Gemi makine dairesi bakım işlemlerinin verimlilik analizi
Efficiency analysis of maintenance of ship machinery systems
Yazar: ÇAĞLAR KARATUĞ
Danışman: PROF. DR. YASİN ARSLANOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Deniz Ulaştırma Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Deniz Ulaştırma Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Deniz Bilimleri = Marine Science ; Denizcilik = Marine ; Ulaşım = Transportation

Özet:
Denizcilik sektörü çeşitli endüstrilerin üretim ve ihracatını desteklediği ve ülkeler arası ticari entegrasyonu büyük hacimli taşımacılık ile sağladığı için ekonomik ve stratejik açıdan büyük öneme sahiptir. Deniz yolu taşımacılığı diğer taşımacılık yöntemlerine kıyasla yüksek kapasitedeki kargoyu daha az enerji gereksinimi ile gerçekleştirebildiği için büyük ölçüde maliyet etkin bir yaklaşım olarak bilinmektedir. Ayrıca, daha az enerji harcama durumu, deniz yolu taşımacılığını daha çevre dostu bir seçenek haline getirmektedir. Yine de dünya ticaretinin büyük çoğunluğundan sorumlu olmasına bağlı olarak, çevre dostu bir taşımacılık olarak kabul edilmesine rağmen, gemilerden kaynaklı çevre kirliliği göz önünde bulundurulmalı ve gerekli kontroller gerçekleştirilerek kirletici unsurlar en aza indirilmelidir. Bu amaç doğrultusundaki olmazsa olmaz uygulamalardan birisi de gemilerin daha enerji verimli bir şekilde işletilmesidir.
Son yıllarda, Uluslararası Denizcilik Örgütü (IMO), denizcilik sektöründe uygulanmak üzere gemi kaynaklı emisyonların azaltılması ve gemilerin daha verimli işletilmeleri adına önemli kararlar almış ve bu doğrultuda, özellikle bazı kirleticilerin azaltımı konusunda, belli kuralları zorunlu kılmıştır. Bundan dolayı, denizcilik sektöründe verimli işletmecilik elzem hale gelmiştir. IMO tarafından ortaya konan bu düzenlemeler, denizcilik şirketlerinin ticari kayıp yaşayıp yaşamamasını etkileyebildiği gibi kuralların karşılanamadığı durumlarda şirketler, sektör içerisinde var olan rekabette değer kaybına uğrayabilmektedir. Bundan dolayı, şirketler ve araştırmacılar tarafından gemi kaynaklı emisyonların azaltılması ve gemilerin daha enerji verimli bir şekilde işletilmesi adına son zamanlarda yoğun bir araştırmalar yürütülmektedir.
IMO'nun tanıtmış olduğu enerji verimliliği regülasyonlarındaki sınıflandırmaya bağlı olarak araştırılmakta olan uygulamalar, gemilerin inşaa aşamasında uygulanabilecek yöntemler ve gemilerin işletilmesi sırasında benimsenebilecek olan yaklaşımlar olmak üzere iki ana kategori altında toplanmaktadır. Yenilenebilir enerji kaynaklarının gemilerde uygulanması, yanma sonucunda düşük emisyon salınımı gerçekleştiren alternatif deniz yakıtlarının gemilerde kullanımı, elektrikli pervane sistemlerinin gemilerde benimsenmesi gibi yaklaşımlar gemi inşaa aşamasında yapılabilecek verimlilik artırıcı yöntemler olarak kabul edilmektedir. Gemilerin işletilmesi sırasında ise enerji verimliliğini artırmak adına hız optimizasyonu, rota optimizasyonu, atık ısı yönetimi ve gerçekleştirilen bakım operasyonlarının iyileştirilmesi gibi yaklaşımlar araştırılmaktadır. İncelenmekte olan stratejilerden olan gemi makine sistemlerinde yürütülen bakım operasyonlarının optimize edilmesi ve bu operasyonların etkililiğinin artırılması, gemi enerji verimliliğini işletmecilik anlamında artırabilecek önemli yaklaşımlardan bir tanesidir. 
