LEE- Gemi İnşaatı ve Gemi Makinaları Mühendisliği-Doktora

Bu koleksiyon için kalıcı URI

http://hdl.handle.net/11527/19284

Gözat

Yazar "Helvacıoğlu, Şebnem" ile LEE- Gemi İnşaatı ve Gemi Makinaları Mühendisliği-Doktora'a göz atma
  • Öge
    Otomatik kontrol sistemlerinin gemiler arası ikmal operasyonlarında uygulanması
    (Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2023-08-29) Bozkurt, Bilgin ; Helvacıoğlu, Şebnem ; Ertogan, Melek ; 508112009 ; Gemi İnşaatı ve Gemi Makinaları Mühendisliği
    Günümüz dünyasında nesnelerin kontrolünün önemi giderek artmaktadır. Elbette kontrol edilmek istenen sistem kararlı koşullarda hareket ettiğinde kontrolü sağlamak daha kolay olurken, koşullar dinamik hale geldiğinde kontrol giderek zorlaşmaktadır. Dronlar, deniz araçları veya otonom olarak hareket eden bir arabanın kontrol edilmesi dinamik kontrol gerektiren durumlardan bazılarıdır. Ortamın dinamizmi arttıkça bu dinamizme cevap verecek kontrol sistemlerini oluşturmak daha da zorlaşmaktadır. Şüphesiz gemilerde yük transferi operasyonları, bu zor kontrol görevlerinden biridir. Sert deniz koşulları bu operasyonların kontrolünü daha da karmaşıklaştırmaktadır. Gemilerde yük transferi, gemiden karaya, gemiden deniz dibine, gemi güvertesindeki bir noktaya veya gemiden gemiye olabilir. Yükü veren ve alan platformların her ikisi de hareketli olduğundan gemiden gemiye yük aktarma operasyonu kuşkusuz en zorlu operasyonlardan biridir. Sabit bir zemine yük verme durumundan farklı olarak, her iki platformun da hareketli olması, kontrolde dikkate alınacak serbestlik derecelerinin iki katına çıkmasına neden olur. Gemiden gemiye yük transferindeki bir diğer zorluk ise, hedef gemide yükün ineceği alan sınırlı olduğundan, sadece düşey yönde değil, geminin enine ve boyuna eksenlerinde de hareketin kontrol edilmesi gerekliliğidir. Diğer bir deyişle yatay kontrol ile yükün güvertede istenmeyen alanlara kontrolsüz teması engellenmelidir. Bir diğer zorluk da yükün sallantısının ve yatay salınım hızının da iniş sırasında kısıtlanması gerekliliğidir. Yükün alçalma sırasında sallanması, yatayda halat çıkış noktası istenilen noktada olmasına rağmen kontrolsüz yatay harekete neden olabilmekte ve yükün yatay hızı, yükü hedef gemide karşılayacak olan gemi personeli için hayati risk oluşturabilmektedir. Gemilerde yük transfer kontrolü ile ilgili çoğu çalışma, genellikle gemiden deniz tabanına yük transferi konusuna odaklanmıştır. Bu nedenle bu çalışmalarda yatay kontrol hariç bırakılarak dikey kontrol ele alınmaktadır. Ancak, zorlu deniz koşulların, yükün sallanması, yatay düzlemde hedef iniş noktasından sapması ve yatay düzlemdeki hızından kaynaklanan riskler nedeniyle operasyonun güvenliği için daha fazla kontrolörün birlikte çalışmasına ihtiyaç bulunmaktadır. Bu tezde, sert ve çok sert deniz koşullarında, bir açık deniz elektro-hidrolik vinç ile gemiden gemiye ikmal operasyonu sırasında yükün dikey, yatay deplasmanının ve salınım kontrolünün sağlanması ele alınmıştır. Çalışma düzensiz dalgalar üzerinde gerçekçi gemi hareketleri kullanarak modellenmiştir. Ayrıca gemi, kreyn ve yükün dinamiğini göz önünde bulunduran geometrik model, matematiksel hidrolik sistem ve