Analysis of Arctic shipping operations using enhanced historical AIS data

Abstract

Dagens utfordringer for en bærekraftig utvikling av den maritime næringer i Arktisk inkluderer å opprettholde konkurransefortrinne globalt, optimalisere energikilder og minimere den totale miljøpåvirkning. International Maritime Organization (IMO) anbefaler POLARIS som en akseptabel metodikk for å bestemme og sett operasjonelle begrensninger i is. Til tross for flere begrensninger, er POLARIS i dag «en pilar i den overordnede beslutningsprosessen til ulike interessenter som klasseselskaper, kapteiner og redere» (1). RIO kan beregnes fra tilgjengelige data, og et fartøys operabilitet kan bestemmes. POLARIS kan brukes til to primære formål (planlegging eller som et beslutningsverktøy ombord). Erfaring fra POLARIS som et planleggingsverktøy er imidlertid begrenset. Hovedmålet med denne oppgaven har vært å studere følgende forskningsspørsmål: i hvilken grad kan POLARIS, basert på tilgjengelig isinformasjon, brukes til planleggingsformål? Oppgaven var basert på et samarbeid mellom Det Norske Veritas (DNV) og Institutt for marin teknologi (IMT). DNV var med på fire møter og ga tilgang til en ekspert på POLARIS og operasjoner under polarkoden.

Denne masteroppgaven presenterer en metodikk for å vurdere operasjonell risiko basert på historiske og tilgjengelige data. I den første delen av denne oppgaven ble det gjennomført en valideringsstudie av relevante datakilder for isforhold, AIS-data og isklasser. Denne delen ble ansett som vesentlig for å bestemme i hvilken grad POLARIS kan brukes til planleggingsformål. I andre del ble RIO-beregninger basert på historiske data presentert. Fartøyer med lavere isklasser var i 99,45 % av AIS-meldingene som ble samlet inn innenfor deres RIO-grenser. Denne delen av arbeidet etablerte en sammenheng mellom operasjonell risiko, antall dager til nærmeste iskart, og hastighet basert på RIO-beregninger fra den utviklede modellen. I siste del ble det utviklet en prediktiv metode for å forutsi et fartøys operasjonelle begrensninger for en gitt uke basert på en historisk AIS-rute og iskart. Først ble de mest utfordrende områdene beregnet basert på median RIO-verdier for et helt år. Videre ble operasjonsperioden i perioden der NSR fryser til bestemt for ulike isklasser, og det ble etablert en prognose for når et fartøy med en gitt isklasse kunne operere med eller uten isbryter. Til slutt ble driftsbegrensningene for hver uke analysert ved å undersøke hvor mye av ruten en spesifikk isklasse kunne forvente å måtte bruke isbyter, kunne operere fritt eller ikke opperere.

Today´s challenges for the sustainable development of the maritime industries in harsh environments include maintaining competitiveness globally, optimizing energy sources, and minimizing their environmental impacts. International Maritime Organization (IMO) recommends POLARIS as an acceptable methodology to determine a set of operational limitations in ice. Despite limitations, POLARIS is “a pillar in the overall decision process of various stakeholders such as classification societies, underwriters, and shipowners” (1). The RIO can be calculated from available data, and a vessel's operability can be determined. POLARIS can be used for two primary purposes (planning or an onboard tool). However, experience from POLARIS users is limited. In this view, the main objective of this thesis has been to address the following research question: to which degree can POLARIS, based on available ice information, be used for planning purposes? The thesis was based on a collaboration between Det Norske Veritas (DNV) and the Institute of marine technology (IMT). DNV provided four meetings and access to an expert on POLARIS and operations under the polar code.

This master thesis presents a methodology for assessing operational risk based on historical and available data. In the first part of this thesis, a validation study of relevant data input for ice conditions, AIS data, and ice classes was conducted. This part was considered essential to determine to which degree POLARIS can be used for planning purposes. In the second part, RIO calculations based on historical data were presented. Vessels with lower ice classes were in 99,45% of the AIS messages collected operating within their RIO limits. This work established a link between the operational risk, the number of days to the closest ice chart, and speed based on RIO calculations from the developed model. In the last part, a predictive method for forecasting a vessel's operational limitations for a given week was developed based on a historical AIS route and ice charts. First, the most challenging areas were established based on median RIO values for a whole year. Second, the operational limits for the freezing period for different ice classes were investigated, and a forecast for when a vessel with a given ice-class could operate with or without an ice breaker was established. Lastly, the operational limitations for each week were analyzed by investigating how much of the route a specific operational limitation could be expected.