Modelagem dos esforços dos parâmetros de atracação de navios via redes neurais artificiais

Modelagem dos esforços dos parâmetros de atracação de navios via redes neurais artificiais / Nome Sobrenome. – São Luís - MA, 2020. Trabalho de Conclusão de Curso de graduação em Engenharia Mecânica – Universidade CEUMA, Bacharel em Engenharia Mecânica, 2020. Orientador: Hilton Seheris Da Silva Santos. Atracação de navios. Me. Carlos Cesar Correia Aranha Junior Julgado em: ___/___/______ Conceito: __________ São Luís - MA 2020 Navigare necesse est. Pompeu, aos marinheiros da República de Roma. RESUMO O presente estudo objetivou avaliar dados coletados in loco no Terminal Portuário de Ponta da Madeira, utilizando-os para calcular a energia de atracação dos navios que nele aportaram no início de 2020, conforme a metodologia de PIANC – 2002. O referencial teórico conta com uma revisão sistemática acerca de tipos de navios, características construtivas (que configuram parâmetros relevantes para os cálculos posteriores), atracação de navios e sistemas de defensa – essenciais enquanto processo motivador do trabalho – e, por fim, um breve aporte referente à redes neurais artificiais e processos de aprendizagem, norteadores da proposta.

Through the graphs elaborated through the collected data, verified if the values ​​of energy, speed and displaced mass are in accordance with the requirements of the manufacturers of the naval sector, proving the technical and legal aspects. Through the analyzes made, a conceptual proposal of a neural network considers as quantities checked for calibration of a network. Finally, the need to update monitoring systems and review empirical models should be emphasized, once they are installed in outdated systems, which can corroborate systematic errors. Key words: Mooring of ships. Fender systems. Navio RORO 17 2. Navios Cargueiros 17 2. Navios transportadores de automóveis 18 2. Navio de cruzeiro 19 2. CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS DE NAVIOS 19 2. Calado 23 2. Calado moldado 23 2. ATRACAÇÃO DE NAVIOS 24 2. Sistemas de Monitoramento de Atracação 26 2. SISTEMAS DE DEFENSA 27 2. Defensas com elementos especiais 33 2. PORTOS 33 2. Natureza dos portos 34 2.

Localização dos portos 34 2. Utilização dos portos 34 2. DADOS PARA O CÁLCULO DA ENERGIA DE ATRACAÇÃO 44 3. Ponto de contato 44 3. Leitura de calados 46 3. Cálculos para a Energia de Atracação 46 3. Coeficiente de bloco 47 3. Com o desenvolvimento da técnica e da tecnologia, naturalmente diversos setores foram modificados (entre eles, o naval), tornando necessária a reformulação e adaptação das metodologias analíticas e preditoras. O escopo do presente trabalho é propor a elaboração de uma rede neural artificial para a modelagem dos esforços de navios, com base no cálculo da energia de atracação. Para isso, foram coletados dados in loco no Terminal de Ponta da Madeira, visando constituir um banco de dados para a elaboração da rede. A característica de plasticidade de uma rede neural – possibilidade de aprender e modificar-se, com finalidades adaptativas – torna essa rede vantajosa para muitos fins.

No contexto dos navios, é essencial, uma vez que o fluxo de embarcações é grande e as atualizações são constantes. Desenvolver o modelo neural artificial para modelagem dos parâmetros de esforços de atracação naval; 4. Treinamento e validação da RNA para modelagem dos Parâmetros de Esforços de Atracação de Navios. REVISAO TEORICA 2. TIPOS DE NAVIOS 2. Navios-Tanques Geralmente, os navios classificados como navios-tanques (figura 1) fazem o transporte de cargas perigosas e com grandes variações em seus calados, por possuírem baixa pressão no casco a assistência de rebocadores na sua manobra é padrão, podem ter verdugos que são peças de reforço no costado para manobras de atracação, peças de borracha bastante resistentes como vistas em rebocadores. Figura 2 – Navio graneleiro Fonte: Thoresen, 2014.

