προτάθηκε και αξιολογήθηκε ένα πλαίσιο για την εφαρμογή ΠΥΔ της γάστρας πλοίων έναντι απώλειας πάχους λόγω διάβρωσης. Πραγματοποιήθηκε η υπόθεση ότι το σύστημα ΠΥΔ είναι βασισμένο σε δεδομένα απόκρισης υπό τη μορφή μετρήσεων παραμόρφωσης, και φέρει ως κύριο χαρακτηριστικό του τη δυνατότητα ποσοτικοποίησης της αβεβαιότητας (uncertainty quantification). Το πλαίσιο αυτό συμπεριλαμβάνει διαφορετικούς στόχους της τυπικής ιεραρχίας των προβλημάτων ΠΥΔ κατασκευών, όπως είναι η διάγνωση βλαβών, η ποσοτικοποίηση της έκτασης τους, και η πρόγνωση της μελλοντικής τους εξέλιξης. Για την επίτευξη των στόχων αυτών, στην παρούσα εργασία χρησιμοποιήθηκαν τεχνικές από αμφότερες τις τυπικές προσεγγίσεις της ΠΥΔ, συγκεκριμένα την προσέγγιση που βασίζεται μόνο σε δεδομένα απόκρισης (data-driven SHM), αλλά και εκείνη που αξιοποιεί μοντέλα του κατασκευαστικού συστήματος (model-based SHM). Εντάσσοντας τα αποτελέσματα του συστήματος ΠΥΔ σε διαδικασίες λήψης αποφάσεων, το προτεινόμενο πλαίσιο στοχεύει να συνεισφέρει στη διαδικασία της μετάβασης από τις υπάρχουσες πρακτικές συντήρησης για τη γάστρα των πλοίων, που στηρίζονται σε επιθεωρήσεις, σε περισσότερο προσαρμόσιμες στρατηγικές, οι οποίες βασίζονται περισσότερο στην αξιοποίηση διαθέσιμων δεδομένων. Βασικές συνεισφορές της παρούσας διατριβής αποτελούν: η ανάδειξη ότι είναι εφικτή η ΠΥΔ της γάστρας των πλοίων έναντι απώλειας πάχους λόγω διάβρωσης, η ανάπτυξη ενός πλαισίου βέλτιστης τοποθέτησης αισθητήρων με σκοπό τη σχεδίαση συστημάτων ΠΥΔ, και τέλος η αξιολόγηση του οφέλους που δύνανται να προσφέρουν τέτοια συστήματα στη λειτουργία και συντήρηση των πλοίων. Η αξιολόγηση αυτή πραγματοποιήθηκε με κριτήρια βασισμένα στη θεωρία λήψης αποφάσεων κατά Bayes. Επιπλέον, στο πλαίσιο της παρούσας διατριβής αναπτύχθηκαν καινοτόμα εργαλεία υποκατάστατης μοντελοποίησης, προκειμένου να αντιμετωπιστούν ζητήματα υπολογιστικού κόστους εγγενή στην προσέγγιση της ΠΥΔ κατασκευών που βασίζεται σε μοντέλα του συστήματος. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκαν τεχνικές μηχανικής μάθησης και εκπαιδεύτηκαν μοντέλα τα οποία επιτυγχάνουν υψηλής πιστότητας προβλέψεις κατασκευαστικής απόκρισης, προσφέροντας ταυτόχρονα δυνατότητες ποσοτικοποίησης της αβεβαιότητας και απαιτώντας κλάσμα του υπολογιστικού κόστους, συγκριτικά με προσομοιώσεις βασισμένες στη μέθοδο πεπερασμένων στοιχείων (ΜΠΣ). Η παρούσα εργασία υλοποιήθηκε κυρίως σε αριθμητικό περιβάλλον, χρησιμοποιώντας ένα μοντέλο ΠΣ υψηλής πιστότητας μιας ρεαλιστικής κατασκευής γάστρας πλοίου. Παρόλα αυτά, πραγματοποιήθηκε παράλληλα και μια σειρά πειραματικών δοκιμών σε εργαστηριακή κλίμακα προκειμένου να διερευνηθούν ορισμένα ζητήματα τα οποία δεν μπορούν να αντιμετωπιστούν επαρκώς σε μια αυστηρά αριθμητική υλοποίηση. Συγκεκριμένα, μελετήθηκε αρχικά η επίδραση των αβεβαιοτήτων στη διαδικασία παραγωγής συνθετικών δεδομένων για χρήση σε τεχνικές ΠΥΔ βασιζόμενες σε δεδομένα απόκρισης. Επιπρόσθετα, μελετήθηκε υπό το πρίσμα της θεωρίας αποφάσεων κατά Bayes το ζήτημα της επιλογής μοντέλων για τεχνικές ΠΥΔ που βασίζονται σε μοντέλα του συστήματος, αξιολογώντας την επίδραση της επιλογής του μοντέλου τόσο στην απόδοση του συστήματος ΠΥΔ, όσο και στην ικανότητα του μοντέλου να χρησιμοποιηθεί αποτελεσματικά σε διαδικασίες υποστήριξης αποφάσεων για την συντήρηση και λειτουργία της κατασκευής. Οι εργαστηριακές αυτές μελέτες οδήγησαν σε καινοτόμα ευρήματα με απήχηση στο ευρύτερο ερευνητικό πεδίο της ΠΥΔ.Η διατριβή αυτή συνεισφέρει στην ενσωμάτωση τεχνικών ΠΥΔ στις υπάρχουσες πρακτικές συντήρησης της μεταλλικής κατασκευής της γάστρας του πλοίου, μειώνοντας έτσι την απόσταση μεταξύ ερευνητικής δραστηριότητας και βιομηχανικής πρακτικής. Αναδεικνύοντας την εφικτότητα και την πιθανή αξία των τεχνικών ΠΥΔ για την κατασκευή της γάστρας του πλοίου, προσφέρει μία δίοδο στους ενδιαφερόμενους από την πλευρά της βιομηχανίας για να υιοθετήσουν περισσότερο ευέλικτες πρακτικές συντήρησης. Τέλος, στο πλαίσιο της διατριβής εντοπίστηκαν και αναδείχθηκαν κρίσιμες περιοχές για περαιτέρω ανάπτυξη της παρούσας έρευνας, συμπεριλαμβανομένης της επέκτασης του προτεινόμενου πλαισίου σε άλλες μορφές κατασκευαστικής υποβάθμισης (λ.χ. ρωγμές λόγω κόπωσης), της υιοθέτησης περισσότερο ρεαλιστικών ή/και πολύπλοκων διαδικασιών λήψης αποφάσεων, καθώς και της διερεύνησης μεθόδων ικανών να αντιμετωπίσουν το ζήτημα της περιορισμένης διαθεσιμότητας δεδομένων από πραγματικές κατασκευές.