海洋智能土木工程

本书面向海洋土木工程行业领域信息智能化发展需求，围绕海洋土木工程信息智能化发展趋势，以监测感知和人工智能分析预警为重点技术展开，帮助学生了解材料、结构、环境间的作用机制，掌握监测、预警、反馈间的互馈机理，建立海洋土木工程全生命周期安全保障的完整知识体系。本书内容包括土木工程简介与回顾、功能材料与结构化材料、人工智能海洋土木工程应用、智能监测感知技术、海洋智能土木工程监测感知技术、海洋智能土木工程展望与愿景。

目录
第1章 土木工程简介与回顾 1
1.1 材料力学基本知识 1
1.1.1 材料力学的基本任务与基本内容 1
1.1.2 材料力学中的基本概念 2
1.1.3 材料的力学性能 4
1.1.4 应力应变分析与强度理论 6
1.2 结构力学基本知识 9
1.2.1 结构力学的基本任务和基本内容 9
1.2.2 结构的几何构造分析 9
1.2.3 结构力学的分析方法 11
1.2.4 影响线 16
1.3 水工钢结构基本知识 17
1.3.1 钢结构的基本特点 17
1.3.2 钢结构的发展概况和应用 18
1.3.3 钢结构的发展方向 19
1.3.4 水工钢结构的设计方法 20
1.4 水工钢筋混凝土基本知识 21
1.4.1 钢筋混凝土结构的特点、应用和发展 21
1.4.2 钢筋混凝土结构的力学性能 23
1.4.3 水工钢筋混凝土结构的设计思路 27
1.4.4 水工钢筋混凝土结构的设计内容 27
1.5 海洋环境特征及其对土木工程的影响 28
1.5.1 海洋环境中的风及其对土木工程的影响 28
1.5.2 海洋环境中的波浪及其对土木工程的影响 31
1.5.3 海洋环境中的潮汐及其对土木工程的影响 33
1.5.4 海洋环境中的海流、海冰及其对土木工程的影响 33
1.6 海洋土木工程的基本特点 35
1.6.1 海洋土木工程所涉领域广阔 35
1.6.2 海洋土木工程环境因素复杂 36
1.6.3 海洋土木工程结构形式多样 36
1.6.4 海洋土木工程与生态环境联系密切 37
1.6.5 海洋土木工程信息化进程加速 37
1.7 本章小结 38
参考文献 39
第2章 功能材料与结构化材料 40
2.1 功能材料简介 40
2.1.1 功能材料的定义 40
2.1.2 功能材料的分类 40
2.2 代表性功能材料 41
2.2.1 形状记忆材料 41
2.2.2 压电材料 43
2.2.3 摩擦电材料 45
2.2.4 超导材料 46
2.2.5 多功能材料系统 47
2.3 超材料：以力学超材料为例 49
2.3.1 力学超材料的定义与常见制备技术 49
2.3.2 力学超材料的典型分类方法 51
2.3.3 手性力学超材料 51
2.3.4 折/剪纸力学超材料 53
2.3.5 蜂窝力学超材料 54
2.3.6 力学功能超材料 56
2.4 数据驱动的新型结构化材料 57
2.4.1 大数据与人工智能技术 57
2.4.2 大数据驱动的智能结构化材料 58
2.4.3 水声调控结构化材料 59
2.4.4 抗冲减振结构化材料 61
2.5 本章小结 62
参考文献 62
第3章 人工智能海洋土木工程应用 65
3.1 机器学习算法 65
3.1.1 监督学习 66
3.1.2 无监督学习 69
3.1.3 强化学习 71
3.2 人工神经网络和深度学习算法 73
3.2.1 人工神经网络 73
3.2.2 卷积神经网络 75
3.2.3 深度学习 76
3.3 海洋土木工程人工智能技术 77
3.3.1 海况监测预警 78
3.3.2 海洋数据降维 79
3.3.3 船舶路径规划 81
3.3.4 水下图像增强 82
3.4 海洋土木工程人工智能辅助设计 83
3.4.1 智能建造 84
3.4.2 施工现场智能视觉 85
3.4.3 数字孪生 86
3.4.4 智能建筑材料 88
