Projektinformationen: EproBOSS - Echtzeitprognose der Bewegung von Offshore-Strukturen im Seegang; Nichtlineare Prognose von Seegang und Strukturbewegung, Wellenableitung und Implementierung, Laufzeit: 1.5.2020 – 30.04.2023, Mittelgeber: BMWK, Förderkennzeichen: 03SX510A, Projektleitung: Marco Klein, Institute: M10 und M14

Problemstellung

Die Einsatzfähigkeit von Schiffen und meerestechnischen Konstruktionen wird maßgeblich vom umgebenden Seegang bestimmt, da die durch den Seegang induzierten Strukturbelastungen und Bewegungen viele Offshore-Tätigkeiten limitiert. Offshore-Operationen sind hierbei besonders sicherheitskritische Prozesse, deren Durchführbarkeit aufgrund von limitierenden Parametern (Absolut- bzw. Relativbewegungen, maximale lokale oder globale Lasten) der beteiligten Systeme nur in einem engen Bereich vordefinierter Seegangs- und Wetterbedingungen möglich ist. Hierbei wird die Realisierbarkeit einer Operation, welche oft nur ein bis zwei Minuten dauert, auf Grundlage von prognostizierten statistischen Seegangskennwerten der nächsten 20 Minuten (oder auch länger) stochastisch bewertet. Dies kann insbesondere in grenzwertigen Umweltbedingungen zu unnötigen Ausfallzeiten führen und beeinflusst die Wirtschaftlichkeit signifikant. Eine deterministische Echtzeitvorhersage von Seegang und Strukturbewegung würde in diesem Zusammenhang die Betriebssicherheit und Wirtschaftlichkeit signifikant erhöhen. Die deterministische Seegangs- und Bewegungsvorhersage kann dann als Input für ein Entscheidungshilfesystem (Decision Support System (DSS)) verwendet werden. Durch die Berechnung der zukünftigen Strukturbewegungen können zukünftige kritische bzw. unkritische Zeitfenster für jegliche Offshore-Operationen genauestens identifiziert werden können.

Ziel des Forschungsvorhabens ist daher die Entwicklung eines Programmsystems zur Identifizierung günstiger Zeitfenster für Offshore-Operationen mittels deterministischer Bewegungsvorhersage für die beteiligten Strukturen. Das Grundkonzept des DSS beruht auf der kontinuierlichen Erfassung des stochastischen Seegangs mittels eines (bordeigenen) Radarsystems. Die zeitliche und räumliche Entwicklung dieses Seegangs und die daraus resultierenden Strukturbewegungen werden anhand linearer oder nichtlinearer numerischer Methoden deterministisch berechnet. Eine Vorhersage – der Blick in die Zukunft – ist hierbei nur möglich, wenn die Simulationsergebnisse zeitlich weit vor der Ankunft des realen Seegangs verfügbar sind. Entscheidend für eine erfolgreiche deterministische Vorhersage sind daher numerische Verfahren, welche sehr effizient und gleichzeitig hinreichend genau sind.

Das Projekt ist für die Erreichung der Forschungsziele in vier Arbeitsschwerpunkte unterteilt. In der Wellenableitung wird ein numerisches Verfahren entwickelt mit der die Wellenparameter aus dem Radarbild ermittelt werden. Auf Grundlage dieser Wellenparameter wird der Seegang mittels einer effizienten Seegangsvorhersage-Methode auf die Schiffsposition propagiert. Die Wellenparameter in der nahen Umgebung des Schiffes dienen als Eingabewerte für die Bewegungsvorhersage, in der die Schiffs- bzw. Strukturdynamik hinsichtlich der relevanten Körperfreiheitsgrade berechnet wird. Schließlich wird im Entscheidungshilfesystem die vorhergesagte Bewegung mit der für die Operation zulässigen Bewegung abgeglichen und ein Hinweis ausgegeben, ob das Zeitfenster der nächsten ein bis zwei Minuten die Durchführung der Operation erlaubt.

Beispiele für Anwendungsbereich: Die potentiellen Anwendungsbereiche eines DSS sind vielfältig, wie z.B. Offshore-Kraneinsätze, Hubschrauberlandungen oder die Bergung kleiner Wasserfahrzeuge.

Die deterministische Wellen und Bewegungsvorhersage kann außerdem in automatischen Kontrollsystemen wie z.B. schwimmenden Windturbinen oder dynamischen Positionssystemen integriert werden.

(Feb 2023)