Prediction of the required propulsive power of a ship through guided neural networks
Πρόβλεψη αντίστασης πλοίου μέσω καθοδηγούμενων νευρωνικών δικτύων
Master Thesis
Author
Alexiou, Kiriakos
Αλεξίου, Κυριάκος
Date
2015-04Keywords
PINN ; Neural network ; Hybrid modeling ; Ship propulsion powerAbstract
Οι αυστηρότεροι περιβαλλοντικοί κανονισμοί από διεθνείς οργανισμούς, όπως Energy Efficiency Existing Ship Index (EEXI), Carbon Intensity Indicator (CII) του Διεθνούς Ναυτιλιακού Οργανισμού (IMO) και το Emissions Trading System (ETS) της Ευρωπαϊκής Ένωσης, πιέζουν τις ναυτιλιακές εταιρείες στην κατεύθυνση της βελτίωσης της αποδοτικότητας του στόλου τους με όρους ενεργειακού αποτυπώματος. Η ακριβής πρόβλεψη της απαιτούμενης προωστικής ισχύος των πλοίων όταν αυτά λειτουργούν υπό διάφορες πραγματικές συνθήκες μπορεί να συμβάλει καθοριστικά στην επίτευξη των περιβαλλοντικών στόχων. Το προτεινόμενο μοντέλο καθοδηγούμενου νευρωνικού δικτύου από φυσικούς νόμους (Physics-Informed Neural Network – PINN) συνδυάζει Συνήθεις Διαφορικές Εξισώσεις (ΟDE), και φυσικούς νόμους με πραγματικά δεδομένα μετρήσεων. Μέσω της ενσωμάτωσης φυσικών νόμων κατά τη διαδικασία εκπαίδευσης μέσω αξιοποίησης αρχών ναυπηγικής, το δίκτυο επιτυγχάνει καλύτερη ακρίβεια στην πρόβλεψη της προωστικής ισχύος, περιορίζοντας παράλληλα την ανάγκη για μεγάλο όγκο επισημασμένων δεδομένων. Οι δοκιμές με πραγματικά δεδομένα λειτουργίας πλοίων δείχνουν ότι το μοντέλο PINN υπερέχει σε απόδοση συγκριτικά με συμβατικά μοντέλα που βασίζονται αποκλειστικά σε δεδομένα, αποδεικνύοντας πώς η συνένωση της κλασικής φυσικής ανάλυσης με στατιστικά μοντέλα προσφέρει καλύτερη αξιοπιστία και προσαρμοστικότητα σε σύνθετα ναυτιλιακά περιβάλλοντα. Αυτό οδηγεί σε αποτελεσματικότερη επιχειρησιακή χρήση του στόλου, που μπορεί να προκαλέσει μείωση ενεργειακού του αποτυπώματος. Το προτεινόμενο μοντέλο λόγω της ενσωμάτωσης ναυπηγικών κανόνων μπορεί να επεκταθεί σε διαφορετικούς τύπους πλοίων, συμβάλλοντας στην κατεύθυνση των περιβαλλοντικά βιώσιμων ναυτιλιακών πρακτικών.