Deterministic Response Prediction of Wave-induced Vessel Motions
Master thesis
Date
2023Metadata
Show full item recordCollections
- Institutt for marin teknikk [3410]
Abstract
Krevende marine operasjoner krever et høyt nivå av sikkerhet. Eksempler på slike operasjoner er offshore løfteoperasjoner fra flytende fartøy, landing av landgang på offshore vindstrukturer, helikopter landing, installasjon av undervannsutstyr, slep av større strukturer, og flere fartøy-til-fartøy operasjoner. Sanntids monitorering og prediksjon av omgivelsene er essensielt i planleggings- og gjennomføringsfasen av marine operasjoner, samt optimalisering av DP operasjoner og fartøy under overfart. Den mest utfordrende delen av miljøovervåking og prognostisering er sanntidsberegning og forutsigelse av bølgeinduserte fartøybevegelser. Å muliggjøre slik funksjonalitet vil være avgjørende som et beslutningsstøttesystem om bord. I denne master avhandlingen undersøkes to forskjellige sanntid deterministiske prediksjons algoritmer for prediksjon av bølgeindusert bevegelse. Den første metoden er basert på Fourier-transformasjon, der en faseoppløst rekonstruksjon av målt bølgefelt brukes til å forutsi bølgehevingen i rom og tid, og fra bølgehevingen finne bølgeinduserte bevegelser ved hjelp av respons transferfunksjoner. Den andre metoden er basert utelukkende på målt fartøysbevegelse og tilhørende autokorrelasjonsfunksjon for å prediktere fremtidige bevegelser. For å evaluere prediksjons metodene er det utviklet lav-hastighets simuleringsmodeller med 6 frihetesgrader for RV Gunnerus og modelskala fartøyet CS Arctic Drillship. Begge modellene er eksitert av første- og andreordens bølgelaster for å simulere fartøybevegelser. Den første modellen er en tilstandsrommodell formulering av Cummins ligning, og den andre en frekvensuavhengig manøvrerings modell. Resultatene fra denne oppgaven demonstrerer hvordan deterministisk respons prediksjon kan oppnås fra begge algoritmene, i tillegg til å diskutere algoritmenes begrensinger. Til slutt er det vist at simulerings platformen utviklet og publisert i dette prosjektet kan brukes for forskning og utvikling av nye kontroll og brukerstøttesystemer for marine applikasjoner. Demanding marine operations require a high level of safety. Examples of such operations are offshore lifting operations by floating vessels, gangway landing on offshore wind structures, helicopter landings, subsea installations operations, towing of large structures, and various ship-to-ship operations. For operational intelligence, real-time environmental monitoring and forecasting are essential for planning and execution of demanding marine operations as well as optimizing DP operations and ship voyages. The most challenging part of environmental monitoring and forecasting is real-time estimation and prediction of wave-induced vessel motions. Enabling such functionality will be essential as an onboard decision support tool. In this thesis, two different real-time deterministic prediction algorithms for wave-induced response prediction are investigated. The first method is based on the Fourier transform, using a phase-resolved reconstruction of the measured wave field to predict the spatio-temporal wave elevation and from this the wave-induced motions through known Response Amplitude Operators. The second method is based solely on the measured vessel motion and its autocorrelation function to predict future motion. For the purpose of evaluating the prediction methods, high-fidelity 6 \acrfull{dof} low-speed simulation models of \acrfull{rvg} and the model-scale vessel \acrfull{csad}, subject to first- and second-order wave loads, are developed to simulate vessel motions. The first simulation model is a state-space formulation of the Cummins equation, while the second is a frequency-independent manuevering model. The results of this study demonstrate that deterministic prediction of wave-induced vessel motions can be achieved by using either of the proposed algorithms. Additionally, the prediction methods' limitations are discussed. Lastly, it is discussed how the simulation platform developed and published can be used as a cornerstone in future research and development of marine control and decision support systems.