Navios transportadores de gás Os navios transportadores de gás (figura 3) possuem características semelhantes ao navio-tanque que pode transportar petróleo. Este navio também transporta cargas altamente perigosas por este motivo existem terminais que recebem estes navios de forma exclusiva, sua construção também envolve as tecnologias de ponta para que seu casco sofra baixas pressões. Durante a manobra de atracação destes tipos de navios a assistência de rebocadores é crucial e também é claro é tida como padrão, assim como os navios-tanques os mesmos também vir equipados com verdugos, nomenclatura que já foi explicada na definição de navios-tanques, sua atracação também ocorre em lugares expostos e os terminais precisam ser dotados do sistema docking aid system (COSTA, 2013; PORTOGENTE, 2011; THORESEN, 2014). Figura 3 – Navio transportador de gás Fonte: Thoresen, 2014.

Em relação aos números de viagens, realizam várias em relação aos demais navios e o seu uso é intenso no terminal que está atracado em função da segurança. É interessante ressaltar que não necessita de assistência de rebocadores com frequência, apenas em casos de emergência (THORESEN, 2014). Figura 5 – Navio RORO (MV Celine) Fonte: www. worldmaritimenews. com 2. Figura 7 – Navio transportador de automóveis (Höegh Target) Fonte: www. marinetraffic. com 2. Navio de cruzeiro Navios de cruzeiro (figura 8) destinam-se ao transporte e lazer dos passageiros, prezando pelo conforto e a segurança. Estes navios não apresentam mudanças muitos drásticas em seu calado, pois não passam por operações de carregamentos como os anteriores. como sendo a “capacidade total de um navio dividida por 100 ft3 ou 2,83 m3, esta divisão pode variar de acordo com o pais e as leis que estão em vigor” (THORESEN, 2014).

Deslocamento (Displacement tonnage) Conforme Thoresen (2014, p. Displcement tonnage é a massa total do navio obtida pelo produto entre o volume de água deslocado e a densidade da água (ou seja, pelo cálculo de empuxo). Em outros termos, pode ser compreendido como o volume de água que uma determinada embarcação desloca quando está em movimento; para navios de construção em aço este deslocamento deve levar em conta as seguintes divisões: deslocamento moldado, deslocamento do forro exterior e deslocamento dos apêndices (FONSECA, 2005; THORESEN, 2014). Deslocamento normal É o peso do navio completo considerando “água no nível superior das caldeiras com todas as máquinas e sobressalentes, toda a tripulação e seus pertences”. Comprimento de roda a roda (lenght over all) O Comprimento de roda a roda (figura 10) é a distância medida em uma linha paralela em relação a linha da água, desde o ponto mais extremo da popa até o ponto mais extremo da proa, contando com todas as partes do navio que se estenderem além da estrutura do painel de popa (FONSECA, 2005).

Esta medida de comprimento é bastante importante devido ao tamanho dos terminais e suas limitações, para que haja uma atracação segura o tamanho do navio deve estar contido nas dimensões do cais em que irá atracar. Figura 10 - Indicação de comprimento de roda a roda e comprimento no convés Fonte: Fonseca, 2005. Boca moldada Toda a extensão transversal de um navio indo das faces de bombordo até boreste, para estão inclusos também: as faces exteriores da carena. A dimensão boca moldada “é a maior largura do casco medida entre as faces exteriores da carena, excluindo a espessura do forro exterior, ou seja, é a maior largura do casco medida entre as superfícies moldadas. Existem muitos softwares capazes de auxiliar na realização dos cálculos, mas todos eles levam em conta o volume de água deslocado pelo navio para isso é necessário consultar a tabela com os valores hidrostáticos.

Durante o decorrer do carregamento leituras são realizadas para garantir que as quantidades de carga estão corretamente embarcadas. Essas leituras, no entanto, em muitos portos do brasil e são realizadas com o auxílio de uma lancha de apoio que conduz o inspetor em cada um dos seis calados e o mesmo os coleta de a olho. Segundo Fonseca (2005, p. quando a linha da agua está acima do número lido, esta leitura indicará que o número anterior foi ultrapassado e o próximo começou, caso a linha esteja entre dois números pode-se considerar o meio daquela indicação, caso a linha esteja em um ponto aonde foi citado anteriormente, o inspetor deve estimar este centímetro a olho. Toda manobra de atracação ocorre em uma faixa de rádio determinada pela praticagem e este canal não deve sofrer interferências externas de outras embarcações que possam estar no canal de passagem da embarcação e outros terminais que por ventura estejam próximos do píer no qual o navio em manobra irá atracar, nas proximidades do terminal a embarcação pode ou não precisar efetuar o giro, parte esta da manobra que é bastante crucial pois envolve a coordenação entre os rebacores junto a praticagem para realizar este movimento (THORESEN, 2014).

