tecnologias para simulação de operações náuticas e offshore · físico na navegação...

Tecnologias para Simulação de Operações

Náuticas e Offshore

Marcos Donato (BX52) – [email protected]

CENPES/PDDP/TEO

09/11/2017

Sumário:

• Histórico

• Objetivos e desafios

• A solução adotada: Centro de Pesquisa e Simulação “TPN”

• Modelo matemático

• Visualização e imersão

• Comunicação entre simuladores

• Perspectivas de Tecnologias Futuras

• Exemplos de Aplicação Marítima e Portuária do Simulador

CENPES/PDDP/TEO

Operações Marítimas e

Portuárias -Múltiplas embarcações

-Múltiplas tripulações

-Comunicação e Interação

-Múltiplas embarcações

-Múltiplas tripulações

-Comunicação e Interação

Timoneiro

ComandantePrático

Comantante do

Rebocador

Oficial de Máquinas

Operações Marítimas e

Portuárias

Ambiente de Simulação

Dupla Aplicação

Pesquisa / Engenharia / Planejamento

•Estudos de Obras e Operações Portuárias

•Estudos de Operações Offshore

•Estudos de Navegação e Manobrabilidade

Treinamento e Capacitação

•Formação de oficiais

•Reciclagem e aprimoramento

•Reproduzir fielmente comportamento

físico na navegação

•Reproduzir a comunicação e resposta

dos participantes

•Reproduzir ambiente de passadiço,

equipamentos e recursos

Simulação para Treinamento e Engenharia

ACADEMIA TRANSPETRO

Simuladores Mini-Mission

Simulador Part Task

Simulador Full Mission

Simulador

Sala de Controle

de Máquinas

Três componentes para a qualidade da imersão

em um simulador NAVAL

Fonte: Yin et al., Research on Key Technologies of

Full Mission Navigation Simulation System, 2011

Hidrodinâmica do naviomodelo matemático

Sistema de visualização

Simulação do passadiço e seus equipamentos + trabalho da tripulação


realismo da resposta

das embarcações

realismo do

cenário externo

realismo do

ambiente de trabalho

Centro de Simulação de Manobras para

Engenharia/Pesquisa/Planejamento de

Operações

Desafios de P&D

Tópico 1. Modelo Matemático



Operações

Fenômeno Observado na

Natureza

Teorias Básicas de Mecânica e Hidrodinâmica

Experimentosem escala reduzida ou provas de mar

Modelo matemático

Técnicas de implementação computacional

Simulador

de manobras

Refinamento baseado em

experiência de práticos e

comandantes

Comandos e Instrumentos

Sistema de Visualização


Simuladores Desenvolvimento Experimental

Pesquisa avançada Monitoração Escala

Real

Dynasim, TPN

Simuladores Tempo Real

Hidrodinâmica , Controle de

veículos oceânicos, métodos

numéricos

Algoritmo

de

Controle

Medidas de

posição

Velocidade

do ventoComando

sobre os

propulsores

-100 0 100 200 300 400

-300

-200

-100

0

100

200

300

FPSO


Corpo Flutuante

Navio em manobras

-Modelado como corpo rígido

-2ª Lei de Newton para 6 DOF

-Inclui massa adicional hidrodinâmica

(“massa de água transportada”)

M adicional lateral ~ Massa do navio

M adicional avanço

~ 10% Massa do navio

Agente Ambiental 1 - Vento

2/)(

2

1relativaLateralFrontalVViaiV VACF

-Velocidade relativa de vento

-Considera rajadas (Espectros)

-Em pesquisa: Campo não uniforme de vento

(sombras)

Coeficientes de vento

-0.600

-0.400

-0.200

0.000

0.200

0.400

0.600

0 100 200 300 400

Cvx

Cvy

Cvn - Lpp

Rebocador offshore

Maersk HandlerTúnel de Vento

IPT-SP

CFD – Computational

Fluid Dynamics

Agente Ambiental 2 - Ondas

Forças de 1ª Ordem

-Mesma frequência da onda (~6s a 15s)

