Geri Dön

MODELLING AND ESTIMATION OF SHIP MOTIONS

GEMİ HAREKETLERİNİN MODELLENMESİ VE TAHMİNİ

PDF İndir

  1. Tez No: 848274
  2. Yazar: ALPER ZİHNİOĞLU
  3. Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ MELEK ERTOGAN
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Gemi Mühendisliği, Marine Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 136

Özet

Manevra, dinamik konumlama, sensör verilerinden deniz durumu tahmini, yakıt ve rota optimizasyonu, kontrol ve emniyet konuları başta olmak üzere bir çok amaç için gemi hareketlerinin tahmin edilmesi önem arz etmektedir. ITTC manevra komitesine göre gemi hareketlerinin modellenmesi ve tahmini için temelde üç yöntem kullanılmaktadır. Bunlar; HAD simülasyonları, sistem tabanlı manevra ve veri tabanı araştırmasıdır (simülasyonsuz). Gemi manevra denklemlerinin hidrodinamik katsayılarının hesaplanması için literatürde yaygın örnekler bulunmaktadır. Bu katsayılar tanılama ile tahmin edilerek de gemi hareketleri hesaplanabilir. Bu yöntem, karmaşık manevra denklemlerini kullanır. Karmaşık manevra denklemleri farklı parametrelere bağlıdır. Bazılarını elde etmek kolay, bazılarını ise elde etmek zordur. Geminin ana özelliklerini elde etmek kolaydır. Bunlar ağırlık ve boyutları içerir. Hidrodinamik katsayılarının elde edilmesi ise zordur. Bu katsayıların zaman içerisinde; tüketilen yakıt, karina sürtünmesinin deniz canlıları etkisiyle değişmesi, gemide yapılan tadilatlara istinaden ağırlık merkezinin ve gövde yapısının değişmesi gibi nedenlerle, güncellenme ihtiyacı doğabilir. Ölçekli modeller üzerinde yapılan deneyler, geminin gövdesine etki eden hidrodinamik kuvvetleri hesaplamak için yapılır. Sadece geminin hareketleri modellenmek isteniyorsa, karmaşık denklemler ve geminin boyutlarına bağımlılığın gerekli olmadığı değerlendirilmektedir. Tez, hidrodinamik katsayılar, hareket denklemleri vb. gibi modelin yapısını bilmeden uygun bir platform modelinin pratik uygulaması açısından farklı bir bakış açısına sahiptir, burada ihtiyaç duyulan tek bilgi uyartım girdileri ve istenen çıktılardır. Sonuç olarak, önerilen yöntem ile sadece girdi ve çıktılar bilindiğinde gemi hareketleri modellenebilir. Aynı zamanda önerilen yöntem girdi ve çıktı sayısına da bağlı olmayıp girdiler (dümen, pervane, fin vb.) ve çıktılar (1-6 serbestlik derecesi) uygulamaya göre ayarlanabilir. Bu tezde gemi hareketlerinin modellenmesi için çalışılan toplam 5 metod içerisinde başarı elde edilen üç metod sunulmaktadır. Başarısız olan metodlara ilişkin detaylara da ayrıca yer verilmiştir. Tez toplamda beş bölümden oluşmaktadır. Her bölümün ana hatları ile içeriği takip eden paragraflarda izah edilmiştir. İlk bölümde konu hakkında şu ana kadar literatürde yapılan çalışmalar taranmış ve özetlenmiştir. Tam boyutlu deniz deneyleri, ölçeklendirilmiş model deneyleri ve simülasyonların literatürde kullanıldığı görülmektedir. Ayrıca dümen girdisi olarak da rastgele ikili dizi (PRBS), yılankavi ve dairesel dümen manevralarının kullanıldığı görülmüştür. Genel olarak hız sabit tutulmuş olup tekne ataletinin hızlanma ve yavaşlamadaki etkisinin bu çalışmalarda değerlendirilmediği tahmin edilmektedir. Ayrıca literatürde bahsedilen dümen manevraları kısıtlı genlikte ve düşük frekansta olduğundan, sabit hızla beraber ele alındığında tanılama gayretini kolaylaştırmakta olduğu ve en kötü manevra senaryosunu yansıtmadığı değerlendirilmektedir. Bu sebeple bu tez çalışmasında, veri üretmek amacıyla kullanılan ve detaylarına Bölüm 2'de yer verilen benzetimlerde; hem dümen manevraları maksimum genlikte ve değişken frekanslarda hem de hız kumandası azalan / artan şekilde verilmiş ve tanılama çalışmaları için en zor koşulların yaratılması için gayret sarf edilmiştir. İkinci bölümde ise, gerçek deniz testlerinin yokluğunda ve istikrarlı bir tanılama yöntemi belirlenen kadar, çalışmalara olanak sağlayacak benzetim yöntemi ve kullanılan matematiksel modeller açıklanmıştır. Gemi dinamiklerini tanımlamak için denizcilik ve manevra olmak üzere iki ana teori kullanılmaktadır. Manevra teorisinde, gemi hareketleri dalga etkisi (sakin su) olmadan incelenir. Bir deniz aracının sabit bir rota ve hızdaki hareketini dalga etkisi altında inceleyen teori ise denizcilik teorisidir. Denklemler genel olarak atalet kuvvet / momentleri, sönümleyici kuvvet / momentler, düzeltici kuvvet / momentler ile bunlara karşılık eşitliğin sağ tarafında tekneye dışarıdan uygulanan kuvvet ve momentleri (dümen, pervane, dalga, akıntı, rüzgar) içermektedir. Genel hatları ile verilen denklemler