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Refitting: revisione del progetto di una nave nel corso della sua vita operativa.

Un esempio di applicazione di algoritmi per l'ottimizzazione continua vincolata al caso della progettazione navale

Refitting: revisione del progetto di una nave nel corso della sua vita operativa.


La costruzione di una imbarcazione è il culmine di una intensa attività progettuale, in cui i diversi parametri relativi alle modalità diimpiego dell'imbarcazione vengono tuttipresiin considerazione. Tuttavia la durata della vita operativa di unanave è tale che alcuni di questi parametri possono subire delle variazioni, dal momento che la tipologia o la quantità del carico trasportato possono seguire le esigenze espresse dal mercato. Dopo un certo numero di anni può dunque risultare economicamente vantaggioso riconsiderare il progetto: perché l'operazione risulti conveniente, i vantaggi ottenuti a seguito della modifica devono superare significativamente la somma dei costi sostenuti dall'armatore per effettuare le modifica stessa.

In questa sede, l'uso di algoritmi per l'ottimizzazione continua vincolata possono rappresentare un elemento di grande utilità al fine di identificare le aree di intervento e le nuove forme dello scafo, massimizzando il profitto. Nel caso qui esposto, è stato utilizzato un algoritmo di tipo Particle Swarm Optimization (PSO), con opportune modifiche ed integrazioni al fine di migliorare le prestazioni dell'algoritmo in presenza di vincoli particolarmente stringenti. In particolare, l'uso di un modello del second'ordine per la ricerca del minimo locale è stato affiancato al classico schema iterativo dell'algoritmo PSO, qui utilizzato in forma asincrona per eliminare la valutazione di soluzioni progettuali non ammissibili mantenedo la struttura parallela dell'algoritmo. La ricerca del minimo è ottenuta attraverso la comparazione di un elevato numero di soluzioni progettuali alternative: in questo caso specifico, il criterio di preferenza è rappresentato dalla potenza spesa per mantenere l'imbarcazione ad una velocità di avanzamento costante pari a 10 nodi, senza incrementare le dimensioni principali massime dell'imbarcazione ed acconsentendo ad una variazione del carico rispetto al valore atteso pari all'1%. La potenza propulsiva è valutata tramite un opportuno modello matematico, mentre la variazione della forma dello scafo è ottenuta applicando dei modelli parametrici di modellazione solida, in grado associare una modifica della forma dello scafo ad un vettore di parametri incogniti. Nella figura è visibile la riduzione della formazione ondosa generata dal moto dell'imbarcazione a seguito della modifica di una piccola parte della zona anteriore di una imbarcazione da di porto, il cosiddetto bulbo prodiero. A sinistra, la geometria originale ed il campo ondoso previsto. A destra, la forma ottimizzata ed il conseguente nuovo campo ondoso. Si osserva come una riduzione di lunghezza del bulbo prodiero, insieme ad una sua ri-modellazione, sia in grado di produrre una riduzione della elevazione d'onda sull'intero campo, particolarmente evidente nella zona di prua. Relativamente invece ai dati economici, si è valutata la spesa relativa al consumo di carburante in circa 392'000€/anno. La riduzione di potenza ottenuta è stata pari al 4%, con un risparmio annuo pari 15'680€ (sempre relativamente alle spese di carburante). Il costo della modifica, di modesta entità, è stato stimato tra i 25'000 ed i 30'000€, con un conseguente Return Of Investment inferiore ai 2 anni. Inaltri termini, se la vita operativa residua dell'imbarcazione è superiore ai due anni, la modifica risulta conveniente.

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Project: "Ottimizzazione, matematica discreta e scienza delle decisioni"

References:

D.Peri, “An inner-point modification of PSO for constrained optimization”, Engineering computations,Vol.32, n. 7, 2005-2019, (2015).

D.Peri, “Conformal Free Form Deformation for the Optimisation of Complex Geometries”,Ship technology research,Vol. 59, 36-41, (2012).

LINK: http://www.iac.cnr.it/~peri