İstanbul boğazı'nda kritik dönüş manevralarının simülatör tabanlı risk analizi: Aframax tanker örneği
Simulator-based risk analysis of critical turning manoeuvres in the istanbul strait: A case study of an aframax tanker
- Tez No: 962338
- Danışmanlar: DOÇ. DR. YUNUS EMRE ŞENOL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Denizcilik, Marine
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Deniz Ulaştırma Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Deniz Ulaştırma Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 237
Özet
İstanbul Boğazı, dünyadaki en jeopolitik ve ekonomik açıdan önemli deniz geçişlerinden biri olarak kabul edilmektedir. Karadeniz'i Marmara Denizi'ne, oradan da Akdeniz'e bağlayan bu dar su yolu; petrol, doğalgaz ve ticari yük taşımacılığı açısından küresel çapta hayati bir geçiş koridorudur. Sadece 31 kilometre uzunluğunda olmasına rağmen, Boğaz'ın darlığı, asimetrik kıyı çizgisi, keskin dönüşleri, değişken derinlikleri ve son derece dinamik akıntı sistemleri, büyük tonajlı gemiler için seyri son derece zorlaştırmaktadır. Bu fiziksel zorluklara çift yönlü yoğun gemi trafiği, mevsimsel rüzgârlar ve zıt yönlerde akan katmanlı akıntı sistemleri de eklendiğinde, özellikle dönüş manevralarında kaza riski ciddi şekilde artmaktadır. Denizcilik trafik istatistiklerine göre, Boğaz'dan geçen gemi sayısı yıllar içinde azalmış olsa da geçen gemilerin ortalama boyutları ve taşıdıkları yük miktarı önemli ölçüde artmıştır. Örneğin yalnızca 2023 yılında İstanbul Boğazı'ndan geçen 39.000 geminin %24'ü tankerlerden oluşmuş ve bu gemilerin %12'sinden fazlası 200 metre uzunluğu aşmıştır. Bu istatistikler, dar, kıvrımlı ve akıntıların hâkim olduğu bir geçitte büyük tonajlı gemilerin manevrasının ne denli karmaşıklaştığını gözler önüne sermektedir. Bu tür geçişlerde yalnızca gelişmiş seyir cihazları değil, aynı zamanda ileri düzey manevra stratejileri ve risk yönetimi uygulamaları da zorunlu hale gelmektedir. Özellikle Kandilli ve Yeniköy gibi bölgelerde 45° ile 80° arasında değişen rota değişimlerinin güçlü akıntılarla birleşmesi, bu ihtiyacı daha da artırmaktadır. Bu çalışma, İstanbul Boğazı'ndaki gemi dönüş manevralarının çevresel etkenlerle nasıl şekillendiğini incelemekte ve simülasyon temelli modellemeler aracılığıyla güvenli ve verimli seyir için öneriler sunmayı amaçlamaktadır. Gerçekçi bir analiz gerçekleştirmek amacıyla, İstanbul Teknik Üniversitesi Denizcilik Fakültesi'nde bulunan tam donanımlı köprüüstü simülatörü kullanılarak senaryoya dayalı bir simülasyon yöntemi uygulanmıştır. Bu simülatör, Boğaz'ın hidrodinamik, meteorolojik ve coğrafi koşullarını yüksek hassasiyetle taklit edebilmekte ve gemi hareketlerini gerçek zamanlı olarak izlemeye olanak tanımaktadır. Test gemisi olarak ise, manevra hassasiyeti yüksek ve Boğaz'da sıkça kullanılan Aframax sınıfı bir ham petrol tankeri seçilmiştir. Çalışmada 24 farklı senaryo tanımlanmıştır. Bu senaryolar, üç farklı akıntı rejimini (kuzeyden güneye 2 knot ve 3,5 knot, güneyden kuzeye 2 knot) ve tecrübeli kılavuz kaptanlarla belirlenen dört kritik dönüş noktasını (Büyükdere, Yeniköy, Kandilli ve Kız Kulesi) içermektedir. Her bir senaryo; sapma açısı, dümen tepki süresi, yön değiştirme oranı ve hızlanma gibi parametreleri dikkate alarak gerçekçi seyir koşullarını yansıtacak şekilde tasarlanmıştır. Ayrıca akıntı hızı, yönü ve değişkenliği gibi çevresel etmenler de senaryolara dinamik olarak entegre edilmiştir. Bu çalışmayı özgün kılan en önemli unsurlardan biri, AIS (Otomatik Tanımlama Sistemi) verilerinin entegrasyonudur. AIS verileri sayesinde geçmiş gemi rotaları, anlık konum bilgileri ve trafik yoğunluğu gibi bilgiler elde edilmiş, bu veriler hem simülasyonun doğrulanmasında hem de TAD (Trafik Ayrım Düzeni) dışında