Forças de deriva média e lenta (2ª Ordem)

-Baixa frequência (> 200s)

Programa Método Rankine

(em desenvolvimento Petrobras-TPN)

Domínio do Tempo

Resolve a hidrodinâmica acoplada (Navio / Fundo /

Quebra-mar / Ondas)

Pesquisa: Integração com Simulador

em tempo real

Dinâmica de navio

atracado no berço de

petróleo Porto do Pecém

Adotado até o momento no TPN

Enfoque modular para apêndices e

elementos de controle

(leme/propulsor)

Ensaios experimentais

Coeficientes

CFD ou experimentais

Modelos heurísticos

CFD

Agente Ambiental 3 Forças de Correnteza e Manobras

Modelo permite considerar campo

não uniforme de correnteza

Interação com fundo e margem

Força de afundamento

(Squat)

Maior resistência

friccional

Aumento das

forças laterais

(Cross Flow)Aumento das

massas adicionais

Ensaios IPT

Bacia Amazônica

Oriental

Programa Método Rankine

(em desenvolvimento Petrobras-TPN-Argonáutica)

Considera interação com margem/fundo

Pesquisa: Integração com Simulador em tempo real

Interação com fundo e margem

Elementos de atuação

Rebocador offshore DP Modelo experimental

Validação de modelos matemáticos

Projeto pesquisa TPN-USP, 2012

Tunnel thruster

Azimuth thruster

Propulsor + Leme

Fluxo induzido por prop. azimutal

Proj. Pesquisa TRUST-JIP 2010-2013

(Marin, Petrobras, USP, Wartsila, ....)

Sistema DP

ControladorAlocação

de Empuxo Propulsores

Filtro deOndas

Filtro de

Vento

Força

de controle

desejada

Força

desejada

nos

propulsores

Força

real nos

propulsores

Velocidade e

direção de vento

Dinâmica da

embarcação

Movimentos

filtrados

Movimentos

medidos

ψy,x,

Posição

Aproamento

Vento OndasCorrenteza

Forças

Ambientas

Sistema Físico

Posição e

Aproamento

Set-points

( )

Computador

Sistema K-Pos Kongsberg

Navios:

-Tankers: Ataulfo Alves, Stavanger

-Barcaça BGL1

-PSV Maersk Handler

-Drilling West Emminence

-Sistema HiLoad

Sistema Próprio

-Customizável para qualquer navio

-Possível realizar implementações

-avançadas

Sistema DP

Rebocadores

Modelados como:

-Navios em separado

Ensaios de caracterização

Túnel de Vento

IPT-SP - 2011

Comportamento

em ondas

IPT-SP - 2011

Correnteza

IPT-SP - 2011

Elementos de amarração

Linhas – Elementos de tração

Defensas – Elementos de Compressão

• Cabos de aço + Tail de Poliéster

• Cabos de Fibras Naturais

• Cabos de Fibras Sintéticas

Fenômeno Observado na

Natureza

Teorias Básicas de Mecânica e Hidrodinâmica

Modelo matemático

Técnicas de implementação computacional

Simulador

Experiência de práticos e

comandantes

Comandos e Instrumentos

Sistema de Visualização

Experimentos e Provas de Mar

Experimentosem escala reduzida ou provas de mar

Dados básicos de entradas para modelos

matemáticos

Verificação de modelos e Testes finais

2 funções dos experimentos / testes de mar

Túnel de Vento Tanque de Ondas

Tanque de Reboque Túnel de cavitação

Modelo hidráulico completo de ambiente portuário

+ Navio em escala reduzida com comando

Porto de Itaqui (MA)

Modelado no CTH-SP

Escala reduzida

continuação


Ensaios de validação

Utilização de tanques de onda

Calibrador Hidrodinâmico

CH-TPN/USP


Verificação de modelos e Testes finais

Provas de Mar e/ou ensaios de modelo livre

Manobra de Giro

(Leme a 35º)

