Reliability assessment of breach size estimation in a damaged passenger ship

Abstract

When a ship runs into an accident, the crew’s awareness of the situation is vital for the sake of a swift execution of possible countermeasures or evacuation. Several decision support systems have been developed to counter this need. A state-of-the-art decision support system, NAPA Emergency Computer, predicts how flooding on board and the floating position of the ship will progress during the next three hours if floodwater is detected on board. This is performed in two parts: first, the size of the breach in the hull is estimated based on how fast water level increases in the damaged room, after which this flooding scenario is simulated on the 3D model of the ship. The floodwater level rate is measured with level sensors that are subject to measurement errors emanating from floodwater surface waves as well as the gauging equipment itself. This thesis aims to quantify the contribution of these errors to breach assessment, as well as proposes a new method for interpreting level sensor data in order to improve the reliability of breach assessment.

The physics related to flooding and level gauging was modelled numerically. In addition, two sensor data interpretation methods were established, one simulating the way sensor data is currently treated in Emergency Computer, and the other one minimising the error that follows from the collapse of a door under floodwater pressure. The numerical models were joined with the interpretation methods as a pipeline that takes the actual breach size as input and produces the estimated breach size as output. By varying a set of parameters, the reliability of breach assessment could be evaluated in any flooding scenario.

This thesis showed that the gauging equipment commonly used for tank sounding and floodwater detection might not be capable of capturing high level rates that are characteristic of flooding incidents. Larger breaches were generally more difficult to accurately estimate; in addition, floodwater sloshing due to roll motion had a small but evident effect on error in breach size estimation. Finally, the current sensor data interpretation method proved to be reliable if no doors collapse within the first 30 seconds after flooding detection, whereas the proposed method effectively eliminated this problem. In the end, errors related to breach assessment are small compared with many other flooding prediction related uncertainties, so the current methodology can be considered very suitable for breach assessment.

Laivan joutuessa hätätilanteeseen miehistön tietoisuus tilanteen vakavuudesta on äärimmäisen tärkeää mahdollisten vastatoimien tai evakuoinnin nopean toimeenpanon kannalta. Useita päätöksenteon tukijärjestelmiä on kehitetty vastaamaan tähän tarpeeseen. Eräs johtava päätöksenteon tukijärjestelmä, NAPA Emergency Computer, arvioi vuodon etenemisen ja kellunta-asennon kehityksen kolmeksi tunniksi eteenpäin, jos vuotovettä on havaittu laivassa. Tämä toteutetaan kahdessa osassa: ensin vuotoaukon koko arvioidaan perustuen havaintoihin vuotoveden pinnankorkeuden noususta, minkä jälkeen vuototapausta simuloidaan käyttäen laivan 3D-mallia. Vuotoveden pinnankorkeuden kasvunopeus mitataan pinnankorkeusantureilla, jotka altistuvat veden pinta-aalloista ja sensoreista itsestään aiheutuville mittausvirheille. Tämä tutkimus pyrkii määrittämään näiden ilmiöiden vaikutuksen vuotoaukon koon arviointiin sekä esittelee uuden tavan tulkita mittadataa, jotta arvioiden luotettavuutta voidaan parantaa.

Vuotoon ja vuodon mittaamiseen liittyvät fysikaaliset ilmiöt mallinnettiin numeerisesti. Lisäksi toteutettiin kaksi havaintojen tulkintamenetelmää, joista ensimmäinen jäljittelee nykyisin Emergency Computerin käyttämää menetelmää, ja toinen pyrkii minimoimaan virheen, joka syntyy oven antaessa periksi vuotoveden paineen alla. Numeeriset mallit yhdistettiin putkeksi, joka tuottaa vuotoaukon koon ennusteen todellisesta vuotoaukon koosta mallinnetussa vuototapauksessa. Malleille ominaisia parametreja säätämällä vuotoaukon koonmäärityksen luotettavuutta voitiin arvioida missä tahansa vuototapauksessa.

Tämä tutkielma osoitti, että yleisesti tankkien luotaukseen ja vuotoveden havaitsemiseen käytetty mittauslaitteisto ei välttämättä kykene havaitsemaan vuototapauksille tyypillisiä nopeita pinnankorkeuden muutoksia. Suurten vuotoaukkojen koon tarkka arviointi oli yleisesti vaikeampaa kuin pienten; lisäksi keinunnan aiheuttama vuotoveden loiskunnalla oli pieni mutta havaittava vaikutus virheeseen. Nykyinen mittadatan tulkintamenetelmä osoittautui luotettavaksi, jos ovet eivät murru paineen alla 30 sekunnin sisällä vuodon havaitsemisesta. Sen sijaan tässä työssä esitelty uusi menetelmä käytännössä poisti tämänkin ongelman. Lopulta vuotoaukon koonmääritykseen liittyvät virheet ovat pieniä verrattuna moniin muihin vuotoennusteeseen liittyviin epävarmuustekijöihin, joten nykyistä menetelmää voidaan pitää vuotoaukon arviointiin hyvin soveltuvana.