Exploring the Digital Twin Concept for a Rigid Aquaculture Cage

Abstract

Denne masteroppgaven har som formål å gi innsikt i potensialene for bruk av digitale tvillinger i offshore havbruksindustri. Dette er gjort gjennom strukturanalyse og sensoranvendelse. En global responsanalyse er utført for tre utvalgte sjøtilstander i det ikke-lineære analyseprogrammet USFOS, på Ocean Farmings offshore oppdrettsanlegg Ocean Farm 1. Den simulerte sjøtilstaten har en estimert returperiode på 100 år, og inkluderer sjøtilstander nært opp mot det Ocean Farm 1 er designet for å tåle. Fra analysene ble det funnet at de største spenningene som oppstår i strukturen er på 55% av flytespenningen.

Basert på analyseresultatene velges to strukturelementer og en parameter for påføring av sensorer for overvåkning av den strukturelle integriteten til anlegget. De valgte elementene er element 524 av hovedstrukturen, som opplever høye belastninger under de ekstreme værforholdene, og forankringsline nummer 8 som er den linen med høyest utnyttelse. Parameteren for overvåkning er bevegelsenen til strukturen, basert på at den beveger seg et stykke bort fra nøytralposisjonen under de ekstreme værforholdene. Disse valgene er gjort basert på en kombinasjon av analyseresultatene, redundansen til elementet, og med det formål å gi et innblikk i noen forskjellige sensorer.

For overvåkning av element 524 er tre strekklapper installert i en rosettkonfigurasjon foreslått som overvåkingsmetode. Informasjonen om tøyningsutviklingen kan brukes til å overvåke spenningene som elementet opplever, og også lage en tidsserie av spenningene for å lagre spenningshistorikken som elementet opplever. For overvåkning av kreftene i forankringslinen er det valgt et inklinometer. Det beregner spenningen i forankringslinen basert på måling av vinkler, og kraften i forankringslinen kan avledes fra disse målingene. Det kan brukes til å overvåke kreftene, og som for det strukturelle elementet, skape en historikk over kreftene for å kunne overvåke og evaluere tilstanden til forankringslinen gjennom hele levetiden. For å overvåke bevegelsene til strukturen er det foreslått å bruke differensiell GPS. Dette er en forbedringsmetode for GPS som øker nøyaktigheten av posisjonsberegningen. Analysene viser at strukturen kan bevege seg i et område på størrelse med en liten fotballbane, avhengig av de innkommende bølgene og strømmen. Det er viktig å vite den nøyaktige posisjonen til strukturen for kommunikasjon med arbeidsbåter som jobber på eller nær strukturen.

Oppgaven presenterer også forskjellige bruksområder for en digital tvilling av Ocean Farm 1. En av hovedfordelene med en digital tvilling som får input fra sensorer over hele strukturen, er muligheten for overvåkning i sanntid. 85% av strukturen ligger under vannoverflaten, og regelmessig manuell inspeksjon er utfordrende. En digital tvilling kan overvåke alle ønskede parametere, og manuell inspeksjon kan utføres de gangene det er nødvendig.

Gjennom arbeidet med denne oppgaven har det blitt identifisert store muligheter for bruk av digitale tvillinger i offshore oppdrettsindustri. Investeringskostnadene ved å etablere en digital tvilling er store sammenliknet med å kun bygge strukturen, men med bedre optimalisering av operasjoner og prosesser, og økt sikkerhet, utlignes disse kostnadene i løpet av levetiden. Videre forskning på og undersøkelse av dette emnet, og arbeid med å etablere en digital tvilling av Ocean Farm 1 anbefales. Det gir store muligheter for å skape innsikt i oppdrettsprosessene på nye måter, og digitale tvillinger ser ut til å ha nesten uendelige muligheter.

This master thesis aims to give insight to potentials for use of digital twins in offshore aquaculture industry. This is done through structural analysis and sensor application. A global response analysis is carried out for three selected sea states in the non-linear analysis program USFOS, on Ocean Farming's offshore fish farming facility Ocean Farm 1. The simulated sea state has an estimated 100 year return period, and includes sea states close to what Ocean Farm 1 is designed for. From the analysis it is found that the largest stresses occurring in the structure is 55% of the yield stress.

Based on the analysis results, two elements and one parameter are selected for application of sensors for monitoring of the structural integrity of the structure. The chosen elements are element 524 of the main structure which are experiencing high stresses during the extreme weather, and the mooring line with the highest utilisation, number 8. The movements of the structure is the parameter chosen for monitoring, as it experiences large offsets from the neutral position during the extreme weather. These selections are based on a combination of the analysis results, redundancy of the element, and for the purpose of variation to give insight to a few different sensors.

For monitoring of element 524 three strain gauges are proposed installed in a rosette configuration. The information on the strain development can be used for monitoring of the stresses experienced by the element, and also create a time series of the stresses to save the stress history experienced by the element. For monitoring of the forces in the mooring line, an inclinometer is chosen. It calculates the tension in the mooring line based on measurement of angles, and the force in the mooring line can be derived from these measurements. It can be used to monitor the forces, and as for the structural element, create a history of the forces to be able to monitor and evaluate the condition of the mooring line throughout the lifetime. For monitoring of the movements of the structure, a differential global positioning system is proposed used. This is an enhancement method for GPS which increases the accuracy of the position calculation. The analysis shows that the structure can move in an area at the size of a small football field, dependent on the incoming waves and current. It is important to know the exact position of the structure for communication with working boats that are working at or close to the structure.

This thesis also presents different use cases for a digital twin of Ocean Farm 1. One of the main advantages of having a digital twin with input from sensors all over the structure, is the possibility of monitoring it real-time. 85% of the structure is situated beneath the sea surface, and regular manual inspection of these areas are challenging. A digital twin can monitor the wanted parameters and manual inspections can be scheduled when they are needed.

Through the work in this thesis, large potentials for use of digital twins in offshore aquaculture industry has been identified. The investment costs of establishing a digital twin are large compared to only building the structure, but the enhanced optimisation of operations and processes, and the increased safety, evens out the increased costs. Further research and exploration of the topic, and work on establishing a digital twin of Ocean Farm 1 is recommended. It gives larges possibilities for creating insight to the farming processes in new ways and sees almost endless possibilities.