Manobra de Zig-Zag

Manobra de Giro Simulada

Navio Nilza (Transpetro)

DT simulador = 510m

DT prova de mar = 514,5m

-2000 -1000 0 1000 20000

500

1000

1500

2000

2500

3000

Manobra de Giro e Crash Stop

Suezmax tipo


Validação em escala real

Dynasim com validação

a partir de alívio real

0

2

4

6

8

10

12

14

16

BowTunnel BowAzi SternAzi SternTunnel Main Prop.

Me

an

Th

rust (t

on

f)

Before

After

0

2

4

6

8

10

12

14

16

BowTunnel BowAzi SternAzi SternTunnel Main Prop.

Me

an

Th

rust (t

on

f)

Before

After

Dados

reais

Simul.

Dynasim

OTC2009 ; MCMC2009

Validação com apoio de especialistas

Porto do Itaqui (MA)

Porto de Suape (PE)

Porto de Pecém (CE) (Berço B1, B2,TMUT)

Porto de Mucuripe (CE) – Cais Comercial e Pier Petroleiro

TEBIG (Angra dos Reis, RJ)

Área de Fundeio de Angra dos Reis (RJ)

TEBAR (São Sebastião, SP)

Área de Fundeio de Vitória (ES)

Porto de Cabedelo (PB)

>15 operaçõesestudadas paraPetrobras

Term. Aquaviário de Manaus (AM)Term. de Coari(AM) Miramar (PA)

Madre de Deus (BA)

Porto de Suape (PE)

Porto de Pecém (CE)

Porto do Rio de Janeiro (RJ)

Validação com apoio de especialistas

Tópico 2. Imersão e

Realismo Visual



Operações

Simuladores de Navios:

Visualização

Solução 1: Telas Solução 2: Projeção

Solução 1: Telas Solução 2: Projeção

Vantagens:

-Maior brilho / contraste

-Maior resolução

-Montagem mecânica convencional

Desvantagens

-Maior custo por área de projeção

-Menor qualidade de imersão

-Divisões entre telas

Vantagens:

-Menor custo por área de projeção

-Maior qualidade de imersão

-Noção de profundidade com tela

maior

-Tela contínua

Desvantagens

-Menor brilho / contraste

-Menor resolução

-Montagem mecânica especial

(problemas de alinhamento)

-Necessidade de processamento

para wrap / blend

-Maior espaço necessário


Visualização

Ambiente Imersivo

6m

30 X

USD 3000.00

Cluster Gráfico

(wrap/blend/renderização)

10 placas gráficas

GTX780 (NVidia)


Visualização

Tópico 3. Comunicação



Operações

Simuladores de Navios

Comunicação entre os processos de simulação

Centro de Simulação de

Manobras do TPN-USP

Simulador Full-Mission 1

Simulador 4D

Sala de Debriefing

Simulador Full-Mission 2

Protocolo de comunicação

com equipamentos

externos reais


Manobras do TPN-USP

Avaliação de zona operacional para

alívio DP em FPSO SMS

Sistema DP real

“Hardware in the loop”


Manobras do TPN-USP

Tópico 4. Perspectivas Futuras



Operações










das embarcações

realismo do

cenário externo

realismo do


Tendências Futuras

Tecnologias de imersão e realidade aumentada

Maior disponibilização de informações técnicas para manobra e navegação

RealidadeSimulador

Maior realismo físico

Maior realismo visual

Realismo Físico

Forças hidro/aero-dinâmicas

Atualmente: Modelos Heurísticos / Físicos

simplificados baseados em coeficientes

experimentais

-0.600

-0.400

-0.200

0.000

0.200

0.400

0.600

0 100 200 300 400

Cvx

Cvy

Cvn - Lpp

Tendência

- Solução do problema do escoamento

Potencial ou Viscoso (CFD) em Tempo

Real

-Uso de GPU e aumento da capacidade

computacional

Fonte: Pinkster and Bhawsinka, 2013

Passagem de conteneiros

Problema de interação potencial0,26s por

step usando GPU

Realismo Físico

Paralaxe

Solução: head-tracking do usuário

Sensor

movimento

Problema: Só funciona em simuladores individuais

(Guindaste ou rebocador)

Realismo Visual

Oculus Rift

Realidade virtual realiza a imersão do usuário num mudo virtual 3D e 360º,

com pouco sensoriamento da sala que realmente está.