daha sonra çalışmaya göre özelleştirilerek 4 serbestlik derecesine uyarlanmıştır. T. I. Fossen ve T. Perez (2004) tarafından hazırlanan ve açık olarak dağıtımı yapılan askeri gemi ve ikmal gemisi olmak üzere iki farklı gemi modeli ile deneyler yapılmıştır. Manevra benzetimleri için kullanılan gemi modeli askeri gemi modelidir ve non-lineer bir modeldir. Manevra modelinde deniz durumu kaynaklı bozucu etkiler yer almamaktadır. Manevra modeli için oluşturulan veri setinde dümen sabit genlikte (azami limitlerinde) ancak farklı frekanslarda kumanda edilmiş, gaz kolu ise farklı hız kademelerine benzetim boyunca ayarlanmış, sonlara doğru ise hız sıfıra düşürülerek hem hızlanma hem de yavaşlamadaki dinamiklerin uyarılması ile daha gerçekçi şartlarda tanılama yapılabilmesi hedeflenmiştir. Elde edilen bu veri ile tanılaması yapılan model daha sonra gerçek dünyada da uygulama alanı bulunan bir yakala ve geç senaryosu ile doğrulanmıştır. Bu senaryoda yaklaşan geminin iskele-sancak, sancak-iskele dümen kumandaları ve artan hız kumandaları ile yetişilen geminin önüne geçmesi senaryosu canlandırılmıştır. Denizcilik modelinde ise ikmal gemisi modeli kullanılmış ve benzetim çalışmaları bozucu deniz etkisi de dikkate alınarak yapılmıştır. Deniz durumu kaynaklı bozucu etki için belirgin dalga yüksekliği 3 metre ve dalga karşılaşma açısı olarak da 30, 45 ve 90 dereceler seçilmiştir. Farklı genlik ve farklı frekanslardaki sinüs sinyali ile oluşturulan dümen ve farklı kademelerdeki gaz kolu girişleri ile tanılama verisi oluşturulmuş, daha sonra doğrulama ise hem dümen hem de gaz kolu kumandası için rastgele ikili dizi (PRBS) kullanılarak sağlanmıştır. Gemi modeli, bozucu etkiler, uyartım girişleri ve serbestlik derecelerine ait cevaplar Matlab® Simulink™ ortamında hazırlanmış olup veri toplaması yapılmıştır. Gemilerin temel boyutları ve Simulink™ benzetim bloklarına ait detaylar bölüm içerisinde etraflıca açıklanmıştır. Tezin ana odak noktası, tanılama çalışmaları için bir yöntem bularak bu yöntemin başarısını kanıtlamak olduğundan, benzetim ortamında yapılan çalışmalar hızlı sonuç vermesi ve farklı kombinasyonların masrafsız olarak denenebilmesine olanak sağladığı için tam boyutlu deniz deneylerinden toplanan verilerin kullanımından önce oldukça iyi bir geliştirme ortamı sağlamıştır. Ancak, bu benzetim çalışmalarının tezin ana odak noktası olmadığını hatırlatmakta fayda görülmektedir. Üçüncü bölümde ise modelleme ve tanılama yöntemlerinden bahsedilmiştir. Durum uzay modeli ve ARX modelleri ile yapılan tanılama çalışmaları başarısız olmuştur. Bu modeller eğitim verisi ile iyi sonuçlar vermekle beraber eğitim verisine göre oluşturulan modelin doğrulamada başarısız olduğu tespit edilmiştir. Bunun Matlab® tarafından otomatik olarak yapılan linearizasyondan kaynaklandığı değerlendirilmektedir. Diğer taraftan çalışmalar sonucunda yinelemeli ağırlıklandırılmış dinamik transfer fonksiyonu modeli, sığ yapay sinir ağı modeli ve bozucusu ile beraber derin öğrenme destekli transfer fonksiyonu modelleri sunulmuş olup tanılaması yapılan bu modeller ile kayda değer başarı elde edildiği değerlendirilmektedir. Yukarıda bahsedilen ve başarılı olduğu değerlendirilen her bir modelin nasıl çalıştığına dair açıklamalar kendisine ait alt başlıklarda açıklanmıştır. Bu tez çalışmasından türetilen ve yinelemeli ağırlıklandırılmış dinamik transfer fonksiyonu modelinin çalışma şekli ile elde edilen sonuçları anlatan bir makale uluslararası hakemli bir dergide de yayınlanmıştır. Dördüncü bölümde sakin su ve deniz durumunun da olduğu tam boyutlu deniz deneyleri sonuçlarına yer verilmiştir. Bu bölümde, ikinci bölümde Matlab® ve Simulink™ ortamında oluşturulan modelden elde edilen sakin su ve deniz etkisinin yer aldığı veriler öncelikli olarak tanılama ve modelleme çalışmalarında kullanılmıştır. Sakin su verisi kullanılarak yinelemeli ağırlıklandırılmış dinamik transfer fonksiyonu modeli ve sığ yapay sinir ağı modeli için tanılama yapılmış ve elde edilen sonuçlar kıyaslanmıştır. Deniz etkisinin yer aldığı veri daha sonra derin öğrenme destekli transfer fonksiyonu modeli tanılama çalışmalarında kullanılmış, elde edilen yüksek benzerlik oranına istinaden bahse konu model tam boyutlu deniz deneyleri ile de doğrulanmıştır. Deniz etkisi özellikle tanılama faaliyetlerini zorlaştırmak için farklı karşılaşma açılarını kapsayacak şekilde denenmiştir. Tam boyutlu deniz deneyleri Tuzla Körfezi'nde, İstanbul Teknik Üniversitesi'ne ait Pilot 67 isimli pilot botu kullanılarak yapılmıştır. Tekne İTÜ personeli