No Brasil a exploração do petróleo está crescendo cada vez mais principalmente com as atividades offshore devido às constantes descobertas de novas jazidas em alto mar. Isto cria a necessidade de embarcações que garantam operações mais seguras o que pode ser obtido com aquelas dotadas de sistemas de posicionamento dinâmico. O projeto de um sistema de posicionamento dinâmico não é simples sob o ponto de vista de controle já que é um sistema não-linear multivariável sobreatuado; e não é barato devido aos elevados custos de implementação. Portanto, para se projetar adequadamente este tipo de sistema é imprescindível a elaboração de meios para ensaiar toda a estrutura real em desenvolvimento num tanque de provas utilizando modelos em escala. Neste trabalho é mostrado o projeto, construção e testes da eletrônica embarcada de um aparato experimental para ensaios de veículos oceânicos em tanque de provas, cujo projeto baseou-se em aspectos técnicos importantes para seu bom funcionamento como a descentralização dos processamentos necessários, a comunicação sem fio robusta com um console central responsável pelo processamento de todos os algoritmos do controlador superior e a preocupação com a compatibilidade eletromagnética do sistema. O console central consiste de uma interface de comunicação com o usuário e dos blocos de controle que são o filtro de Kalman, o controlador e o alocador de empuxos. Nos ensaios o desempenho da eletrônica é averiguado experimentalmente e os excelentes resultados obtidos mostram que o modelo responde de acordo com os comandos do controlador, principalmente com relação aos controles localizados para cada motor de propulsor contribuindo assim para o bom comportamento do conjunto. / In Brazil the exploration of oil is increasing mainly with the offshore activities due to the new found deposits. This situation requires more safety vessels which can be achieved using dynamic positioning systems. As a dynamic positioning system is a multivariable non linear and overactuated system, its design is not simple; and it is also not cheap due to high implementation costs. Therefore, the development of experimental environments to adequately study and design this type of system is essential. This work shows the embedded electronic project and assembly of an experimental setup in order to test floating vessel models. The project was developed based on important technical aspects to guarantee a good performance like processing decentralization, robust wireless communication with a central console responsible by the all control algorithms and the concern with electromagnetic compatibility of the system. The central console is composed by a human interface, control and Kalman filter structures and a thruster allocation algorithm. The performance of the electronic structure is verified experimentally during the tests and the excellent results show that the model works, in accordance to the controller commands, mainly related to local thruster control which contributes to the good system behavior

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de uma técnica de controle cooperativo aplicado para embarcações dotadas de sistema de posicionamento dinâmico (sistema DP). Um caso ilustrativo é estudado: o lançamento de um equipamento submarino utilizando duas embarcações DP. Neste exemplo, o sistema cooperativo controla a distância relativa das duas embarcações DP. As vantagens deste método se da no aumento da janela operacional, na tensão no cabo de lançamento que pode ser reduzida pela metade, entre outras. Um mapeamento dinâmico foi obtido utilizando um simulador 2D simplificado previamente validado por comparação com testes experimentais e o simulador no domínio do tempo TPN Tanque de Provas Numérico. Nestes mapas, duas regiões foram definidas, de ocorrência e não ocorrência de afrouxamento nos cabos em função da distancia entre as embarcações, profundidade do equipamento submarino e período da onda. Este mapa definiu as posições desejadas das embarcações para cada profundidade do equipamento. Foi proposto um controle da posição relativa das embarcações tentando manter os movimentos do ponto de conexão em oposição de fase. Isto evita a ocorrência de afrouxamentos no cabo de lançamento. Para isso, um algoritmo baseado em estimação de fase (Transformada de Hilbert) associado a um controlador PD foi implementado. Os resultados mostraram que o controle para ondas regulares é efetivo. Adicionalmente, o controle de pagamento de linha recebe as medidas do movimento vertical do ponto de conexão, e compensa esse movimento, mantendo constante seu comprimento. O controle foi implementado considerando erros de 10% e atrasos de até 1,5s nas medidas. Os resultados confirmaram que o controle pode eliminar os picos de tensão e a ocorrência de afrouxamento no cabo de lançamento. A conclusão deste trabalho sugere que a estratégia apropriada do controle, considerando