yükün sallantısının izlenmesi için matematiksel sallantı gözlem modelini tez kapsamına dahil edilmiştir. Çalışmada kullanılan tüm matematiksel modeller deneysel olarak doğrulanmıştır. Kontrol modelinde dikey kontrolde kullanılan Yörüngesel Rota Kontrol Sistemi sayesinde yükün istenilen dikey konum ve hız rotasında hareket ettirilerek güvenli bir şekilde indirilmesi sağlanmaktadır. Yenilikçi olarak eklenen teleskopik kol desteği ile operasyonun gerektirdiği yatay pozisyonlama ve salınım kontrolü çok zorlu deniz koşullarında bile yapılabilmektedir. Salınım önleme modeli, yardımcı kolu global olarak yatay tutma stratejisiyle güçlendirilmiştir. Yükün yatay salınımının çoğu, geminin yalpa hareketinden kaynaklanmaktadır. Yardımcı kolu yatay tutmak üzerine kurulu bu strateji, yalpa hareketinin etkisini büyük oranda kırar ve yükün hem yatayda hem de dikeyde sapmasını önemli oranda azaltır. Bu strateji, aynı zamanda teleskopik kolu yatay bir düzlemde tutarak en verimli şekilde çalışmasını sağlamaktadır. Teleskopik kol vasıtasıyla, sallanma hareketi makul bir seviyeye kadar dengelenir. Sistemin başarısı, yükün yatay deplasman hatasının mümkün olduğu kadar küçük olmasına ve eş zamanlı olarak sallanma hareketinin de azaltılmasına bağlıdır. Çalışmada gerçekçi açık deniz dalgalarında hareket eden gemi hareketlerini elde etmek için deneysel olarak doğrulanmış Marine Systems Simulator (MSS) Hydro programı kullanılmıştır. Tezde önerilen kontrol sistemi, 175 m tanker gemisi ve 82,8 m ikmal gemisi için farklı belirgin dalga yüksekliği ve dalga açısı koşullarında elde edilen hareket verileri ile test edilmiştir. Hareket denklemlerini etkileyen tüm parametreler dikkate alınarak kreyn geometrisi ve halat çıkış noktasının uzaydaki dinamik konumu modellenmiştir. MSS programında geminin ağırlık merkezine göre gemi hareketleri elde edilmektedir. Bu nedenle çalışmada gemi hareketlerini okuyan hareket referans biriminin (MRU) geminin ağırlık merkezinde olduğu kabul edilmiştir. MRU'yu referans alan halat çıkış noktasının geometrik konumuna ulaşmak için gerekli tüm geometrik denklemler oluşturulmuştur. Ayrıca kreyn kollarının anlık geometrik açılarına, teleskopik kolun dinamik strokuna ve geminin dinamik dalıp-çıkma, baş-kıç vurma ve yalpa hareketlerine göre halat çıkış noktasının dinamik konumunu veren denklemler oluşturulmuştur. Halat çıkış noktasının geometrik konumuna dönme hareketinin etkisi eklendikten sonra geminin sırasıyla yalpa, baş-kıç vurma ve dalıp-çıkma hareketlerinin etkileri de denklemlere adım adım eklenmiştir. Hidrolik sistem tamamen matematiksel olarak modellenmiştir. Çalışmada sunulan hidrolik sistem modeli tamamen kapalı çevrim bir model arz etmektedir. Eyleyicilerin hareketleri, yükün konumunu ve kontrol edilecek parametreleri etkilemekte ve bu parametrelerin bir sonraki andaki durumları bir sonraki andaki kontrol komutlarını ve dolayısıyla eyleyicilerin bir sonraki andaki hareketlerini belirlemektedir. Ortaya konulan matematiksel model, basınca duyarlı değişken debili hidrolik pompa, hidrolik motor, 4 yollu oransal valf, emniyet basınç valfi, hidrolik silindirler gibi gerekli tüm hidrolik sistem elemanlarını içermektedir. Silindir strok hareketlerinde