TalTechi Meretehnoloogia kompetentsikeskuse teadmussiirde koordinaator
TalTechi meretehnoloogia kompetentsikeskuse teadlased ja insenerid teevad tihedat koostööd Bifrost Tug Estonia OÜ inseneridega, et arendada välja uuenduslik jäämurdja vööri kontseptsioon.
Jäämurdjaid on kasutatud juba 14. sajandist, miks on vaja neid uuesti leiutada? Vastus peitub kaasaegsetes nõudmistes – energiatõhusus, operatiivsed vajadused ja mitmekülgsus.
Eestil on juba olemas jäämurdjate laevastik, sealhulgas mitmeotstarbeline teeninduslaev Botnica. Need laevad on ehitatud ühe kindla ülesande täitmiseks: jää murdmiseks ja laevadele selge veetee loomiseks.
MSV Botnica | Foto: Tallinna Sadam
Uuendusliku jäämurdja idee
Professor Kristjan Tabri sõnul on eesmärk välja arendada uut tüüpi jäämurdevööri kontseptsioon: jäämurdja, mida saab kinnitada ja lahti ühendada oluliselt kergema aluse – näiteks pukseri – külge. See lahendus võimaldab pakkuda hooajalisi jäämurdeteenuseid tõhusamalt ja paindlikumalt. Kergema aluse kasutamine vähendab märkimisväärselt kütusekulu, muutes sellega jää murdmise mitte ainult keskkonnasõbralikumaks võrreldes tavapäraste jäämurdjatega, vaid ka kuluefektiivsemaks.
Talvine merejää on tavaliselt vaid mõni sentimeeter paks (võrdluseks: polaarjää võib olla mitme meetri paksune). Kavandatud jäämurdevöör on ideaalselt kohandatud talvise jää murdmise vajadustega. Lisaks on disainil veel üks eelis: vöör on laevast lahti ühendatav.
Kuidas see siis töötab? Talvehooajal kinnitatakse vöör aluse külge. Alus, näiteks pukser, lükkab vööri ja murrab sellega jääd. Muudel aastaaegadel vöör eemaldatakse ja pukser saab täita oma algset eesmärki: vedada ja lükata laevu. Kuna eeldatakse, et lähiaastatel kasvab vajadus jäämurdeteenuste järele meretegevuste (nagu avamere tuulepargid, kalakasvatus, seireteenused jms) suurenemise tõttu, kasvab ka nõudlus keskkonnasõbralikumate jäämurdetehnoloogiate järele.
Erinevalt traditsioonilistest jäämurdjatest, mis kasutavad jää murdmiseks oma suurt massi, rakendab eemaldatav jäämurdevöör kolmepunktilist painutusmehhanismi (joonis 2). See tähendab, et jää murdmiseks kasutatakse tõhusat jõudude jaotust, vähendades vajadust suure laevamassi järele, mida tavapäraselt on jää murdmisel tarvis läinud.
Lahendus võimaldab pakkuda hooajalisi jäämurdeteenuseid tõhusamalt ja paindlikumalt.
Joonis 2. Kolmepunktiline painutusmehhanism | Joonis: TalTech
Jäämurdevööri käidi katsetamas ka jääolusid matkivas mudelkatsebasseinis Soomes. Seal läbi viidud katse andis väärtuslikku teavet jää murdmise mehhanismi ja kontseptsiooni käitumise kohta erinevates tingimustes.
Näiteks ehkki vöör toimis hästi sileda jää korral, tekkisid triivjääs sõites probleemid: murdunud jääpangad kuhjusid vööri veealuse osa ümber. Seetõttu vaadati disainilahendused üle ja selle tulemusena toodeti Norras uus täismõõdus prototüüp, mis varustati Eestis mõõteseadmetega.
Reaalskaalas merekatsetused viidi läbi 2024. aasta talvel Pärnus. Katsetuste käigus testiti vööri triivjääs, suuremate jääpankade vahel ja siledal jääväljal. Eksperimendid andsid täiendavat teavet jää füüsikaliste omaduste ning jää-konstruktsiooni vastasmõjude kohta, pakkudes sisendit vööridisaini edendamiseks ning valideerimisandmeid numbriliste simulatsioonide täiendamiseks (joonis 3).
Joonis 3. Jäämurdevööri simulatsiooni näidis | Joonis: TalTech
Jää tuvastamine ja iseloomustamine
Kuigi jäämurdelaevade kaptenid kasutavad pidevalt uuenevaid jää navigatsioonikaarte, peavad nad endiselt jäävälja ka oma silmaga jälgima, sest kõik reaalajas merel leiduvad ohud ei ole kaartidel kuvatud.
