Os rebocadores portuários desempenham funções essenciais de assistência a navios nas operações de atracação, desatracação e navegação em aguas portuárias. Eles são equipamentos fundamentais para garantir a segurança das operações e a eficiência dos serviços portuários, contribuindo para a competitividade do porto. Com o crescimento do comercio mundial e, em particular, do Brasil, diversos portos vêm realizando a atualização e renovação das suas frotas de rebocadores para atendimento das demandas atuais. Neste trabalho apresenta-se um modelo de síntese e otimização multi-objetivo para o projeto de rebocadores portuários para ser aplicado na etapa de concepção. Nesta etapa os projetistas devem realizar a exploração mais ampla possível do espaço das potenciais soluções, na busca das melhores possíveis. O modelo de síntese foi formulado a partir de equações empíricas obtidas com base em informações extraídas de bancos de dados de rebocadores, e de estimativas de desempenho propostas por diferentes autores. Em seguida foi acoplado a um algoritmo genético para otimização da capacidade de reboque e do porte da embarcação. Os resultados da otimização para o projeto de três tipos de rebocadores mostraram que o modelo foi capaz de gerar soluções com desempenho melhor ou igual aos rebocadores já construídos. Esta otimização visou maximização da capacidade de reboque e a minimização do porte dos rebocadores. Os valores dos parâmetros que descrevem as soluções, que formaram a fronteira de Pareto deste processo de otimização multi-objetivo, encontram-se dentro daqueles normalmente encontrados em rebocadores existentes. Os resultados mostraram que o modelo de síntese é uma ferramenta capaz de auxiliar e facilitar as atividades das etapas iniciais do projeto de rebocadores. / The harbor tugs play essential assistance functions to vessels in docking and undocking operations, and navigation on port waters. They are an essential equipment to guarantee safe operations and efficiency in port services, contributing to the competitiveness of the port. With the growth of world trade, particularly in Brazil, several ports have been upgrading and renovating their tugs fleet to meet today\'s demands. This study presents a synthesis and multi-objective optimization model for harbor tugboats project to be applied at the design stage, in which the designers must exploit the entire potential solutions space to achieve the best possible one. The synthesis model was formulated by empirical equations based on information extracted from tugboats databases and performance estimates proposed by different authors. It was then coupled to a genetic algorithm to optimize the towing capability and the vessel size. The results of optimization for the design of three types of tugs showed that the model was able to generate solutions with better or equal performance to tugboats ever built. This optimization aimed at maximizing the towing capacity and minimizing the size of the tugs. The values of the parameters that describe solutions, which formed the Pareto front of this multi-objective optimization process, are within those usually found in existing tugboats. The results showed that the synthesis model is a tool capable of assisting and facilitating the early stages activities of the tugs project.

Os rebocadores portuários desempenham funções essenciais de assistência a navios nas operações de atracação, desatracação e navegação em aguas portuárias. Eles são equipamentos fundamentais para garantir a segurança das operações e a eficiência dos serviços portuários, contribuindo para a competitividade do porto. Com o crescimento do comercio mundial e, em particular, do Brasil, diversos portos vêm realizando a atualização e renovação das suas frotas de rebocadores para atendimento das demandas atuais. Neste trabalho apresenta-se um modelo de síntese e otimização multi-objetivo para o projeto de rebocadores portuários para ser aplicado na etapa de concepção. Nesta etapa os projetistas devem realizar a exploração mais ampla possível do espaço das potenciais soluções, na busca das melhores possíveis. O modelo de síntese foi formulado a partir de equações empíricas obtidas com base em informações extraídas de bancos de dados de rebocadores, e de estimativas de desempenho propostas por diferentes autores. Em seguida foi acoplado a um algoritmo genético para otimização da capacidade de reboque e do porte da embarcação. Os resultados da otimização para o projeto de três tipos de rebocadores mostraram que o modelo foi capaz de gerar soluções com desempenho melhor ou igual aos rebocadores já construídos. Esta otimização visou maximização da capacidade de reboque e a minimização do porte dos rebocadores. Os valores dos parâmetros que descrevem as soluções, que formaram a fronteira de Pareto deste processo de otimização multi-objetivo, encontram-se dentro daqueles normalmente encontrados em rebocadores existentes. Os resultados mostraram que o modelo de síntese é uma ferramenta capaz de auxiliar e facilitar as atividades das etapas iniciais do projeto de rebocadores. / The harbor tugs play essential assistance functions to vessels in docking and undocking operations, and navigation on port waters. They are an essential equipment to guarantee safe operations and efficiency in port services, contributing to the competitiveness of the port. With the growth of world trade, particularly in Brazil, several ports have been upgrading and renovating their tugs fleet to meet today\'s demands. This study presents a synthesis and multi-objective optimization model for harbor tugboats project to be applied at the design stage, in which the designers must exploit the entire potential solutions space to achieve the best possible one. The synthesis model was formulated by empirical equations based on information extracted from tugboats databases and performance estimates proposed by different authors. It was then coupled to a genetic algorithm to optimize the towing capability and the vessel size. The results of optimization for the design of three types of tugs showed that the model was able to generate solutions with better or equal performance to tugboats ever built. This optimization aimed at maximizing the towing capacity and minimizing the size of the tugs. The values of the parameters that describe solutions, which formed the Pareto front of this multi-objective optimization process, are within those usually found in existing tugboats. The results showed that the synthesis model is a tool capable of assisting and facilitating the early stages activities of the tugs project.