meydana gelen sürtünme faktörü ve hidrolik yağın dinamik basınç altında değişen eşdeğer elastisite modülü de hesaplamalara dahil edilmiştir. Ayrıca matematiksel hidrolik model önceden yapılmış bir deneyin girdileri kullanılarak test edilmiş ve çalışmadaki matematiksel hidrolik sistem modelinin verdiği sonuçların deney sonuçları ile uyumlu olduğu görülmüştür. Ayrıca tüm hidrolik eyleyiciler üzerindeki dinamik yük modellenmiştir. Bu hesaplamalar sırasında gemi hareketlerinin sistem dinamiği üzerindeki etkileri, gemi hareketlerinden dolayı kreynin global eksenlerdeki geometrik pozisyonundan kaynaklanan yer değiştirmeler, yükün ivmelenmesinin neden olduğu ek yükler, yardımcı kolun global yatay açısına göre teleskopik kol üzerindeki yükün yönünün değişmesi gibi birçok faktör hesaplamalara dahil edilmiştir. Çalışmanın amaçlarından biri de yükün salınım hareketini sınırlamak olduğu için salınım hareketi için matematiksel bir gözlemci modeli ortaya konulmuştur. Halat çıkış noktasının x, y ve z eksenlerindeki dinamik hareketini ve anlık salınmış halat uzunluğunu dikkate alan bu model, yükün hem x hem de y eksenlerindeki salınımını gözlemektedir. Çalışmada farklı kontrol modelleri ile benzetimler yapılmış ve bu kontrol modelleri ayrı ayrı tanıtılmıştır. Ana ve yardımcı kol kontrolü için bulanık ve PID kontrol modelleri ayrı ayrı test edildiğinden, kontrol yöntemlerinin anlatıldığı bölümde bulanık mantık kontrol modeli ve PID kontrol modelleri tanıtılmıştır. Vinç ve teleskopik kol kontrolünde ise PID kontrol yöntemi dışında Parçacık Sürü Optimizasyonu (PSO) yöntemi ve Parçacık Sürü Optimizasyonu Orantılı-Türev-İkinci Türev (PSO-PDD2) kontrol yöntemleri kullanılarak PID katsayılarını farklı gemi ve deniz şartlarına otomatik olarak uyarlayan sistem entegre edilmiştir. Parçacık Sürü Optimizasyonu yöntemi kontrol sistemleri bölümünde de detaylı olarak anlatılmıştır. Çalışmada, gemiden gemiye yük transfer dinamiği ve kontrolünün farklı gemi ve deniz koşulları için uygulamaları yapılmış ve uygulama sonuçları analiz edilmiştir. Farklı denetleyici türlerinin problem çözmedeki performanslarını karşılaştırmak için PID, Bulanık Mantık ve PSO olarak da anılan Parçacık Sürü Optimizasyonu (Particle Swarm Optimization) denetleyicileri ile elde edilen sonuçlar karşılaştırılmıştır. Bu bölümde ana ve yardımcı kolların PID ve Bulanık Mantık kontrol yöntemleri kullanıldığında elde edilen dikey ve yatay sapma sonuçları karşılaştırılmıştır. Daha sonra vinç ve teleskopik kol için klasik PID yöntemi dışında, PSO-PID kontrol yöntemi kullanılarak dikey ve yatay hata, salınım açısı ve yatay hız sonuçları elde edilmiş ve tartışılmıştır. Sonuçların sağlıklı bir şekilde değerlendirilebilmesi için elde edilen hata verilerinin Ortalama Mutlak Hata (MAE) değerleri hesaplanmıştır. Sonuçlar incelendiğinde çalışmada sunulan sistem modelinin düşey hatayı % 95 oranında azalttığı, yükü istenilen düşey konum ve hız rotasında indirebildiği ve yatay hatayı ve yükün salınımını yaklaşık % 60 oranında azaltarak daha güvenli iniş imkânı oluşturduğu görülmektedir. Simülasyon sonuçları, sistem modelinin çok dalgalı deniz koşullarında dahi geçerli ve başarılı bir çözüm olduğunu göstermiştir.
