Arctic DP: Safe and Green Dynamic Positioning Operations of Offshore Vessels in an Arctic Environment

KMB prosjektet Arctic DP forskar innan sikre og effektive offshore operasjoner i arktis som inkluderer dynamisk posisjonering (DP) av offshore fartøy i drivis. Me forskar langs tre hovudaksar: A) Matematiske metoder og algoritmer for kompensering av islaster i eit DP kontrollsystem. B) Numeriske simulatorer av flytande fartøy i is. C) Monitoreringsmetoder og estimeringsalgoritmer for online innsamling av sjøisdata. Under forskingsaktivitet A) ser vi på 3 hovedstrategier for kompensering av iskrefter på eit DP fartøy: i) Utvikling av ein karakteristisk matematisk modell for globale islaster der ein ved bruk av eksisterande målesensorer kan estimere islaster for kompensasjon via tilbakekobling. Dette er ein reaktiv reguleringsstrategi som ikkje treng ombygging av DP systemet (kun programvareoppdatering). ii) Bruk av akselerasjonsmålinger i fartøyet for å direkte kalkulere iskreftene og kompensere desse ved hjelp av framoverkobling i regulatoralgoritmen - også ein reaktiv reguleringsstrategi. iii) Utvikling av eit overordna system som overvåker issituasjonen og gir prediktive estimat for islastene på fartøyet framover i tid. Dette gir ein proaktiv reguleringsstrategi der DP systemet får mulighet til å forstå korleis iskreftene utvikler seg fram i tid, før dei inntreffer fartøyet, slik at automatiske mottiltak kan bli effektuert på eit tidlegare stadium. Utvikling av eit slikt system er omfattande og treng både gode modeller for korleis sjøis og DP fartøyet interagerer, samt eit omfattande målesystem som kontinuerleg overvåker eit stort operasjonsområde. Ein slik reguleringsstrategi vil også bety ein vesentleg endring i korleis ein gjennomfører ein DP operasjon i eit is-infisert område kontra DP i åpent farvann. Forskningsaksane B) og C) støtter opp om utvikling av eit slikt system. Under forskingsaktivitet B) jobber vi med ulike typer issimulatorer. Utvikling av slike detaljerte simuleringsverktøy er viktig og har mange applikasjonsområder, bl.a. til å predikere utvikling av iskrefter. Andre bruksområder er design-verktøy for arktiske fartøy, operasjonsplanlegging, DP-is kapabilitetsanalyser, operasjonell beslutningsstøtte, og treningssimulatorer. Mange publikasjoner er utgitt fra prosjektet på slik simulatorteknologi, der bl.a. Ivan Metrikin også fekk "OMAE 2012 Best Paper of Polar and Arctic Sciences and Technology Symposium". Under forskingsaktivitet C) forsker vi på bruk av autonome undervannsfarkoster for å måle isen frå undersida, bruk av ubemanna droner i lufta for å overvåke isen ovenfra, og bruk av bildebehandling for å hente ut relevante isparametre fra bilder tatt ovenfra. Prosjektet har sålangt produsert 35 konferansebidrag ved internasjonale fagfellevurderte konferanser, 15 publiserte (og 3 under review) journal artikler, og programvare for simulering av dynamisk fartøyrespons i sjøis og bildebehandlingsalgoritmer av sjøis-bilder. Prosjektet har oppnådd stor oppmerksomhet nasjonalt og internasjonalt med svært mange presentasjoner om prosjektet ved ulike konferanser og fagmøter. Sjå prosjektets "Special Edition" i journalen MIC (Vol.35, No.4) for vitenskapeleg informasjon: http://www.mic-journal.no.

It is an expressed need of the industry to strengthen the competences of the Norwegian maritime industry in arctic marine operations with special focus on dynamic positioning (DP). The objective of this KMB is to enable future systems for DP in arctic env ironments to be automatic control systems. The control system must construct an accurate picture of the vessel's and the environment's situation, combining measurements with models in an observer, and it must act on this information safely using automatic feedback control. However, in designing such control systems, it is vital to have a good understanding of the the vessel and its hydrodynamics and the disturbances that influence the dynamic behavior of the vessel (ice; in addition to waves, wind, curren t). In overall there are two main research objectives of the research; (1) to understand and build competence on the effects of ice loads on DP vessels through modeling and simulation, and (2) to carry out mathematical control designs that targets import ant aspects for safe commercial systems. These objectives are further translated into 4 proposed PhD themes of research: PhD#1: Modeling, supervisory control, and simulation of DP vessels in varying arctic conditions. PhD#2: Observer schemes for DP opera tion in arctic conditions. PhD#3: Adaptive and optimal feedback control designs for DP operation in arctic conditions. PhD#4: Development of fault-tolerant DP control designs and operational procedures for safe DP operations in arctic conditions. In orde r to achieve the goals, a multidisciplinary team is established by 4 key researchers (professors) from 3 departments at NTNU together with the the industrial partners Kongsberg Maritime, DNV, and StatoilHydro. When these leading industrial partners combin e forces with NTNU on the topics of this KMB, they clearly make a statement for the potential of this research. In addition, research synergy will be established with several research centers, CeSOS in part