Gemi makine dairesi kompleks sistem tasarımına sahip olmakla birlikte gemide yer alan her bir alt sistem birbiri ile bütüncül bir ilişki içerisindedir. Belirli bir noktada meydana gelen bir arıza tüm sistemleri ve geminin seyrini etkileyebilmektedir. Öte yandan, uygun zamanlarda gerçekleştirilmeyen bakım operasyonları ekipmanın kullanılabilir ömrünün kaybına, daha fazla yakıt tüketimine ve sistemlerin verimsiz işletilmesine yol açabilir. Bu sebeplerden dolayı, gemi makine sistemlerinde benimsenen bakım operasyonlarının etkin bir şekilde yürütülmesi tüketilen yakıt ve gemilerden salınan kitleticilerin miktarının, meydana gelen arıza riskinin ve sayısının ve işletme giderlerinin azaltımına imkan tanırken sistem güvenilirliğinin, mevcudiyetinin ve sürdürülebilirliğinin geliştirilmesine katkı sağlamaktadır.
Gemi makine sistemlerindeki operasyonların verimliliğinin artırılabilmesi adına konunun geçmişinin, bugününün bilinmesi ve bu doğrultuda geleceğinin etkili bir şekilde öngörülmesi gerekmektedir. Öte yandan, gelişen teknolojinin gemi makine sistemlerinde yürütülecek bakım operasyonlarına ne şekilde adapte edilebileceği özenli bir şekilde araştırılmalı ve sektörde yer alan otonom gemiler gibi yenilikçi gemi konseptlerinin makine sistemlerinde benimsenebilecek bakım yaklaşımlarının dikkatle incelenmesi gerekmektedir. Bu, gemilerin ve sistemlerinin güvenilirliği ve sürdürülebilirliği açısından büyük önem arz etmektedir. 
Bu tez kapsamında öncelikle denizcilikteki enerji verimliliği ve emisyonlar konusundaki mevzuatlar ve uygulamalar tanıtılmıştır. Ardından bakım konusuna genel bir bakış açısı sunulmuş ve bakım konusunun denizcilikteki yeri ve bugüne kadar gemilerde benimsenen bakım stratejileri incelenmiştir. Tez dahilinde yapılan ön incelemeler sonucunda literatürde konuya dair bazı boşluklar tespit edilmiş ve bu doğrultuda tezin yapısı birbirini tamamlayan üç analizi kapsayacak şekilde oluşturulmuştur.
İlk analiz çalışmasında, gemi makine sistemlerindeki bakım uygulamalarına dair kapsamlı bir bibliyometrik literatür derleme çalışması gerçekleştirilmiştir. Bu amaç doğrultusunda ilk olarak anahtar kelimeler belirlenmiş ve bunlar ile bilinen akademik veri tabanları bünyesinde taramalar yürütülmüştür. Bu araştırmalar sonucunda elde edilen çalışmalar derinlemesine incelenmiş ve alakasız olanlar değerlendirme kapsamından çıkarılmıştır. Daha sonra nihai olarak elde edilen çalışmaların bibliyometrik analizi gerçekleştirilmiştir. Bu analiz sonucunda konu kapsamında en çok üreten yazarlar, en etkili dergiler, en çok atıf alan çalışmalar, konu kapsamında yayınlanan çalışmaların hangi ülkelerden ve kurumlardan olduğu, çalışmaların birbirleri ile olan bağlantıları ve çalışmalarda yoğun olarak belirtilmiş olan anahtar kelimeler gibi sonuçlar ortaya konmuştur. İzlenen yöntemin diğer adımında ise elde edilen çalışmalar önleyici bakım ve kondisyon bazlı bakım gibi alt kategoriler altında sınıflandırılarak detaylı olarak analiz edilmiştir. Çalışmanın son aşamasında ise elektrik tahrikli ve otonom gemi gibi yenilikçi konseptlerin makine sistemlerindeki bakım konusunda yapılmış olan çalışmalar tanıtılmıştır. Bu analizin sonucunda kondisyon bazlı bakım stratejisine son yıllarda gözle görülür bir şekilde yoğunlaşıldığı belirlenmiştir. Bu yaklaşımın teknolojinin ilerlemesi ile birlikte gemilerde uygulama açısından daha fazla yer alacağı öngörülmektedir. Ayrıca, yenilikçi gemi konseptlerinin makine dairesindeki sistemlere dair bakım çalışmalarının henüz yetersiz olduğu görülmüş ve bu gemilerdeki bakım konusunda bir belirsizliğin var olduğu belirlenmiştir.
