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Doctoral Thesis
DOI
Document
Author
Full name
Felipe Lopes de Souza
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2019
Supervisor
Committee
Tannuri, Eduardo Aoun (President)
Cruz, José Jaime da
Martins, Thiago de Castro
Nielsen, Ulrik Dam
Simos, Alexandre Nicolaos
Title in English
Bayesian estimation of directional wave spectrum using vessel movements and wave-probes.
Keywords in English
Bayesian estimation
Directional spectrum
Optimum sensor placement
Wave-probe
Abstract in English
The exploration of oil and natural gas in offshore fields has motivated advanced researches about the environmental forces in the oceans. The waves, in particular, have been measured using different techniques, as meteorological buoys, with recent works proposing motion-based estimations procedures using the vessel, or a floating facility, in analogy with the buoys, as a wave sensor. Even though this approach has a number of benefits, the vessels, as dynamic systems, have a cut-off frequency that degrades the estimation of high-frequency waves, which are important for non-linear drift effects predictions. In order to solve this problem, it is proposed the incorporation of wave-probes - gauges used to measure the wave elevation in a point - installed on the hull of the vessel, based on literature suggestions and simple analytical arguments, using the Bayesian statistics as the standing point of a more complete estimation algorithm. In order to incorporate the measurements of the wave-probes, an extended linear model is proposed, showing that only corrections for the vertical motions of the vessel are necessary. The ideal installation positions of the wave-probes are defined using as base the utility Bayesian optimal design of experiments, which is shown to guarantee an upper bound for other optimal criteria, with the 'Elbow Criterion" defining the optimal number of sensors to be employed. Based on the previous solutions, other proposals are made: a heuristic to solve the optimal sensor placement problem and an optimal prior exploring the probabilistic nature of the algorithm. Finally, all the proposals are tested numerically and experimentally, with a vessel model in a towing tank, concluding that the addition of the wave-probes is able to improve not only the estimation of high-frequency waves, but also the estimation over a large range of frequencies. For unimodal seas with intermediate draft, the addition of just one wave-probe reaches approximately a 37%-55% improvement in the energy parameter estimations - HS and TP; the addition of two or more probes reaches approximately a 62%-65% improvement in the same parameters estimations; the addition of four probes achieved the best cost benefit for mean direction estimation; and the addition of six probes is shown to be the recommendation for the best high-order directional estimation in the entire range of the spectrum.
Title in Portuguese
Estimação bayesiana de espectro direcional de ondas usando movimentos do navio e wave-probes.
Keywords in Portuguese
Espectros
Estimação Bayesiana
Navios
Ondas
Posicionamento ótimo de sensores
Sensor
Sistemas dinâmicos
Wave-probe
Abstract in Portuguese
A prospecção de óleo e gás natural em campos offshore tem motivado pesquisas avançadas sobre as forças ambientais em oceanos. As ondas, em particular, têm sido medidas através de diferentes técnicas, como boias meteorológicas, com trabalhos recentes propondo técnicas baseadas em movimento para que os navios, em analogia com as boias, possam ser usados como sensores de onda. Apesar desse método ter uma série de vantagens, os navios, como sistemas dinâmicos, têm uma frequência de corte que dificulta a estimação de ondas de altas frequências, que são importantes para a previsão de efeitos de deriva não-lineares. Para resolver esse problema, sugere-se a adição de wave-probes instalados no costado da embarcação, usando como justificativas sugestões da literatura e simples argumentos analíticos, com estatística Bayesiana como fundamentação para um algoritmo de estimação mais completo. Para que as medidas dos wave-probes possam ser incorporadas, um modelo linear estendido é proposto, mostrando que apenas correções para os movimentos verticais do navio são necessárias. A posição ideal de instalação dos wave-probes é definida usando como base o projeto ótimo de experimentos Bayesianos por utilidade, mostrando que o mesmo garante o limite superior de outros critérios de optimalidade, com o "critério cotovelo" definindo o número ótimo de sensores a serem usados. Com base nas soluções anteriores, outras propostas são feitas: uma heurística para resolver o problema de posicionamento ótimo dos sensores e uma priori ótima, explorando a natureza probabilística do algoritmo. Ao final, todas as propostas são testadas numericamente e experimentalmente, utilizando um modelo em escala em um tanque de provas, concluindo que a adição de wave-probes é capaz de melhorar não só a estimação de ondas em alta-frequência, mas também a estimação em uma ampla gama de frequências. Para mares unimodais, com calado intermediário, a adição de apenas um sensor alcançou uma melhoria de aproximadamente 37-55% na estimação dos parâmetros relacionados à energia - HS e TP; a adição de dois ou mais sensores alcançou melhorias de 62-65% na estimação de tais parâmetros; a adição de quatro sensores alcançou o melhor custo benefício para estimação da direção média; e a adição de seis sensores se mostrou ideal para estimação de ordem elevada do espectro direcional de energia.
 
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Publishing Date
2019-08-26
 
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