2 INNHOLDSFORTEGNELSE 1 Bakgrunn...3 2 Målsetting...3 3 Arbeidsbeskrivelse...3 3.1 Simulering...4 Matematiske modeller...4 Modellsyntese...5 Integrasjon...5 Visualisering...5 3.2 Brukergrensesnitt...5 3.3 Database...5 4 Status...7 5 Vedlegg...7
3 1 Bakgrunn Bunntrålnæringen sliter i dag med høye energipriser. Et typisk havgående fartøy for bunntrålfiske etter reker eller hvitfisk kan i dag bruke 10.000-15.000 liter bunkersolje pr. driftsdøgn, eller rundt 4 mill. liter pr. år. Mens oljeprisene har økt de siste årene, har reke- og fiskeprisene hatt motsatt trend. Dette har redusert driftsmarginene innen bunntrålnæringen betydelig. Energioptimalisering av bunntrål er derfor høyaktuelt, men eksperimentering med rigging er svært dyrt for det enkelte fartøy i en driftssituasjon. Konsekvensen er at man ofte sikrer seg høy fiskeeffektivitet ved hjelp av større og tyngre komponenter, noe som også gir stor motstand. Et hjelpemiddel for å optimalisere redskapen vil derfor kunne gi umiddelbare gevinster for det enkelte fartøy. Dette prosjektet er basert på et forprosjekt finansiert av Norges Fiskarlags Teknologiforum på vegne av Fiskeri- og havbruksnæringens forskningsfond (FHF), der SINTEF Fiskeri og havbruk AS (SFH) har vurdert hvordan motstanden på eksisterende bunntrålredskap kan reduseres ved hjelp av f.eks. endring av rigging. Parallellt med dette prosjektet kjøres et KMB prosjekt (Kompetanseprosjekt med brukermedvirkning) for å utvikle de nødvendige beregningsmodellene for dette verktøyet. 2 Målsetting Hovedmålet med prosjektet er å bidra til redusert energiforbruk ved bunntråling. Dette kan oppnås ved å redusere nødvendig tauekraft og dermed oljeforbruk. Energieffektiviteten skal også forbedres gjennom å opprettholde eller forbedre eksisterende fiskeeffektivitet. For å oppnå dette har målet vært å utvikle og tilby fartøyene et dataverktøy som gjør skipperne i stand til å finne optimal rigging av trålen med minst mulig dyrebar prøving og feiling, i tråd med de ønsker skipperne har uttrykt på møter. Skipperen kan da gjøre nødvendig prøving og feiling på datamaskinen og ikke på det virkelige trålsystemet. På lenger sikt vil programvaren fra prosjektet gi store muligheter for å gjøre tilgjengelig fremtidige forskningsresultater. Ved å tilby en programpakke og oppdateringer som etterspørres av fartøyene, vil man oppnå at senere resultater lettere kan implementeres og vurderes. Programvaren kan dermed fungere som en forbindelse mellom forskning, utstyrsprodusenter og fartøy. SFH vil bidra til dette ved å tilby flere relaterte prosjekter som kan inngå i en slik programpakke. Denne kan også utnyttes som en distribusjonskanal for annen informasjon som kan være av verdi for fartøyene. 3 Arbeidsbeskrivelse Dataverktøyet skal fortelle skipperen hvordan trålbruket påvirkes av forskjellige tiltak. Et gitt trålbruk skal spesifiseres og overføres til en matematisk beregningsmodell, og brukererfaringer skal tas hensyn til. Verktøyet skal beregne form og krefter i trålsystemet, estimere energibruk i forhold til trålt volum og presentere dette på en enkel og lettfattelig måte. Skipperen kan da vurdere hvor god den valgte riggingen er, med hensyn på energibruk og fiskeeffektivitet. Beregningene er basert på teori og detaljerte eksperimenter utført gjennom KMB-prosjektet. Arbeidet i dette prosjektet kan deles inn i distinkte områder: - Utvikling av matematiske modeller for beskrivelse av de enkelte komponenter i trålsystemer. - Oppbygging av database struktur for systemering av de komponenter som et trålsystem er satt sammen av. - Utvikling av brukergrensesnitt for dataverktøyet.
