O presente trabalho discorre sobre os principais fatores que influenciam o projeto do sistema de posicionamento dinâmico (SPD) de um navio aliviador. Os fatores discutidos estão relacionados às questões de confiabilidade de sistemas e às características dos atuadores tipicamente utilizados em embarcações com SPD, tais como, dutos e azimutais. Em relação à confiabilidade de sistemas, os métodos de avaliação por diagramas de blocos e análise de modos de falha e efeitos (FMEA) são discutidos com a aplicação direcionada aos navios aliviadores com SPD. O uso de banco de dados de incidentes de operações com sistemas flutuantes com SPD também é comentado. As alternativas mais utilizadas de arranjo propulsivo para navios aliviadores são apresentadas e analisadas. As interações hidrodinâmicas entre casco-atuador, atuador-atuador e atuador-corrente são apresentadas e comentadas. Ensaios realizados em tanque de provas com propulsores em duto e azimutais instalados em modelos em escala reduzida são apresentados. O texto apresenta a execução de um projeto de dimensionamento propulsivo de um navio aliviador com SPD que opera em águas brasileiras. Para tanto, um procedimento de projeto é sugerido com as seguintes etapas: estudo dos pontos de operação, definição de requisitos de projeto, cálculo de estimativas iniciais, tomada de decisão para a escolha do arranjo propulsivo pelo método de análise hierárquica (AHP), análise de confiabilidade do SPD por FMEA e, por fim, avaliação de desempenho. A avaliação do desempenho do sistema propulsivo projetado é realizada por diagramas de capacidade e simulações dinâmicas. Uma breve comparação entre navios aliviadores com classificações diferentes é realizada e comentada. / This work discusses the main factors that influence the design of dynamic positioning system (DPS) of a shuttle tanker. The factors discussed are related to issues of reliability of systems and the characteristics of the thrusters typically used on DPS vessels, such as ducts and azimuth. Regarding the reliability of systems, methods of reliability evaluation by block diagrams and analysis of failure modes and effects (FMEA) are discussed in the application on DPS shuttle tankers. The utilization of incidents database of offshore vessels with DPS are discussed. The most used alternatives of propulsive arrangement for shuttle tankers are presented and analyzed. Hydrodynamic interactions between hull-thruster, thruster-thruster and thruster-current are presented and commented. Tests with duct and azimuth propellers installed in scale models are presented. This work presents the design of the propulsive subsystem of a DPS shuttle tanker which operates in Brazilian waters. Thus, a design procedure is suggested with the following steps: a study of the operation points, definition of the design requirement, initial estimates, choice the propulsive arrangement by Analytic Hierarchy Process (AHP), reliability analysis of DPS by FMEA and performance evaluation. The performance evaluation of propulsive subsystem is evaluated by wind and current capability plots and dynamical simulations. A brief comparison of shuttle tankers with different classifications is performed and discussed.