ondas regulares, é combinar o controle de posição e o controle de pagamento de linha. O controle de posição, acoplado ao mapeamento dinâmico, define um caminho ótimo a ser seguido durante o içamento do equipamento, tentando manter as embarcações próximas da região de não ocorrência de afrouxamentos. / This work presents the development of cooperative control technique applied to vessels equipped with dynamic positioning (DP) system. An illustrative case study is suggested: the launching of subsea equipment using two DP vessels. In this example, the cooperative system controls the relative distance between the DP vessels. One of the advantages of this method is the increase of operations safety and operational window, since, among other factors, the tension in the launching cable is reduced by half. Initially, it was proposed the control of vessels relative positions, trying to keep the connection point movements in counter-phase. This avoids the slackening of the launching cable. For this, an algorithm based on phase estimator (Hilbert transform) associated with a PD control was implemented. The results showed that for regular waves this strategy was effective. A dynamic mapping was then obtained using simplified 2D simulator, previously validated by comparison with experimental tests. In these maps, two regions are defined - occurrence or non-occurrence of cable slackening - as a function of the distance of the vessels and the depth of the subsea equipment. This map defines the proper set-point for the DP systems for each depth of the subsea equipment. This map is used to define the best relative position for the vessels. In addition, the hoisting control receives the measurements of the vertical motion of the connection point, and compensates its motion, trying to maintain a constant lowering velocity. This control was implemented considering errors of 10% and delay of 0.5s in the measurements. The results confirmed that the control is able to eliminate the tension peaks and the occurrence of slackening in the launching cable. The conclusion is that the appropriate control strategy, considering regular waves, is to combine the control of both position of the vessels and hoisting of the cable. Therefore the position control, coupled with dynamic mapping, defines the \"optimal path\" to be followed during the line hoisting, trying to keep the vessels as close as possible to the \"no slackening\" region.

The Dynamic Positioning (DP) System is responsible for the station keeping of vessels in several offshore operations. The forces required by the DP System are distributed among the available thrusters by a thrust allocation algorithm which should be accurate, efficient and robust. This means that the effective forces match the required forces while power consumption is minimized. Additionally, in case of impossibility of generating the required forces the heading of the vessel is maintained to avoid increasing environmental forces. To accurately generate the required forces, the physical limitations of the thrusters and the hydrodynamic interactions must be considered. The hydrodynamic interactions are consistently modelled to accommodate the following typical effects: thruster-hull, thruster-current and thruster-thruster interaction. The result of this modeling is a nonlinear optimization problem, which is solved using the Sequential Quadratic Programming (SQP) algorithm with slack variables. The DP simulation carried out show that by considering the hydrodynamic interactions on thrust allocation the overall performance (controllability and power consumption) of the DP system is improved. / O Sistema de Posicionamento Dinâmico (DP) é responsável pela manutenção da posição de embarcações em diversas operações offshore. As forças requeridas pelo Sistema DP são distribuídas entre os propulsores disponíveis por um algoritmo de alocação de empuxo que deve ser preciso, eficiente e robusto. Isso significa que as forças efetivas correspondem às forças solicitadas, enquanto o consumo de energia é minimizado. Além disso, em caso de impossibilidade de gerar as forças necessárias, o rumo da embarcação é mantido para evitar o aumento das forças ambientais. Para gerar com precisão as forças necessárias, as limitações físicas dos propulsores e as interações hidrodinâmicas devem ser consideradas. As interações hidrodinâmicas são modeladas de forma consistente para acomodar os seguintes efeitos típicos: interação entre casco e propulsor, correnteza e propulsor e entre propulsores. O resultado desta modelagem é um problema de otimização não linear, que é resolvido usando o algoritmo de Programação Quadrática Sequencial (SQP) com variáveis de relaxamento. As simulações de posicionameto dinâmico realizadas mostram que, ao considerar as interações hidrodinâmicas na alocação de empuxo, o desempenho geral (controlabilidade e consumo de energia) do sistema DP melhora.

