tecnologias para simulação de operações náuticas e offshore · físico na navegação...
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Tecnologias para Simulação de Operações
Náuticas e Offshore
Marcos Donato (BX52) – [email protected]
CENPES/PDDP/TEO
09/11/2017
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Sumário:
• Histórico
• Objetivos e desafios
• A solução adotada: Centro de Pesquisa e Simulação “TPN”
• Modelo matemático
• Visualização e imersão
• Comunicação entre simuladores
• Perspectivas de Tecnologias Futuras
• Exemplos de Aplicação Marítima e Portuária do Simulador
CENPES/PDDP/TEO
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Operações Marítimas e
Portuárias -Múltiplas embarcações
-Múltiplas tripulações
-Comunicação e Interação
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-Múltiplas embarcações
-Múltiplas tripulações
-Comunicação e Interação
Timoneiro
ComandantePrático
Comantante do
Rebocador
Oficial de Máquinas
Operações Marítimas e
Portuárias
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Ambiente de Simulação
Dupla Aplicação
Pesquisa / Engenharia / Planejamento
•Estudos de Obras e Operações Portuárias
•Estudos de Operações Offshore
•Estudos de Navegação e Manobrabilidade
Treinamento e Capacitação
•Formação de oficiais
•Reciclagem e aprimoramento
•Reproduzir fielmente comportamento
físico na navegação
•Reproduzir a comunicação e resposta
dos participantes
•Reproduzir ambiente de passadiço,
equipamentos e recursos
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Simulação para Treinamento e Engenharia
ACADEMIA TRANSPETRO
Simuladores Mini-Mission
Simulador Part Task
Simulador Full Mission
Simulador
Sala de Controle
de Máquinas
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Três componentes para a qualidade da imersão
em um simulador NAVAL
Fonte: Yin et al., Research on Key Technologies of
Full Mission Navigation Simulation System, 2011
Hidrodinâmica do naviomodelo matemático
Sistema de visualização
Simulação do passadiço e seus equipamentos + trabalho da tripulação
Ambiente de Simulação
realismo da resposta
das embarcações
realismo do
cenário externo
realismo do
ambiente de trabalho
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Centro de Simulação de Manobras para
Engenharia/Pesquisa/Planejamento de
Operações
Desafios de P&D
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Tópico 1. Modelo Matemático
Centro de Simulação de Manobras para
Engenharia/Pesquisa/Planejamento de
Operações
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Fenômeno Observado na
Natureza
Teorias Básicas de Mecânica e Hidrodinâmica
Experimentosem escala reduzida ou provas de mar
Modelo matemático
Técnicas de implementação computacional
Simulador
de manobras
Refinamento baseado em
experiência de práticos e
comandantes
Comandos e Instrumentos
Sistema de Visualização
Tópico 1. Modelo Matemático
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Simuladores Desenvolvimento Experimental
Pesquisa avançada Monitoração Escala
Real
Dynasim, TPN
Simuladores Tempo Real
Hidrodinâmica , Controle de
veículos oceânicos, métodos
numéricos
Algoritmo
de
Controle
Medidas de
posição
Velocidade
do ventoComando
sobre os
propulsores
-100 0 100 200 300 400
-300
-200
-100
0
100
200
300
FPSO
Tópico 1. Modelo Matemático
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Corpo Flutuante
Navio em manobras
-Modelado como corpo rígido
-2ª Lei de Newton para 6 DOF
-Inclui massa adicional hidrodinâmica
(“massa de água transportada”)
M adicional lateral ~ Massa do navio
M adicional avanço
~ 10% Massa do navio
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Agente Ambiental 1 - Vento
2/)(
2
1relativaLateralFrontalVViaiV VACF
-Velocidade relativa de vento
-Considera rajadas (Espectros)
-Em pesquisa: Campo não uniforme de vento
(sombras)
Coeficientes de vento
-0.600
-0.400
-0.200
0.000
0.200
0.400
0.600
0 100 200 300 400
Cvx
Cvy
Cvn - Lpp
Rebocador offshore
Maersk HandlerTúnel de Vento
IPT-SP
CFD – Computational
Fluid Dynamics
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Agente Ambiental 2 - Ondas
Forças de 1ª Ordem
-Mesma frequência da onda (~6s a 15s)
Forças de deriva média e lenta (2ª Ordem)