3.5 人工智能的海洋土木工程应用实例 89
3.5.1 机器学习算法选择 89
3.5.2 损伤识别与裂缝检测 91
3.5.3 定位与运动轨迹分类 93
3.6 本章小结 93
参考文献 94
第4章 智能监测感知技术 97
4.1 监测感知技术的出现与发展 97
4.1.1 背景与重要性 97
4.1.2 基本技术与方法 98
4.1.3 发展进程与前景 99
4.2 常见的智能监测感知技术 101
4.2.1 监测感知技术系统组成及功能分析 101
4.2.2 子系统常见技术简介 102
4.3 应变、位移与加速度监测感知技术 105
4.3.1 电阻应变片传感器 105
4.3.2 压电贴片传感器 107
4.3.3 位移传感器 108
4.3.4 加速度传感器 109
4.4 位移与加速度传感器的海洋土木工程应用 110
4.4.1 位移传感器的海洋土木工程应用 110
4.4.2 加速度传感器的海洋土木工程应用 110
4.5 多技术耦合组网监测系统 111
4.5.1 多传感器组网监测系统概述 111
4.5.2 无线传感器及其网络特性 112
4.5.3 无线传感器节点组成 113
4.5.4 无线传感器网络生成及其节点工作原理 113
4.5.5 多传感器组网监测技术研究现状 114
4.5.6 多传感器监测网的海洋土木工程应用 116
4.6 本章小结 117
参考文献 117
第5章 海洋智能土木工程监测感知技术 119
5.1 智能监测感知传感器组网监测技术 119
5.1.1 传感器技术 119
5.1.2 无线传输技术 120
5.1.3 无线物联网智能组网架构 121
5.1.4 无线传感器数据传输协议 124
5.1.5 基于窄带物联网的低功耗无线监测节点 126
5.1.6 基于4G/5G的高速率监测节点 129
5.2 监测数据实时分析处理与评估技术 131
5.2.1 数据预处理 131
5.2.2 数据融合 131
5.2.3 模式识别 132
5.2.4 数据处理 132
5.2.5 数据可视化 133
5.3 常见的监测数据评估技术与方法 133
5.3.1 层次分析法 133
5.3.2 模糊综合评价法 134
5.3.3 数据包络分析法 135
5.4 跨域全生命周期一体化监测感知系统 137
5.4.1 水上-水下-基础跨域监测技术 137
5.4.2 数字孪生技术 137
5.4.3 数字仿真技术 138
5.4.4 全生命周期一体化监测感知预警系统 139
5.5 本章小结 143
参考文献 144
第6章 海洋智能土木工程展望与愿景 146
6.1 监测传感器、数据传输与处理技术的技术瓶颈与发展趋势 146
6.1.1 常见监测传感器技术的技术瓶颈 147
6.1.2 常见监测传感器技术的发展趋势 148
6.1.3 常见数据传输技术的技术瓶颈 149
6.1.4 常见数据传输技术的发展趋势 151
6.1.5 常见数据处理技术的技术瓶颈 151
6.1.6 常见数据处理技术的发展趋势 152
6.2 海洋土木工程新能源技术介绍与发展趋势 153
6.2.1 海洋土木工程新能源技术介绍 153
6.2.2 海洋土木工程新能源发展趋势 156
6.3 海洋土木工程材料介绍与展望 157
6.3.1 海洋土木工程材料介绍 157
6.3.2 海洋土木工程材料展望 160
6.4 数据时代海洋土木工程信息智能化 162
6.4.1 海洋信息采集传感器 162
6.4.2 海洋立体传感器网络 164
6.4.3 数据实时分析处理系统 166
6.5 海洋智能土木工程与智慧海洋 168
6.5.1 海洋智能近海工程 168
6.5.2 海洋智能港口码头 168
6.5.3 智慧海上交通 169
6.5.4 智慧海洋牧场 169
6.5.5 智慧海洋石油平台 170
6.6 本章小结 171
参考文献 171