Ship Manoeuvring Simulators have proved to be powerful tools on analyzing the feasibility of new maritime maneuvers and new port constructions. In order to provide a complete immersive and real environment, such simulators must correctly represent the dynamics of the controlled vessel as well as the actuation of the tugboats, which have been extremely used over the last years due to the increasing complexity on the maritime maneuvers. Although few simulators can correctly model the dynamics of the tugboats, they still represent their actuation through the so-called \"vector tug model\". This is usually the case because it is expensive to run several integrated-simulators in real-time and the simulator centers do not have trained tugboat captains available. The vector tugs are usually represented as simplified external forces actuating on a vessel. The simplicity of such models causes a loss of realism during a maritime simulation due to the fact that neither the forces exerted on a towed vessel nor the tugboat\'s actuation position are accurate. In addition, tugboats\' actuation response time is usually not taken into account under the current vector tug models used on Ship Manoeuvring Simulators. The main objective of this work is to provide an innovative approach for vector tug actuation modeling in such a way that the towing force magnitude and actuation positions are accurate either in push or pull operation modes. The author will expand the static equilibrium model for tugboat force prediction presented in Brandner (1995) and Artyszuk (2014) and combine it along with optimization techniques in order to accurately obtain the tugboats\' actuation either working under the direct maneuver (i.e., tugboat uses solely its propeller power in order to exert force on a towed vessel) or working under the indirect maneuver (i.e., tugboats use the environmental disturbances and the hull drag in order to maximize their actuation force on a towed vessel). The implementation of the new mathematical model provides a new level of reality when vector tugs are used in Ship Manoeuvring Simulators. / Simuladores Navais têm provado ser poderosas ferramentas, tanto na análise de viabilidade de novas manobras portuárias, quanto na construção de novos portos. De modo a conseguir criar um ambiente imersivo e realista, tais simuladores devem conseguir representar corretamente a dinâmica de um navio a ser controlado e a atuação dos rebocadores portuários no mesmo. Embora alguns simuladores consigam modelar corretamente a dinâmica de rebocadores portuários, eles ainda representam tal atuação utilizando o modelo comumente chamado de \"rebocadores vetoriais\". Tal fato normalmente acontece pois é muito caro utilizar diversos simuladores conectados em tempo real. Além disso, em muitas ocasiões, os centros de simulação não têm disponível um comandante de rebocador treinado e capaz de manusear o mesmo de forma correta. Os rebocadores vetoriais normalmente são representados com modelos simplificados de forças externas atuantes em um navio a ser rebocado. A simplicidade de tais modelos gera uma grande perda de realismo durante uma simulação marítima dado que tanto as forças exercidas em um navio a ser rebocado quanto as posições de atuação dos rebocadores são imprecisas. Ainda, os tempos de resposta para a atuação dos rebocadores normalmente não é levado em conta nos modelos de rebocadores vetoriais presentes atualmente. O principal objetivo deste trabalho é prover uma abordagem inovadora para a modelagem da atuação de rebocadores vetoriais, de tal modo que a magnitude da sua força de reboque e seu posicionamento, tanto atuando no modo empurrar quanto no modo puxar, sejam fidedignos a realidade. O autor irá expandir o modelo de equilíbrio estático para predição de forças de atuação de rebocadores apresentado tanto em Brandner (1995) quanto em Artyszuk (2014), e irá introduzir técnicas de otimização de modo a obter a configuração precisa de atuação dos rebocadores tanto na manobra de modo direto quanto na manobra de modo indireto. As implementações propostas elevarão o nível de realidade de Simuladores Navais quando rebocadores vetoriais forem empregados.