De maneira geral, a profundidade do píer de atracação deve estar de acordo com o calado que a embarcação terá durante a manobra de atracação. Esta informação se mostra importante pois um cais fora da profundidade pode acarretar sérios problemas durante a operação do navio, correndo o risco de o mesmo tocar o fundo do berço e avariar sua quilha, bem como gerar outros problemas estruturais. Assim, o terminal deve estar de posse de todas as recomendações de segurança no que diz respeito a profundidade do berço em relação ao calado máximo de operação do navio, erros de dragagem, variações de maré, a profundidade do berço deve ser suficiente para o trim do navio durante as operações e movimentos do navio devido a ação das ondas (THORESEN, 2014).

Na figura 11, há a representação de um berço de atracação com seus componentes fundamentais. Em virtude dos fatores supracitados, torna-se possível compreender o contexto situacional do navio (THORESEN, 2014). Figura 13 - Representação de sistema de monitoramento de atracação Fonte: Thoresen, 2014. SISTEMAS DE DEFENSA Conforme Fonseca (2005, p. as defensas “podem ser confeccionadas em sisal, couro, plástico ou borracha” e são usadas “temporariamente para proteger o costado das embarcações” durante das manobras de atracação e desatracação. As embarcações não as mantêm a bordo (exceto as defensas cilíndricas horizontais). A defensa deve ser capaz de absorver a energia proporcionada pela embarcação (cujo módulo é determinado pela equação exemplificada na metodologia deste estudo). Para isso, é fundamental considerar as características não só da defensa, mas também do navio (dimensões, velocidade, volume de água deslocado, entre outros).

Além da energia, as defensas devem ser projetadas para suportar peso, tensão e esforços cortantes. A capacidade de suporte de peso refere-se ao valor em unidade de força (sendo neste caso o produto entre a massa da defensa e a aceleração da gravidade no ponto) que a defensa deve suportar – portanto, é considerada a componente vertical da força aplicada sobre o centro de massa da defensa. Sua geometria deve permitir que no mínimo o peso da própria defesa seja sustentado, sendo relevante considerar a possibilidade de um peso adicional, uma vez que esta pode sofrer impactos (SHIBATAFENDERTEAM, 2011). Entre suas principais aplicações estão os terminais dos mais variados tipos, desde terminais para embarque de carga a granel até terminais que se destinam ao transporte de passageiros.

Defensa celulares CSS As defensas CSS-Fender ou ainda Cell Fender possuem projetos de fácil montagem e instalação. Em relação aos esforços cortantes, apresentam bastante resistência, e no que diz respeito ao seu painel de absorção de impacto, destaca-se a sua distribuição que faz com esta defensa seja uma construção leve e resistente. Essa tecnologia já está em uso mundialmente há bastante tempo, evidenciando que sua robustez implica em segurança operacional. Entre suas aplicações, por suas semelhanças com o projeto anterior (SPC), pode ser utilizada em terminais de carga e transporte de passageiros (SHIBATAFENDERTEAM, 2011). Seu projeto faz com esta seja robusta, durável e fácil manutenção. Possui uma alta resistência a esforços cortantes em direções longitudinais.

Esta defensa pode ser instalada em duas direções distintas – verticalmente ou horizontalmente – e é adequada para dolfin giratórios e pontos pivô. Entre suas aplicações estão os terminais de carga a granel, terminal de passageiros, terminal de carga geral, berços para rebocadores e terminais com variados propósitos (SHIBATAFENDERTEAM, 2011, p. Defensas cilíndricas São aquelas com projetos robustos, simples e de fácil instalação, possuem uma alta resistência a abrasão. definem porto como “elo de importância na cadeia logística como terminal multimodal”, estando ele relacionado a abrigo (deve ter proteção que garanta boas condições de acostagem), profundidade e acessibilidade (dimensões devem ser compatíveis com as embarcações recebidas), área de retroporto (áreas terrestres para movimentação de cargas e passageiros), acessos terrestres, aquaviários e aeroviários (também para a movimentação, garantindo infovia apropriada às operações), e impacto ambiental (pois altera o meio físico e biológico adjacente).

