Análisis y control estadístico de la calidad aplicado a la eficiencia energética de sistemas embarcados en buques de guerra

Abstract

[ES] En todos los sistemas energéticos influyen gran cantidad de variables dinámicas, así definidas por su relación de dependencia respecto del tiempo. Debido a la gran cantidad de variables que definen los sistemas energéticos, se complica cualquier actuación que busque, dentro del campo de la optimización y gestión de la Eficiencia Energética (EE), su mejora.

Por esta razón, tanto las organizaciones públicas como privadas, promueven la obtención y desarrollo de nuevos procedimientos matemáticos que permitan tratar la complejidad de las variables implicadas en las instalaciones energéticas y extraer adecuadamente la información que proporcionan de los sistemas energéticos, de cara a lograr alcanzar real- mente los objetivos de EE internacionalmente acordados.

La mayoría de los estudios que se han realizado desde finales del siglo XX se han centrado en su mayoría en el campo de la ingeniería civil, donde existen innumerables estudios matemáticos orientados a la mejora de la EE que, por ejemplo, han permitido reducir los costes de producción y distribución, el consumo de combustibles fósiles, la emisión de gases de efecto invernadero o el coste de ciclo de vida.

Esta proliferación de estudios, con el consiguiente aumento del conocimiento, no se ha producido al mismo nivel dentro del sector naval y mucho menos en el caso de los buques de guerra, campo en el que la literatura científica existente es escasa, tanto en cantidad como en casos estudiados.

Partiendo de esta constatación, la presente tesis doctoral tiene como objetivo principal el análisis exhaustivo del estado actual de los sistemas energéticos de los buques de guerra y la aplicación de procedimientos matemáticos en este ámbito, enmarcados dentro del con- trol estadístico de la calidad (CEC) industrial.

Se identificarán en primer lugar las variables críticas para la calidad (CTQ) de los sistemas energéticos del buque, en sus diferentes modos de funcionamiento como pueden ser los de fondeado, navegando o en puerto; se medirán, se analizarán y se estimarán para facilitar la inferencia o predicciones de sus valores respecto del tiempo; se controlarán y mejorarán mediante la aplicación de herramientas de Minería de Datos (MD) (análisis exploratorio), CEC y ajuste de modelos de series de tiempo.

Con todo esto, se podrán estimar y calcular las correlaciones existentes entre las CTQ, predecir sus valores (con intervalos de confianza), definir y detectar alarmas, tendencias y patrones en los datos proporcionados por los sistemas energéticos que permitan des- cubrir posibilidades de mejora de su EE a través de la búsqueda fundamental de causas asignables.

Esto permitirá establecer líneas de acción para la modificación y diseño de los sistemas embarcados en buques de guerra existentes y futuros, así como ofrecer bases para implantar sistemas de gestión energética automática e inteligentes a través de la automatización de procesos.

[CA] En tots els sistemes energètics, des de la seva producció fins al consum, influeixen gran quantitat de variables dinàmiques, així definides per la seva relació de dependència res- pecte al temps. A causa de la gran quantitat i tipologia de variables que defineixen els sistemes energètics, es complica qualsevol actuació que tinga per objectiu, dins el camp de l'optimització i gestió de l'eficiència energètica, la seva millora.

Per aquesta raó, tant les organitzacions públiques com privades, promouen la obtenció i desenvolupament de nous procediments matemàtics que permetin tractar la complexitat de les variables implicades en les installacions energètiques i extreure adequadament la informació que proporcionen dels sistemes energètics, de cara a aconseguir arribar realment els objectius d'eficiència energètica internacionalment acordats.

La majoria dels estudis que s'han realitzat des de finals del segle XX s'han centrat majoritàriament en el camp de l'enginyeria civil, on existeixen innombrables estudis matemàtics orientats a la millora de l'eficiència energètica que, per exemple, han permès reduir els costos de producció i distribució, el consum de combustibles fòssils, l'emissió de gasos defecte hivernacle o el cost de cicle de vida.

Aquesta proliferació d'estudis, amb el consegüent augment del coneixement, no s'ha produït al mateix nivell dins del sector naval i molt menys en el cas dels vaixells de guerra, camp en el qual la literatura científica existent és escassa, tant en quantitat com en casos estudiats.

Partint d'aquesta constatació, la present tesi doctoral té com a objectiu principal l'anàlisi exhaustiva de l'estat actual dels sistemes energètics dels vaixells de guerra i l'aplicació de procediments matemàtics en aquest àmbit, emmarcats dins el control estadístic de la qualitat CEC industrial.

S'identificaran en primer lloc i les variables crítiques per la qualitat (CTQ) en els sistemes energètics del vaixell, en les seves diferents maneres de funcionament com són elsde fondejat, navegant o en port; es mesuraran, s'analitzaran, s'estimaran, i es faran prediccions del seu valor en cada instant de temps, es controlaran i milloraran mitjançant l'aplicació d'eines de mineria de dades (anàlisi exploratòria), CEC i ajust de models de sèries de temps.

Amb tot això, es podran estimar i calcular les correlacions existents entre les variables critiques per la qualitat CTQ, predir els seus valors (amb intervals de confiança), definir i detectar alarmes, tendències i patrons en les dades proporcionades pels sistemes energètics que permetin descobrir possibilitats de millora de la seva eficiència energètica a través de la recerca fonamental de causes assignables.

Això permetrà establir línies d'acció per a la modificació o redisseny dels sistemes em- barcats en vaixells de guerra existents i futurs, així com donar les bases per implantar sistemes de gestió energètica automàtica i intelligents a través de l'automatització de processos.

[EN] The energy production and consumption systems are affected by a large number of dynamic variables. Thus, these variables are defined by their relationship and its depen- dence in time. Due to, the number and typology of variables which are present in energy systems is very large. So, the actions developed to seek for Energy Efficiency improvement and optimization is too complicated.

For this reason, public and private organizations promote the acquisition and development of new mathematical procedures that allow dealing with the complexity of the variables involved in energy installations and to extract the information which the data provide from the energy systems. In order to achieve the objectives marked on international agreements, and treaties about energy efficiency.

Most of the studies which have been conducted since the late 20th Century have focused on the field of civil engineering mostly. There are countless mathematical studies aimed on improving energy efficiency, which have made it possible to reduce: production and distribution costs; consumption of fossil fuels; emission of greenhouse gases or cost of life cycle in example.

The proliferation of studies, and the consequent increase in knowledge, has not occurred at the same level within the naval sector. In fact, the case of warships is a field in which the existing scientific literature is scarce in quantity and in studied cases.

This thesis has as main objective an exhaustive analysis of the current state of the energy systems of warships and the application of mathematical procedures in this field. The work is framed within the industrial Statistical Quality Control (SQC).

Firstly, critical quality variables (CQV) will be identified in the vessel's energy systems, in its different modes of operation, such as anchor, cruising or port. The variables will be measured, analyzed, estimated, and predicted in value, rangeand and time. Also, these varialbes will be controlled and improved by the application of data mining tools (explo- ratory analysis), SQC and, they will be adjusted by time series models.

It will be possible to estimate and calculate the existing correlations between the critical variables for the CQV's quality of these systems; to predict their values (with confidence intervals) and to define and detect alarms, trends and patterns in the data provided by the energy systems. So, it is possible to discover elements which improve the Energy Efficiency over the bases of assignable causes.

This will allow establishing lines of action for the modification or redesign of the systems emabrked in the existing and future warships, as well as providing the bases to implement automatic and intelligent energy management systems through the automation of processes.