Title Optimization of thruster allocation for dynamically positioned marine vessels : doctoral thesis Title (english) Optimizacija alokacije propulzora kod dinamički pozicioniranih plovnih objekata : doktorska disertacija Author Marko Valčić Mentor Jasna Prpić-Oršić (mentor)Committee member Roko Dejhalla (predsjednik povjerenstva)Committee member Senka Maćešić (član povjerenstva)Committee member Nastia Degiuli (član povjerenstva)Granter University of Rijeka Defense date and country 2020-03-06, Croatia Scientific / art field, TECHNICAL SCIENCES Universal decimal classificationUDC ) 629.5 - Watercraft engineering Abstract Existing strategies and proposed methods for optimal thruster allocation in dynamic
positioning systems of marine vessels are primarily focused on minimization of power
consumption with handling of numerous constraints and limitations that should be satisfied
at the same time. This particularly applies to thruster saturation and forbidden zones that
are usually used in order to avoid or reduce thrust losses due to thruster-thruster
interactions. By defining a forbidden zone for an azimuth thruster, generally a non-convex
thrust region is left over which consequently can cause the significant deviations in
allocated thruster azimuth angles and increase the time required for thrust and azimuth
angle allocation. On the other hand, one can notice that thruster interaction effects such as
axial and transverse current, thruster-hull interaction, thruster-thruster interaction and
ventilation are rarely taken into account. These effects, whether they occur separately or in
combinations, can cause significant thrust losses, which without appropriate reallocation
strategy would consequently lead to degradation of vessel position and heading, as well as
to increase of response time and power consumption.
In dynamic positioning systems, nonlinear objective functions, and nonlinear equality and
inequality constraints within optimal thrust allocation procedures cannot be handled
directly by means of the solvers like industry-standardized quadratic programing, at least
not without appropriate linearization technique applied, which can be computationally very
expensive. Thus, if optimization requirements are strict and problem should be solved for
nonlinear objective function with nonlinear equality and inequality constraints, than one
should use some appropriate nonlinear optimization technique. In addition,
implementation of thruster interactions in optimal thrust allocation can easily transform
the optimization problem into nonlinear and non-convex, which can become very
demanding. In this context, two optimization approaches have been proposed. The first one
is based on the weighted generalized inverse matrix approach, and the other one on the
hybrid approach using sequential quadratic programing and direct search algorithms
coupled with generalized regression neural network. The latter one is particularly
convenient for handling non-convex and nonlinear optimization issues related to generally
nonlinear power-thrust relationship and to non-convex nature of forbidden zones and
thruster interaction effects. Moreover, both optimization approaches can handle selected
thruster interaction effects with negligible increase in total power consumption, compared
to the strategy based on forbidden zones only, while minimizing the tear and wear of
thrusters at the same time. Obtained results were evaluated with numerous simulations
involving different initial conditions and with direct comparison of analysed strategies that
include forbidden zones, i.e. thruster-thruster interactions.
Abstract (croatian) Postojeće strategije i predložene metode optimalne alokacije propulzora u sustavima za
dinamičko pozicioniranje plovnih objekata su primarno usredotočene na minimizaciju
potrošnje električne energije uz istovremeno zadovoljavanje brojnih ograničenja i uvjeta.
To se posebno odnosi na zasićenje propulzora, kao i na zabranjene zone koje se uobičajeno
koriste kako bi se izbjegli ili smanjili gubici poriva uzrokovani međudjelovanjem
propulzora. Uvođenjem zabranjene zone za neki azimutni propulzor, skup mogućih rješenja
tog propulzora općenito će postati ne-konveksan, što posljedično može rezultirati
značajnim promjenama u alociranim azimutima te povećanjem vremena potrebnog za
alokaciju propulzora. S druge strane, može se primijetiti da se učinci međudjelovanja
propulzora poput aksijalnog i poprečnog sustrujanja, međudjelovanja propulzor-trup,
međudjelovanja propulzor-propulzor i ventilacije, vrlo rijetko uzimaju u obzir. Ovi učinci,
neovisno da li se javljaju svaki posebno ili u kombinacijama, mogu uzrokovati značajno
smanjenje poriva, što bez odgovarajuće realokacijske strategije posljedično može dovesti
do degradacije pozicije i smjera napredovanja plovnog objekta, te do povećanja vremena
odziva i potrošnje električne energije.
U sustavima za dinamičko pozicioniranje, nelinearne funkcije cilja te nelinearna ograničenja
u obliku jednakosti i nejednakosti ne mogu se izravno uzeti u obzir u optimalnoj alokaciji
poriva. Kod industrijski prihvaćene metode kvadratičnog programiranja potrebno je
provesti odgovarajuću linearizaciju koja može cijelu optimizaciju učiniti vrlo zahtjevnom u
računalnom smislu. Stoga, ukoliko su zahtjevi optimizacije strogi, i problem je potrebno
riješiti za slučaj nelinearne funkcije cilja uz nelinearna ograničenja u obliku jednakosti i
nejednakosti, nužno je primijeniti odgovarajuću nelinearnu optimizacijsku metodu.
Uzimanje u obzir međudjelovanja propulzora u optimizaciji alokacije poriva može
optimizacijski problem dodatno transformirati u nelinearan i ne-konveksan, što može biti
iznimno zahtjevno. U tom kontekstu, u ovom radu su predložena dva optimizacijska
pristupa. Prvi se temelji na otežanoj generaliziranoj inverznoj matrici, a drugi na hibridnom
pristupu koji uključuje sekvencijalno kvadratično programiranje, metode direktnog
traženja i generaliziranu regresijsku neuronsku mrežu. Potonji pristup je posebno
prikladan za rješavanje problema optimalne alokacije poriva vezanih uz općenito
nelinearnu ovisnost snage i poriva propulzora, kao i uz ne-konveksnu prirodu zabranjenih
zona i međudjelovanja propulzor-propulzor. U odnosu na optimizacijsku strategiju
temeljenu isključivo na zabranjenim zonama, oba predložena optimizacijska pristupa mogu
uzeti u obzir efekte međudjelovanja propulzora sa zanemarivim povećanjem ukupno
utrošene snage, dok se njihovim korištenjem istovremeno minimizira trošenje i habanje
propulzora. Dobiveni rezultati su evaluirani kroz brojne simulacije s različitim početnim
uvjetima, uz direktnu usporedbu strategija sa zabranjenim zonama i s međudjelovanjem
propulzora.
Keywords
dynamic positioning systems
thruster interactions
thrust losses
thruster allocation
nonlinear optimization
Keywords (croatian)
sustavi za dinamičko pozicioniranje
međudjelovanja propulzora
smanjenje poriva
alokacija propulzora
nelinearna optimizacija
Language english URN:NBN urn:nbn:hr:190:415941 Promotion 2020 Study programme Title: Postgraduate university (doctoral) study Type of resource Text Extent XX, 182 str. ; 30 cm File origin Born digital Access conditions Open access Terms of use Created on 2020-10-20 13:23:23