Tez kapsamında yürütülen ikinci çalışmada ise  gemi makine sistemlerinde uygulanabilir bir kondisyon bazlı bakım yaklaşımının geliştirilmesine odaklanılmıştır. Bu amaç doğrultusunda ticari faaliyetlerine devam eden bir konteyener gemisinin ana makinesine ait silindir eksoz gazı çıkış sıcaklıkları, makine şaft devri, makine gücü, yakıt tüketimi, yakıt kütle debisi, yakıt giriş viskozitesi ve sıcaklığı gibi parametreleri yaklaşık 2 yıllık bir süreç boyunca kaydedilmiştir. Daha sonra bu veri seti yanmaya dair bir arıza teşhisi gerçekleştirebilmek adına yapay siir ağları yöntemi ile analiz edilmiştir. Analiz kapsamında öncelikle veriler ön işlemeden geçirilmiştir.  Daha sonra yapay sinir ağları modeli yapılandırılmış ve modelin eğitim, test ve doğrulama işlemleri yürütülmüştür. Modelin etkili bir şekilde çıkış parametresi olan ana makine gücünü tahmin edebildiği görüldükten sonra 3 farklı senaryo kapsamında hata teşhisi örneklemesi yapılmıştır. Önerilen yöntem dahilinde gerçekleştirilecek olan hata teşhisinin daha efektif bir şekilde yapılabilmesi adına yanmaya dair hata modları belirlenmiş ve bu modlara karşılık gelen etkiler ve düzeltici eylemler belirtilmiştir. Önerilen bakım stratejisinin, günümüzde seyir halindeki deniz araçlarında ve otomasyon düzeyinin ilerleyen yıllarda daha fazla olduğu gemilerde benimsenmeye uygun olduğu, etkili bir şekilde hata teşhisi sağladığı ve anormallik tespitine imkan tanıdığı görülmüştür.
Literatürden elde edilen bilgiler doğrultusunda, IMO tarafından tanımlanmış olan otonom gemi konseptinin gemi makine dairesindeki sistemlerde yürütülecek olan bakım operasyonlarının nasıl olacağı konusunda bir boşluğun olduğu görülmüştür. Tez kapsamında, denizcilik sektörü için yenilikçi bir konsept olan bu gemilerde benimsenebilecek bakım yaklaşımlarının belirlenebilmesi adına bir analiz gerçekleştirilmiştir. Günümüzdeki gemilerden tam otonom gemilere geçiş süreci için IMO 4 farklı kademe belirlemiştir. Bu kademelerdeki insansızlık ve özerklik seviyesine göre gemi makine sistemlerindeki bakım operasyonlarının uygulama şekillerinin farklı yönlerde olması gerektiği düşünülmektedir. Bu bakış açısı temelinde şekillendirilmiş olan bu üçüncü çalışma da AHP ve TOPSIS yöntemlerine dayanan hibrit bir çok kriterli karar verme yaklaşımı sunulmuştur. Karar verme süreci için 6 farklı bakım stratejisi tanımlanmıştır ve ekonomik, işletme ve teknik ana kriterleri altında sınıflandırılmış olan 27 alt kriter temelinde uzmanlardan alınan görüşlerden yararlanılarak değerlendirmeler yapılmıştır. Çalışma kapsamında geliştirilmiş olan karar verme süreci tam otonom gemi konseptine geçiş aşamasındaki 4 kademe içinde yürütülmüştür. Analizler uzmanlardan alınan görüşlere dayalı olarak gerçekleştirildiğinden ötürü, tüm kademelerdeki analizler için ayrı ayrı hassaslık analizi yapılarak kriterlerin önem dereceleri ortaya konmuştur. Analiz sonucunda ilerleyen yıllarda denizcilik sektöründeki bakım uygulamalarının verimli bir şekilde yürütülebilmesi adına uygulamaların kondisyon bazlı bakım temelinde şekillendirileceği belirlenmiştir. 
Tez kapsamında yapılan çalışmalar, gemi makine dairesindeki bakım uygulamalarının geçmişini ve bugününü kapsamlı bir şekilde ele almakta ve sektördeki yakın ve uzak zamanlı uygulamalara dair kayda değer stratejiler sunmaktadır. Önerilmiş olan yöntemler, denizcilik şirketleri ve paydaşları tarafından özümsenerek rahat bir şekilde uygulanabilecektir. Ayrıca, tez çalışması sonucunda elde edilen sonuçlar ile bu alanda çalışmak isteyen araştırmacılara konuya dair literatürdeki boşluklar hakkında önemli bilgiler sağlanmıştır.