4 - Utvikling av metoder for simulering av trålsystemet. - Visualisering av trålsystemet De ulike arbeidsområdene er gjennomgått i større detalj i det videre. 3.1 Simulering Matematiske modeller De matematiske modellene er utviklet basert på teori og modellforsøk. Et trålsystem er oppbygd av delsystemer som til en stor grad kan forholdsvis enkelt diskretiseres og representeres som enkeltkomponenter, mens andre delsystem mer fremstår som kontinuerlige der enhver diskretisering innebærer fare for å miste viktige egenskaper ved systemet. De delsystemene som fremstår som prinsipielt enklest å diskretisere, er de som er stive legemer: Fartøy, tråldører, fløyt og bobbinskuler. Om man ser bort fra bølgekreftene på disse legemene, kan fartøy, fløyt og kuler modelleres uten store utfordringer. Tråldørene gir derimot store utfordringer, dels fordi de utvikler store hydrodynamiske krefter og momenter som ikke er dempende og dels fordi de påvirker formen til trålsystemet til en stor grad. Modelleringen av krefter og moment er basert på teori og modellforsøk i vindtunnell. Det stilles store krav til nøyaktigheten av denne modelleringen, siden det er en sterk gjensidig påvirkning mellom døras orientering og de hydrodynamiske kreftene og momentene som virker på den. Kreftene og momentene som virker på døra fra varp, sveip, tyngdekraft, oppdrift og hydrodynamikk summeres opp, og døras bevegelser kan da beregnes ved hjelp av tidsintegrasjon. Det benyttes i dette prosjektet kvaternioner for beskrivelse av døras orientering. Festepunkt for varp og sveip angis som den posisjon enden av sveip og varp vil ha ved vanlig bruk. Grunnen til ikke å lage modeller for ulike typer braketter og festesystemer er at dette ville påvirke simuleringstiden negativt, samtidig som verktøyet ville bli mer komplisert å bruke. De viktigste kontinuerlige delsystemene er sveip, varp og trålnot. Disse kan ikke diskretiseres uten å gjøre tilnærminger. For å sette oss i stand til å gjøre tidssimuleringer av slike system, må vi dele disse opp i diskrete objekt. For alle liner (tauverk, stålwire og kjetting) gjøres dette ved å dele disse opp i mindre lengder og representere egenskapene til hver av disse med enklere formuleringer. Disse formuleringene beregner kreftene i hver ende av lengden basert på: - hydrodynamiske krefter på lengden - interne tøyningskrefter - interne dempingskrefter De enkelte lengdene forbindes så gjennom å legge et massepunkt i hvert samlingspunkt, der massen til dette punktet settes lik summen av halvparten av de tilkoplede lengdenes masse og hydrodynamiske tilleggsmasse. Akselerasjon, hastighet og posisjon til hvert massepunkt kan dermed beregnes ved tidsintegrasjon. Det har blitt utviklet mange metoder for å diskretisere notstrukturer, men det er ennå ikke åpenbart hva som ville være den optimale metoden for en trålnot. Prinsipielt står ofte valget mellom å bruke mange enkle element eller færre element med mer funksjonalitet. Vi har i dette prosjektet valgt å basere oss på en metode utviklet av D. Priour ved det franske forskningsinstituttet Ifremer, som beskriver hvordan strukturkreftene i et trekantet notstykke kan beregnes. Denne beregningsmetoden har blitt inkludert i et trekantelement som har blitt utviklet i dette prosjektet. Dette elementet beregner også intern demping og de hydrodynamiske kreftene som virker på elementet, og fordeler disse på de tre hjørnene. I tillegg beregnes massen og den hydrodynamiske tilleggsmassen til elementet og fordeles mellom de tre hjørnene. Elementene
