Applications of convex optimization in naval engineering

Thumbnail Image
Files
isbn9789526419718.pdf (1.88 MB)
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2024-08-23
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Author
Date
2024
Department
Konetekniikan laitos
Department of Mechanical Engineering
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
119 + app. 83
Series
Aalto University publication series DOCTORAL THESES, 167/2024
Abstract
Convex optimization is a class of nonlinear optimization with many useful theoretical and computational properties. The global optimum can be computed very efficiently, even for largescale problems. The numerical solvers for convex optimization require no initial guesses or parameter tuning. This thesis focuses on applying convex optimization to model several important nonlinear problems in naval engineering. Chapter 2 presents the theoretical background for this work. The thesis is written as a collection of articles, and the remaining chapters summarize the results of the articles. Chapter 3 formulates conceptual-stage marine vessel design problems as geometric programs. Although geometric programs are nonconvex, they can be reformulated as convex problems with no sacrifice in fidelity. This reformulation creates a novel possibility for fast systemlevel design optimization. Chapter 4 considers the problem of generating time-optimal trajectories for energy-limited surface vessels. The convexification techniques developed in this chapter lay the path for employing computationally robust convex optimization methods in a real-time environment with strict runtime and reliability requirements. Chapters 5 and 6 model problems that include discrete decisions. The first problem deals with lifetime fuel and power system selection, and the second problem involves hybrid power source energy management.

Konveksi optimointi on epälineaarisen optimoinnin tyyppi, jolla on monia hyödyllisiä teoreettisia ja laskennallisia ominaisuuksia. Globaali optimi voidaan ratkaista erittäin tehokkaasti. Konveksin optimoinnin numeeriset menetelmät eivät edellytä alkuarvauksia tai parametrien säätöä. Tässä väitöskirjassa sovelletaan konveksia optimointia eräisiin epälineaarisiin optimointiongelmiin laivasuunnittelussa. Luvussa 2 esitetään työn teoreettinen tausta. Väitöskirja on kirjoitettu artikkelikokoelmana ja seuraavissa luvuissa esitetään tiivistelmät artikkeleiden tuloksista. Luvussa 3 esitetään laivan konseptisuunnitteluvaiheen mitoitusongelma geometrisena optimointiongelmana. Vaikka geometriset optimointiongelmat ovat ei-konvekseja, ne voidaan muuntaa suoraan konvekseiksi optimointiongelmiksi tinkimättä tarkkuudesta. Tämä muunnos luo mahdollisuuden nopeaan järjestelmätason optimointiin. Luvussa 4 tarkastellaan optimaalisten liikeratojen muodostamista energiarajoitteisille pinta-aluksille. Tässä luvussa esitetyt menetelmät mahdollistavat vakaiden konveksien optimointimenetelmien soveltamisen reaaliaikaisessa ympäristössä, jossa on tiukat suoritusaika- ja luotettavuusvaatimukset. Luvuissa 5 ja 6 mallinnetaan ongelmia, jotka sisältävät diskreettejä päätöksiä. Ensimmäinen ongelma liittyy laivan elinkaaren polttoaine- ja koneistojärjestelmän suunnitteluun ja toinen hybridivoimalähteen energianhallintaan.
Description
Supervising professor
Tammi, Kari, Prof., Aalto University, School services, ENG, Finland
Thesis advisor
Salazar, Mauro, Asst. Prof., Eindhoven University of Technology, The Netherlands
Coraddu, Andrea, Assoc. Prof., Delft University of Technology, The Netherlands
Keywords
convex optimization, optimal control, ship design, maritime transportation, energy system modeling, konveksi optimointi, optimisäätö, laivanrakennustekniikka, merenkulku, energiajärjestelmien mallinnus
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Ritari, Antti; Huotari, Janne; Halme, Jukka; Tammi, Kari. Hybrid electric topology for short sea ships with high auxiliary energy reserve power requirement. Energy, 190, 116359, 2020.
    Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201911076200
    DOI: 10.1016/j.energy.2019.116359 View at publisher
  • [Publication 2]: Ritari, Antti; Huotari, Janne; Tammi, Kari. Marine vessel powertrain design optimization: Multiperiod modeling considering retrofits and alternative fuels. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part M: Journal of Engineering for the Maritime Environment, 237(3), 597-614, 2023.
    Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202302011895
    DOI: 10.1177/14750902221145747 View at publisher
  • [Publication 3]: Ritari, Antti; Mouratidis, Panagiotis; Tammi, Kari. Design Optimization Battery-Electric Marine Vessels via Geometric Programming. IEEE Access, 11, 76563-76580, 2023.
    Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202308114738
    DOI: 10.1109/ACCESS.2023.3297219 View at publisher
  • [Publication 4]: Ritari, Antti; Katzenburg, Niklas; Oliveira, Fabricio; Tammi, Kari. Integrated supervisory control and fixed path speed trajectory generation for hybrid electric ships via convex optimization. Submitted to Applied Energy, 13 August 2023.
Citation
Permanent link to this item
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-64-1971-8
Collections
[diss] Insinööritieteiden korkeakoulu / ENG