The objective of this thesis is to identify, which hazards and failures in operation process will affect Reliability, Availability, Maintainability and Safety of floating offshore structures. The focus is on Dynamic Positioning (DP) system that has the responsibility of keeping the offshore structure in the upright position operation. DP system is one of the most critical subsystems on these types of structures in terms of safety of operation and failure risk costs. Reliability of the system in this thesis has been analyzed in qualitative and quantitativeb methods. In qualitative method to find the effective parameters on the reliability of the DPb system, Reliability Centered Maintenance (RCM ) and its application as a main tool have been used. To achieve the aim it has been tried to define the events and accidents which could be generated by the identified hazards then tried to determine the consequences of the realized accidents. In this step three categories are taken in to account including, safety, operation, and equipment. Next phase should be concentrated on considering and analyzing the relevant processes and the root causes which result in the identified hazard. After clarifying all probable root causes it has been tried to prioritize the root causes and specifying the necessary preventive actions. The aim of this step is either decreasing the occurrence of root causes or increasing the detectability of hazards. In the last part quantitative method has been used to measure the amounts of Reliability, Availability and Maintainability of the system, based on MTBF and MTTR of different components of the system and it has been tried to present the solutions to improve system reliability based on components RCM tables. Further, assuming DP system as human- machine system safety assessment has been included to indicate human factors in the reliability of the system beside probable failure of the components of the system.

A exploração do petróleo no Brasil tem migrado para águas cada vez mais profundas; os campos de exploração estão cada vez mais distantes da costa e em regiões com condições meteoceanográficas cada vez mais severas. Isto, e o recente volume de novas descobertas e novos campos de exploração têm impulsionado as indústrias deste setor na busca por novas soluções para a exploração deste óleo. Uma destas soluções inovadoras são os FPWSO DP (Floating Production Storage Workover Offloading Dynamic Positioning Unit). Estas são unidades de produção, dotadas de sondas de perfuração e de sistema de posicionamento dinâmico. A utilização de unidades de posicionamento dinâmico para produção continua de campos de petróleo é algo novo no mundo. Por se tratar de plataformas que devem permanecer por vários meses produzindo de forma ininterrupta, o estudo de confiabilidade de seu sistema de posicionamento dinâmico é de vital importância. Este trabalho apresenta um estudo de confiabilidade para este tipo de embarcação. Serão avaliados todos os sistemas relacionados ao posicionamento dinâmico da unidade, entre eles, sistema de geração de energia, sistema de propulsão, controladores DP e sistemas de referência de posição. O trabalho apresenta também um estudo de confiabilidade do sistema de conexão e desconexão de emergência com o poço; sistema este que é a ultima salvaguarda caso haja uma perda de posição na unidade. / The exploitation of oil in Brazil has migrated to deeper and deeper waters; the exploration fields are increasingly distant from the coast and in regions with meteoceanográficas conditions increasingly severe. This, and the recent volume of new discoveries and new exploration fields have driven industries of this sector in the search for new solutions to the exploitation of this oil. One of these innovative solutions are FPWSO DP (Floating Production Storage Offloading Workover Dynamic Positioning Unit). These are production units, equipped with drilling rigs and dynamic positioning system. The use of dynamic positioning units for continuous production of oil fields is something new in the world. Because it is platforms that must remain for several months producing uninterrupted, the study of reliability of its dynamic positioning system is of vital importance. This paper presents a reliability study for this type of vessel. We will evaluate all systems related to the dynamic positioning of the unit, including, power generation system, propulsion system, DP controllers and position reference systems. The paper also presents a study of connection of system reliability and emergency disconnect with the well; which system is the last safeguard in case there is a loss of position in the unit.