Kuna masinnägemise ja kaugseire tehnoloogiad arenevad kiiresti ja muudavad tegevusi aina tõhusamaks, tekib küsimus: miks mitte kasutada neid tipptasemel lahendusi jää tuvastamise ja iseloomustamise täiustamiseks? TalTechi mehhatroonikainsener Dhanushka Liyanage ja tema kolleegid tegelevadki masinnägemise rakendamisega merejää tuvastamiseks.
Vaade laeva mastist | Foto: TalTech
Liyanage sõnul töötavad nad välja vajalikke tarkvara- ja riistvaralahendusi, mille eesmärk on tuvastada merejää tüüpe, kasutades kaugseiret (satellidipilte) ja lähiseiret (laeval paiknevaid andureid). Teatud jääklassid või -tüübid, näiteks jäävallid, võivad seadmetele ohtu kujutada. Navigatsiooniks sobivate ja purustatavate jääklasside tuvastamine on ohutu talvise laevasõidu jaoks ülioluline.
Senini on nad välja töötanud andmete kogumise ja töötlemise süsteemi, mis kasutab erinevaid sensoreid kohapealsete (in-situ) andmete kogumiseks. Näiteks termokaameraid, mis mõõdavad soojuskiirgust; värvikaameraid, mis salvestavad visuaalset teavet; inertsiaalseid mõõteseadmeid (IMU), mis jälgivad liikumist ja asendi muutusi; LiDAR-it, mis kasutab laserit kauguse mõõtmiseks ja täpse 3D-kujutise loomiseks. Lisaks ühendub see süsteem laeva NMEA (National Marine Electronics Association) võrguga, et lugeda laeva süsteemidest näiteks kiirust, asukohta ja kütusekulu.
Projektist rääkides märkis ta veel: „2023. aastal kogusime sensoritega andmeid Aker Arctic jääbasseini katsetelt ja 2024. aastal kogusime kohapealseid andmeid talvistel mereretkedel Pärnus ja Virtsus.“ Kirjeldatud välitööde ajal olid sensorid ja andmete kogumisseade paigaldatud nii pukserile Liam kui ka reisiparvlaevale Töll (joonis 5).
Töötatakse välja vajalikke tarkvara- ja riistvaralahendusi, mille eesmärk on tuvastada merejää tüüpe, kasutades kaugseiret (satellidipilte) ja lähiseiret (laeval paiknevaid andureid).
Joonis 5. Olukorrateadlikkuse andurite komplekt | Foto: TalTech
Pärast suure hulga jääpiltide ja LiDAR-andmete kogumist 2023. aastal Aker Arctic katsebasseinis tehtud mudelkatsetuste käigus on Liyanage ja tema kolleegid välja töötanud esialgsed merejää tuvastamise ja iseloomustamise algoritmid, kasutades tehisnärvivõrkudel põhinevat süvaõpet (masinõpet), et õppida ja tuvastada mustreid suures andmekogumis.
Hetkel keskendutakse nimetatud närvivõrkude algoritmide täiustamisele, et saavutada kogutud kohapealsete andmete põhjal võimalikult kõrge täpsus. Alloleval pildil on näha erinevate jääklasside segmenteerimine (joonis 6).
Joonis 6. Jäävälja iseloomustamine konvolutsioonilise närvivõrgu mudeliga (CNN). Värvisildid: tumesinine: vesi ja taevas; kollane: purustatud jää; tsüaansinine: jääpangad; roheline: kinnisjää punane: muud objektid | Joonis: TalTech
Teadus- ja arendustöö vili
TalTechi meretehnoloogia kompetentsikeskuse ning Bifrost Tug Estonia OÜ koostöös arendatud ja Ettevõtluse ja Innovatsiooni Sihtasutuse poolt rahastatud jäämurdevööri kontseptsioon pakub lahendust, mis vastab tänapäeva meretegevuste mitmekesistele ja muutuvatele vajadustele. See arendusprojekt illustreerib hästi, kuidas teadus- ja arendustöö on viinud jäämurdmistehnoloogia täiesti uuele tasemele.
See arendusprojekt illustreerib hästi, kuidas teadus- ja arendustöö on viinud jäämurdmistehnoloogia täiesti uuele tasemele.
Traditsiooniliste jäämurdjate asemel, mis tuginevad suurele massile ja võimsusele, pakub see uus kontseptsioon kergemat, paindlikumat ja energiatõhusamat alternatiivi. Modulaarne disain võimaldab hooajalisi jäämurdeteenuseid pakkuda palju säästlikumalt. Jää tuvastamise ja iseloomustamise valdkonnas tehtud edusammud annavad täpsema ja kiirema ülevaate jäätingimustest merel, suurendades merel liikumise ohutust ja võimaldades laevadel keerulistes jääoludes efektiivsemalt liikuda.
