This thesis presents a cooperative weathervaning control strategy for the dynamic positioning of an FPSO and a connected shuttle tanker during a tandem loading operation. During the tandem loading operation, the relative motion between the two vessels may cause various hazards such as collision and hose disconnection. Weathervaning control enables both vessels to be oriented toward the direction of the mean forces induced by the ocean currents, wind, and waves so as to reduce the thruster power consumption and improve the operational safety. This study proposes a controller design in the task space that allows for weathervaning control without explicit measurements and/or estimation of ocean disturbance parameters (e.g., wind speed/direction, current speed). The cooperative control scheme is implemented in the controller of the FPSO to ensure the safety of both vessels as well as continuous oil transfer.
A 3 degrees of freedom (DOF) dynamic equation of motion for a marine vessel assisted dynamic positioning system is represented in a state-space form, and environmental forces and moments acting on the marine vessel are numerically modeled using semi-analytical/empirical methods. Then, the relation between the task space and the configuration space is explained, and the task space of each vessel is defined. A controller design approach to dynamic positioning and the cooperative control strategy are proposed with an introduction of safety criteria and characteristics of tandem loading conditions. To evaluate the effectiveness and validity of the proposed controller, numerical simulations are carried out with several case studies, and the obtained results are presented.
최근 해양 자원의 개발이 점점 심해로 초점이 맞춰지는 가운데 오일 생산을 위해 사용되는 대표적인 부유식 구조물인 FPSO(Floating, Production, Storage and Offloading)의 해상상태에서의 위치 고정을 위해 동적위치유지 시스템의 적용이 크게 증가하고 있다. FPSO에 저장된 오일을 이송하기 위해 FPSO 선미와 셔틀탱커(shuttle tanker)의 선수를 호스(hose)와 호저(hawser)로 연결하는 탠덤(tandem) 하역 방법이 주로 적용되며, 수시로 변하는 해상 상황에서 지속적인 하역과 두 선박의 연료 소모를 줄이기 위해 외란의 방향으로 선수각을 맞추는 웨더베이닝이 수행된다.
본 연구에서는 FPSO와 셔틀 탱커의 탠덤 하역 운전에서 동적위치유지 시스템을 위한 작업공간 기반의 효과적인 제어기 설계를 제안한다. 제안된 제어기는 FPSO와 셔틀탱커에서 각각 유지하고자 하는 터렛(turret)과 FPSO 선미의 위치를 작업공간으로 정의하고 선수각의 운동은 각 선박이 환경 외란에 의해 받는 힘에 따라 자유롭게 결정되도록 함으로써 웨더베이닝을 수행하도록 한다. 그리고 탠덤 하역 방법에서 요구되는 제한 조건과 안전 기준을 만족할 수 있도록 FPSO에 셔틀탱커 선수각의 정보를 이용한 협력제어 기법을 적용함으로써 지속적인 하역이 이루어지도록 한다. 설계된 제어기의 성능을 검증을 위해 일반적인 동적위치제어 시스템이 적용된 선박의 운동 방정식을 정의하고 해상환경에서 선박에 영향을 주는 외란들의 수학적 모델링을 적용하였으며 리아프노프 안정성 판별을 적용하여 제어기의 안정성을 검증하였다. 여러 사례를 가정한 수치적 시뮬레이션을 통해 제안된 제어기가 안정적이고 원하는 성능을 수행함을 확인하였다.