-Baixa frequência (> 200s)
Programa Método Rankine
(em desenvolvimento Petrobras-TPN)
Domínio do Tempo
Resolve a hidrodinâmica acoplada (Navio / Fundo /
Quebra-mar / Ondas)
Pesquisa: Integração com Simulador
em tempo real
Dinâmica de navio
atracado no berço de
petróleo Porto do Pecém
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Adotado até o momento no TPN
Enfoque modular para apêndices e
elementos de controle
(leme/propulsor)
Ensaios experimentais
Coeficientes
CFD ou experimentais
Modelos heurísticos
CFD
Agente Ambiental 3 Forças de Correnteza e Manobras
Modelo permite considerar campo
não uniforme de correnteza
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Interação com fundo e margem
Força de afundamento
(Squat)
Maior resistência
friccional
Aumento das
forças laterais
(Cross Flow)Aumento das
massas adicionais
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Ensaios IPT
Bacia Amazônica
Oriental
Programa Método Rankine
(em desenvolvimento Petrobras-TPN-Argonáutica)
Considera interação com margem/fundo
Pesquisa: Integração com Simulador em tempo real
Interação com fundo e margem
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Elementos de atuação
Rebocador offshore DP Modelo experimental
Validação de modelos matemáticos
Projeto pesquisa TPN-USP, 2012
Tunnel thruster
Azimuth thruster
Propulsor + Leme
Fluxo induzido por prop. azimutal
Proj. Pesquisa TRUST-JIP 2010-2013
(Marin, Petrobras, USP, Wartsila, ....)
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Sistema DP
ControladorAlocação
de Empuxo Propulsores
Filtro deOndas
Filtro de
Vento
Força
de controle
desejada
Força
desejada
nos
propulsores
Força
real nos
propulsores
Velocidade e
direção de vento
Dinâmica da
embarcação
Movimentos
filtrados
Movimentos
medidos
ψy,x,
Posição
Aproamento
Vento OndasCorrenteza
Forças
Ambientas
Sistema Físico
Posição e
Aproamento
Set-points
( )
Computador
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Sistema K-Pos Kongsberg
Navios:
-Tankers: Ataulfo Alves, Stavanger
-Barcaça BGL1
-PSV Maersk Handler
-Drilling West Emminence
-Sistema HiLoad
Sistema Próprio
-Customizável para qualquer navio
-Possível realizar implementações
-avançadas
Sistema DP
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Rebocadores
Modelados como:
-Navios em separado
Ensaios de caracterização
Túnel de Vento
IPT-SP - 2011
Comportamento
em ondas
IPT-SP - 2011
Correnteza
IPT-SP - 2011
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Elementos de amarração
Linhas – Elementos de tração
Defensas – Elementos de Compressão
• Cabos de aço + Tail de Poliéster
• Cabos de Fibras Naturais
• Cabos de Fibras Sintéticas
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Fenômeno Observado na
Natureza
Teorias Básicas de Mecânica e Hidrodinâmica
Modelo matemático
Técnicas de implementação computacional
Simulador
Experiência de práticos e
comandantes
Comandos e Instrumentos
Sistema de Visualização
Experimentos e Provas de Mar
Experimentosem escala reduzida ou provas de mar
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Dados básicos de entradas para modelos
matemáticos
Verificação de modelos e Testes finais
2 funções dos experimentos / testes de mar
Túnel de Vento Tanque de Ondas
Tanque de Reboque Túnel de cavitação
Modelo hidráulico completo de ambiente portuário
+ Navio em escala reduzida com comando
Porto de Itaqui (MA)
Modelado no CTH-SP
Escala reduzida
continuação
Experimentos e Provas de Mar
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Ensaios de validação
Utilização de tanques de onda
Calibrador Hidrodinâmico
CH-TPN/USP
Experimentos e Provas de Mar
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Verificação de modelos e Testes finais
Provas de Mar e/ou ensaios de modelo livre
Manobra de Giro
(Leme a 35º)
Manobra de Zig-Zag
Manobra de Giro Simulada
Navio Nilza (Transpetro)
DT simulador = 510m
DT prova de mar = 514,5m
-2000 -1000 0 1000 20000
500
1000
1500
2000
2500
3000
Manobra de Giro e Crash Stop
Suezmax tipo
Experimentos e Provas de Mar
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Validação em escala real
Dynasim com validação
a partir de alívio real
0
2
4
6
8
10
12
14
16
BowTunnel BowAzi SternAzi SternTunnel Main Prop.