Abstract:
The maritime sector is of great economic and strategic importance as it supports the production and export of various industries and provides trade integration between countries with large volumes of transportation. Shipping is known as a cost-effective approach to a large extent, as it may carry out high-capacity cargo with less energy requirement compared to other ways. In addition, less energy consumption makes maritime transport a more environmentally-friendly option. Nevertheless, since the fact that the majority of world trade is realized by sea transportation, environmental pollution from marine vessels should be considered and the pollutants should be minimized by carrying out the necessary controls. One of the indispensable applications for this purpose is to operate ships in a more energy-efficient way.
In recent years, the International Maritime Organization (IMO) has taken important actions to reduce ship-sourced emissions and operate marine vessels more efficiently to be implemented in the maritime sector, and in this direction, certain restrictions have been required, especially on the reduction of some pollutants. Therefore, efficient management in shipping has become more essential these days than ever before. In addition, these regulations put forward by IMO may affect whether maritime companies experience commercial loss or not, and in cases where the obligations are not met, companies may lose value in the competition existing in the sector. Hence, intensive research efforts have been carried out nowadays by maritime companies and researchers to reduce ship-based emissions and operate marine vehicles more energy-efficiently.
Depending on the classification in the energy efficiency regulations introduced by IMO, the implementations under investigation are grouped under two main categories: methods that may be applied during the building of ships and approaches that may be adopted during the operation of marine vessels. Strategies such as the application of renewable energy sources on ships, the use of alternative marine fuels that emit low emissions as a result of combustion, and the adoption of electric propeller systems on ships are considered efficiency-enhancing methods that can be carried out during the shipbuilding phase. Methods such as speed optimization, route optimization, waste heat management, and improvement of maintenance activities are investigated to increase energy efficiency during the operation of marine vessels. Among them, optimizing the maintenance operations performed on ship machinery systems and increasing the effectiveness of these operations is one of the important approaches that may enhance ship energy efficiency in terms of management.
Notwithstanding the ship engine room has a complex system design, each subsystem on the ship is in a holistic relationship with the other. Hence, a malfunction occurring at a certain point may affect all systems. Furthermore, the navigation of the ship may be affected by any fault accrued whether it is small or catastrophic. On the other hand, maintenance operations not performed at appropriate times cause the loss of the useful life of equipment, higher fuel consumption, and inefficient operation of systems. For these reasons, the effective practice of the maintenance operations adopted in the ship machinery systems allows reducing the amount of fuel consumed and the amount of emissions released from the ships, the risk and number of failures occurring, and the operating costs while it contributes to the enhancement of the system's reliability, availability, and sustainability.
Within the scope of increasing the efficiency of operations in ship machinery systems, it is necessary to know the past and present of the subject and to estimate influentially its future direction in the light of knowledge received from the topic's state-of-art. On the other hand, how the developing technology may be adapted to the maintenance operations to be performed on ship machinery systems should be carefully investigated and the maintenance approaches that can be followed in the machinery systems in the engine room of innovative ship concepts such as autonomous ships in the sector should be cautiously examined. This is of great significance for the reliability and availability of ships and their systems.
This thesis aims to examine the maintenance practices followed within the ship machinery systems, identify the future inclinations and requirements of the operations, and increase the efficiency of operations and so system reliability and availability. Accordingly, the subject is handled from various perspectives in a detailed and holistic sense. Initially, regulations and practices on energy efficiency and emissions in maritime are introduced. Then, a general view of the maintenance concept is presented and the place of maintenance in maritime and the maintenance strategies adopted on ships so far are examined. Based on the preliminary investigations realized within the scope of the study, some gaps such as uncertainty on the future applications, lack of approach on the implementation of the condition-based maintenance on ship machinery systems, and uncertainty regarding the maintenance strategy within the different levels of the autonomous ships are defined. Accordingly, the structure of the thesis which includes 3 complimentary case studies is built to provide solutions regarding the stated gaps in the literature.
