Tecnologias para Simulação de Operações Náuticas e Offshore. Marcos Donato (BX52) CENPES/PDDP/TEO

Tecnologias para Simulação de Operações

Náuticas e Offshore

Marcos Donato (BX52) – marcos.donato@petrobras.com.br CENPES/PDDP/TEO

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

Operações Marítimas e

Portuárias

-Múltiplas tripulações

-Múltiplas embarcações -Múltiplas tripulações -Comunicação e Interação Timoneiro Comandante Prático 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 navio modelo matemático Sistema de visualização Simulação do passadiço e seus equipamentos + trabalho da tripulação

Ambiente de Simulação

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

Tópico 1. Modelo Matemático

Centro de Simulação de Manobras para

Engenharia/Pesquisa/Planejamento de

Fenômeno Observado na Natureza Teorias Básicas de Mecânica e Hidrodinâmica Experimentos em 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 vento Comando 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

1

C

A

V

F







-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 Handler Túnel 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

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

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

Controlador _{de Empuxo} Alocação Propulsores

Filtro de Ondas 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 ψ y, x, Posição Aproamento Vento Correnteza Ondas

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

Rebocadores

Elementos de amarração

Linhas – Elementos de tração

Defensas – Elementos de Compressão

• Cabos de aço + Tail de Poliéster

• Cabos de Fibras Naturais

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

Experimentos em escala reduzida

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 -20000 -1000 0 1000 2000 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.

M e a n T h ru st ( to n f) Before After 0 2 4 6 8 10 12 14 16

BowTunnel BowAzi SternAzi SternTunnel Main Prop.

M e a n T h ru st ( to n 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 operações estudadas para Petrobras

Term. Aquaviário de Manaus (AM)

Term. de Coari(AM) Miramar (PA)

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

Centro de Simulação de Manobras para

Engenharia/Pesquisa/Planejamento de

Simuladores de Navios:

Visualização

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

Simuladores de Navios:

Visualização

Ambiente Imersivo 6m 30 X USD 3000.00 Cluster Gráfico (wrap/blend/renderização) 10 placas gráficas GTX780 (NVidia)

Simuladores de Navios:

Visualização

Tópico 3. Comunicação

Centro de Simulação de Manobras para

Engenharia/Pesquisa/Planejamento de

Simuladores de Navios

Centro de Simulação de

Manobras do TPN-USP

Protocolo de comunicação com equipamentos

externos reais

Centro de Simulação de

Manobras do TPN-USP

Avaliação de zona operacional para alívio DP em FPSO SMS

Sistema DP real

“Hardware in the loop”

Centro de Simulação de

Manobras do TPN-USP

Tópico 4. Perspectivas Futuras

Centro de Simulação de Manobras para

Engenharia/Pesquisa/Planejamento de

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 navio modelo matemático Sistema de visualização Simulação do passadiço e seus equipamentos + trabalho da tripulação

Ambiente de Simulação

realismo da resposta

das embarcações

realismo do

cenário externo

realismo do

ambiente de trabalho

Tendências Futuras

Tecnologias de imersão e realidade aumentada

Maior disponibilização de informações técnicas para manobra e navegação Realidade Simulador

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 potencial

0,26s por step usando

GPU

Paralaxe

Solução: head-tracking do usuário

Sensor movimento

Problema: Só funciona em simuladores individuais (Guindaste ou rebocador)

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

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 navio modelo matemático Sistema de visualização Simulação do passadiço e seus equipamentos + trabalho da tripulação

Ambiente de Simulação

realismo da resposta

das embarcações

realismo do

cenário externo

realismo do

ambiente de trabalho

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

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

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 navio modelo matemático Sistema de visualização Simulação do passadiço e seus equipamentos + trabalho da tripulação

Ambiente de Simulação

realismo da resposta

das embarcações

realismo do

cenário externo

realismo do

ambiente de trabalho

•Todos membros do passadiço interagem

Tópico 5. Aplicações

Centro de Simulação de Manobras para

Engenharia/Pesquisa/Planejamento de

• 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 0 2.1kn 200 2.2kn 400 2.1kn 600 2.2kn 800 2kn 1000 2kn 1200 2.1kn 1400 1.4kn 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 _{Atenção Alto Risco}

Aplicações – Dimensões da

área portuária (CANAL)

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)

Aplicações – Dimensões da

área portuária (CANAL)

Bacia desabrigada

Dificuldade de apoio dos rebocadores

Exemplo – Litoral do ES

Aplicações – Dimensões da

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

Instalações Portuárias

Porto de Cabedelo (PB)

• 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

Avaliação de procedimentos

operacionais

Operação “Normal” Aliviador alinhado com FPSO

Operação no Setor Estendido Aliviador não está alinhado com FPSO

Avaliação de setor operacional extendido:

Atual

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 [%] Proa/Popa [%]

Estação de Alívio Cid. São Paulo 54.9 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 Paulo 20.5 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)

Avaliação de procedimentos

operacionais

- 3 dias de campanha de simulação - Participação de 3 comandantes (TRANSPETRO) de aliviadores DP - Simulação de 12 operações de alívio

Avaliação de procedimentos

operacionais

• 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.

Avaliação de procedimentos

operacionais

Simulações em tempo real

Centro de Simulação TPN-USP

Kongsberg K-POS DP System

DARPS (Virtual)

Simulações em tempo real

Desvio padrão de Roll

(~1°) (~2°)

(~8°)

FPSO 210o_Heading

Campos Basin Current=1.2knot

190º Wave Hs=3,4m Tp=10s 135º 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/Leme Apenas MCP/Leme 0kn 0.1 0.43kn 400.1 0.51kn 800.1 Trajetória 0kn 0.1 0.039kn 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. Tannuri

Centro de Simulações do TPN-USP

eduat@usp.br

Coordenação do projeto de P&D:

Marcos Donato Ferreira

(PETROBRAS/CENPES/PDEP/TEO)

Rafael Madureira e Ivan Croce

(TRANSPETRO/DSERV/ETI/TII)