Digital Twins for Maritime Applications

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Date
2021-12-13
Department
Major/Subject
Sustainable Energy Systems and Markets
Mcode
ELEC3048
Degree programme
Master's Programme in Advanced Energy Solutions
Language
en
Pages
50
Series
Abstract
Digital twins are system models that incorporate data from their physical representations to accurately represent the system throughout its lifecycle, and they are increasingly discussed for a range of maritime applications. At the same time hybrid powertrains allow for emission reductions compared to mechanical powertrains. The utilization of digital twins for maritime hybrid systems is complicated due to a lack of standardized methods for model identification, validation, and application. The purpose of the thesis is therefore to explore and implement well-grounded methods based on available sensor data, physics-based models, and system documentation. Theory relating to hybrid powertrain modeling, digital twin applications, and model validation is collected from earlier works in the field and evaluated against a hybrid powertrain model for a ship. The ship model is validated against collected data for the genset power and speed over ground. The attainable accuracy of the model is mainly limited by the available collected data. The model could be used for applications including early design and energy management optimization. It is determined that it is possible to create accurate models for hybrid powered ships by combining relatively simple models with data. The model structure and identification methods should be applicable for more detailed models with more data available. Based on the findings, future work could involve implementing the automatic parameter estimation for lifecycle modeling and validating the methods against increased data availability.

Digitala tvillingar är systemmodeller som använder data från fysiska system för att motsvara dem under hela deras livscykel. Diskussionen kring deras användning inom den maritima industrin har intensifierats. Samtidigt tillåter hybrida framdrivningssystem minskade utsläpp gentemot mekaniska kraftöverföringssystem. Användningen av digitala tvillingar för maritima hybridsystem är begränsad på grund av ett behov av standardiserade metoder för identifiering, validering, och tillämp-ning av modeller. Det här diplomarbetets ändamål är således att utforska och applicera välgrundade metoder baserat på tillgängliga sensordata, fysikbaserade modeller, samt systemdokumentation. Teorierna kring modelleringen av hybrida framdrivningssystem, tillämpningar för digitala tvillingar, och modellvalidering är samlade från tidigare arbeten inom området, och utvärderas mot en hybrid framdrivningsmodell för ett fartyg. Fartygsmodellen valideras mot sensordata för generatorernas kraft samt fartygets hastighet. Modellen kan användas för ändamål såsom tidig design och energihanteringsoptimering. Arbetet visar att det är möjligt att skapa exakta modeller för hybridskepp genom att kombinera relativt enkla modeller med data. Mängden data och dess noggrannhet begränsar modellens exakthet, men samma modellstruktur och identifieringsmetodik kan användas även för mera detaljerade modeller med mera täckande data. Baserat på insikterna kunde fortsatt arbete vara att implementera automatisk parameterestimering för lämpliga parametrar, samt att validera modellen mot ett ökat dataflöde.
Description
Supervisor
Hinkkanen, Marko
Thesis advisor
Malka, Patrik
Kumlander, Ville
Keywords
digital twin, hybrid powertrain, model validation, system identification
Other note
Citation