Natureza dos portos Quanto à natureza, os portos podem ser naturais – em que não há obras de melhoramento ou estas são mínimas, pois condições naturais são suficientes para providenciar acostagem e acesso, ou artificiais – que precisam de melhorias em termos de obras de acesso e abrigo para garantir as devidas condições aos navios que eventualmente atracarão (ARASAKI, ALFREDINI, 2014). Localização dos portos Os portos podem ser classificados quanto à localização entre: portos exteriores, interiores e ao largo. Os portos exteriores podem ser construídos diretamente ou salientes à costa, por conta das obras iniciadas m terra avançarem ao mar (em procedimento denominado ganhos à água). Os portos interiores localizam-se em estuários, lagunas ou no interior de deltas, ou seja, em hidrovias interiores. Define-se o aprendizado no contexto das redes neurais por “um processo pelo qual os parâmetros livres de uma rede neural são adaptados através de um processo de estimulação pelo ambiente no qual a rede está inserida”.

De forma que “o tipo de aprendizado é determinado pela forma como as mudanças nos parâmetros acontecem. ” (HAYKIN, 2001, p. Na figura 17, é representado em blocos o sistema nervoso, sendo indicado o processo através de flechas. Em suma, divide-se em três estágios: receptores, rede neural e atuadores. Figura 18 - Modelo não-linear de um neurônio Fonte: Haykin, 2001. É importante ressaltar que a função de ativação (responsável por definir a resposta) pode ser de diferentes formatos (figura 19): limiar (a), linear por partes (b) e sigmóide (c). A função limiar define dois valores possíveis, alternados em um limite: usualmente, os valores de saída são 0 e 1, variando de maneira discreta em somente um ponto limítrofe (podemos representar esta função (a) por uma condição simples (if/else).

A função linear por partes possui mais de uma condição, ou seja, varia em mais de um ponto do gráfico (a função (b) pode variar de forma contínua ou discreta, como em funções por partes – de forma que diferentes leis de formação são necessárias para diferentes intervalos do conjunto domínio). A função sigmóide, a mais comum como função de ativação, configura-se pela forma de “S” e comportamento crescente, podendo ser uma função logística, tangente hiperbólica, entre outras. • Analogia Neurobiológica: é motivada para operar segundo padrões do cérebro humano que processa paralelamente o problema e pode ser tolerante a falhas (HAYKIN, 2001) 2. SISTEMAS INTELIGENTES 2. Processos de aprendizagem Toda rede neural deve ser capaz de aprender e melhorar seu desempenho através de ferramentas de aprendizagem, neste âmbito os algoritmos de aprendizagem são responsáveis por fornecer a rede uma série de interações, em que esta vai se adaptar, tornando-se cada vez mais precisa no que diz respeito a entrega dos resultados que o usuário está esperando dela.

Como todo e qualquer processo de aprendizagem comum, seja ele qual for o ambiente no qual a rede está, fará com que ela seja estimulada para que os resultados sejam refinados. Durante o processo de aprendizagem é bastante comum que a rede passe por diversas adaptações, oriundas do processo de treinamento, permitindo que a rede responda de acordo com a situação a qual é exposta (HAYKIN, 2001). Nessa metodologia, armazena-se experiências anteriores em uma estrutura de memória. As respostas são dadas considerando dados dentro da vizinhança do vetor estipulado. Assim, dois componentes são essenciais: o critério para definir a vizinhança e a regra de aprendizagem aplicada aos exemplos. Utiliza-se a regra estatística denominada “vizinho mais próximo”, um método determinista que identifica os padrões mais próximos do vetor teste.