5 forbindes med hverandre og andre deler av modellen ved hjelp av massepunkt. Massen til disse er summen av den massen alle tilkoplede element assosierer med hvert enkelt punkt. Ved å beregne summen av alle kreftene som virker på hvert enkelt massepunkt kan bevegelsene til massepunktene bergenes ved hjelp av tidsintegrasjon. Dermed er også bevegelsene til hjørnene i notelementene kjent. Modellsyntese Formålet med modellsyntesen er å sette sammen de ulike modellene til en stor modell, med andre ord å sette sammen modellene av enkeltkomponenter til en modell av det totale trålsystemet. Dette gjøres i prinsippet ved å kople sammen utganger av noen modeller til innganger på andre. Eksempel på dette er å kople styrbord oversveips inngang for posisjon på bakerste ende nummer to ovenfra til trålnotas utgang som gir posisjon for nederste punkt på brøstlina på styrbord overvinge. Det har blitt utviklet et program som lager en ml-fil som beskriver alle delmodellene og hvordan disse er koplet sammen. Denne ml-fila leses deretter av et annet program som setter opp modellen i datamaskinens minne. I denne modellen blir innganger og utganger koplet direkte via minneadresser, for å gi en raskest mulig simulering. Samtidig blir alle kall til modellen, slik som forespørsler om å beregne den tidsderiverte av tilstandene, beregne utgangene osv, videreformidlet og distribuert mellom de forskjellige delmodellene. Eventuelle resultater blir så satt sammen før de sendes tilbake til integratoren. Integrasjon Simulering av trålsystemet er basert på tidsintegrasjon. Metoden som benyttes for integrasjon er av typen Runge-Kutta Cash-Karp. Denne metoden kalkulerer løsninger av 4. og 5. orden. Løsningen av 4. orden blir benyttet for fremskriving av systemets tilstander, mens man ved å sammenligne resultatene av de to løsningene kan finne et estimat over feilen som blir gjort. Basert på dette estimatet kan man justere lengden på neste tidssteg. Hvis den beregnede feilen blir for stor, blir steglengden redusert og vice versa. Dette gjør systemet mer robust overfor problemer ved stive system, samtidig som man oppnår en større beregningshastighet når systemet stabiliseres. Visualisering Visualisering av trålsystemet er basert på den åpne kildekoden Ogre (www.ogre3d.org). Dette er et bibliotek som inneholder funksjoner for generell visualisering i C++. Ved hjelp av integrasjon mot denne koden inkluderes visualisering av de enkelte deler av trålsystemet inn i samme objekt som er ansvarlig for simulering av dette objektet. Dette medfører at visualiseringen vil fungere ved en vilkårlig sammensetning av objekter, noe som gjør programmet svært fleksibelt. Detaljer omkring hvordan dette gjøres ligger i referansemanualen. 3.2 Brukergrensesnitt Brukergrensesnittet er dokumentert i brukermanualen. 3.3 Database For å gjøre systemet mest mulig egnet for fremtidige utvidelser, har det blitt utviklet en database som håndterer all informasjon om komponenter, sammensetning av trålsystem og hvordan disse inngår i forskjellige økter og caser. En forenklet fremstilling av databasen er vist i figuren under.
6
7 4 Status Programmet er nå i en tilstand der det er klart for en første utprøving av brukere, i en såkalt betaversjon. Vi forventer at programmet også i denne versjonen skal kunne være til en begrenset hjelp for brukerne, men videre utvikling må nok påregnes før dette er et verktøy av mer allmenn interesse. Spesielt mangler det støtte for dobbeltrål og evt trippeltrål. I tillegg vil det sannsynligvis vær en fordel med bedre utviklet hjelpefunksjoner. Tabellen under viser mer spesifikk status for programmet, der 100% betegner at en gitt funksjonalitet er implementert. Funksjonalitet 20% 40% 60% 80% 100% Integrator Modellsyntese Notmodell Varpmodell Sveipmodell Tråldørmodell Fartøymodell Simulering enkeltrål Simulering dobbeltrål Simulering trippeltrål Database Gui økt Gui case Gui trålnot notseksjoner Gui trålnot forsterkninger Gui sveip Gui tråldør Gui - hjelp Gui - integrasjonsinstillinger Gui - visualisering Gui - resultat Brukerveiledning En første versjon av dataverktøyet er sendt ut til referansegruppa for gjennomgang. Avhengig av deres vurderinger ser man for seg å distribuere dette programmet til alle interesserte bunntrålrederi. Man tror da at verktøyet kan være opphav til betydelige reduksjoner i trålflåtens oljeforbruk. Om man skulle oppnå bare 3% reduksjon i oljeforbruket for den enkelte tråler, ville dette tilsvart ca NOK 13 mill i sparte drivstoffutgifter for de tre største bunntrålgruppene i 2007. 5 Vedlegg Vedlegg 1: Brukermanual Vedlegg 2: Referansemanual