The Dynamic Positioning (DP) systems currently available employ a feedback controller based on the position and heading error, associated with a wind feed-forward control action to keep the vessel position. This last technology improves the eficiency of the DP by anticipating wind loads. However, there is no consolidated technology to feed the controller with wave loads information and the major issue is related to the wave measurement process. The present thesis aims at filling this technological gap by proposing an alternative approach for the measuring of waves near the vessel. Image-based measurement methods are noninvasive and can produce a spatial and temporal description of the surface, making them suitable for recovering the geometry of liquid surfaces. Nevertheless, these surface reconstruction methods, particularly those applying stereoscopic approaches, have dificulty in measuring waves produced in laboratory facilities, mainly because, in such conditions, the water surface is smooth, translucent and highly specular. Alternatively, intensity based image methods are capable of dealing with these surface characteristics, if employed under controlled conditions and if a suitable reflectance model is selected. In the present study, a well-known reflectance model is applied to recover the parameters of regular waves produced in an offshore basin. Firstly, an experimental setup is proposed, designed to grant appropriate conditions for the application of the reflectance model, even under conventional laboratory illumination. Later, the second set of experiments with a model scale DP vessel are presented, which applied the image-based method developed before as a wave feed-forward system. Three control methods are evaluated, namely: PID, PD (Proportional-Derivative) and the PD with the wave feed-forward. Results demonstrated that the presence of the wave feed-forward reduced the steady error of the PD controller. These are the first steps towards the practical use of the wave feed-forward, and several aspects remain pending. However, the promising results and discussions regarding the future steps define the contribution of this work. / Os sistemas atuais de Posicionamento Dinâmico (DP) empregam técnicas de controle baseadas na realimentação da posição e do aproamento, associadas à compensação antecipada das cargas de vento (wind feed-forward) para manter a posição da embarcação. Esta tecnologia melhora a experiência do DP, pois antecipa a ação do vento. Entretanto, não há tecnologia consolidada para a pré-compensação de forças ondas (wave feed-forward) e o maior desafio reside na medição desses agentes ambientais. A presente tese tem como objetivo preencher essa lacuna tecnológica propondo uma abordagem alternativa para a medição das ondas próxima ao casco. Métodos de medição baseados em imagem são não invasivos e produzem descrições espaciais e temporais da superfície analisada, tornando-os particularmente adequados à medição de superfícies líquidas. Entretanto, os métodos comumente empregados, principalmente aqueles baseados em imagens estéreo, são incapazes de medir ondas produzidas em ambiente de laboratório, pois, nestas condições, a superfície da água é lisa, apresenta transparência e comporta-se como um espelho. Por outro lado, métodos baseados na intensidade de luz são capazes de lidar com tais características, se aplicados em condições adequadas e quando empregam modelos apropriados. Neste trabalho, um modelo de reetância amplamente conhecido é empregado para extrair os parâmetros principais de ondas regulares produzidas em um tanque de provas offshore. Inicialmente, propõe-se um arranjo experimental que permita a aplicação do modelo de refetância construído, mesmo sob as condições de iluminação naturais do laboratório. Posteriormente, um segundo conjunto de experimentos com um modelo de embarcação DP é proposto, no qual se aplica o método baseado em imagem, testado anteriormente, como sistema de pré-compensação de forças de onda. Três métodos de controle são avaliados, quais sejam: PID (Proporcional-Integral-Derivativo), PD (Proporcional-Derivativo) e o PD-WFF (PD associado ao wave feed-forward). Os resultados demonstram que a presença pré-conpensação de forças de onda reduz o erro em regime do controlador PD. Estes são os primeiros passos em direção da incorporação da pré-compensação de forças de onda nos sistemas DP reais e diversos aspectos técnicos ainda estão pendentes. Entretanto, os resultados promissores e discussões acerca dos futuros passos da pesquisa definem a contribuição do presente trabalho no campo do Posicionamento Dinâmico.