Em suma, pode-se limitar uma área (caracterizando uma classe) no conjunto de dados e consideram-se as duas suposições estudadas por Cover e Hart (1967) para a regra do vizinho mais próximo: a. Esta unidade vencedora recebe o direito de responder a determinada entrada, ou seja, tem o resultado considerado (HAYKIN, 2001). Aprendizagem de Boltzman O método de aprendizagem de Boltzman, cujo nome é homenagem o Físico Ludwig Boltzmann, sendo baseado num algoritmo de aprendizagem estocástico que se fundamenta na Mecânica Estatística, onde os neurônios operam em estado binário. Os estados ligado (+1) e desligado (-1) podem ser determinados através da função de energia do sistema, de forma que a variação desta energia é o resultado de determinado procedimento de troca. A repetição do procedimento fará com que a máquina atinja o equilíbrio térmico (ou seja, todos os componentes estarão com o mesmo valor de energia) (HAYKIN, 2001).

Nos termos utilizados no trabalho, diz-se que a troca de estado dos neurônios implica em variação de energia, e as operações sucessivas ocorrem até a estabilização na resposta de saída do neurônio. Ademais, são situados os limites entre os tanques de lastro três e dois, bem como o local onde houve contato do navio com a defensa nas figuras 23 e 24 – respectivamente a representação esquemática e a fotografia. Figura 23 – Representação esquemática do MV YUAN GU HAI Fonte: Cortesia do MV YUAN GU HAI, Loading Manual, 2020. Figura 24 – MV YUAN GU HAI, com destaque nos limites e área de contato Fonte: Autoria própria, 2020. Leitura de calados Durante a passagem de cabos, etapa ante a atracação do navio, os calados foram lidos pelo inspetor e levados a bordo do navio para que se realizasse a arqueação inicial, pelo representante do navio (primeiro oficial) e representante do terminal (inspetor de embarque).

Após os cálculos, obteve-se o valor de calado médio de 11,31635 m, com um deslocamento corrido total de 203904 mt. Assim, o valor obtido nesse caso encaixa-se nessa consideração. Coeficiente de massa virtual Segundo estudos anteriores da PIANIC (1984), quando há uma grande distância entre a quilha do navio e o fundo do berço, o fator de massa virtual pode ser determinado pela equação 5: (5) Onde M = massa do navio em toneladas e MV = massa virtual em toneladas. Para calcular a massa virtual, PIANC (2002) apresenta a equação 6: (6) Onde = densidade da água (cerca de 1025 tom/m³), L = comprimento do navio em metros, e D = medida do calado em metros. Podemos utilizar aproximações com base em padronização apresentada pela PIANC (1984), sendo determinada a equação conforme a dimensão da embarcação.

Em PIANC (2002, p. Na ocasião, determinou-se o valor de configuração do berço como Cc = 1,0 3. Velocidade de atracação A velocidade de atracação (V) é a velocidade com a qual a embarcação se aproxima do terminal onde vai atracar. Seu controle é de extrema importância, uma vez que pode implicar em prejuízos ao terminal de atracação e ao navio. Depende do controle do navio, da ação de correntes, ondas, ventos, condições do terminal (localização do cais e tamanho), existência de equipamento auxiliar de monitoramento no terminal, entre outros (PIANIC, 2002, p. Nesse contexto, é importante ressaltar a análise gráfica possibilitada pela curva de Brolsma (figura 28). A energia cinética (equação 7) é uma grandeza que deve ser considerada, pois os equipamentos de acostagem recebem praticamente toda esta energia.

Onde E é a energia cinética do navio (kJ), M é a massa do navio (ou ainda o volume de água deslocado, em toneladas - ton), e v é a componente de velocidade perpendicular ao berço durante manobra de atracação (m/s) (PIANC, 2002, p. Conforme Arasaki e Alfredini (2014,), a energia de atracação é transmitida para a defensa em dois estágios distintos: primeiro, a energia cinética do navio durante a manobra é transmitida ao equipamento de acostagem (defensa), transformando-se em energia portencial de deformação do equipamento; segundo, o impacto total é transmitido para a defensa, implicando na desaceleração do navio (em virtude da força aplicada no sentido contrário). A energia que a defensa deve suportar durante a manobra é dada pela equação 8: (8) Onde Ed = energia a ser absorvida pela defensa (kJ); M = massa do navio (ton); v = velocidade perpendicular ao berço; Ce = coeficiente de excentricidade; Cm = coeficiente de massa virtual; Cs = coeficiente de excentricidade; Cc = coeficiente de configuração do berço (PIANC, 2002, p.

