Exploring the Digital Twin Concept for a Rigid Aquaculture Cage

Denne masteroppgaven har som formål å gi innsikt i potensialene for bruk av digitale tvillinger i offshore havbruksindustri. Dette er gjort gjennom strukturanalyse og sensoranvendelse. En global responsanalyse er utført for tre utvalgte sjøtilstander i det ikke-lineære analyseprogrammet USFOS, på Ocean Farmings offshore oppdrettsanlegg Ocean Farm 1. Den simulerte sjøtilstaten har en estimert returperiode på 100 år, og inkluderer sjøtilstander nært opp mot det Ocean Farm 1 er designet for å tåle. Fra analysene ble det funnet at de største spenningene som oppstår i strukturen er på 55% av flytespenningen. Basert på analyseresultatene velges to strukturelementer og en parameter for påføring av sensorer for overvåkning av den strukturelle integriteten til anlegget. De valgte elementene er element 524 av hovedstrukturen, som opplever høye belastninger under de ekstreme værforholdene, og forankringsline nummer 8 som er den linen med høyest utnyttelse. Parameteren for overvåkning er bevegelsenen til strukturen, basert på at den beveger seg et stykke bort fra nøytralposisjonen under de ekstreme værforholdene. Disse valgene er gjort basert på en kombinasjon av analyseresultatene, redundansen til elementet, og med det formål å gi et innblikk i noen forskjellige sensorer. For overvåkning av element 524 er tre strekklapper installert i en rosettkonfigurasjon foreslått som overvåkingsmetode. Informasjonen om tøyningsutviklingen kan brukes til å overvåke spenningene som elementet opplever, og også lage en tidsserie av spenningene for å lagre spenningshistorikken som elementet opplever. For overvåkning av kreftene i forankringslinen er det valgt et inklinometer. Det beregner spenningen i forankringslinen basert på måling av vinkler, og kraften i forankringslinen kan avledes fra disse målingene. Det kan brukes til å overvåke kreftene, og som for det strukturelle elementet, skape en historikk over kreftene for å kunne overvåke og evaluere tilstanden til forankringslinen gjennom hele levetiden. For å overvåke bevegelsene til strukturen er det foreslått å bruke differensiell GPS. Dette er en forbedringsmetode for GPS som øker nøyaktigheten av posisjonsberegningen. Analysene viser at strukturen kan bevege seg i et område på størrelse med en liten fotballbane, avhengig av de innkommende bølgene og strømmen. Det er viktig å vite den nøyaktige posisjonen til strukturen for kommunikasjon med arbeidsbåter som jobber på eller nær strukturen. Oppgaven presenterer også forskjellige bruksområder for en digital tvilling av Ocean Farm 1. En av hovedfordelene med en digital tvilling som får input fra sensorer over hele strukturen, er muligheten for overvåkning i sanntid. 85% av strukturen ligger under vannoverflaten, og regelmessig manuell inspeksjon er utfordrende. En digital tvilling kan overvåke alle ønskede parametere, og manuell inspeksjon kan utføres de gangene det er nødvendig. Gjennom arbeidet med denne oppgaven har det blitt identifisert store muligheter for bruk av digitale tvillinger i offshore oppdrettsindustri. Investeringskostnadene ved å etablere en digital tvilling er store sammenliknet med å kun bygge strukturen, men med bedre optimalisering av operasjoner og prosesser, og økt sikkerhet, utlignes disse kostnadene i løpet av levetiden. Videre forskning på og undersøkelse av dette emnet, og arbeid med å etablere en digital tvilling av Ocean Farm 1 anbefales. Det gir store muligheter for å skape innsikt i oppdrettsprosessene på nye måter, og digitale tvillinger ser ut til å ha nesten uendelige muligheter