Simulation-based ship navigation for virtual testing of ship designs

Abstract

Hovedmålet med denne oppgaven er å utvikle mer realistiske og nøyaktige simuleringer for sjøkryssinger til implementering i simuleringsbasert skipsdesign. For å legge til rette for energieffektiv shipping, er virtuell validering av designkonseptet sentralt. Innsikt i modellering av værhorisont, forsinkelsesmodellering og deres effekt på simulerte sjøkryssinger er oppnådd gjennom sammenligning av simulerte seilas med fullskala data fra et cargo skip. Det presenterte arbeidet illustrerer betydningen av tilgjengelig informasjon og beslutningstaking i simuleringsbasert skipsoperasjon.

Konsekvensen av vår forståelse av systemets ytelse ved hjelp av simulering er vurdert i en case-studie hvor to reiser replikeres over det nordlige Stillehavet og sammenlignes med fullskala målinger. Det er funnet at evnen til å foreta strategiske avgjørelser er sterkt knyttet til tilgjengelig informasjon og da spesilet værmeldingen. Hvordan værhorisont er modellert påvirker den valgte ruten og erfart bølgehøyde betydelig. For værvarselslengde under 96 timer seiler den simulerte seilasen nord for en storm som ligger på den store sirkelruten, mens fullskaladataene viser at den menneskelige kapteinen valgte å gå sør for stormen og erfarte betydelig lavere bølgehøyder. Avhengig av kostmodellen for forsinkelse seilte de simulerte seilasene sør for stormen ved værhorisonter på 96 timer og 102 timer, og opplevde lignende bølgehøyder som fullskalaskipet. Dette indikerer at en menneskelig kaptein har en minimum værhorisont på minst 96 timer i dette tilfellet.

En undersøkelse av kostmodellering av forsinkelse og dens effekter presenteres også. Fem ulike kostmodeller for forsinkelse blir testet, og de viser at den har evnen til å påvirke fart, vei og strategiske beslutninger. Strenge kostmodeller for forsinkelse kan påvirke simulatoren til strategiske beslutninger tidlig i en reise. To av de strengeste kostfunksjonene for forsinkelse styrer den simulerte reisen sør for stormen, med en seks timers kortere tidshorisont enn kostnadsmodellene som er mindre strenge, og møter dermed roligere farvann og ingen forsinkelse.

The primary objective is to develop more realistic and accurate simulations of sea passage voyages for application in simulation-based design of ships. To facilitate energy-efficient shipping, virtual proofing and validation of design concepts are central. Insight is provided on modelling of foreseeable weather horizon, delay cost modelling, and their effect on simulated sea passage scenarios. It is achieved through comparison of simulated sea passage voyages with full-scale data for a general cargo carrier. The presented work illustrates the importance of available information and decision making in simulation-based ship operations.

Impact on our understanding of ship system performance using simulation is assessed in a case study where two voyages are replicated over the North Pacific and compared to full-scale measurements. It is found that the ability to make strategic routing decisions is strongly dependent on available information with regards to weather forecasts. How the foreseeable weather horizon is modelled affects the selected route and encountered wave height significantly. For a forecasted weather horizon below 96 hours the simulated voyages go north of a storm situated on the great circle route, whereas the full-scale data showed that the human captain chose to go south of the storm and experience considerably lower wave heights. Depending on the delay cost model the simulated voyages sailed south for horizons of 96 hours and 102 hours, and experienced similar wave heights as the full-scale ship. This indicates that a human captain has a foreseeable weather horizon of at least 96 hours in this instance.

A study on delay cost modelling and its effects are also presented. Five different delay cost function forms are tested, and they display the ability to affect speed, path and strategic decisions. Strict delay cost models can affect the simulator to take strategic decisions early in a voyage. Two of the strictest delay cost functions manage to steer the simulated voyage south of the storm, with a six-hour shorter time horizon than the cost models that are less strict, and thus encounters calm seas and no delay.