Substituindo os valores com base nas informações coletadas em campo e dados da embarcação, segue que: 3. Na rede neural, os pesos sinápticos são estabelecidos previamente, e a função sináptica depende do método de aprendizagem considerado adequado. Através dela, é possível que o conjunto de dados “fale por si”, ou seja, a função de processamento também é realizada pelo conjunto de dados. Ademais, para corroborar com o processo de aprendizagem, é essencial a determinação de mais valores empíricos, para que a rede seja alimentada com valores precisos e reais, visando apresentar resultados mais satisfatórios à longo prazo. A rede neural elaborada no presente trabalho foi desenvolvida utilizando o software MATLAB 2019, com o toolbox de Redes Neurais Artificiais (RNA). Para a comparação dos valores gerados pela RNA, foram utilizados os dados adquiridos em campo e presentes nos catálogos de fabricação dos navios (visando verificar os neurônios de saída com base em parâmetros reais).

O navio atracou no Terminal de Ponta da Madeira, no berço 4, norte, no mês de fevereiro de 2020. A defensa que recebeu o impacto por ele providenciado foi a defensa do dolfin 13. Figura 33 – Tabela de dados para o cálculo de energia de atracação do MV YUAN GU HAI Fonte: Autoria própria, 2020. Na figura 34, temos a tabela que apresenta os dados do navio MV SPRING PASSION, cuja atracação foi também realizada no Terminal Portuário de Ponta da Madeira, no berço 4, norte, com o ponto de contato na defensa do dolfin 13, sendo esta no mês de março de 2020. Figura 34 - Tabela de dados para o cálculo de energia de atracação do MV SPRING PASSION Fonte: Autoria própria, 2020. Ademais, foi desenvolvido e representado na figura 39 o gráfico do comportamento das embarcações em manobra de atracação, considerando os aspectos estudados acerca da curva de Brolsma.

É plotada nesta figura a velocidade de atracação (m/s) em função do deslocamento (mt). Figura 39 - Comportamento das embarcações em manobra de atracação Fonte: Autoria própria, 2020. O trabalho evidenciou que a maioria das atracações ocorreram dentro do previsto, onde embarcações com massa deslocada até o limite de 500000 mt realizaram as manobras de atracação em um limite de 0,2 m/s. PROPOSTA DE REDE NEURAL Com base nas considerações presentes nas seções de referencial teórico e metodologia acerca de Redes Neurais Artificais e Métodos de Aprendizagem, elaborou-se a RNA conforme estrutura presente na figura 40 para a modelagem do sistema de atracação, visando emular a energia de atracação. Torna-se essencial desenvolver modelos matemáticos que sejam capazes de adaptar-se a diferentes contextos, uma vez que a tecnologia está em constante desenvolvimento, ocasionando certa volatilidade nas relações comerciais e a forma como estas acontecem.

A criação de uma rede neural possibilita uma modelagem prática, adaptável e precisa, que constitui uma modelagem matemática diferente da usual. Os resultados da metodologia foram satisfatórios, comprovando as especificações dos fabricantes e as funções difundidas para o cálculo. A partir da ampliação e processo de aprendizagem adequado, uma rede neural artificial torna possível a determinação de mais parâmetros (dentre eles, a energia de atracação, mas também outros, como a motorização, avaliação de estabilidade, otimização, entre outras grandezas). No presente trabalho, foi elaborada uma rede neural artificial acerca de energia de atracação de navios, fazendo uso do MATLAB 2019. Marine Fender Catalogue. Marine Fender Systems: 2011. COSTA, Antônio. Tipologia e classificação de Navios.

Disponível em: <https://transportemaritimoglobal. FONSECA, Maurílio Magalhães, - Arte Naval. ed. – v. e 2. Rio de Janeiro: Serviço de Documentação da Marinha, 2005. Acesso em: Mai. PIANC. Guidelines for the design of fender systems. International Navigation Association. Belgium: 2002. Rio de Janeiro: Marinha do Brasil. SANTOS, José Clayton dos. O transporte marítimo internacional. ed. São Paulo: Ed.