Maritime Drift Modelling Prediction

Abstract

Esta dissertação teve início num desafio relacionado com um Projeto da Critical Software - o Oversee - em parceria com a Marinha Portuguesa, a Guarda Costeira Irlandesa e que está a ser atualmente implantado na Papua Nova Guiné. Este sistema nasceu para oferecer suporte à capacidade das agências marítimas de responder rápida e eficazmente a incidentes. Com um sistema de informação gráfica intuitivo (GIS), os operadores podem localizar, responder e gerir emergências instantaneamente com uma imagem operacional comum. Os recursos incluem análise em tempo real dos movimentos dos navios marítimos e a capacidade de verificar os recursos disponíveis diretamente através do sistema. Na Guarda Costeira Irlandesa (IRCG), o Oversee apoia cerca de 2600 emergências por ano. Com esta supervisão, a capacidade da Guarda Costeira Irlandesa foi melhorada no que diz respeito à resposta rápida a incidentes marítimos - no primeiro ano em que foi implementado ajudou a salvar 405 vidas, um aumento de 33% em relação ao ano anterior. O Oversee permite também reduzir o desperdício de recursos, identificando alguns incidentes como falsos alarmes.O objetivo principal desta dissertação é prever a deriva de um objeto através da dedução de um modelo que descreva a sua trajetória com base em alguns dados conhecidos. Esses dados consistem nas condições do ambiente em que o objeto se move (a água, neste caso), e do ambiente circundante (condições meteorológicas). Para tal, serão considerados dois modelos: um, relativo a um objeto de dimensões reduzidas onde a influência do vento e de diferentes correntes é desprezada; o outro consiste num objeto com dimensões consideráveis em que a influência do vento e da força de Coriolis é considerada. A força da gravidade produz reações diferentes em cada um desses casos. Será realizado um estudo para descrever a existência e unicidade de soluções do sistema. A consistência e o erro global são estudados através do método Runge-Kutta, em particular, do Runge-Kutta de 4a ordem. São ainda analisados, para o método Runge-Kutta, dois tipos de estabilidade, A-stability e B-stability. Para os dois cenários, as simulações serão feitas com o método Runge-Kutta de 4a ordem.

This dissertation started with a challenge related to a Critical Software’s Project - Oversee - developed in partnership with the Portuguese Navy, Irish Coast Guard and currently being deployed to Papua New Guinea. It supports maritime agencies’ ability to rapidly and effectively respond to incidents through a user experience that minimizes cognitive load whilst maximizing the value of critical information. With an intuitive graphical information system (GIS) it allows agency operators to instantly locate, respond to and manage emergencies with a common operational picture. Capabilities include real-time analysis of sea vessel movements and the ability to task available resources directly through the system. Apart from the Portuguese Navy, Oversee is used by maritime agencies like the Irish Coast Guard (IRCG), supporting their efforts to tackle 2,600 emergencies per year. Oversee improved the IRCG’s ability to rapidly respond to maritime incidents and, in the first year after deployment, it helped to save 405 lives - an increase of 33% on the previous year. Oversee also allows to cut down on wasted resources by identifying some incidents as false alarms. The main goal of this study is to be able to predict the drift of an object by the deduction of a model that describes its trajectory based on some known data. Such data consists on conditions of the environment in which the object moves (water, in this case), and of the surrounding environment (weather conditions). In this dissertation, two models will be considered: one, related to an object of reduced dimensions where the influence of wind and different currents are neglected; another consists of an object with considerable dimensions where the influence of wind and Coriolis’ force is considered. Gravity force produces different reactions in each one of these cases. A study will be carried out to describe the existence and uniqueness of the system’s solutions. The consistency and global error bound are studied for the Runge-Kutta method, in particular, the 4th order Runge-Kutta method. Two types of stability are also analysed, A-stability and B-stability. For the two scenarios, numerical simulations will be carried out using the Runge-Kutta method to visualize the ocean drift under different assumptions.