A presente pesquisa aborda o problema de dimensionamento de frota de navios rebocadores do tipo AHTS, que são utilizados essencialmente nas tarefas de operações de apoio à exploração e produção de petróleo offshore (em alto mar). Essas atividades se caracterizam pela requisição simultânea de múltiplos navios de classes diferentes, e possuem parâmetros como: compatibilidade de classes de navios com as tarefas, duração em dias, local de execução e instante desejado de atendimento. Para representar este problema foi desenvolvido um modelo de simulação com parâmetros estocásticos, cuja programação é orientada para minimização dos custos totais da operação, que englobam custos fixos, custos de penalidade por atraso no atendimento das tarefas, e penalidade por falta de cumprimento de tarefas. A abordagem de solução do modelo é a busca exaustiva onde são comparados cenários de simulação de eventos discretos. Adicionalmente, foram comparadas 2 modos de escolhas de tarefas na fila de tarefas, o primeiro é o modo FIFO (First In First Out), o segundo modo é a priorização de tarefas com maior custo de penalidade associado para o dimensionamento de frota. / This research addresses a fleet sizing problem of anchor and handling and tug supply vessels (AHTS), which support the exploration and production of oil at the sea. The support activities are characterized by simultaneous request of multiple vessels of one or more classes. Other characteristics of the research problem are:: the compatibility between vessels and tasks, task duration (in days), a place of execution the task and a desired instant to be attended. A simulation model with stochastic parameters was developed to represent this problem, aiming to minimize the total operational cost that includes fixed costs,penalty costs if tasks are delayed and penalty costs with not completed tasks. The strategy to solve this problem was the exhausted search through discrete-event simulation. Aditionally, 2 methods of approach for the queue were analyzed: the first one is the FIFO (First In First Out) and the second one is the priority according the highest penalty cost to size the fleet.

A presente pesquisa aborda o problema de dimensionamento de frota de navios rebocadores do tipo AHTS, que são utilizados essencialmente nas tarefas de operações de apoio à exploração e produção de petróleo offshore (em alto mar). Essas atividades se caracterizam pela requisição simultânea de múltiplos navios de classes diferentes, e possuem parâmetros como: compatibilidade de classes de navios com as tarefas, duração em dias, local de execução e instante desejado de atendimento. Para representar este problema foi desenvolvido um modelo de simulação com parâmetros estocásticos, cuja programação é orientada para minimização dos custos totais da operação, que englobam custos fixos, custos de penalidade por atraso no atendimento das tarefas, e penalidade por falta de cumprimento de tarefas. A abordagem de solução do modelo é a busca exaustiva onde são comparados cenários de simulação de eventos discretos. Adicionalmente, foram comparadas 2 modos de escolhas de tarefas na fila de tarefas, o primeiro é o modo FIFO (First In First Out), o segundo modo é a priorização de tarefas com maior custo de penalidade associado para o dimensionamento de frota. / This research addresses a fleet sizing problem of anchor and handling and tug supply vessels (AHTS), which support the exploration and production of oil at the sea. The support activities are characterized by simultaneous request of multiple vessels of one or more classes. Other characteristics of the research problem are:: the compatibility between vessels and tasks, task duration (in days), a place of execution the task and a desired instant to be attended. A simulation model with stochastic parameters was developed to represent this problem, aiming to minimize the total operational cost that includes fixed costs,penalty costs if tasks are delayed and penalty costs with not completed tasks. The strategy to solve this problem was the exhausted search through discrete-event simulation. Aditionally, 2 methods of approach for the queue were analyzed: the first one is the FIFO (First In First Out) and the second one is the priority according the highest penalty cost to size the fleet.