ve Denizcilik Fakültesi öğrencileri tarafından hava durumunun bofor cetveline göre 3-4 ve 4-5 olduğu iki ayrı tarihte gerçekleştirilmiştir. Deney sırasında yapılan manevralar, gerek deniz etkisi altında olması gerekse de literatürde kullanılan standart dümen manevraları haricinde karmaşık kumandaları içermesi sebebiyle gerçek durumu büyük bir başarımla yansıtmakta ve tanılama faaliyetleri açısından en zor koşulları karşılamaktadır. Elde edilen veri daha sonra derin öğrenme destekli transfer fonksiyonu modeli tanılama çalışmalarında kullanılmıştır. Her iki günde de toplanan veri, yarısı eğitim kalan yarısı da doğrulama için kullanılmak üzere ikiye bölünmüştür. Ayrıca bu model, daha önceden kurgulanan ve tek pervane tek dümen girişine uygun olan model mimarisinden farklı olarak iki pervane ve tek dümen girişine olanak sağlayacak şekilde güncellenerek daha önceden belirtilmiş olan önerilen yöntemin girdi ve çıktı sayısına bağlı olmaması fikri de doğrulanmıştır. Son bölüm olan beşinci bölümde ise sonuç ve önerilere yer verilmiştir. Ortaya konan çalışma, pratik kullanım bakış açısıyla, platforma ait hiçbir parametrenin bilinmeden, sadece giriş ve çıkışlar ölçülerek modellenmesine olanak sağlamaktadır. Önerilen serbestlik dereceleri ihtiyaca göre değiştirilebileceği gibi, serbestlik derecesinin artırılmasında teorik olarak bir engel bulunmamaktadır. Önerilen yöntemler ile denizde çatışmayı önleyici veya rota planlaması amaçlı çalışmalar yapılabilir. Lloyd kurallarına göre yapılan hesaplamalar neticesinde deniz araçlarında ileriye dönük hareket tahminlerinin en azından 120 s öncesini belirleyebilecek şekilde yapılmasının gerekli olduğu söylenebilir. Önerilen metodlar ile sonsuz adım ötesine dönük tahmin yapmak mümkün olmaktadır. Deniz platformu hareketlerini tahmin etmek için yinelemeli ağırlıklı bir model sağlanmıştır. Sakin sulardaki çeşitli manevra durumları için, sonsuz ve k-adım ileri çevrimiçi TF tahmini araştırmaları gerçekleştirilmiştir. Hem sonsuz hem de k-adım ileri tahminleri, doğrusal olmayan manevra modeliyle karşılaştırıldığında başarılı sonuçlar alınmıştır. Yinelemeli ağırlıklı modelin aynı manevra verilerini tahmin etmek için üç adımlı tahmine sahip (sığ) bir sinir ağı modeli sunulmuştur. Bir algoritma kullanarak, tahmin prosedürü üç bölüme ayrılmıştır. Veriler, sinir ağının genel tasarımının oluşturulmasını da içeren ilk adımda yüklenir. İkinci aşamada, çeşitli nöron ve katman boyutu kombinasyonları için doğrulama ve eğitim sonuçları üretilir. Son aşamada doğrulama ve eğitim veri setlerindeki hatalara bağlı olarak en iyi genelleme yeteneğine sahip model seçilir. Dalga ve akıntı etkisi altındaki gemi hareketlerini tahmin etmek için Long Short Term Memory (LSTM) derin sinir ağı destekli bir transfer fonksiyonu modeli önerilmiştir. Transfer fonksiyonu yinelemeli ağırlıklı modelde açıklandığı gibi tahmin edilir ve derin sinir ağı hataları düzeltir, yani gemideki deniz durumu/dalga etkilerini tahmin eder. Önceki iki yönteme göre LSTM derin sinir ağı destekli transfer fonksiyonu modeli ile en zorlu ortamlarda en iyi sonuçlar alınmaktadır. Bu çalışma sonucunda, gemilerin hareketini sağlayan giriş ve bu girişlere karşılık gelen cevapların bilinmesi ile yapılacak tanılama neticesinde hareketlerin modellenebileceği gösterilmiştir. Tekne hızı değiştiğinde - deplasman formundan kayıcı forma geçiş gibi – model bu değişime uyum sağlayabilmektedir. Tez kapsamında yapılan çalışmalar hem simülasyon hem de deniz deneyleri olarak sadece deplasman tekneleri ile yapılmıştır. Eğer tekne modeli veya gerçek şartlarda kullanılan tekne, dinamiklerini etkileyecek bir değişiklik yaşarsa bu durumda algoritma hata miktarına göre artık doğru tahminler yapamadığını algılayarak t zamanından belirlenen adım kadar geriye gidecek ve training çalışmasını yaparak model güncelleyecektir. T zamanından modelin güncellendiği t+x zamanına kadar olan sürede artan hata oranı ile çalışacak ve t+x+1 den itibaren ise güncellenen model sayesinde hata oranı azalacaktır. İhtiyaç duyulması halinde tekne faz değişiminde farklı serbestlik derecelerinin de modele giriş olarak dahil edilmesi gerekebilecektir. Önerilen model, bu gibi durumlarda sağladığı esneklik sayesinde kolaylıkla uyum sağlayabilecek özelliktedir. Bu çalışma sonucunda elde edilen model kullanılarak gelecekte; manevra, dinamik konumlama, sensör verilerinden deniz durumu tahmini, yakıt ve rota optimizasyonu, kontrol ve emniyet konuları başta olmak üzere bir çok amaç için yeni uygulamalar yapılabileceği değerlendirilmektedir.