O presente trabalho discorre sobre os principais fatores que influenciam o projeto do sistema de posicionamento dinâmico (SPD) de um navio aliviador. Os fatores discutidos estão relacionados às questões de confiabilidade de sistemas e às características dos atuadores tipicamente utilizados em embarcações com SPD, tais como, dutos e azimutais. Em relação à confiabilidade de sistemas, os métodos de avaliação por diagramas de blocos e análise de modos de falha e efeitos (FMEA) são discutidos com a aplicação direcionada aos navios aliviadores com SPD. O uso de banco de dados de incidentes de operações com sistemas flutuantes com SPD também é comentado. As alternativas mais utilizadas de arranjo propulsivo para navios aliviadores são apresentadas e analisadas. As interações hidrodinâmicas entre casco-atuador, atuador-atuador e atuador-corrente são apresentadas e comentadas. Ensaios realizados em tanque de provas com propulsores em duto e azimutais instalados em modelos em escala reduzida são apresentados. O texto apresenta a execução de um projeto de dimensionamento propulsivo de um navio aliviador com SPD que opera em águas brasileiras. Para tanto, um procedimento de projeto é sugerido com as seguintes etapas: estudo dos pontos de operação, definição de requisitos de projeto, cálculo de estimativas iniciais, tomada de decisão para a escolha do arranjo propulsivo pelo método de análise hierárquica (AHP), análise de confiabilidade do SPD por FMEA e, por fim, avaliação de desempenho. A avaliação do desempenho do sistema propulsivo projetado é realizada por diagramas de capacidade e simulações dinâmicas. Uma breve comparação entre navios aliviadores com classificações diferentes é realizada e comentada. / This work discusses the main factors that influence the design of dynamic positioning system (DPS) of a shuttle tanker. The factors discussed are related to issues of reliability of systems and the characteristics of the thrusters typically used on DPS vessels, such as ducts and azimuth. Regarding the reliability of systems, methods of reliability evaluation by block diagrams and analysis of failure modes and effects (FMEA) are discussed in the application on DPS shuttle tankers. The utilization of incidents database of offshore vessels with DPS are discussed. The most used alternatives of propulsive arrangement for shuttle tankers are presented and analyzed. Hydrodynamic interactions between hull-thruster, thruster-thruster and thruster-current are presented and commented. Tests with duct and azimuth propellers installed in scale models are presented. This work presents the design of the propulsive subsystem of a DPS shuttle tanker which operates in Brazilian waters. Thus, a design procedure is suggested with the following steps: a study of the operation points, definition of the design requirement, initial estimates, choice the propulsive arrangement by Analytic Hierarchy Process (AHP), reliability analysis of DPS by FMEA and performance evaluation. The performance evaluation of propulsive subsystem is evaluated by wind and current capability plots and dynamical simulations. A brief comparison of shuttle tankers with different classifications is performed and discussed.

O conceito de controle híbrido é aplicado à operação de alívio entre um FPWSO e um navio aliviador. Ambos os navios mantêm suas posições e aproamentos pelo resultado da ação do seu Sistema de Posicionamento Dinâmico (SPD). O alívio dura cerca de 24 horas para ser concluído. Durante este período, o estado de mar pode se alterar e os calados estão sendo constantemente alterados. Um controlador híbrido é projetado para permitir modificacões dos parâmetros de controle/observação se alguma alteração significante do estado de mar e/ou calado das embarcações ocorrer. O principal objetivo dos controladores é manter o posicionamento relativo entre os navios com o intuito de evitar perigosa proximidade ou excesso de tensão no cabo. Com isto em mente, uma nova estratégia de controle que atue integradamente em ambos os navios é proposta baseda em geometria diferencial. Observadores não lineares baseados em passividade são aplicados para estimar a posição, a velocidade e as forças externas de mares calmos até extremos. O critério para troca do controle/observação é baseado na variação do calado e no estado de mar. O calado é assumido conhecido e o estado de mar é estimado pela frequência de pico do espectro do movimento de primeira ordem dos navios. Um modelo de perturbação é proposto para encontrar o número de controladores do sistema híbrido. A equivalência entre o controle geométrico e o controlador baseado em Multiplicadores de Lagrange é demonstrada. Assumindo algumas hipóteses, a equivalência entre os controladores geométrico e o PD é também apresentada. O desempenho da nova estratégia é avaliada por meio de simulações numéricas e comparada a um controlador PD. Os resultados apresentam muito bom desempenho em função do objetivo proposto. A comparação entre a abordagem geométrica e o controlador PD aponta um desempenho muito parecido entre eles. / The hybrid control concept is applied to the offoading operation by means of a Floating, Production, Working, Storage and Offoading (FPWSO) vessel and a Shuttle Tanker (ST). Both vessels are able to maintain their position and heading as a result of the Dynamic Positioning System (DPS). The vessels are in tandem configuration connected by a hawser. The offloading operation lasts approximately 24 hours. During this period, the sea condition may change and the drafts are being constantly altered. Hybrid controller is designed to permit modification of the controller/observer parameters should a significant sea state alteration and/or draft variation occur. The main goal of the controllers is to maintain relative positioning between vessels in order to avoid dangerous proximity or excessive hawser tension. With that in mind, a new control strategy is proposed based on dierential geometry that acts integrally in both vessels. Nonlinear observers based on passivity are used to estimate position, velocity and external force ranging from calm to extreme seas. The criterion for changing the controller/observer law is based on draft and sea state. The draft is assumed to be known and sea state is estimated by tracking the peak-frequency of the first-order vessel motion spectrum. A perturbation-based model is proposed to find the number of hybrid system controllers. The equivalence between the geometric control approach and the Lagrange Multiplier (LM) - based control is demonstrated. Taking some assumptions as given, the equivalence between geometric and PD-like controllers is regarded as having also been demonstrated. The performance of the new strategy is assessed by means of numerical simulations and compared to a Proportional-Derivative (PD)-like control. The results present a very good performance as regards the proposed main goal. Result comparison of the geometric approach and the PD-like control shows very similar behavior between geometric and PD-like controllers.