yer alan ve seyrin tehlikeli hâle geldiği“yasak bölgelerin”görselleştirilmesinde kullanılmıştır. Ayrıca tüm manevra analizleri, Senol'un bulanık çıkarım sistemine dayalı dinamik risk modeli ile değerlendirilmiştir. Bu model, hem statik (gemi konumu, rotası) hem de dinamik (dönüş hızı, kıyıya yakınlık) verileri kullanarak karaya oturma ve çarpışma riskini hesaplamaktadır. Simülasyon sonuçlarına göre, en riskli senaryo SU-7 (Kandilli dönüşü, kuzeyden güneye geçiş, 3,5 knot arkadan gelen akıntı) olarak belirlenmiştir. Kandilli dönüşü 45°'yi aşan bir rota değişimi gerektirmektedir ve bu dönüş, gemiyle aynı yönde ilerleyen güçlü bir akıntı altında gerçekleştirildiğinde, dümen etkisi azalmış, sapma açısı artmış ve gemi neredeyse tad sınırlarını ihlal etmiştir. Gemi ayrıca, modelde tanımlanan yüksek riskli bölgeye kısa süreli olarak girmiştir. Senol's modele göre bu senaryoda %63 oranında çarpışma ve %47 oranında karaya oturma riski hesaplanmıştır. Bu bulgular, tecrübeli kılavuz kaptanların sahadaki gözlemleriyle de örtüşmektedir. Buna karşılık, en güvenli senaryo SU-16 olarak belirlenmiştir (Kız Kulesi dönüşü, güneyden kuzeye geçiş, 2 knot yanal akıntı). Bu senaryoda, ılımlı bir yanal akıntının etkisine rağmen gemi minimum dümen müdahalesi ile dönüşü başarıyla tamamlamış ve rota dışına sapma gözlemlenmemiştir. Gemi TAD sınırları içinde kalmış ve model sonuçlarına göre çarpışma riski %12, karaya oturma riski ise %5'in altında kalmıştır. Bu bulgu, belirli bölgelerdeki yanal akıntıların dönüş sırasında geminin eylemsizliğini dengeleyerek manevra kararlılığını artırabileceğini göstermektedir. Bu karşılaştırmalı analizler, akıntının yönü ve şiddetinin gemi manevra kabiliyeti üzerindeki kritik etkisini ortaya koymakta ve özellikle dönüş noktalarında güvenli geçiş planlaması açısından simülasyon destekli analizlerin önemini vurgulamaktadır. Ayrıca bu çalışma, Boğaz'daki riskli bölgelerde daha etkili pilotaj uygulamaları veya VTS (Gemi Trafik Hizmetleri) desteği gerektiğini göstermektedir. Araştırma, özellikle dar ve yüksek riskli suyolları bağlamında denizcilik güvenliği ve seyir risk değerlendirmesi alanına önemli katkılar sunmaktadır. Çalışma, Senol'un bulanık mantık temelli modeli ile tam görevli bir simülasyon altyapısını entegre eden nadir çalışmalardan biridir. Ayrıca, önceki araştırmalardan farklı olarak, manevra risklerini genel değil, dönüş bazlı olarak analiz etmekte ve AIS verileriyle doğrulanan senaryolar üzerinden yüzdesel risk skorları sunmaktadır. Bu yaklaşım, sadece teorik bir katkı değil, aynı zamanda denizcilik otoriteleri, pilotaj kuruluşları ve VTS merkezleri için uygulanabilir bir operasyonel çerçeve de oluşturmaktadır. Çalışmanın bulguları, İstanbul Boğazı'ndaki seyir güvenliği açısından doğrudan pratik faydalar sunmaktadır. Akıntı kaynaklı sapmalar ve tehlikeli bölgeler önceden tanımlanarak rotalar optimize edilebilir. Simülasyon çıktıları ise kılavuz kaptan eğitim programlarına entegre edilerek gerçek koşullara dayalı senaryo eğitimi sağlanabilir. VTS otoriteleri için model, gemilere yönlendirme sağlayacak dinamik karar destek sistemi olarak kullanılabilir. Ayrıca bu bulgular, büyük tonajlı veya tehlikeli yük taşıyan gemilere yönelik akıntıya duyarlı pilotaj düzenlemeleri geliştirilmesine de katkı sağlayabilir. Sonuç olarak, bu tez İstanbul Boğazı gibi karmaşık suyollarında gemi manevralarının güvenli şekilde gerçekleştirilebilmesi için simülasyon, bulanık mantık ve AIS verilerinin entegrasyonu ile oluşturulmuş güçlü ve uygulanabilir bir yöntem sunmaktadır. Sunulan yöntem, yalnızca İstanbul Boğazı ile sınırlı kalmayıp; Malakka Boğazı, Panama Kanalı, Hürmüz Boğazı, İngiliz Kanalı ve Çanakkale Boğazı gibi benzer risk profilindeki dar su yolları için de uygulanabilir niteliktedir.