Me
an
Th
rust (t
on
f)
Before
After
0
2
4
6
8
10
12
14
16
BowTunnel BowAzi SternAzi SternTunnel Main Prop.
Me
an
Th
rust (t
on
f)
Before
After
Dados
reais
Simul.
Dynasim
OTC2009 ; MCMC2009
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Validação com apoio de especialistas
Porto do Itaqui (MA)
Porto de Suape (PE)
Porto de Pecém (CE) (Berço B1, B2,TMUT)
Porto de Mucuripe (CE) – Cais Comercial e Pier Petroleiro
TEBIG (Angra dos Reis, RJ)
Área de Fundeio de Angra dos Reis (RJ)
TEBAR (São Sebastião, SP)
Área de Fundeio de Vitória (ES)
Porto de Cabedelo (PB)
>15 operaçõesestudadas paraPetrobras
Term. Aquaviário de Manaus (AM)Term. de Coari(AM) Miramar (PA)
Madre de Deus (BA)
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Porto de Suape (PE)
Porto de Pecém (CE)
Porto do Rio de Janeiro (RJ)
Validação com apoio de especialistas
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Tópico 2. Imersão e
Realismo Visual
Centro de Simulação de Manobras para
Engenharia/Pesquisa/Planejamento de
Operações
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Simuladores de Navios:
Visualização
Solução 1: Telas Solução 2: Projeção
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Solução 1: Telas Solução 2: Projeção
Vantagens:
-Maior brilho / contraste
-Maior resolução
-Montagem mecânica convencional
Desvantagens
-Maior custo por área de projeção
-Menor qualidade de imersão
-Divisões entre telas
Vantagens:
-Menor custo por área de projeção
-Maior qualidade de imersão
-Noção de profundidade com tela
maior
-Tela contínua
Desvantagens
-Menor brilho / contraste
-Menor resolução
-Montagem mecânica especial
(problemas de alinhamento)
-Necessidade de processamento
para wrap / blend
-Maior espaço necessário
Simuladores de Navios:
Visualização
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Ambiente Imersivo
6m
30 X
USD 3000.00
Cluster Gráfico
(wrap/blend/renderização)
10 placas gráficas
GTX780 (NVidia)
Simuladores de Navios:
Visualização
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Tópico 3. Comunicação
Centro de Simulação de Manobras para
Engenharia/Pesquisa/Planejamento de
Operações
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Simuladores de Navios
Comunicação entre os processos de simulação
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Centro de Simulação de
Manobras do TPN-USP
Simulador Full-Mission 1
Simulador 4D
Sala de Debriefing
Simulador Full-Mission 2
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Protocolo de comunicação
com equipamentos
externos reais
Centro de Simulação de
Manobras do TPN-USP
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Avaliação de zona operacional para
alívio DP em FPSO SMS
Sistema DP real
“Hardware in the loop”
Centro de Simulação de
Manobras do TPN-USP
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Tópico 4. Perspectivas Futuras
Centro de Simulação de Manobras para
Engenharia/Pesquisa/Planejamento de
Operações
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Três componentes para a qualidade da imersão
em um simulador NAVAL
Fonte: Yin et al., Research on Key Technologies of
Full Mission Navigation Simulation System, 2011
Hidrodinâmica do naviomodelo matemático
Sistema de visualização
Simulação do passadiço e seus equipamentos + trabalho da tripulação
Ambiente de Simulação
realismo da resposta
das embarcações
realismo do
cenário externo
realismo do
ambiente de trabalho
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Tendências Futuras
Tecnologias de imersão e realidade aumentada
Maior disponibilização de informações técnicas para manobra e navegação
RealidadeSimulador
Maior realismo físico
Maior realismo visual
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Realismo Físico
Forças hidro/aero-dinâmicas
Atualmente: Modelos Heurísticos / Físicos
simplificados baseados em coeficientes
experimentais
-0.600
-0.400
-0.200
0.000
0.200
0.400
0.600
0 100 200 300 400
Cvx
Cvy
Cvn - Lpp
Tendência
- Solução do problema do escoamento
Potencial ou Viscoso (CFD) em Tempo
Real
-Uso de GPU e aumento da capacidade
computacional
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Fonte: Pinkster and Bhawsinka, 2013
Passagem de conteneiros
Problema de interação potencial0,26s por
step usando GPU
Realismo Físico
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Paralaxe
Solução: head-tracking do usuário
Sensor
movimento
Problema: Só funciona em simuladores individuais
(Guindaste ou rebocador)
Realismo Visual
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Oculus Rift
Realidade virtual realiza a imersão do usuário num mudo virtual 3D e 360º,
com pouco sensoriamento da sala que realmente está.