O conceito de controle híbrido é aplicado à operação de alívio entre um FPWSO e um navio aliviador. Ambos os navios mantêm suas posições e aproamentos pelo resultado da ação do seu Sistema de Posicionamento Dinâmico (SPD). O alívio dura cerca de 24 horas para ser concluído. Durante este período, o estado de mar pode se alterar e os calados estão sendo constantemente alterados. Um controlador híbrido é projetado para permitir modificacões dos parâmetros de controle/observação se alguma alteração significante do estado de mar e/ou calado das embarcações ocorrer. O principal objetivo dos controladores é manter o posicionamento relativo entre os navios com o intuito de evitar perigosa proximidade ou excesso de tensão no cabo. Com isto em mente, uma nova estratégia de controle que atue integradamente em ambos os navios é proposta baseda em geometria diferencial. Observadores não lineares baseados em passividade são aplicados para estimar a posição, a velocidade e as forças externas de mares calmos até extremos. O critério para troca do controle/observação é baseado na variação do calado e no estado de mar. O calado é assumido conhecido e o estado de mar é estimado pela frequência de pico do espectro do movimento de primeira ordem dos navios. Um modelo de perturbação é proposto para encontrar o número de controladores do sistema híbrido. A equivalência entre o controle geométrico e o controlador baseado em Multiplicadores de Lagrange é demonstrada. Assumindo algumas hipóteses, a equivalência entre os controladores geométrico e o PD é também apresentada. O desempenho da nova estratégia é avaliada por meio de simulações numéricas e comparada a um controlador PD. Os resultados apresentam muito bom desempenho em função do objetivo proposto. A comparação entre a abordagem geométrica e o controlador PD aponta um desempenho muito parecido entre eles. / The hybrid control concept is applied to the offoading operation by means of a Floating, Production, Working, Storage and Offoading (FPWSO) vessel and a Shuttle Tanker (ST). Both vessels are able to maintain their position and heading as a result of the Dynamic Positioning System (DPS). The vessels are in tandem configuration connected by a hawser. The offloading operation lasts approximately 24 hours. During this period, the sea condition may change and the drafts are being constantly altered. Hybrid controller is designed to permit modification of the controller/observer parameters should a significant sea state alteration and/or draft variation occur. The main goal of the controllers is to maintain relative positioning between vessels in order to avoid dangerous proximity or excessive hawser tension. With that in mind, a new control strategy is proposed based on dierential geometry that acts integrally in both vessels. Nonlinear observers based on passivity are used to estimate position, velocity and external force ranging from calm to extreme seas. The criterion for changing the controller/observer law is based on draft and sea state. The draft is assumed to be known and sea state is estimated by tracking the peak-frequency of the first-order vessel motion spectrum. A perturbation-based model is proposed to find the number of hybrid system controllers. The equivalence between the geometric control approach and the Lagrange Multiplier (LM) - based control is demonstrated. Taking some assumptions as given, the equivalence between geometric and PD-like controllers is regarded as having also been demonstrated. The performance of the new strategy is assessed by means of numerical simulations and compared to a Proportional-Derivative (PD)-like control. The results present a very good performance as regards the proposed main goal. Result comparison of the geometric approach and the PD-like control shows very similar behavior between geometric and PD-like controllers.