Dissertação(mestrado)-Universidade Federal do Rio Grande, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Oceânica, Escola de Engenharia, 2010. / Submitted by Lilian M. Silva (lilianmadeirasilva@hotmail.com) on 2013-04-25T18:45:30Z No. of bitstreams: 1 Uma metodologia para o dimensionamento de frota de rebocadores em terminais portuários uma aplicação ao porto do Rio Grande.pdf: 3651900 bytes, checksum: 1f13ba79f912ee9fc097d08ddfe86268 (MD5) / Approved for entry into archive by Cristiane Silva(cristiane_gomides@hotmail.com) on 2013-05-02T22:36:10Z (GMT) No. of bitstreams: 1 Uma metodologia para o dimensionamento de frota de rebocadores em terminais portuários uma aplicação ao porto do Rio Grande.pdf: 3651900 bytes, checksum: 1f13ba79f912ee9fc097d08ddfe86268 (MD5) / Made available in DSpace on 2013-05-02T22:36:10Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Uma metodologia para o dimensionamento de frota de rebocadores em terminais portuários uma aplicação ao porto do Rio Grande.pdf: 3651900 bytes, checksum: 1f13ba79f912ee9fc097d08ddfe86268 (MD5) Previous issue date: 2010 / A operação portuária é um assunto relevante e fundamental para o desenvolvimento do país. Assim, com o intuito de contribuir na melhoria dos sistemas portuários, o presente trabalho aborda uma metodologia para o dimensionamento de frota de rebocadores em terminais portuários, utilizando uma modelagem probabilística para tentar maximizar os serviços oferecidos e, ao mesmo tempo, reduzir os custos incorridos neste sistema. Nesse trabalho é proposta e aplicada uma metodologia para dimensionar a frota de rebocadores para atender ao Porto do Rio Grande, de modo a obter economia e satisfação dos clientes, fazendo uso da técnica de Modelagem de Filas. Foram realizados estudos e análises com os dados de entrada e saída dos navios referente ao ano de 2007, juntamente com o número de operações e solicitações de rebocadores também referente ao mesmo ano. Foram usados dados fornecidos pelo setor de estatística da Superintendência do Porto do Rio Grande (SUPRG) e pela Praticagem da Barra. No processo de modelagem empregado, levando-se em conta dados históricos de chegadas de navios, foi ajustada uma distribuição de Poisson. A aplicação dessa metodologia leva à conclusão de que, para um período útil de 24 horas/dia de funcionamento do Porto, para os anos de 2010 a 2015, o tamanho de frota mais indicado para a situação em análise é de três rebocadores. Também é feita uma aplicação considerando-se apenas os anos de 2010 e 2015, adotando-se, para cada um destes anos, uma hipótese otimista e outra pessimista, além do período de funcionamento de 24 horas/dia. Os resultados mostram que são necessários 3 rebocadores no caso da hipótese otimista (tanto em 2010 como em 2015) e na hipótese pessimista de 2015. Agora, no caso da hipótese pessimista para o ano de 2010, dois rebocadores são suficientes. / The port operation is an important issue and critical to the development of the country. Thus, in order to contribute to the improvement of port systems, this paper discusses a methodology for sizing the fleet of tugs in port terminals, using a probabilistic modeling to try to maximize the services offered and at the same time reducing the costs this system. This paper suggests and applies a methodology to find the appropriate number of tugs to attend the Port of Rio Grande in order to achieve savings and customer satisfaction, making the use of the Technique of Modeling Queues. Extensive research and analysis were conducted with the entry and departure data of vessels for the year 2007, together with the number of operations and requests of tugs on the same year. It was used data provided by industry sector of the Superintendence of the Port of Rio Grande (SUPRG) and the Pilotage Bar. In the modeling process used, taking into account historical data on arrivals of vessels, it was fitted a Poisson distribution. The application of this methodology leads to the conclusion that for a period of 24 working hours / days of operation of the Port, for the years 2010 to 2015, the fleet size more indicated to the situation under consideration is three tugs. Also a simulation is done considering only the years 2010 and 2015, adopting, for each of these years, an optimistic and a more pessimistic assumption, and the operating period of 24 hours / day. The results show that three tugs are needed for the optimistic assumption (in both 2010 and 2015) and two tugs for the pessimist one 2015. Now, for the pessimistic assumption for the year 2010, two tugboats are sufficient.