Nos últimos anos, tem se intensificado o desenvolvimento de novas tecnologias para serem aplicadas à veículos submersíveis não tripulados. Uma delas é a visão computacional, que tem o objetivo de extrair informações úteis das imagens captadas do ambiente, podendo ser utilizada como um sensor para o posicionamento do veículo, além de contribuir para o reconhecimento automático de objetos a serem inspecionados. A finalidade de um veículo submersível não tripulado é efetuar missões de inspeções ou pequenos reparos em estruturas submersas em meios oceânicos ou fluviais. Nessas operações, é importante que o veículo possua um controle autônomo, por meio de um sistema de posicionamento dinâmico, para facilitar a sua operação e garantir o sucesso da missão. Em função destas necessidades, este trabalho concentra-se no desenvolvimento de um sistema de visão computacional auxiliado por ponteiros de raio laser, que geram marcos visuais artificiais em ambientes não estruturados, possibilitando medir distâncias e ângulo de aproamento baseado no método da triangulação. Foram testados lasers com diferentes comprimentos de onda, em ambiente aéreo e subaquático, com diferentes índices de turbidez, nível de luminosidade e distância. Baseado nos resultados e utilizando o sistema de visão e laser como método de sensoriamento, foi projetado e implantado um sistema de posicionamento dinâmico para o plano horizontal, utilizando Filtro de Kalman. A avaliação do sistema de posicionamento dinâmico e do método de sensoriamento foi realizada por meio de simulação numérica e averiguação experimental, utilizando-se um modelo reduzido de um veículo de superfície no laboratório do Departamento de Engenharia Naval e Oceânica da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Os resultados experimentais indicaram a viabilidade da aplicação do método de sensoriamento baseado em visão computacional e laser para sistemas de posicionamento dinâmico, mostrando-se um método simples, confiável, ativo e independente. / The development of new technologies to improve unmanned underwater vehicles has recently intensified. Computer vision, one such example, has the objective of extracting useful information from images captured in the environment; this information can facilitate vehicle positioning and the reconnaissance of objects to be inspected. Purposes of unmanned underwater vehicles include inspection missions and small repairs in underwater structures located in oceans or rivers. For these operations it is important for the vehicle to have an autonomous control system using dynamic positioning system to facilitate its operation and to guarantee the missions success. Given these necessities, this study concentrates on the development of a computer vision system supported by laser pointing devices that generate artificial landmarks in non-structured environments, facilitating distance and angle measurement based on the triangulation method. Lasers of different wavelengths were tested in air and underwater environments, where the latter had different indices of turbidity, levels of luminosity, and distance. Based on the results and utilizing the system of vision and laser as a sensor method, a dynamic positioning system for the horizontal plane has been created through the use of Extended Kalman Filter. The evaluation of this dynamic positioning system and of the sensor method was accomplished through numeric simulation and experimental checks using a reduced model of a surface vehicle, located in the University of São Paulos Department of Naval and Oceanic Engineering. The experimental results show that the application of the sensor method based on laser and computer vision for the dynamic positioning system is viable and proved to be an independent, active, reliable, and simple method.

O presente trabalho aborda três tópicos de pesquisa e desenvolvimento em Sistemas de Posicionamento Dinâmico (SPD). Desenvolveu-se uma nova metodologia para o projeto de controlador de posição e aproamento baseada na teoria de controle robusto não-linear por modos deslizantes. O controlador integra uma malha de compensação direta dos esforços ambientais (ondas, vento e correnteza) a uma malha de realimentação que realiza correções de erros residuais. A estrutura não-linear do controlador assegura o desempenho e estabilidade para qualquer aproamento da embarcação. A malha de compensação direta, por sua vez, garante maior faixa de aplicabilidade em termos de condições ambientais, não apresentando degradação de desempenho em condições extremas. A malha de realimentação possui apenas nove parâmetros, existindo equações e regras que tornam suas calibrações simples. Já a malha de compensação direta possui, internamente, modelos para a estimativa das forças ambientais que agem sobre o navio. Graças às características de robustez, o controlador não requer um ajuste refinado dos diversos parâmetros destes modelos e das condições ambientais, podendo-se utilizar estimativas pouco acuradas dos mesmos. O