Betere scheepsontwerpen dankzij slimme algoritmes
Een perfect schip is licht en slank voor snelheid, maar moet ook sterk en stabiel zijn om veilig te varen. Door deze en andere tegenstrijdige eisen is het zelfs met een supercomputer lastig om het perfecte ontwerp te vinden. Computerwetenschapper Roy de Winter ontwikkelde een algoritme dat helpt om snel en efficiënt tot de gulden middenweg te komen. Hij promoveert op 8 oktober.
De grootste uitdaging bij het ontwerpen van een schip is dat de verschillende ontwerpcriteria soms tegenstrijdig zijn, legt De Winter uit. ‘Je wilt het schip zo licht mogelijk maken, zodat het veel kan meenemen. Maar je wilt niet dat het schip bij de eerste de beste golf omslaat. Bovendien wil je de weerstand minimaliseren, zodat het schip zo weinig mogelijk brandstof gebruikt.’
Daarnaast heb je ook nog te maken met wet- en regelgeving, bijvoorbeeld voor het milieu en de veiligheid. De Winter ontwierp een algoritme dat het compromis kan vinden tussen al deze tegenstrijdige criteria en tegelijkertijd kan omgaan met de geldende regelgeving.
Een algoritme dat steeds een beetje slimmer wordt
Er bestonden wel algoritmes, maar die waren niet erg efficiënt. De Winter: ‘Een simulatie om te bepalen hoeveel weerstand een schip ondervindt, kan uren duren. Zelfs op een supercomputer. Het is dus onmogelijk om duizenden ontwerpen te testen.’ Het algoritme van De Winter leert daarom van eerdere simulaties, zodat het minder pogingen nodig heeft om tot een optimale oplossing te komen.
Slim simuleren is snel simuleren
Maar De Winter paste meer slimmigheidjes toe. Hij schreef het algoritme zo dat het meerdere simulaties tegelijkertijd kan draaien op verschillende computers: een techniek die bekend staat als parallelisatie. Daarnaast zorgde De Winter dat het algoritme geen tijd verspilt met het doorrekenen van ontwerpen die niet voldoen aan de gestelde voorwaarden. ‘Sommige van deze voorwaarden, zoals of het zwaartepunt wel op de goede plek zit, zijn vrij snel te berekenen. Als je direct weet dat het schip niet aan deze eis voldoet, hoeft de simulatie niet verder te draaien,’ legt hij uit.
Van vrachtschip tot veerboot: het algoritme doet zijn werk
De Winter paste zijn algoritme al succesvol toe op verschillende scheepstypen. Eén daarvan was een groot vrachtschip, dat zoveel mogelijk goederen moet vervoeren. Een grotere laadruimte betekent principe meer vracht, maar als het schip schade oploopt en er water in de romp komt, kan het zinken. Daarom plaatsen scheepbouwers waterdichte schotten die het ruim in verschillende compartimenten verdelen. Dit zorgt ervoor dat niet het hele schip vol water loopt bij een lek. De Winter: ‘Je kunt die schotten oneindig veel manieren plaatsen. Ik heb uitgerekend hoe je ze moet plaatsen om zoveel mogelijk lading te vervoeren, op een zo veilig mogelijke manier.’
Verder bedacht De Winter een nieuwe rompvorm voor een elektrische veerboot die maar liefst 26 procent minder weerstand had in het water. ‘Daardoor kun je op een volle accu een stuk langer varen.’
‘Een kleine aanpassing maakt soms een enorm verschil’
Daarnaast paste hij zijn algoritme toe op een containerschip dat al in de vaart was. Door alleen de zogeheten ‘bulb’ aan de voorkant van de romp aan te passen, wist De Winter de weerstand van het bestaande schip met 4,9% te verlagen, wat resulteerde in een aanzienlijke brandstofbesparing. De Winter: ‘Het is mooi dat je met relatief kleine aanpassingen soms al enorme verbeteringen kunt bereiken. In dit geval niet alleen goed voor de kosten en efficiëntie, maar ook voor het milieu.’
Headerbeeld: Een artist-impression van de elektrische veerboot waarvoor De Winter een nieuwe rompvorm bedacht met maar liefst 26 procent minder weerstand in het water. Beeld: C-Job Naval Architects
Promotie en proefschrift
Roy de Winter verdedigt zijn proefschrift met de titel Efficient Constraint Multi-Objective Optimization with Applications in Ship Design op 8 oktober in het Academiegebouw in Leiden. Zijn promotoren zijn professor Thomas Bäck en universitair docent Niki van Stein.