Hoje em dia com o crescente aumento da exploração de petróleo e gás em águas profundas, há um aumento na demanda por operações offshore envolvendo a cooperação entre unidades flutuantes. Tais operações requerem um alto nível de planejamento e coordenação, o que na maioria dos casos é feito com a troca de informação no nível de operação, com cada unidade flutuante comandada independentemente. Exemplos de operações deste tipo vão desde operações de alívio passando por operações de instalação de equipamento submarino, até operações de pesquisa envolvendo múltiplas unidades flutuantes dotadas de sistema de posicionamento dinâmico (DP). As vantagens do controle cooperativo surgem com a redução do erro da distância relativa durante a manutenção do posicionamento ou durante a execução de manobras de posicionamento conjuntas. No presente trabalho, os conceitos de controle de consenso são aplicados de forma combinada com o sistema DP de cada navio. A influência dos ganhos do controlador cooperativo no sistema como um todo será discutida, utilizando-se técnicas de análise da resposta em frequência. Simulações completas no domínio do tempo e experimentos usando modelos em escala serão utilizados para se demonstrar o funcionamento do controle cooperativo. Todas as simulações serão conduzidas no simulador Dynasim e os ensaios experimentais no tanque de provas da Engenharia Naval da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Além disso, serão feitas comparações entre os experimentos em tanque de provas e simulações numéricas equivalentes, demonstrando-se a validade dos ensaios numéricos. Será também demonstrado que os requisitos de projetos adotados são atendidos pelos ensaios em tanque de provas. . / With the increasing of deep water oil & gas exploration, there is also an increase in the demand by offshore operations involving muti-vessels. Such operations require a high level of planning and coordination, which in most of the cases is made by information exchange at the operation level, being each vessel commanded independently. Examples of such operations are offloading, subsea equipment installation and subsea research operation; all of them involving multiples dynamically positioned (DP) vessels. The advantage of the cooperative control arises with the reduction of the relative positioning error during station keeping or transient maneuvers. In this work, the consensus control concepts are applied combined with the DP System of each ship. The cooperative DP controller will be investigated with the analysis of the coupled dynamics of the vessels. The influence of the cooperative control gains on the whole system will be discussed, using the frequency response of the open loop system. Fully nonlinear time-domain simulations and experimental results will be used to demonstrate the operation of the cooperative control. Besides that, comparisons between the small-scale experiments and equivalent numerical simulations will be carried out, validating the experimental results. It will also be demonstrated that the adopted design requirements are met. All tests will be carried out using the Dynasim numerical simulator and the small-scale experiments will be carried on the academic towing tank in the Naval Architecture and Ocean Engineering Department, Polytechnic School of University de São Paulo.

Hoje em dia com o crescente aumento da exploração de petróleo e gás em águas profundas, há um aumento na demanda por operações offshore envolvendo a cooperação entre unidades flutuantes. Tais operações requerem um alto nível de planejamento e coordenação, o que na maioria dos casos é feito com a troca de informação no nível de operação, com cada unidade flutuante comandada independentemente. Exemplos de operações deste tipo vão desde operações de alívio passando por operações de instalação de equipamento submarino, até operações de pesquisa envolvendo múltiplas unidades flutuantes dotadas de sistema de posicionamento dinâmico (DP). As vantagens do controle cooperativo surgem com a redução do erro da distância relativa durante a manutenção do posicionamento ou durante a execução de manobras de posicionamento conjuntas. No presente trabalho, os conceitos de controle de consenso são aplicados de forma combinada com o sistema DP de cada navio. A influência dos ganhos do controlador cooperativo no sistema como um todo será discutida, utilizando-se técnicas de análise da resposta em frequência. Simulações completas no domínio do tempo e experimentos usando modelos em escala serão utilizados para se demonstrar o funcionamento do controle cooperativo. Todas as simulações serão conduzidas no simulador Dynasim e os ensaios experimentais no tanque de provas da Engenharia Naval da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Além disso, serão feitas comparações entre os experimentos em tanque de provas e simulações numéricas equivalentes, demonstrando-se a validade dos ensaios numéricos. Será também demonstrado que os requisitos de projetos adotados são atendidos pelos ensaios em tanque de provas. . / With the increasing of deep water oil & gas exploration, there is also an increase in the demand by offshore operations involving muti-vessels. Such operations require a high level of planning and coordination, which in most of the cases is made by information exchange at the operation level, being each vessel commanded independently. Examples of such operations are offloading, subsea equipment installation and subsea research operation; all of them involving multiples dynamically positioned (DP) vessels. The advantage of the cooperative control arises with the reduction of the relative positioning error during station keeping or transient maneuvers. In this work, the consensus control concepts are applied combined with the DP System of each ship. The cooperative DP controller will be investigated with the analysis of the coupled dynamics of the vessels. The influence of the cooperative control gains on the whole system will be discussed, using the frequency response of the open loop system. Fully nonlinear time-domain simulations and experimental results will be used to demonstrate the operation of the cooperative control. Besides that, comparisons between the small-scale experiments and equivalent numerical simulations will be carried out, validating the experimental results. It will also be demonstrated that the adopted design requirements are met. All tests will be carried out using the Dynasim numerical simulator and the small-scale experiments will be carried on the academic towing tank in the Naval Architecture and Ocean Engineering Department, Polytechnic School of University de São Paulo.