Total Imersão
Total Isolamento
Realidade Aumentada e
Realidade Virtual
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Três componentes para a qualidade da imersão
em um simulador NAVAL
Fonte: Yin et al., Research on Key Technologies of
Full Mission Navigation Simulation System, 2011
Hidrodinâmica do naviomodelo matemático
Sistema de visualização
Simulação do passadiço e seus equipamentos + trabalho da tripulação
Ambiente de Simulação
realismo da resposta
das embarcações
realismo do
cenário externo
realismo do
ambiente de trabalho
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Realidade Aumentada
Combinação Óptica
Combinação com Vídeo
Fonte: Vlaming et al,. 2013
Netherlands Maritime University
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Realidade Aumentada
Uso na navegação
Apresenta informações de navegação sem
necessidade de desvio de atenção;
Aumenta visão em caso de neblina,
trazendo informação do radar para campo
de visão;
Precisão e confiabilidade ainda em estudo
Navegação Real
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Realidade Aumentada
Uso em simulação
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•Passadiço sem sistema
de visualização
•Cada usuário possui um
óculos de realidade
aumentada, projetando o
ambiente externo com a
paralaxe correta para ele,
na tela verde demarcada
Técnica Chroma Key +
Realidade Aumentada
Realidade Aumentada
Uso em simulação
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Três componentes para a qualidade da imersão
em um simulador NAVAL
Fonte: Yin et al., Research on Key Technologies of
Full Mission Navigation Simulation System, 2011
Hidrodinâmica do naviomodelo matemático
Sistema de visualização
Simulação do passadiço e seus equipamentos + trabalho da tripulação
Ambiente de Simulação
realismo da resposta
das embarcações
realismo do
cenário externo
realismo do
ambiente de trabalho
•Paralaxe individual
•Passadiço físico
•Todos membros do passadiço
interagem
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Tópico 5. Aplicações
Centro de Simulação de Manobras para
Engenharia/Pesquisa/Planejamento de
Operações
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• Verificação de Dimensões das Áreas Portuárias (Canal de
Acesso, Bacia de Evolução, Berço de Atracação...)
• Verificação de Sinalização Náutica
• Verificação de condições ambientais e operacionais
limites
• Verificação de procedimento de manobra e medidas de contingência
Aplicações na engenharia
offshore e portuária
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•Vento e correnteza de través – afetam a navegação pois causam ângulos de deriva
1000 1500 2000 2500 3000 3500
1200
1400
1600
1800
2000
2200
2400
2600
2800
1.9kn 02.1kn 200
2.2kn 400
2.1kn 600
2.2kn 800
2kn 1000
2kn 1200
2.1kn 14001.4kn 1600
0.18kn 1800
-0.51kn 2000
-0.25kn 2200
-0.43kn 2400
Trajetória
COG
Força hidrodinâmica
(efeito asa)
Vento
Aplicações – Dimensões da
área portuária (CANAL)
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P
Trajetória
5.54 5.55 5.56 5.57 5.58 5.59 5.6
x 105
9.5905
9.591
9.5915
9.592
9.5925
9.593
9.5935
9.594
x 106
P
Trajetória
5.54 5.55 5.56 5.57 5.58 5.59 5.6
x 105
9.5905
9.591
9.5915
9.592
9.5925
9.593
9.5935
9.594
9.5945
x 106
P
Trajetória
5.54 5.55 5.56 5.57 5.58 5.59 5.6
x 105
9.5905
9.591
9.5915
9.592
9.5925
9.593
9.5935
9.594
x 106
Moderado - Moderado Moderado +
Porto de Mucuripe (CE)
Largura Canal = 5B
20nós 26nós 29nós
OK Alto RiscoAtenção
Aplicações – Dimensões da
área portuária (CANAL)
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P
N
S
W
5kn 0.1
3.9kn 400.1
1.5kn 800.10.39kn 1200-0.54kn 1600
0.43kn 2000
Trajetória
6.905 6.91 6.915 6.92 6.925 6.93
x 105
7.476
7.4762
7.4764
7.4766
7.4768
7.477
7.4772
7.4774
7.4776
x 106
Terminal da Ilha Comprida
(RJ)
Aplicações – Dimensões da
área portuária (CANAL)
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Bacia desabrigada