Özet (Çeviri)
The Istanbul Strait serves as one of the most geopolitically and economically significant maritime corridors in the world. It connects the Black Sea to the Sea of Marmara and, by extension, to the Mediterranean, acting as a vital transit passage for global oil, gas, and commercial cargo flows. Despite being only 31 kilometers in length, its narrowness, asymmetrical coastline, sharp bends, variable depths, and highly dynamic current systems make it one of the most challenging waterways for large vessel navigation. These conditions are further complicated by dense two way marine traffic, seasonal wind patterns, and the unique hydrodynamic layering of counter flowing currents features that collectively increase the risk of accidents, particularly during turning maneuvers. According to maritime traffic statistics, while the total number of ships transiting the strait has decreased over the years, the average size and tonnage of vessels have grown significantly. For instance, in 2023 alone, 39,000 ships passed through the Bosphorus, 24% of which were tankers, with over 12% exceeding 200 meters in length. These statistics highlight the increasing complexity of maneuvering large tonnage vessels through a narrow, curving, and current dominated strait. Such transits require not only advanced navigational equipment but also highly refined maneuvering strategies and risk management practices particularly in areas like Kandilli and Yeniköy, where heading changes can exceed 45 or even 80 degrees under strong current influence. Against this background, the present study investigates how ship maneuvering behavior especially during turning phases is affected by environmental forces, and how simulation-based modeling can inform safer and more efficient navigation. To realistically capture the complexities of ship turning maneuvers in the Istanbul Strait, this research employs a scenario-based simulation methodology using a full mission bridge simulator located at Istanbul Technical University's Maritime Faculty. The simulator replicates hydrodynamic, meteorological, and geographic conditions with high fidelity, allowing for detailed tracking of ship behavior in real time. An Aframax class crude oil tanker widely used in global maritime trade was selected as the test vessel due to its maneuvering sensitivity and frequent use in the strait. A total of 24 unique transit scenarios were developed, combining different current regimes (North to South at 2 knots and 3,5 knots, and South to North at 2 knots) with four critical turning points identified through consultations with experienced marine pilots: Büyükdere, Yeniköy, Kandilli, and Kız Kulesi. Each scenario was designed to reflect realistic navigation parameters, including drift angle, rudder response time, heading changes, and vessel acceleration. Environmental factors such as current strength, direction, and variability were dynamically adjusted to replicate actual transit conditions encountered in the strait. What distinguishes this study is its integration of AIS (Automatic Identification System) data, which provides historical vessel tracks, real-time positional data, and traffic density metrics. These data were used both to validate the simulation setup and to identify and visualize“no-go areas”zones outside of the Traffic Separation Scheme (TSS) where navigation becomes critically unsafe. Furthermore, all maneuver evaluations were subjected to Senol's dynamic risk model, a fuzzy inference system that calculates grounding and collision risk using both static (e.g., ship position, heading) and dynamic (e.g., turning speed, proximity to coastline) inputs. Among the 24 evaluated scenarios, Scenario SU-7 (Kandilli turn, North to South direction, 3,5 knot tail current) emerged as the most critical in terms of navigational risk. The Kandilli bend requires a course change exceeding 45°, and under the influence of a strong current in the same direction as the vessel's motion, rudder effectiveness was reduced and the vessel exhibited an increased drift angle. The simulator revealed a near breach of the TSS boundary, and the ship momentarily entered a designated high risk zone based on grounding index outputs. According to Senol's model, SU-7 displayed a 63% probability of moderate to high collision risk and a 47% probability of grounding within a two minute maneuvering window. These findings are consistent with real world Istanbul Strait pilot reports, where the Kandilli region is frequently identified as one of the most dangerous sections, particularly when transiting with strong following currents that reduce maneuvering control. In contrast, Scenario SU-16 (Kız Kulesi turn, South to North transit, 2 knot cross-current) displayed optimal maneuvering characteristics. Despite the influence of the moderate current acting laterally to the vessel's trajectory during the turn, the Aframax tanker was able to maintain a stable course with minimal rudder input and exhibited no significant drift. The vessel remained well within the traffic separation scheme limits, and the dynamic risk assessment yielded a collision probability of 12% and a grounding risk of less than 5%, making SU-16 the safest among all modeled scenarios. These results suggest that moderate cross-currents in certain areas of the strait may stabilize vessel handling by counterbalancing inertia during turning particularly in relatively open water segments such as the Kız Kulesi region. These comparative analyses reinforce the critical influence of current direction and intensity on ship maneuverability, particularly during turning phases. They also highlight the value of simulation-based planning in identifying risk prone areas where enhanced pilotage procedures or stronger VTS (Vessel Traffic Service) coordination may be required. This research makes several notable contributions to the field of maritime safety and navigational risk assessment, particularly in the context of