  • Öge
    Shipyard productivity evaluation with key performance indicators
    (Graduate School, 2022-05-27) Bilen, Ümran ; Helvacıoğlu, Şebnem ; 508122007 ; Naval Architecture and Marine Engineering
    Shipbuilding is a unique industry dealing with complex and one-of-a-kind products with ever changing demand trends that force the supply limits. Small and medium sized shipyards are suffering to cope with the challenges to survive and sustain their activities. Due to the nature of this business, shipyards need to pay even more attention to their productivity and performance. This requires combining a deeper engineering knowledge with business goals. Recent development in the information technologies followed with automated processes provide means to use data to create knowledge and thereby a better understanding of the processes and to manage them. This thesis suggests a methodology to evaluate the productivity of a shipyard in all hierarchy levels with key performance indicators (KPI) which are derived with a data-driven approach. It demonstrates that a shipyard could develop its own KPIs from its own historical data and utilise them to evaluate its own performance, identify the shortcomings, increase engineering as well as business knowledge and make more accurate estimations before and after signing a shipbuilding contract. Neither data analysis, nor the KPIs are new to this industry. The value of data collection and analysing has been well appreciated for a long time. However, the use of data is mostly limited to the assessment of only certain business cases and lacks an overall perspective for combining strategic objectives to tactical and operational ones and vice a versa. The proposed methodology offers a step-by-step approach to identify these connections considering the major challenges of shipbuilding. It answers the questions of where to start, how to perform and how to interpret and make use of the analysis both with a top-bottom and bottom-up approaches. The methodology offers a deep analysis starting with the investigation of performance shortcomings through background from internal and external sources. This background information is then used for the identification of strategic, tactical, and operational objectives. The methodology explains how these background and objectives could be connected systematically to success factors and relevant measures. Finally, the methodology provides a detailed guide for discovering the KPIs by means of data collection, data organisation, building a data model, performing statistical analyses and how to select and create KPIs and where to use the results. Application of this methodology is shown in a case study performed with real shipyard data from Uljanik Shipyard / Pula – Crotia, as a part of a research project funded by the European Union, HOLIstic optimisation of SHIP design and operation for life cycle (HOLISHIP). By analysing the shipyard dynamics through background and combining these with the project goals, it was decided to create KPIs for the assessment of new structural ship design alternatives from building cost and producibility perspectives. Relevant success factors and measures were identified before starting data collection and analysis. These analyses were performed in a systematic manner which is proposed in the methodology and given in detail in chapter 5 of this thesis. Part of the data was extracted in a structured form from the computer aided ship design and planning software and material resource planning software of the shipyard. Other required data was collected through unstructured interviews, standalone spreadsheets and documents which were then organised in structured spreadsheets. Due to practical reasons like availability, low cost and familiarity of the shipyard employee, data organisation, modelling and analyses were performed by Microsoft Excel. Mainly six data sources were created based on design, production, and commercial data from twelve previously built Roll-on Roll-off Passenger Ships (RoPAX ships), each in spreadsheet format. Some of the spreadsheets having more than 20 columns and over 20.000 rows. These data-sets were then combined in a data model by use of primary keys that were available for all data-sets, namely yard project number, macro space and yard group. The primary keys have connection to each piece of information in all data sets and reflect the way of job handling and data collection of the shipyard. From the data model, several measures were created and tested by means of regression analyses to investigate the relationship between different parameters. Regression analyses were chosen to ease communication with the shipyard and project teams and performed both in single and multiple linear regression methods. These relations were checked upon discussions with the shipbuilding experts from different departments of the shipyard and demonstrated with visual graphs. The expert opinion already supports a technical relation between parameters and measures and thereby eliminating the doubts of causation shown through regression analyses. By this way, it was possible to create two complex KPIs to evaluate the new design alternatives, one for the building cost and the other for the producibility. Shipyard team was already familiar with the basic use of the selected tool. After a one-day training most of the participants were able to handle the data organisation, data model and also were able to create their own measures and make their own analyses. It was found that better relations could be modelled when more experts were involved with technical background from different departments like production and design. It should be noted that the application of the suggested methodology relies on two major prerequisites. First one is that the data must exist, otherwise the methodology could only guide the shipyard for defining the data which needs to be collected. Second one is the involvement and support of the executive management, otherwise application of the methodology would be another number crunching exercise which would not be used and improved for daily use. Furthermore, application of the methodology requires mass amount of time at the beginning with the involvement of shipyard experts and a dedicated core team to extract data and build up the data model. Also, the results of the study cannot be generalised, but rather could only be used by the shipyard in question. The main contribution of this thesis is to provide a guideline for Small and Medium Sized Shipyards which are in need for a systematic approach for digitalisation and answering questions such as where to start, why data collection is necessary, how to handle data, which data to be collected, what to do with the collected data, how to make analyses, and in which ways these analyses could be used. It was shown that the collected data could be easily turned into engineering knowledge to support the processes improvements as well as business decisions. Finally, the study paves the way for further analyses and studies for improving the productivity with a data-driven approach. Future studies could focus on more complex analyses on productivity of outfitting works and effects of qualitative factors with more advanced tools like machine learning algorithms that are connected to a live data base.