Dificuldade de apoio dos rebocadores
Exemplo – Litoral do ES
Aplicações – Dimensões da
área portuária (BACIA)
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Bollard-Pull Rebocadores
Terminal de São Sebastião
(TEBAR-SP)
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Simulação Real-Time
Verificação e inclusão de fatores de
redundância necessários
Passadiço Principal (prático)
Passadiço Rebocador (Mestre)
Estação de controle de rebocadores
Bollard-Pull Rebocadores
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Instalações Portuárias
Porto de Cabedelo (PB)
Certificação da distância entre berços
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• Passing-Ships:
– Problema complexo
• Formulações analíticas às vezes não são suficientes;
– Forças de atracação e repulsão;
– PESQUISA: Integrar cálculo potencial em tempo real ao simulador de manobras
Interação entre navios
Fonte: Port Revel
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Avaliação de procedimentosoperacionais
Operação “Normal”
Aliviador alinhado com FPSO
Operação no Setor Estendido
Aliviador não está alinhado com FPSO
Avaliação de setor operacional extendido:
Atual
Proposta
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Análise computacional prévia:
1) Redução no número de desconexões;
2) Redução do movimento de roll para
alguns casos;
3) Significativa redução de utilização do
Sistema DP tornando a operação mais
segura e diminuindo a probabilidade
de blackout.
4) Aumento expressivo na probabilidade
de sucesso de alívio com ambas as
estações operando
Atual Estendido Atual Estendido Atual Estendido
Fator Analisado FPSO Proa/Popa [%]Popa [%]Proa [%]
Estação de Alívio
Cid. São
Paulo54.9 65.5 53.4 66.6 82.7 86.7
P-50 73.4 82.5 35.6 44.2 89.3 92.3
Cid. São
Paulo20.5 8.4 60.3 39.2 11.2 1.0
P-50 42.3 8.4 49.7 39.2 18.7 1.0
Probabilidade de
Sucesso no alívio
(Anual)
Utilização média
do DP acima de
30% (Anual)
Avaliação de procedimentosoperacionais
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- 3 dias de campanha de simulação
- Participação de 3 comandantes
(TRANSPETRO) de aliviadores DP
- Simulação de 12 operações de alívio
Avaliação de procedimentosoperacionais
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• Setor estendido – Possui apenas
um bordo para manobra escape
Objetivos da simulação:
- Avaliar com auxílio de comandantes
os riscos adicionais da manobra no
setor expandido.
Avaliação de procedimentosoperacionais
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Simulações em tempo real
Centro de Simulação TPN-USP
Kongsberg K-POS DP System
DARPS (Virtual)
Análise gráfica (Virtual)
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Simulações em tempo real
Desvio padrão de Roll
(~1°)(~2°)(~8°)
FPSO 210o HeadingCampos Basin Current=1.2knot
190º
WaveHs=3,4mTp=10s135º
Wind 20knots
135º
Simulação 1 :
- Condição de frente fria
- Bacia de Campos
Simulações em tempo real
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Simulações de Drive-Off
0.078kn 4400-0.14kn 4800
Trajetória
0.058kn 4400
3.5kn 4800
2.79 2.795 2.8 2.805
x 105
9.0673
9.0674
9.0675
9.0676
9.0677
9.0678
9.0679
9.068
9.0681
9.0682
9.0683
9.0684x 10
6
Thrusters + MCP/LemeApenas MCP/Leme
0kn 0.10.43kn 400.10.51kn 800.1
Trajetória
0kn 0.10.039kn 400.1
3.4kn 800.1
2.79 2.795 2.8 2.805
x 105
9.0673
9.0674
9.0675
9.0676
9.0677
9.0678
9.0679
9.068
9.0681
9.0682
9.0683
9.0684x 10
6
Manobra de Escape – Thruster + MCP + leme devem ser usados para
garantir uma distância segura do FPSO
Simulações em tempo real
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OBRIGADO
Coordenação do desenvolvimento USP:
Eduardo A. TannuriCentro de Simulações do TPN-USP
Coordenação do projeto de P&D:
Marcos Donato Ferreira (PETROBRAS/CENPES/PDEP/TEO)
Rafael Madureira e Ivan Croce(TRANSPETRO/DSERV/ETI/TII)
Cenário Baía de Guanabara – Simulador TPN-USP