Özet (Çeviri)

Roll, surge, sway, and yaw can occur in ships, boats, and submarines. Surge refers to the forward or backward movement of the vessel along its longitudinal axis, sway refers to side-to-side movement, roll refers to the tilting of the vessel from side to side, and yaw refers to the turning of the vessel around its vertical axis. Estimating these motions is important for a variety of reasons. In maneuvering, knowing the current and expected motion of the vessel can help the operator make informed decisions about how to move the vessel. In dynamic positioning, accurate motion estimations are necessary for maintaining the vessel's position using thrusters and other control systems. Motion estimations can stabilize the vessel or maintain the desired heading in control systems. For safety, knowing the vessel's motion can help the operator avoid hazardous situations and ensure the safety of the crew and passengers. It is also evaluated that the sea state and the direction of the wave can be estimated from the sensor data as a future study. Accordingly, with the heading change, fuel consumption can be optimized and a more stable maneuver can be predicted. Five different approaches are worked on and three of them were successful in this thesis. Roll, surge, sway, and yaw degree of freedoms, together with throttle references and rudder, are used as input and output. Training data generated by using these relations, three different models, namely, Iteratively Weighted Dynamic Transfer Function Model, Neural Network Model, and Deep Neural Network Supported Transfer Function Estimation with Disturbance Model are developed. All the models are used for seakeeping and maneuvering scenarios. Estimation results are validated with variable rudder and throttle commands to show model result generalization capability. All the scenarios are based on real-world applications. In addition to the simulation studies, different real-world tests were also done. The full-size sea experiments were carried out in Tuzla Bay using the pilot boat named Pilot 67 belonging to Istanbul Technical University. The boat was navigated by ITU personnel and Maritime Faculty students on two separate dates, when the weather conditions were 3-4 and 4-5 according to the beaufort chart. The maneuvers made during the experiment reflect the real situation with great success and meet the most difficult conditions because they are under the influence of the sea and they include complex controls other than the standard rudder maneuvers used in the literature. The obtained data was then used in deep learning assisted transfer function model diagnostic studies. The data collected on both days was split into two, half for training and half for validation. In addition, this model has been updated to allow two propellers and a single rudder input, unlike the previously designed model architecture, which is suitable for a single propeller and single rudder input, thus confirming the previously stated idea that the proposed method does not depend on the number of inputs and outputs. The presented work aims to consider the platform model from a different perspective, without having knowledge of the model, where the only required information is the required outputs and the excitation inputs. Consequently, the presented approaches have the adaptability to specify input - output variables to be arranged for the desired utilization and have the possibility to be specifically stretched out to boost the certainty and reliability of underwater, surface, and unmanned vehicle's control. Because of this the work presented here brings a new approach of usage of Deep NN in predicting ship motions. Studies about the planning of paths or avoidance of accidents can be conducted using the proposed methods. The Explanatory Notes to the Rules and Guidelines state,“The track width during the stop test at full astern should not exceed 15 ship lengths.”(Germanischer Lloyd, 2012) This rule applies to ships over 100 meters in length. Considering this statement and having 51.5 m (Perez et al., 2006) as the ship length and a speed mediocre of five m/s during deceleration, about 155 seconds of prediction time is required. The results show that the proposed methods can be used for future emergency braking and accident avoidance scenarios.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    734876

