Investigation of ice load prediction models concerning operative ice load monitoring

摘要

Tässä diplomityössä tutkitaan jääkuorman ennustemalleja, joiden avulla on mahdollista mitatun jääkuorma-aikahistorian perusteella ennustaa laivan runkoon kohdistuvia tulevia maksimijääkuormia. Jääkuorman ennustemalleja on tarkoitus soveltaa operatiivisessa jääkuormamonitorointijärjestelmässä, joka toimisi vaurioriskiä ennustavana työkaluna aluksen miehistölle. Jääkuormituksen ollessa stokastinen prosessi, tulevia jääkuormia tutkitaan tässä työssä tilastollisin menetelmin. Rakenteisiin kohdistuvaa todennäköisintä maksimijääkuormaan voidaan ennustaa tilastollisten jakaumien avulla, joista tässä työssä käsitellään eksponentti-, Weibull-, Gumbel I- ja Gumbel II-jakaumia sekä kolmea Mikko Lensun kehittämää skaalauskorrelaatioihin perustuvaa menetelmää, joita kutsutaan Lensun Gumbel I-, Lensun Gumbel II- ja Lensun superpositiomenetelmiksi. Työssä käytettävä mitta-aineisto on peräisin Etelämantereelle tarkoitetun tutkimus- ja huolto- aluksen S.A. Agulhas II:n maaliskuun 2012 Perämeren koematkalta.Työn päätavoite on määrittää, mikä käsitellyistä ennustemalleista soveltuu mitatun jääkuorma-aineiston perusteella lyhyen aikavälin jääkuormien ennustamiseen kaikkein parhaiten sekä kuinka pitkälle tulevaisuuteen jääkuormia on mahdollista ennustaa kohtuullisen luotettavasti. Lisäksi tutkitaan kuinka pitkä ennusteen laskentaan käytettävän ajanjakson tulisi olla, jotta ennuste olisi mahdollisimman luotettava. Laskettaessa jääkuorman ennustetta, oletetaan vallitsevien jääolosuhteiden jatkuvan yhdenmukaisina ja aluksen nopeuden pysyvän vakiona. Lyhyen aikavälin jääkuorman ennustamista tilastollisin menetelmin ei ole aikaisemmin tutkittu tämän työn laajuudella.Tilastollisten jakaumien soveltuvuutta tulevien jääkuormien lyhyen aikavälin ennustamiseen tutkitaan vertaamalla eri menetelmin arvioituja todennäköisimpiä maksimijääkuormia maksimiarvon laskentaan käytettäviin mitattuihin maksimijääkuormiin sekä eripituisten tulevien ajanjaksojen mitattuihin maksimijääkuormiin. Kaikkien Lensun menetelmien todettiin soveltuvan ennusteen laskentaan merkittävästi eksponentti-, Weibull-, Gumbel I- ja Gumbel II-jakaumia paremmin. Lensun Gumbel II- ennustemallin havaittiin soveltuvan operatiiviseen jääkuormamonitorointijärjestelmään kaikkein parhaiten visuaalisen tarkastelun sekä pienimpien virhearvojen perusteella. Luotettavin ennuste saatiin ennustettavan ajanjakson ollessa mahdollisimman lyhyt ja havaintoperiodin ollessa mahdollisimman pitkä. Ennusteiden virhearvojen ja graafisen tarkastelun perusteella todettiin, että 60, 90 ja 120 minuutin havaintoperiodeilla voidaan varsin luotettavasti ennustaa tulevia jääkuormia, jopa neljä tuntia eteenpäin.