Total Imersão

Total Isolamento

Realidade Aumentada e

Realidade Virtual










das embarcações

realismo do

cenário externo

realismo do


Realidade Aumentada

Combinação Óptica

Combinação com Vídeo

Fonte: Vlaming et al,. 2013

Netherlands Maritime University

Realidade Aumentada

Uso na navegação

Apresenta informações de navegação sem

necessidade de desvio de atenção;

Aumenta visão em caso de neblina,

trazendo informação do radar para campo

de visão;

Precisão e confiabilidade ainda em estudo

Navegação Real

Realidade Aumentada

Uso em simulação

•Passadiço sem sistema

de visualização

•Cada usuário possui um

óculos de realidade

aumentada, projetando o

ambiente externo com a

paralaxe correta para ele,

na tela verde demarcada

Técnica Chroma Key +

Realidade Aumentada

Realidade Aumentada

Uso em simulação










das embarcações

realismo do

cenário externo

realismo do


•Paralaxe individual

•Passadiço físico

•Todos membros do passadiço

interagem

Tópico 5. Aplicações



Operações

• Verificação de Dimensões das Áreas Portuárias (Canal de

Acesso, Bacia de Evolução, Berço de Atracação...)

• Verificação de Sinalização Náutica

• Verificação de condições ambientais e operacionais

limites

• Verificação de procedimento de manobra e medidas de contingência

Aplicações na engenharia

offshore e portuária

•Vento e correnteza de través – afetam a navegação pois causam ângulos de deriva

1000 1500 2000 2500 3000 3500

1200

1400

1600

1800

2000

2200

2400

2600

2800

1.9kn 02.1kn 200

2.2kn 400

2.1kn 600

2.2kn 800

2kn 1000

2kn 1200

2.1kn 14001.4kn 1600

0.18kn 1800

-0.51kn 2000

-0.25kn 2200

-0.43kn 2400

Trajetória

COG

Força hidrodinâmica

(efeito asa)

Vento

Aplicações – Dimensões da

área portuária (CANAL)

P

Trajetória

5.54 5.55 5.56 5.57 5.58 5.59 5.6

x 105

9.5905

9.591

9.5915

9.592

9.5925

9.593

9.5935

9.594

x 106

P

Trajetória

5.54 5.55 5.56 5.57 5.58 5.59 5.6

x 105

9.5905

9.591

9.5915

9.592

9.5925

9.593

9.5935

9.594

9.5945

x 106

P

Trajetória

5.54 5.55 5.56 5.57 5.58 5.59 5.6

x 105

9.5905

9.591

9.5915

9.592

9.5925

9.593

9.5935

9.594

x 106

Moderado - Moderado Moderado +

Porto de Mucuripe (CE)

Largura Canal = 5B

20nós 26nós 29nós

OK Alto RiscoAtenção



P

N

S

W

5kn 0.1

3.9kn 400.1

1.5kn 800.10.39kn 1200-0.54kn 1600

0.43kn 2000

Trajetória

6.905 6.91 6.915 6.92 6.925 6.93

x 105

7.476

7.4762

7.4764

7.4766

7.4768

7.477

7.4772

7.4774

7.4776

x 106

Terminal da Ilha Comprida

(RJ)



Bacia desabrigada

Dificuldade de apoio dos rebocadores

Exemplo – Litoral do ES


área portuária (BACIA)