    Gemi manevra modeli ve sapma açısının kontrolü

    Ship manoeuver model and heading angle control

    ABDULLAH TÜYSÜZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AFİFE LEYLA GÖREN

  2. Tez No

    39490

    Genişletilmiş kalman süzgeci ile pasif akustik hedef hareket analizi

    Başlık çevirisi yok

    KEMAL EVCİOĞLU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1994

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    PROF.DR. A. HAMDİ KAYRAN

  3. Tez No

    527494

    Determination of heave and pitch motions for Wigley III hull using program pdstrip and CFD approach

    Wigley III modelinin dalıp-çıkma ve baş-kıç vurma hareketlerinin program pdstrip ve CFD yaklaşımıyla belirlenmesi

    PINAR ERDİNÇ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. EMİN KORKUT

  4. Tez No

    673369

    İstanbul boğazı geçişi yapan gemiler için makine öğrenmesi uygulamaları ve kantitatif risk analizi

    Machine learning applications and quantitative risk analysis for ships passing through the istanbul strait

    MUSTAFA TOPAL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    Denizcilikİstanbul Teknik Üniversitesi

    Deniz Ulaştırma Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. YASİN ARSLANOĞLU

  5. Tez No

    753656

    Ters-dönüşlü pervane sistemlerinde hidroakustik etkileşim

    Hydroacoustic interaction on contra-rotating propeller systems

    ÇAĞATAY SABRİ KÖKSAL

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. EMİN KORKUT

Geri Dön