controlador desenvolvido foi testado em simuladores computacionais do VLCC Vidal de Negreiros amarrado pelo sistema turret e de uma barcaça de lançamento de dutos, ambos contendo modelos validados dos esforços ambientais. As simulações emularam erros de modelagem e de estimação das condições ambientais, e confirmaram as boas características de robustez e desempenho do controlador em diversas condições e a facilidade no ajuste de parâmetros. Desenvolveu-se também um modo de controle apropriado para operações com liberdade de aproamento realizadas na Bacia de Campos, onde é comum a incidência de agentes ambientais em direções não alinhadas. Neste modo calcula-se, baseado nas estimativas das condições ambientais, o aproamento que minimiza um funcional relacionando parâmetros operacionais relevantes, como movimento de roll, tração dinâmica em risers, solicitação do sistema de amarração e consumo de combustível. Uma análise numérica de sensibilidade, aplicada ao VLCC Vidal de Negreiros, indicou que o cálculo do aproamento ótimo não apresenta elevada sensibilidade a erros nas estimativas das condições ambientais em condições extremas. Testes numéricos comprovaram também a superioridade do presente modo de controle comparado ao tradicional modo Weather vane nas condições da Bacia de Campos. Como a estimação do espectro de ondas incidentes ainda apresenta problemas técnicos e operacionais, desenvolveu-se também um método de estimação do espectro baseado na medição dos movimentos da embarcação. Utilizou-se uma abordagem paramétrica, cuja sensibilidade a erros no conhecimento da resposta dinâmica da embarcação mostrou-se aceitável. O método foi testado numericamente e validado com resultados de ensaios em tanque de provas. Os erros de estimação foram plenamente compatíveis aos erros admissíveis pelo controlador desenvolvido, alcançando, no caso da altura significativa, o valor máximo de 25%. O método foi comparado à abordagem não paramétrica Bayesiana, muito utilizada em trabalhos correlatos, e apresentou resultados mais acurados. / The present work deals with three research and development topics related to Dynamic Positioning Systems. A new design methodology of ship position and heading controller was developed, based on the robust and nonlinear Sliding Mode Control theory. The controller contains a feedforward action, which compensates environmental forces (wind, waves and current) and a feedback loop, responsible for the elimination of residual errors. The nonlinear formulation of the controller assures performance and stability requirements for all heading angles. The feedforward action guarantees its applicability in a large range of environmental conditions, without performance degradation in severe conditions. The feedback loop contains only nine parameters, which can be calibrated easily by simple equations. The feedforward loop internally contains models for the estimation of the environmental forces acting on the ship. However, due to robustness properties, the controller does not require a fine adjustment of its several parameters and the environmental conditions, allowing the use of non-accurate estimates. The controller was tested in computational simulators of the turret moored VLCC Vidal de Negreiros and of a pipe-laying barge, both comprising validated models of environmental forces. The simulations emulated modeling and environmental conditions estimation errors, confirming the good robustness and performance properties of the controller in several environmental conditions and the simple parameter adjusting process. A control mode adapted for heading-free operations in Campos Basin was also developed, where non-aligned environmental agents frequently happen. In this mode, it is calculated the optimal heading that minimizes a functional relating important operational parameters, such as roll motion, risers dynamic tension, mooring system forces and energy consumption. Estimations of environmental conditions are used in the calculation. However, a numerical sensibility analysis of this control mode applied to the VLCC Vidal de Negreiros indicated that the optimal heading calculation presents low sensibility to errors in these estimations under severe environmental conditions. Numerical trials showed that this control mode is more adequate to Campos Basin conditions compared to the traditional Weather vane mode. Since wave spectrum estimation still presents technical and operational problems, a spectrum estimation method was also developed, based on measurements of ship motions. A parametric method was used, which presented low sensitivity to errors in ship dynamic response functions. The method was numerically tested and validated through towing tank tests. Estimation errors were compatible to the controller admissible errors. For example, the maximum error in significant wave height estimation was 25%, smaller than the errors usually obtained using the non-parametric Bayesian method, widely applied for this class of problems.