In the first case study, a comprehensive bibliometric literature review on maintenance practices in ship machinery systems is conducted. For this purpose, firstly, keywords are determined and searches are realized within an academic database such as the Web of Science. The studies obtained as a result of this research are examined in depth and the irrelevant ones are excluded from the evaluation. Afterward, a bibliometric analysis of the ultimately obtained studies is realized. As a result of bibliometric analysis, the most productive authors within the scope of the subject, the most influential journals, the most cited studies, the impactful countries and institutions, the links of the studies with each other, and the keywords that were heavily specified in the studies are revealed. In the other step of the methodology, the studies are analyzed in detail by classifying them under sub-categories such as corrective, preventive, and predictive maintenance. In the last step of the methodology, studies on the maintenance of the mechanical systems of innovative concepts such as electric propulsion and autonomous ships are introduced. As a result of the analysis, it has been determined that there is a significant focus on the condition-based maintenance strategy in recent years. It is foreseen that this approach could take place more in terms of application on ships with the advancement of technology. In addition, it has been observed that maintenance works on the machinery systems of the innovative ship concepts are still insufficient and it has been determined that there is uncertainty about the maintenance strategy that could be adopted on these vehicles.
In the second case study, the development of a viable condition-based maintenance approach in ship machinery systems is conducted. In this sense, parameters such as cylinder exhaust gas outlet temperatures, engine shaft speed, engine power, fuel consumption, fuel mass flow, viscosity and inlet temperature of fuel regarding the main engine of a container ship that continues its commercial activities are collected for a period of approximately 2 years. Then, this dataset is analyzed by the artificial neural networks method to achieve a fault diagnosis related to the combustion operation. Within the scope of the analysis, firstly, the data are pre-processed. Then, the artificial neural network model is structured and the training, testing, and validation processes of the model are realized. After it is seen that the model is able to successfully predict the main engine power, which is the output parameter, exemplification for fault diagnosis strategy is performed by creating 3 different scenarios. To achieve the fault diagnosis through the proposed methodology more effectively, the fault modes related to the combustion procedure are identified and the corresponding effects and corrective actions are determined. Consequently, it is seen that the proposed maintenance strategy is suitable to follow in existing marine vessels. In addition, the strategy may adopt in ships where the level of autonomy is higher but still, there is a crew. It provides effective fault diagnosis and enables anomaly detection.
As a result of the literature review, it is noticed that there is uncertainty in terms of how the maintenance operations are to be performed in the ship machinery systems of the autonomous ship concept defined by IMO. Accordingly, in the third case study, an analysis is carried out to determine the maintenance approaches that could be adopted on the autonomous ship, which is an innovative concept for the maritime industry. For the transition process from existing ships to fully autonomous ships, IMO has determined 4 different degrees. It is thought that maintenance operations in ship machinery systems are required different attitudes due to the changeability of the unmanned nature and degree of autonomy at each level, so adopted strategies should vary for each. Based on this perspective, a hybrid multi-criteria decision-making approach based on the analytic hierarchy process (AHP) and technique for order of preference by similarity to ideal solution (TOPSIS) methods is presented in this study. For the decision-making process, six different maintenance strategies are defined and evaluations are realized using the judgments of the marine experts on the basis of twenty-seven sub-criteria classified under the main economic, management, and technical criteria. The decision-making process developed within the scope of the study is realized through four separate analyses to individually evaluate each degree of the autonomous ship concept. The importance values of each criterion are revealed by the AHP approach. Then, the appropriate maintenance strategy for each degree is determined through the TOPSIS method. Since the analyzes are carried out based on the judgments of the marine experts, sensitivity analyzes are conducted separately for the analyzes at each level. As a result of the study, it is determined that the applications will be shaped on the basis of condition-based maintenance to manage maintenance operations in the maritime sector efficiently in the coming years. In addition, it is revealed that hybrid maintenance strategies such as a combination of predictive and preventive approaches will be considered for unmanned vehicles with more autonomy to enhance system reliability and availability.
The case studies conducted within the scope of the thesis comprehensively cover maintenance practices in the ship engine room from the past to the present and ensure remarkable strategies for near and long-term approaches. Existing gaps identified as a result of the evaluation of the relevant literature are handled by the analyses. The thesis contributes to the literature as it examines state-of-art maintenance of ship machinery systems, presents an effective condition-based maintenance strategy that is able to fault diagnosis, and proposes maintenance strategies that could be adopted at the different degrees of the autonomous ships. The proposed methods could be easily adopted and applied by maritime companies and stakeholders. In addition, important information about possible research gaps in the literature on the subject has been provided to the researchers who want to work in this field.