Optimal posisjonering med tanke på fiskevelferd for Havfarm 2

Abstract

Denne masteroppgaven tar for seg et mulig problem med vannkvaliteten for laksen i det bakerste buret i Havfarm 2. Havfarm 2 er et ukonvensjonelt akvakulturanlegg, designet for dynamisk posisjonering, som for øyeblikket designes av NSK Ship Design for Nordlaks. Havfarm 2 er et av Nordlaks sine prosjekter bestående av enestående innovasjon og betydelige investeringer, og svarer til Fiskeridirektoratets tilsagn om utviklingstillatelser for å løse utfordringene i norsk akvakultur.

Først utvikles en digital tvilling av Havfarm 2. Dette gjøres i Simulink og Matlab, hvor den hydrodynamiske analysen som er gjort i Wamit, er inkludert ved hjelp av Marine Systems Simulator. Det er også utviklet en simuleringsplattform for den digitale tvillingen i Simulink, inkludert miljøforhold og målesimuleringer. Ettersom det er vannkvaliteten i det bakerste buret som undersøkes, utvikles også en forenklet modell for vannkvaliteten.

Et reguleringssystem, tilpasset driftsfilosofien i denne oppgaven, er utviklet. Reguleringssystemet inkluderer en observer, forenklet kraftfordeling til fremdriftsenhetene og flere reguleringsalternativer for å sikre vann av høy kvalitet til fisken, samtidig som drivstofforbruket minimeres. De forskjellige reguleringsalternativene som ble testet, er følgende:

1. Bruk av en PID-regulator for å regulere vannkvaliteten ved å styre kraft fra en fremdriftsenhet. 2. Bruk av dynamisk programmering for å finne en optimal retning, basert på strømmen, og en PID-regulator for å regulere retningen på Havfarm 2. 3. Bruke en ikke-lineær modellprediktiv regulering i tre frihetsgrader (jag, svai og gir) for å finne optimale krefter for hvert tidssteg. 4. Bruke en ikke-lineær modellprediktiv regulering i tre frihetsgrader (jag, svai og gir) for å finne optimal posisjon og retning for hvert tidssteg. En PID-regulator brukes deretter til å følge denne referansen.

Alternativ nummer 3 ble det beste alternativet i denne oppgaven, men det er begrensninger og fortsatt mye arbeid som må gjøres før man kan realisere et slikt reguleringssystem. Av resultatene i denne oppgaven er det hevdet at optimal regulering både er mulig og kanskje den foretrukne måten å løse et mulig vannkvalitetsproblem i Havfarm 2.

This master thesis look into a possible water quality problem for the salmon in the hindmost cage of Havfarm 2. Havfarm 2 is an unconventional aquaculture plant, designed for dynamic positioning, that is currently being designed by NSK Ship Design for Nordlaks. Havfarm 2 is one of Nordlaks' projects with outstanding innovation and substantial investments, answering to The Norwegian Directorate of fisheries arrangement to solve challenges of the Norwegian aquaculture industry.

At first, a digital twin of Havfarm 2 is developed. This is done in Simulink and Matlab, where the hydrodynamic analysis that are done in Wamit, are included using Marine Systems Simulator. It is also developed a simulation platform for the digital twin in Simulink, including environmental conditions and measurement simulations. As it is the water quality in the hindmost cage that is investigated, a simplified model for the water quality is also developed.

A control system, customized for the operational conditions in this thesis, is developed. The control system includes a state estimator, simplified thrust allocation and several control alternatives to ensure high quality water to the fish, while minimizing the fuel consumption. The different control alternatives that was tested are the following:

1. Using a PID controller to regulate the water quality by controlling force from one thruster. 2. Using dynamic programming to find an optimal heading based on the current, and a PID controller to regulate the heading. 3. Using a 3 degree of freedom (surge, sway and yaw) nonlinear model predictive control to find optimal control input for each time step. 4. Using a 3 degree of freedom (surge, sway and yaw) nonlinear model predictive control to find optimal position and heading for each time step. A PID controller is used to follow this reference.

The control alternative 3 was found to be the best alternative in this thesis, but there are limitations, and still much work to be done before realizing such a control system. From the results in this thesis, it is argued that optimal control is both possible and maybe the preferable approach to solve a possible water quality problem.