O presente trabalho aborda três tópicos de pesquisa e desenvolvimento em Sistemas de Posicionamento Dinâmico (SPD). Desenvolveu-se uma nova metodologia para o projeto de controlador de posição e aproamento baseada na teoria de controle robusto não-linear por modos deslizantes. O controlador integra uma malha de compensação direta dos esforços ambientais (ondas, vento e correnteza) a uma malha de realimentação que realiza correções de erros residuais. A estrutura não-linear do controlador assegura o desempenho e estabilidade para qualquer aproamento da embarcação. A malha de compensação direta, por sua vez, garante maior faixa de aplicabilidade em termos de condições ambientais, não apresentando degradação de desempenho em condições extremas. A malha de realimentação possui apenas nove parâmetros, existindo equações e regras que tornam suas calibrações simples. Já a malha de compensação direta possui, internamente, modelos para a estimativa das forças ambientais que agem sobre o navio. Graças às características de robustez, o controlador não requer um ajuste refinado dos diversos parâmetros destes modelos e das condições ambientais, podendo-se utilizar estimativas pouco acuradas dos mesmos. O controlador desenvolvido foi testado em simuladores computacionais do VLCC Vidal de Negreiros amarrado pelo sistema turret e de uma barcaça de lançamento de dutos, ambos contendo modelos validados dos esforços ambientais. As simulações emularam erros de modelagem e de estimação das condições ambientais, e confirmaram as boas características de robustez e desempenho do controlador em diversas condições e a facilidade no ajuste de parâmetros. Desenvolveu-se também um modo de controle apropriado para operações com liberdade de aproamento realizadas na Bacia de Campos, onde é comum a incidência de agentes ambientais em direções não alinhadas. Neste modo calcula-se, baseado nas estimativas das condições ambientais, o aproamento que minimiza um funcional relacionando parâmetros operacionais relevantes, como movimento de roll, tração dinâmica em risers, solicitação do sistema de amarração e consumo de combustível. Uma análise numérica de sensibilidade, aplicada ao VLCC Vidal de Negreiros, indicou que o cálculo do aproamento ótimo não apresenta elevada sensibilidade a erros nas estimativas das condições ambientais em condições extremas. Testes numéricos comprovaram também a superioridade do presente modo de controle comparado ao tradicional modo Weather vane nas condições da Bacia de Campos. Como a estimação do espectro de ondas incidentes ainda apresenta problemas técnicos e operacionais, desenvolveu-se também um método de estimação do espectro baseado na medição dos movimentos da embarcação. Utilizou-se uma abordagem paramétrica, cuja sensibilidade a erros no conhecimento da resposta dinâmica da embarcação mostrou-se aceitável. O método foi testado numericamente e validado com resultados de ensaios em tanque de provas. Os erros de estimação foram plenamente compatíveis aos erros admissíveis pelo controlador desenvolvido, alcançando, no caso da altura significativa, o valor máximo de 25%. O método foi comparado à abordagem não paramétrica Bayesiana, muito utilizada em trabalhos correlatos, e apresentou resultados mais acurados. / The present work deals with three research and development topics related to Dynamic Positioning Systems. A new design methodology of ship position and heading controller was developed, based on the robust and nonlinear Sliding Mode Control theory. The controller contains a feedforward action, which compensates environmental forces (wind, waves and current) and a feedback loop, responsible for the elimination of residual errors. The nonlinear formulation of the controller assures performance and stability requirements for all heading angles. The feedforward action guarantees its applicability in a large range of environmental conditions, without performance degradation in severe conditions. The feedback loop contains only nine parameters, which can be calibrated easily by simple equations. The feedforward loop internally contains models for the estimation of the environmental forces acting on the ship. However, due to robustness properties, the controller does not require a fine adjustment of its several parameters and the environmental conditions, allowing the use of non-accurate estimates. The controller was tested in computational simulators of the turret moored VLCC Vidal de Negreiros and of a pipe-laying barge, both comprising validated models of environmental forces. The simulations emulated modeling and environmental conditions estimation errors, confirming the good robustness and performance properties of the controller in several environmental conditions and the simple parameter adjusting process. A control mode adapted for heading-free operations in Campos Basin was also developed, where non-aligned environmental agents frequently happen. In this mode, it is calculated the optimal heading that minimizes a functional relating important operational parameters, such as roll motion, risers dynamic tension, mooring system forces and energy consumption. Estimations of environmental conditions are used in the calculation. However, a numerical sensibility analysis of this control mode applied to the VLCC Vidal de Negreiros indicated that the optimal heading calculation presents low sensibility to errors in these estimations under severe environmental conditions. Numerical trials showed that this control mode is more adequate to Campos Basin conditions compared to the traditional Weather vane mode. Since wave spectrum estimation still presents technical and operational problems, a spectrum estimation method was also developed, based on measurements of ship motions. A parametric method was used, which presented low sensitivity to errors in ship dynamic response functions. The method was numerically tested and validated through towing tank tests. Estimation errors were compatible to the controller admissible errors. For example, the maximum error in significant wave height estimation was 25%, smaller than the errors usually obtained using the non-parametric Bayesian method, widely applied for this class of problems.

