Derin ve sığ sularda farklı gemi modellerinin manevra performansının sistem tanımlama yöntemi ile tahmin edilmesi
Predicting the manoeuvring performance of various ship models in deep and shallow waters by system identification
Yazar: ELİS ATASAYAN
Danışman: PROF. DR. AHMET DURSUN ALKAN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Denizcilik = Marine ; Gemi Mühendisliği = Marine Engineering

Özet:
Bu çalışma, optimizasyon yöntemlerinin gücünden yararlanarak, sakin su koşullarında gemi manevra performansını tahmin etmeyi amaçlamaktadır. Bu amaçla, hem dijital modelde kullanılmak üzere 3 Serbestlik Dereceli (DOF) MMG matematiksel modeli hem de otopilot çalışmalarında kullanılmak üzere 1-DOF Nomoto doğrusal matematiksel modelindeki bilinmeyen katsayı ve parametreler, sistem tanımlamaya dayalı gri kutu yöntemi ile elde edilmiştir. Parametre tahmini sürecinde, gerçek değerlere yakın ve daha dar ayar aralıklarının kullanılmasının tanımlama sonuçlarının iyileştirilip iyileştirilemeyeceği araştırılmış ve gri kutu içerisinde farklı arama seçeneklerinin tanımlama sonuçları üzerindeki etkisi değerlendirilmiştir. Yöntemin doğruluğu, takip modeli testlerinden (zikzak, dönme dairesi, çıkış ve spiral) elde edilen deneysel verilerin matematiksel modellerden elde edilen simülasyon verileriyle karşılaştırılması yoluyla gösterilmiştir.
Manevra operasyonları genellikle sığ sulardan oluşan liman alanlarında yürütülmektedir. Daha derin su çekimli gemilerin limanlara girebilmesini sağlamak için düzenli tarama ve tortu giderme işlemleri gereklidir. Bu nedenle, sığ suda gemi manevra performansının tahmin edilmesi büyük önem taşımaktadır. Bu çalışmada, farklı gemi tipleri için, derin su koşullarından sığ su koşullarına geçişte su derinliğinin gemi manevra hareketleri üzerindeki etkisi incelenmiştir. Literatür, su derinliğinin doğrusal rota stabilitesine sahip gemiler üzerindeki etkilerini göstermektedir, ancak bu durumun doğrusal rota stabilitesine sahip olmayan gemiler için yeterince çalışılması gerekmektedir. Bu çalışmada doğrusal rota stabilitesine sahip olmayan gemi de incelenerek gemi manevra performansının daha iyi anlaşılması sağlanmış ve denizcilik sektöründe daha güvenli operasyonların gerçekleştirilmesine katkıda bulunulmuştur. Ayrıca, sığ su koşulu için literatürde yer almayan Nomoto parametreleri ile bağıl dümen boyutu ve narinlik faktörü arasındaki ilişki de incelenmiştir. Son olarak, gemi manevra performansı Uluslararası Denizcilik Örgütü (IMO) ve American Bureau of Shipping (ABS) derecelendirme sistemi kriterlerine göre değerlendirilmiştir.

Abstract:
This study aims to predict ship manoeuvring performance in calm water conditions by leveraging the power of optimization methods. The unknown coefficients and parameters in the 3-DOF MMG mathematical model for use in the digital model and the 1-DOF Nomoto linear mathematical model for autopilot studies have been obtained using the grey box method based on system identification. It was investigated whether the use of narrower tuning ranges closer to the actual values in the parameter estimation process could improve the identification results and the effect of different search options in the grey box on the identification results was evaluated. The accuracy of the method has been demonstrated through the comparison of experimental data from free-running model tests (zigzag, turning circle, pull-out, and spiral) with simulation data from mathematical models.
Manoeuvring operations are frequently conducted in port areas, often composed of shallow waters. Regular dredging and sediment removal are necessary for deeper draft vessels to access ports worldwide. Therefore, predicting ship manoeuvring performance in shallow water is crucial. The impact of water depth on ship manoeuvring behaviour when transitioning from deep water to shallow water for different types of ships was examined. The literature indicates the effects of water depth on yaw stable ships, but this needs to be sufficiently studied for yaw instable ships. This study also examined yaw instable ship, enhancing the understanding of ship manoeuvring performance and potentially contributing to safer operations in the maritime industry. In addition, the relationship between Nomoto parameters, relative rudder size and slenderness factor, which are not available in the literature for shallow water conditions, were also analysed. Finally, ship manoeuvring performance is evaluated according to the International Maritime Organisation (IMO) and American Bureau of Shipping (ABS) rating system criteria.