constrained and high risk waterways like the Istanbul Strait. One of its primary distinctions lies in the integration of Senol's dynamic fuzzy inference system (FIS) based model with a full-mission real time simulation environment. This fusion enables high-resolution, location-specific analysis of navigational risks, offering a level of precision and contextual relevance not commonly found in existing literature. Unlike earlier studies that often generalize maneuvering hazards along the entire strait, this thesis introduces a turn-specific risk evaluation approach, focusing on the most dangerous and complex points namely Büyükdere, Yeniköy, Kandilli, and Kız Kulesi. The research further strengthens its practical value by incorporating AIS based validation, bridging the theoretical framework with real world maritime traffic patterns. This integration enhances the realism and operational applicability of the model. Moreover, the study introduces quantitative risk metrics such as percentage based probabilities of collision and grounding that provide objective indicators for safety evaluation, an area that has often been insufficiently detailed in prior work. Overall, the thesis establishes a robust operational framework that can be directly utilized by maritime authorities, pilot training institutions, and Vessel Traffic Services (VTS) units to improve navigational protocols and training systems. The findings of this research have immediate and tangible implications for the safety and efficiency of maritime operations in the Istanbul Strait. By accurately identifying current induced vessel drift patterns and defining“no-go”areas, the results offer a practical tool for route optimization. Navigators and pilots can adjust their turning strategies and timing based on anticipated current behavior at critical points, thus reducing the likelihood of near miss incidents and collisions. Furthermore, the simulated scenarios derived from this study can be directly integrated into bridge simulator training programs, offering scenario-based learning modules that mirror real world risks. This not only enhances pilot preparedness but also supports standardized decision making in complex navigational contexts. For VTS authorities, the developed model can serve as a decision support system, providing dynamic, situation specific guidance to vessels approaching high risk segments of the strait. From a regulatory perspective, the study offers valuable data that can inform the formulation of current sensitive pilotage requirements, particularly for large or hazardous cargo vessels. Beyond its local relevance, the modeling techniques and methodological structure presented here are readily adaptable to similar maritime corridors facing equivalent navigational challenges. Although this research is geographically focused on the Istanbul Strait, its methodology and findings hold wide ranging relevance for other strategic and narrow maritime passages around the world. The simulation driven approach, combined with fuzzy inference risk modeling and AIS based validation, can be effectively applied in regions such as the Strait of Malacca, which faces extremely high traffic density and security threats; the Panama Canal, where vessel maneuverability is complicated by lock systems and tight turns; and the Strait of Hormuz, where political tension and confined space heighten navigational risk. Additionally, the English Channel with its fast-moving ferry traffic and frequent fog conditions and the Dardanelles, a Turkish strait with hydrodynamic and geographic similarities to the Bosphorus, represent other ideal candidates for the application of this framework. In each of these waterways, adopting a data driven, scenario based risk modeling approach has the potential to significantly reduce incident rates and enhance the overall efficiency of marine transit systems. In conclusion, this thesis demonstrates that combining real time simulation tools, dynamic fuzzy logic-based risk models, and AIS informed scenario validation represents a powerful and practical method for improving vessel handling and ensuring safety in complex waterways. The unique characteristics of the Istanbul Strait including its narrow width, sharp curves, rapidly changing currents, and dense traffic make it one of the most challenging maritime corridors globally. Addressing these challenges demands a proactive, data rich, and locally customized approach, which this research provides. Based on the findings, several key recommendations are proposed: the expansion of mandatory pilotage requirements based on real time current assessments; the formal designation of permanent“no-go zones”in historically high risk turning areas; the enhancement of VTS operations through predictive analytics using live AIS data; and the adoption of similar simulation-based risk evaluation techniques in other critical maritime straits within and beyond Turkey. These measures collectively aim to foster a safer, more controlled navigation environment in narrow, high risk sea routes. This study not only addresses current operational and safety challenges in the Istanbul Strait but also contributes a versatile and scalable framework for global maritime risk management. By highlighting the interaction between hydrodynamic forces, vessel design parameters, and human navigational strategies, the research introduces a multi-dimensional perspective on maritime safety. It opens avenues for further interdisciplinary collaboration across marine engineering, traffic management, and decision sciences. Ultimately, this thesis aims to support the global transition toward safer, smarter, and more sustainable maritime transportation systems. By equipping policymakers, pilotage authorities, and navigators with actionable data and validated risk models, the study helps ensure that vital trade routes such as the Istanbul Strait are managed with the highest standards of safety and efficiency.