Bollard-Pull Rebocadores

Terminal de São Sebastião

(TEBAR-SP)

Simulação Real-Time

Verificação e inclusão de fatores de

redundância necessários

Passadiço Principal (prático)

Passadiço Rebocador (Mestre)

Estação de controle de rebocadores

Bollard-Pull Rebocadores

Instalações Portuárias

Porto de Cabedelo (PB)

Certificação da distância entre berços

• Passing-Ships:

– Problema complexo

• Formulações analíticas às vezes não são suficientes;

– Forças de atracação e repulsão;

– PESQUISA: Integrar cálculo potencial em tempo real ao simulador de manobras

Interação entre navios

Fonte: Port Revel

Avaliação de procedimentosoperacionais

Operação “Normal”

Aliviador alinhado com FPSO

Operação no Setor Estendido

Aliviador não está alinhado com FPSO

Avaliação de setor operacional extendido:

Atual

Proposta

Análise computacional prévia:

1) Redução no número de desconexões;

2) Redução do movimento de roll para

alguns casos;

3) Significativa redução de utilização do

Sistema DP tornando a operação mais

segura e diminuindo a probabilidade

de blackout.

4) Aumento expressivo na probabilidade

de sucesso de alívio com ambas as

estações operando

Atual Estendido Atual Estendido Atual Estendido

Fator Analisado FPSO Proa/Popa [%]Popa [%]Proa [%]

Estação de Alívio

Cid. São

Paulo54.9 65.5 53.4 66.6 82.7 86.7

P-50 73.4 82.5 35.6 44.2 89.3 92.3

Cid. São

Paulo20.5 8.4 60.3 39.2 11.2 1.0

P-50 42.3 8.4 49.7 39.2 18.7 1.0

Probabilidade de

Sucesso no alívio

(Anual)

Utilização média

do DP acima de

30% (Anual)


- 3 dias de campanha de simulação

- Participação de 3 comandantes

(TRANSPETRO) de aliviadores DP

- Simulação de 12 operações de alívio


• Setor estendido – Possui apenas

um bordo para manobra escape

Objetivos da simulação:

- Avaliar com auxílio de comandantes

os riscos adicionais da manobra no

setor expandido.


Simulações em tempo real

Centro de Simulação TPN-USP

Kongsberg K-POS DP System

DARPS (Virtual)

Análise gráfica (Virtual)


Desvio padrão de Roll

(~1°)(~2°)(~8°)

FPSO 210o HeadingCampos Basin Current=1.2knot

190º

WaveHs=3,4mTp=10s135º

Wind 20knots

135º

Simulação 1 :

- Condição de frente fria

- Bacia de Campos


Simulações de Drive-Off

0.078kn 4400-0.14kn 4800

Trajetória

0.058kn 4400

3.5kn 4800

2.79 2.795 2.8 2.805

x 105

9.0673

9.0674

9.0675

9.0676

9.0677

9.0678

9.0679

9.068

9.0681

9.0682

9.0683

9.0684x 10

6

Thrusters + MCP/LemeApenas MCP/Leme

0kn 0.10.43kn 400.10.51kn 800.1

Trajetória

0kn 0.10.039kn 400.1

3.4kn 800.1

2.79 2.795 2.8 2.805

x 105

9.0673

9.0674

9.0675

9.0676

9.0677

9.0678

9.0679

9.068

9.0681

9.0682

9.0683

9.0684x 10

6

Manobra de Escape – Thruster + MCP + leme devem ser usados para

garantir uma distância segura do FPSO


OBRIGADO

Coordenação do desenvolvimento USP:

Eduardo A. TannuriCentro de Simulações do TPN-USP

[email protected]

Coordenação do projeto de P&D:

Marcos Donato Ferreira (PETROBRAS/CENPES/PDEP/TEO)

Rafael Madureira e Ivan Croce(TRANSPETRO/DSERV/ETI/TII)

Cenário Baía de Guanabara – Simulador TPN-USP

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