Skip kan selv overvåke og forutsi bølger
Nå kan skipets egne bevegelser brukes til å beregne hva slags bølger det kan vente å støte på.
Bølger er en stor utfordring for verdens 91.000 kommersielle fartøy. Men å forutsi bølgeforholdene er vrient. Skipets egne bevegelser kan være en nøkkel for å få bedre forvarsel.
Skipsfart er selve grunnlaget for verdenshandelen. Den frakter anslagsvis 11 milliarder tonn varer hvert år mellom produksjonsstedet og stedene der de skal selges og brukes.
Fra tv-er til brødristere, såpe til sukker, skal mye fraktes over bølgene. Men bølgene er en stor utfordring for skipene som pløyer seg gjennom det åpne havet, og også for offshoreindustrien som skal utvikle og bygge framtidens havkonstruksjoner. Bølgene kan øke risikoen, samtidig som den gjør operasjonen mindre effektiv. De kan være direkte farlige om de blir store nok og ikke møtes på riktig måte. Samtidig kan endringer i bølgeforholdene altså være vanskelig å forutsi.
– Skip kan ha tilgang til informasjon om bølgehøyde, retning og frekvens, men slike data kan være dyre eller forsinket på grunn av begrensninger i satellittkommunikasjonen, sier Zhengru Ren, postdoktor ved NTNUs Institutt for marin teknikk og forskningssenteret SFI MOVE.
Disse utfordringene fikk Ren og kollegaene til å se på en annen tilnærming for å beregne sjøforholdene. Dette er det sjøfolk og forskere kaller bølgehøyder, frekvens og retning. Metoden er beskrevet i en artikkel i Marine Structures.
Slike forhold er ikke noe problem. Det kan bli atskillig verre når det er røft. Illustrasjonsfoto: Colourbox
Skipets bevegelser beregner bølgeforholdene
Istedenfor å avhenge av spesialiserte, meteorologiske instrumenter, bruker forskerne bevegelsene til skipet selv for å beregne bølgeforholdene i sanntid.
De måler effekten, skipets bevegelser, og beregner årsaken, som er bølgene som påvirker skipet.
– Denne metoden gjør det mulig å beregne forholdene i sanntid uten å bruke ekstra penger på måleinstrumenter. Vi mener denne teknikken er lovende fordi den virker for nesten alle skip med lav kostnad, sier Ren.
En annen fordel er at den er veldig enkel å ta i bruk under operasjoner av kortere varighet.
– Fremgangsmåten avhenger av kalkuleringer av årsak og effekt, men ikke på den måten du skulle tro, sier Roger Skjetne, professor ved NTNUs Institutt for marinteknikk og forsker ved Centre for Autonomous Marine Operations and Systems (NTNU AMOS).
Skjetne var seniorforfatter av artikkelen.
– I prinsippet er algoritmen vi bruker for å forutsi forholdene basert på årsak og virkning, men i dette tilfellet måler vi effekten, skipets bevegelser, og beregner årsaken, bølgene som påvirker skipet, sier Skjetne. – Om vi gjør dette lenge nok, kan vi rekonstruere den betydelige delen av bølgespekteret.
- Les også: Forutså skjeve bølger – fant dem
Bruker skipet som bøye
En nøkkel for å forstå hva Ren og kollegene gjorde er å huske at et skip er asymmetrisk. Det betyr at det vil gynge og bevege seg ulikt basert på retningen og størrelsen på bølgene det støter på.
Om skipet var helt rundt, som en ball, ville det respondert på bølger omtrent på samme måten uansett hvilken retning bølgene kommer fra. Men skip er mer ellipseformet med en flat ende. Det betyr at effekten av bølgene varierer avhengig av hvor bølgene treffer skipet.
En annen faktor som påvirker skipets bevegelser, er den nøyaktige formen til hvert enkelt skipsskrog. Forskerne utviklet en matematisk tilnærming for å kombinere informasjonen om sammenhengen mellom skipsformen, dynamiske bevegelser og bølgepåvirkningen. Dette kan kalkuleres på forhånd.
Deretter kombinerte de dette med matematiske metoder som brukes for å koble sammen målinger av skipets bevegelser i sanntid med bølge-skip sammenhengen, for så å kalkulere den ønskede informasjonen om bølgene.
Forskerne antok at skipet ble holdt på ett sted med et dynamisk posisjoneringssystem. Et skip med et dynamisk posisjoneringssystem har flere thrustere, små propeller i skroget som jobber sammen for å holde skipet stabilt på ett sted, basert på GPS-informasjon.
Forholdene er ikke alltid som dette. Foto: SFI MOVE
Fininnstilte kalkuleringene
Men dette var ikke helt nok til å få frem informasjonen som sjøfolk kunne ha nytte av. Ren og kollegene innså at dette var et interessant og spennende forskningsfelt.
– Men tankene mine dreide seg rundt måter vi bedre kunne utnytte informasjonen og finne nye metoder for å få mer nøyaktige estimater, sier Ren.
Forskerne mener at denne forholdsvis billige teknikken lover godt for framtida.
Til sist brukte forskerne to ulike matematiske teknikker for å fininnstille kalkulasjonene sine. Én gikk ut på å glatte ut bølgespekteret litt annerledes ved å bruke noe kalt en Bézier-overflate. Den andre gikk på å optimalisere kalkulasjonene for å håndtere forstyrrelser og feil som oppstår når man måler hvordan fartøyet responderer på bølgene.
- Les også: 110 år med ingeniører som bygde landet
Bevegelsesresponsamplitudeoperatør
Skipet må ha noe vi på en slags norsk kan velge å kalle en «bevegelsesresponsamplitudeoperatør», som vi heldigvis også kan kalle en RAO, før algoritmen kan bli brukt av skipets datamaskin. Denne kan da i sanntid omdanne signaler fra skipets bevegelsessensorer for å lage et bølgespekter.
– Dette er matematiske overføringsfunksjoner som er kalkulert på forhånd ved hjelp av programmer for skipsdesign for å forstå hvordan bestemte bølger får skipet til å bevege seg på bestemte måter, sier Skjetne.
Dette gjør det mulig å snu problemet på hodet. Bevegelsene kan brukes av en RAO til å si noe om bølgene som kommer inn.
– Vi mener at denne budsjettvennlige teknikken lover godt for fremtiden i den maritime industrien, sier Ren. – Etter å ha forbedret smidigheten og robustheten, kan vi bruke mindre tid på fininnstilling. Det gjør det enkelt å bruke dette på hvilket som helst fartøy.
I tillegg sikrer dette mer effektive operasjoner til sjøs, noe som også er målet for SFI Move.
Referanse: Zhengru Ren, Xu Han, Amrit Shankar Verma, Johann Alexander Dirdal, Roger Skjetne. (2021). Sea state estimation based on vessel motion responses: Improved smoothness and robustness using Bézier surface and L1 optimization. Marine Structures,Vol. 76, https://doi.org/10.1016/j.marstruc.2020.102904.