The use of dynamic positioning (DP) systems onboard vessels today is spreading to non offshore related areas such as heavy lift carriers, luxury yachts and cruise liners etc. As this technology spreads, the demand for skilled DP personnel should increase. In order to get certified, the training scheme for DP operators (DPOs) ends with 180 days of supervised DP watchkeeping experience offshore. A way to reduce the required 180 days is to attend a DP seatime reduction course. The aim of this study was to get the DP industry’s view on seatime reduction courses and also explore if there a need for speed to get certified DPOs on the market. Parties included were the Nautical Institute, International Marine Contractors Association (IMCA), one oil company, six offshore shipping companies, accredited DP centres and DPOs across the world. The results showed that although the participants in this study are aware of seatime reduction courses few companies use them regularly, but those who do express satisfaction. The DP industry’s view on seatime reduction courses is positive, however somewhat unclear. Many feel simulator courses in general are good since they can give operators experiences that will take years to achieve onboard. If they should replace seatime gained offshore was doubtful. However, the study showed that seatime reduction courses are needed, especially for trainees working onboard vessels that only occasionally use DP. It has also been recognized that trainee DPOs have a hard time obtaining the required seatime in order to apply for their DPO certificate. This indicates that even though shipping companies in this study do employ trainees, this is not done to the necessary extent. There was also expressed a certain desire to improve the DP training scheme of today in order to achieve a higher quality among DPOs. The study shows there is a need for speed to get more DPOs on the market, but not to the detriment of quality. It is advised that studies are made on DP training quality, given the importance to maintain and even raise the level of competency among DPOs. / System för dynamisk positionering (DP) ombord på fartyg sprider sig idag även till icke offshore relaterade områden såsom heavy-lift-fartyg, lyxyachter och kryssningsfartyg. I takt med att teknologin sprider sig, borde även efterfrågan på utbildad DP-personal öka. För att bli certifierad DP-operatör avslutas utbildningsprogrammet med 180 dagars handledd DP-tid som vakthavande befäl till sjöss. Ett sätt att minska de 180 dagarna är att gå en sjötidsreducerande kurs. Målet med den här undersökningen var att få DP–industrins syn på sjötidsreducerande kurser och även undersöka om det finns behov att snabba på processen att få ut certifierade DP-operatörer på marknaden. Deltagare i studien var Nautical Institute, International Marine Contractors Association (IMCA), ett oljebolag, sex offshorerederier, ackrediterade DP-center och DP-operatörer från hela världen. Resultatet visade att trots att studiens deltagare känner till sjötidsreducerande kurser så är det få företag som använder sig av dessa. De få som använder sig av kurserna tycker sig vara nöjda. DP-industrins syn på sjötidsreducerande kurser är positiva men dock oklar. Många känner generellt att simulatorkurser är bra eftersom de kan ge operatörer erfarenheter som annars kan ta år att uppnå. Om de ska ersätta sjötid var mer tveksamt. Dock visar studien att sjötidsreducerande kurser behövs, speciellt för trainees som arbetar på fartyg som bara emellanåt ligger på DP. Det har också framkommit att DP-trainees har svårt att få ihop sin sjötid som krävs för certifiering. Även om rederierna som deltog i denna studien anställer DP-trainees och erbjuder sjötid, så görs inte detta i tillräcklig omfattning. Det framfördes även en önskan om att förbättra dagens utbildningsprogram inom DP för att uppnå en högre kvalitet hos DP-operatörer. Studien visar att det finns ett behov av att snabba på processen att få ut DP-operatörer på marknaden, dock inte på bekostnad av kvaliteten. Det rekommenderas att studier av utbildningsprogrammets kvalitet görs, för att bibehålla och kanske även höja kompetensnivån hos DP-operatörer.